キーボードマトリックス基板の設計・製造 | アンチゴースト機能

キーボードのマトリックスPCB設計では、多数のスイッチを実用的なコントローラの行信号と列信号に変換します。マトリックス、ダイオードの方向、スキャンタイミング、デバウンス、オプションのレイアウト位置、ファームウェアのピンマップは、一貫性のある製品を構成する必要があります。配線エラーは、1つのキー、行全体、列全体、または特定の複数キーの組み合わせのみに影響を与える可能性があるため、生産テストは基板上の導通チェックだけにとどまらず、より詳細なテストを行う必要があります。

Highleap Electronicsは、メカニカルキーボード、キーパッド、コントロールパネル向けに、キーボード基板の製造、PCBAアセンブリ、ファームウェアプログラミング、マトリックステスト治具の開発をサポートしています。お客様は、キー数、レイアウト、および予定数量をお知らせいただければ、初回のお見積もりをご依頼いただけます。初回のお問い合わせには、完全な回路図は不要です。

多くのキーボードマトリックスは2層の銅箔上に実装され、両面に部品が使用されている場合があります。2層基板は片面実装とは異なり、スイッチが上面に見えるという理由だけで、マトリックス配線に片面基板が必要であると説明すべきではありません。

キーボードマトリックスのアーキテクチャと設計に関する入力情報

行と列は、各キーに1つのMCUピンを割り当てるのではなく、交差部分をスキャンすることでピン数を削減します。マトリックスの寸法は、MCUのGPIOの可用性、物理的な配線、ファームウェアのサポート、およびオプションのキー位置を考慮して選択する必要があります。効率的なマトリックスは必ずしも最小の数学的な長方形ではなく、わずかに大きなマトリックスの方が、よりクリーンな配線や優れたバリアントサポートを実現できる場合があります。

キーボードマトリックスPCBの調達と設計に関するインプット

最初の見積もりでは完成した電気パッケージは必要ありませんが、最終的な製品リリースでは明確なキー位置定義が必要になります。初期段階で最も役立つ情報は、物理的なレイアウト、おおよそのキー数、必要なインターフェース、そして顧客が既にファームウェアを所有しているかどうかです。Highleapはこれらの情報に基づいて、プロジェクトが単純なマトリックス構築、レイアウト変換、またはコントローラとファームウェアを含む製品パッケージのいずれであるかを特定できます。

ダイオード、ゴースティング、キーロールオーバー

ゴースティングが発生する理由

絶縁されていない場合、特定の3つのキーの組み合わせによって、意図しない電流経路が生成され、4つ目のキーとして認識されることがあります。マトリックスダイオードは電流の方向を制限する役割を果たし、堅牢なマルチキー操作が必要な場合にスイッチごとに装着されるのが一般的です。その向きは、マトリックスの定義とファームウェアのスキャン方向の​​両方に一致させる必要があります。

アンチゴースト機能はNKROと同一ではありません

キーごとのダイオードはゴースティングの主要な電気的原因を取り除きますが、最終的なキーロールオーバー動作はファームウェア、USB HIDレポート形式、無線プロトコル、およびテストされた特定の組み合わせにも依存します。したがって、マーケティング上の主張は、PCBのアートワークから推測するだけでなく、承認されたテスト計画に基づいて行う必要があります。

オプションのレイアウトは隠れたマトリックスリスクを生み出す

汎用PCBには、ANSI/ISOエンターキー、分割バックスペースキー、分割スペースバー、または代替の最下段キー位置が含まれる場合があります。相互排他的なスイッチのフットプリントはマトリックスノードを共有できますが、アセンブリ図とファームウェアで実際にどの位置が取り付けられているかを識別する必要があります。制御されていないオプションの位置は、重複したキー、あり得ない組み合わせ、または間違った座標を押すテスト治具を作成する可能性があります。

• ダイオードの向きを、明確なカソードマークと組立図で指定してください。
• オプションの位置によって意図しない並行経路が生成されないようにする。
• 実際の製品使用事例から選択された複数キーの組み合わせを検証します。
• 受け入れ目標が6KRO、NKRO、または顧客固有のテストセットのいずれであるかを定義します。

行/列ルーティング、スキャン、ファームウェアの相関関係

マトリックス信号は比較的低速ですが、レイアウトが不適切だと製造やEMCの問題が発生する可能性があります。長い並列配線はLEDスイッチングノイズを結合する可能性があり、スイッチピンの下に配置されたビアは機械的なクリアランスを減少させる可能性があり、基板の端や取り付け穴に近すぎる配線はパネルの取り外しや組み立て時に損傷する可能性があります。Highleapは、DFMレビュー中に間隔、穴の位置関係、ダイオードへのアクセス、テストポイントの配置を確認します。

• 基板ラベル、ファームウェア、治具全体で、行/列の命名規則を統一してください。
• ダイオードは、極性を示す目印と機械で読み取り可能な向きを合わせて配置してください。
• スイッチ穴が複数箇所にまたがる箇所で、不必要に配線を狭めるような経路は避けてください。
• 治具診断が想定される行ネットおよび列ネットに対して、テストアクセスを提供する。
• ノイズの多いLED電源経路を、感度の高いコントローラのリセット、発振器、USB領域から分離してください。

マトリックス配線は一般的に低速ですが、配線は製造性、EMI耐性、コネクタの混雑、テストアクセスに影響を与えます。多くのキーボード基板は2層基板ですが、高密度RGB、ワイヤレスモジュール、複雑な制御部などでは追加の層が必要になる場合があります。グランドプレーンは、ノイズの多い電源部やUSBポート周辺に狭いリターンラインのボトルネックや不適切なステッチングを放置する言い訳にはなりません。

スキャン、デバウンス、ファームウェア相関

ハードウェアのリリースは、ファームウェアのマトリックス定義と一致している必要があります。行ピン、列ピン、ダイオードの方向、ブートローダー、キーマップ、および製品バリアントには、リビジョン識別子が含まれている必要があります。デバウンス設定は、別のキーボードから盲目的にコピーするのではなく、実際のスイッチまたは接点技術で検証する必要があります。

QMK/VIAまたは顧客ファームウェアの場合、Highleapは承認済みのバイナリをロードし、物理鍵と論理鍵のマッピングを検証できます。ファームウェアの開発およびアルゴリズムの所有権は、プロジェクトの範囲に別途含まれていない限り、顧客が定義します。

キーボードマトリックス設計レビューチェックリスト

プリント基板の製造、組立、およびテスト治具の開発

スイッチとダイオードのパターンが繰り返されるキーボードマトリックスは、自動組み立てに適していますが、繰り返しパターンは系統的なエラーを隠してしまう可能性もあります。ダイオードプログラムの反転やフィーダーの向きの間違いは、基板全体に影響を与える可能性があります。そのため、初回品検査では、複数の座標における極性を確認し、ロット全体の生産に進む前に実際のキースキャンが行われていることを確認する必要があります。

基板単体での電気テストでは銅の接続性は確認できますが、部品やファームウェアを追加した後のマトリックスの動作は証明できません。AOIは多くの極性やはんだの欠陥を検出し、機能治具はシステムの動作を検証します。どちらも、意味のある制御を行うために必要です。

初回見積もりには基板回路図は不要です。お客様はレイアウト、キー数、希望する機能から始め、詳細なマトリックスとリリースデータは製造前に確認されます。

マトリックステスト治具と障害分離

優れた治具は、「キーボード故障」と報告するだけでなく、故障の可能性のあるグループを特定します。1列のすべてのキーが故障した場合、治具またはソフトウェアは、その列のネット、MCUピン、直列コンポーネント、またははんだ接合部を特定する必要があります。単一のキーが故障した場合は、診断によって、スイッチまたはホットスワップソケットの接点、ダイオードの向き、断線、およびファームウェアのマッピングを区別する必要があります。

ベッドオブネイルズまたはキーアクチュエーション治具は、各スイッチノードを刺激し、USBまたはシリアル出力を読み取り、その結果を解放されたキーマップと比較することができます。これにより、断線、ダイオードの逆接続、はんだブリッジ、MCUピンの誤り、ファームウェアマッピングエラーなどを識別できます。電気ネットワークテストとアプリケーションレベルのイベントテストを組み合わせることで、誤診断を減らすことができます。

1. まず、電源、クロック、およびMCUのプログラミングを確認してください。
2. 行と列のアイドル状態を確認します。
3. すべての行列の交点を刺激する。
4. ゴースティングとロールオーバーのために、定義済みの複数キーの組み合わせを実行します。
5. オプションレイアウトの位置は、該当するバリアントでのみ確認してください。
6. ネットワークおよび物理キーの場所ごとに障害を記録します。

新製品導入、設計変更、および生産記録

NPI（新製品導入）の過程では、最初に組み立てられたマトリックスを、制御されたファームウェアビルドと物理的なキー位置マップを用いて検証する必要があります。設計変更を行う際には、銅箔、ダイオードの方向、MCUピン、ブートローダー、キーマップ、または治具ソフトウェアのいずれを変更するのかを明確にする必要があります。基板のわずかな変更でも、外形が変わっていなくてもテストプログラムが無効になる可能性があるためです。

最初の見積もりは、レイアウト、概算数量、および必要な供給範囲から始まります。生産開始前に、管理パッケージには通常、ガーバーまたはODB++データ、ドリルデータ、部品表（BOM）、重心位置、組立図、マトリックス表、ファームウェアバイナリ、キーマップ、およびテスト要件が含まれます。

安定したマトリックス、ファームウェア、およびバリアント定義により、パネルの効率、部品調達、および治具の再利用性が向上します。代替ダイオード、MCU、およびコネクタは、リリース前にパッケージ、極性、電気的特性、およびプログラミングへの影響について確認する必要があります。

マトリックス基板の検査および試験記録

注文時に指定されている場合、記録には、基板電気テスト、ダイオード極性検査、AOI、ファームウェア改訂、行/列診断結果、全キー出力、承認済みロールオーバー組み合わせなどが含まれます。これらの記録は、同一のPCB、ファームウェア、および製品バリアント改訂に紐づける必要があります。

キーボードマトリックスPCB設計に関するよくある質問

キーボードマトリックスにダイオードが使用されるのはなぜですか？

これらは各スイッチ位置における電流の方向を制御し、複数のキーを同時に押した際に意図しないキー経路が通るのを防ぐのに役立ちます。

ダイオードは自動的にNKROを保証するのでしょうか？

いいえ。ダイオードはアンチゴースト機能をサポートしていますが、ロールオーバーはファームウェアのスキャン、トランスポート、およびHIDレポートの設定にも依存します。

キーボードのマトリクス基板は2層構造にできますか？

はい。2層構造が一般的ですが、RGB、ワイヤレス、またはルーティングに関する制約がある場合は、より多くの層が必要になる場合があります。

本番環境でテストすべき内容は何か？

すべてのマトリックス交点、ダイオード方向、論理キーマッピング、定義済みのマルチキー組み合わせ、USB/ワイヤレス出力、および適用可能なオプション位置。