En fördjupad översikt över tangentbords-PCB-teknik

Beskrivning

PCB är integrerade komponenter i alla elektroniska klaviaturenheter, från datortangentbord till musikinstrument. De utgör grunden för montering och sammankoppling av de olika switcharna, sensorerna, kontrollerna och andra komponenter som utgör tangentbordssystemet. PCB:n översätter användarens knapptryckningar till motsvarande ingångssignaler till den anslutna enheten.

Den här artikeln ger en omfattande översikt över de olika aspekterna av PCB-teknik för tangentbord. Den täcker olika typer av tangentbordskretskort, kritiska designöverväganden, tillverkningsmetoder, materialval och komponenter som är involverade i att bygga pålitliga och funktionella tangentbordskretskort skräddarsydda för specifika applikationer. Syftet är att utrusta designingenjörer med djupgående kunskaper för att effektivt integrera tangentbords-PCB-teknik i elektroniska produkter.

Vad är ett tangentbordskretskort?

En tangentbordskretskort hänvisar till den tryckta kretskortsenheten som fungerar som grunden för en elektronisk tangentbordsenhet. PCB:n rymmer och kopplar samman alla switchar, sensorer, mikrokontroller, kontakter och andra aktiva/passiva komponenter som utgör tangentbordssystemet.

När en användare trycker på en tangent på tangentbordet, aktiverar den motsvarande omkopplare monterad på kretskortet nedan. Denna brytarstängning detekteras av tangentbordets styrelektronik och omvandlas till lämpliga insignaler som kommuniceras till det anslutna värdsystemet som tangentbordet är anslutet till.

Tangentbordskretskort tillverkas i en mängd olika storlekar och layouter beroende på vilken typ av tangentbordsapplikation och formfaktorer som krävs. PCB för datortangentbord i full storlek rymmer över 100 nycklar medan kompakta mobila tangentbordskretskort kan ha mindre än 40 nycklar i mindre fotavtryck.

Parameter för tangentbordskretskort

Typer av tangentbordskretskort

Det finns flera typer av tangentbordskretskort skräddarsydda för olika applikationer:

Mekaniskt tangentbordskretskort – Används i mekaniska tangentbord som använder individuella fysiska brytare för varje tangent snarare än gummimembran. Detta gör det möjligt att använda anpassade brytartyper för förbättrad taktil feedback.

Speltangentbordskretskort – Optimerat för spel med funktioner som programmerbara RGB-bakgrundsbelysningszoner, makrotangenter och anti-ghosting-omkopplarmatriser.

PCB för bärbar datortangentbord – Kompakt, tunn och utformad för att integreras i trånga höljen till bärbara datorer och bärbara datorer.

Ergonomiskt tangentbords-PCB – Ergonomiskt skulpterade layouter för att möjliggöra naturlig handledspositionering och skrivrörelser för att minska trötthet.

Flexibelt tangentbords-PCB – Tillverkat på tunna, flexibla substrat som gör att tangentbordet kan rullas/böjas, vilket gör dem idealiska för bärbara applikationer.

Trådlöst tangentbordskretskort – Inkluderar trådlös anslutning som Bluetooth för att ansluta till värdenheter utan fysiska kablar.

Numeriskt tangentbordskretskort – Består endast av den numeriska tangentbordsdelen för finansiella/POS-tillämpningar som kräver numerisk datainmatning.

Multimediatangentbordskretskort – Har dedikerade tangenter för att styra multimediaapplikationer, som uppspelning/paus, volymkontroll etc.

Valet beror på formfaktor, funktionalitet, gränssnitt och användningsmiljöbehov.

Designöverväganden för tangentbordskretskort

Flera nyckelfaktorer måste beaktas när man utformar ett optimalt tangentbordskretskort:

• Storlek och layout – Tangentbordsstorleken och tangentlayouten måste matcha ergonomi, formfaktor och applikationskrav.
• Byt typ – Rätt mekanisk brytartyp som ger önskad taktil återkoppling, kraftprofil och hörbart klick måste väljas.
• Byt matrislayout – Optimal växlingsmatrisrouting som minimerar spökbilder samtidigt som kabelkomplexiteten reduceras.
• Gränssnitt – Val av trådanslutna (PS/2, USB) eller trådlös (Bluetooth, RF) tangentbordsgränssnittsteknik.
• Bakgrundsbelysning – Inkludering av RGB per nyckel LED bakgrundsbelysning för belysning och estetik.
• Inbyggda styrenheter – Mikrokontrollerfunktioner för att hantera tangentbordstillstånd, bakgrundsbelysning, makron etc.
• EMI-skärmning – Inkluderande av jordade skärmkapslingar och packningar för att minska elektromagnetiska störningar.
• Anpassning – Stöd för switch hot-swapping, alternativa knappsatser och användarprogrammerbarhet.

Noggrant övervägande av dessa parametrar resulterar i ett tangentbordskretskort som är optimalt anpassat för dess avsedda tillämpning och användningskrav.

Mekaniska omkopplare som används i tangentbordskretskort

 

Mekaniska tangentbord använder individuella fysiska omkopplare under varje knappsats i motsats till gummikupolmembran i billigare tangentbord. Dessa switchar finns i olika typer och ger olika taktila svar och hörbara signaturer. Vanliga mekaniska brytare består av:

• Vår – Återställer nyckeln till viloläge efter att ha tryckts ned. Fjäderkraften bestämmer resistansen eller aktiveringskraften för nyckeln.
• stammen – Rörlig komponent fäst vid knappsatsen som glider upp/ned för att skapa och bryta elektrisk kontakt.
• Bladfjäder – Får rörlig kontakt med skaftet för att slutföra den elektriska omkopplingskretsen.
• Baksidor – Håller samman brytarkomponenterna och ger mekanisk stabilitet.
• Kontakt – De fasta plattorna på kretskortet som de rörliga kontakterna ansluter till när strömbrytaren stänger.

Genom att variera de interna komponenterna i den mekaniska omkopplaren kan man skapa olika kraftprofiler från lätt och linjär till tung och klickande aktivering.

Mekaniska brytartyper för tangentbordskretskort

Tangentbordskretskort kan rymma olika typer av mekaniska nyckelbrytare. Huvudkategorierna är:

Linjära brytare – Jämn linjär rörelse utan taktil stöt- eller klickfeedback vid aktiveringspunkten. Populära alternativ inkluderar Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White etc.

Taktila brytare – Ger en taktil knuff men inget hörbart klick eller ljud vid aktiveringspunkten. Exempel på brytare är Cherry MX Brown, Clear, Grey, Nature White.

Klickknappar – Uppvisar både en taktil stöt och ett distinkt hörbart klick vid aktivering. Vanliga klickknappar är Cherry MX Blue, Green, Nature White och Kailh Box White.

Tysta brytare – Utformade för att generera minimalt brus även vid full nedtryckning efter aktivering. Användbara i öppna kontorsmiljöer. Cherry MX Silent Red/Black är populära tysta linjära brytare.

Olika användare föredrar vissa typer av tangentbrytare baserat på önskad känsla, ljud och skrivupplevelse. Tangentbordskretskort kan designas för att fungera med en mängd olika tillgängliga specialmekaniska brytare.

Monteringsstilar för mekanisk brytare som används i tangentbordskretskort

Mekaniska omkopplare finns i två orienteringsstilar – 3-stift och 5-stift – som dikterar hur de samverkar med PCB:n:

3-poliga brytare – Har två stift för de elektriska kontakterna och en för montering. Kräver ytterligare plattstöd eller tjockare kretskort för stabilitet.

5-poliga brytare – Har två extra plaststift för justering och stabilitet vid direktlödning på kretskortet utan platta.

För plåtmonterade tangentbord fungerar båda typerna eftersom plattan ger mekaniskt stöd. Hot-swappable PCB fungerar vanligtvis bara med 3-stiftsbrytare.

De extra stiften kan klippas bort om en 5-stiftsomkopplare används i en 3-stifts PCB-applikation för tangentbord. Orienteringen påverkar inte omkopplarens elektriska eller taktila egenskaper.

Plattornas roll i tangentbordskretskort

Plattor är plåtar av metall (aluminium, stål) eller plast (polykarbonat, akryl) som monteras ovanför kretskortet och under omkopplarna:

• De har utskärningar som varje nyckelbrytare sticker ut genom samtidigt som de är fästa på plattan.
• Plattor ger strukturell styvhet och motstånd mot brytardeformation under intensiv pressning.
• De säkerställer brytarinriktning och avståndskonsistens över tangentbordet.
• Plattor minskar tangentbordets flexibilitet och förbättrar skrivkänslan.

Plattor är obligatoriska för mekanisk integritet i plåtmonterade switchtangentbord. Vissa PCB-monterade tangentbord kan eventuellt utelämna plattor för att minska kostnaden och tjockleken.

Bygga ett anpassat tangentbordskretskort

Elektronikentusiaster kan designa och konstruera sina egna anpassade tangentbordskretskort:

Schematisk design – Skapa kretsschemat för tangentbordet med komponenter som mikrokontroller, brytare, lysdioder etc.

Kretskortslayout – Designa det fysiska kretskortet med komponenterna utlagda och switchmatrisen definierad.

Firmware-kod – Skriv firmware-logik och belysningsstyrningskod för mikrokontrollern.

3D-modellering – Modellera tangentbordshöljet och plattan i CAD-programvara.

Kretskortstillverkning – Få det designade kretskortet tillverkat och komponenterna anskaffade.

Montering – Löd fast komponenter som brytare, styrenhet och kontakter på det tillverkade kretskortet.

Flashing Firmware – Programmera styrprogrammets firmware på mikrokontrollern.

Testning – Validera tangentbordets funktionalitet före slutlig integration.

Integrering av hölje – Montera tangentbordet i det 3D-utskrivna eller fabrikstillverkade höljet.

Att bygga ett anpassat tangentbord är mycket givande men kräver betydande färdigheter i design, kodning och tillverkning tillsammans med tillgång till nödvändiga komponentkällor och tillverkningstjänster.

Komponenter som används i tangentbordskretskort

Nyckelkomponenterna som utgör en funktionell PCB-krets för tangentbord inkluderar:

Strömförsörjning – Tangentbord använder +5V eller +3.3V ström via sitt värdgränssnitt (USB/trådlöst). Inbyggd spänningsreglering kan också vara integrerad.

Mikrokontroller – Denna bearbetar tangenttryckningar, kör ljuseffekter, hanterar trådbunden/trådlös kommunikation etc. Exempel på mikrokontroller är Atmega32, RP2040, Elite-C.

Brytare – Diskreta mekaniska nyckelbrytare eller gummikupolmatriser som används för användarinmatning.

Brytdioder – Används för att förhindra problem med ghosting i elektriska brytarmatriser, vilket möjliggör fler samtidiga tangenttryckningar.

Tangent-LED-lampor – Använd enfärgade eller RGB-LED-lampor under varje tangent för belysning och effekter.

Pull-up-motstånd – Används för tillförlitlig omkoppling och för att förhindra falska aktiveringar.

ESD-skydd – Skyddar känslig styrelektronik från elektrostatiska urladdningar.

Filterkondensatorer – Minskar elektriska störningar på tangentbordets datalinjer.

Kommunikationsgränssnitt – Trådbundna gränssnitt som USB eller trådlösa som Bluetooth för värdanslutning.

Jämför standard- och mekaniska tangentbordskretskort

Det finns några anmärkningsvärda skillnader mellan grundläggande membranbaserade tangentbordskretskort jämfört med mekaniska tangentbordskretskort:

• Växlingsmekanism – Membrantangentbord använder tryckta kretsar på ett flexibelt membran som böjs när de trycks ned. Mekaniska tangentbord har individuella separata omkopplare för varje tangent.
• Taktil feedback – Membrantangentbord har minimal taktil feedback med en mjuk mosig känsla. Mekaniska omkopplare ger exakt taktil och hörbar feedback med en skarp press.
• Switch Customization – Mekaniska tangentbord tillåter användning av olika specialiserade brytartyper efter användarpreferens. Membrantangentbord erbjuder minimal anpassning eller växlingsval.
• Livslängd – Individuella mekaniska brytare är klassade för 50+ miljoner tangenttryckningar. Membrantangentbord slits ut efter 5-10 miljoner tryck som leder till misslyckanden.
• Signalbehandling – Membrantangentbord använder en passiv kapacitiv avkänningsmatris. Mekaniska tangentbord använder aktiv digital omkoppling som kräver dioder.
• Pris – Mekaniska tangentbordskretskort med diskreta omkopplare kostar många gånger mer än mönsterkort för membrantangentbord.

Övergripande mekaniska tangentbord erbjuder överlägsen livslängd, anpassning och användarupplevelse jämfört med membranbaserade konstruktioner.

Vanliga tangentbord PCB-storlekar

Tangentbordskretskort finns i olika storlekar beroende på antalet medföljande nycklar. Några vanliga storlekar är:

• 40% – Ultrakompakt format med alfatangenter och lite skiljetecken. Kräver Fn-tangentkombinationer.
• 60% – Inkluderar alfa-tangenter, modifierare, pilar men saknar funktions- och navigeringsknappar. Populär "poker" storlek.
• 65% – Liknar 60 % med extra dedikerade piltangenter. Används i vissa bärbara datorer.
• 75% – Innehåller alfa-tangenter, modifierare och funktionstangenter men inga numeriska tangenter.
• 80 %/TKL – Tenkeyless utan numeriska tangenter men alla andra tangenter närvarande.
• 100% – Fullstort kort med integrerad numerisk knappsats och alla nycklar. Det vanligaste PC-formatet.

Mindre kretskortsstorlekar för tangentbord används för att maximera portabiliteten medan större optimerar produktiviteten. Applikationskontexten styr storleksvalet.

Designa tangentbordets PCB-layout

PCB-layouten ordnar komponenterna och dirigerar deras anslutningsmöjligheter för att implementera tangentbordskretsen i de verkliga fysiska begränsningarna:

• POSITIONSKOMPONENTER – Mikrokontroller, kontakter, omkopplare grupperade funktionellt och placerade på lämpligt avstånd.
• MATRIX ROUTING – Optimerad omkopplarmatris förbindande rader/kolumner upptäcker knapptryckningar på ett tillförlitligt sätt.
• KONTROLLKRETS – Höghastighetsdirigering med minimal längd för MCU.
• ISOLERING – Håll störande digitala spår borta från analoga känsliga.
• FORMFAKTOR – Komponentpositioner matchar tangentbordets externa höljesbegränsningar.
• SERVICEBARHET – Testpunkter tillhandahålls för att validera funktionalitet.
• TILLVERKNING – Tillverkningsprocesser för brädhus med hög avkastning övervägs.

Välplanerade tangentbords-PCB-layouter minimerar komplexitet och överhörning samtidigt som de är lätta att tillverka och montera i volym.

PCB-koppartjockleksval för tangentbord

PCB-koppartjockleken beror på den erforderliga strömkapaciteten:

• Standardtangentbordsspår bär endast låga strömsignalnivåer, så 1 oz. koppar (35 μm) är typiskt.
• Vissa speciella RGB-bakgrundsbelysta speltangentbord använder tyngre 2 oz. koppar (70 μm) för att hantera högre LED-strömmar utan spänningsfall.
• Maximal tillåtna mönsterkortsspårbredd och -avstånd tar också hänsyn till valet av kopparvikt.

I de flesta fall, 1 oz. koppar erbjuder den rätta balansen mellan konduktivitet och tillverkningsbarhet för tangentbordskretskort med tanke på deras låga effektbehov.

Byt monteringsstil i tangentbordskretskort

Mekaniska tangentbordsomkopplare är fysiskt monterade på PCB:n med antingen lödfogar eller hot-swap-uttag:

Lödda – Brytarterminalerna är direktlödda på kretskortsplattorna för att både elektriskt ansluta och mekaniskt förankra brytaren. Ger pålitlig hållbarhet men är inte avtagbar.

Hot-Swap-sockel – En sockelstiftshuvud är förlödd till kretskortet och brytarstiften ansluts till denna sockel utan att någon lödning behövs. Möjliggör byte av brytare men socklar kan slitas ut vid upprepade isättningscykler.

Hot-swap-tangentbord kräver en platta för att förstärka brytarmonteringen medan lödda tangentbord eventuellt kan utelämna plattan om tjockleken är en begränsning. Den önskade anpassningsflexibiliteten styr valet mellan lödda och hot-swap-tangentbords-PCB-konstruktioner.

Tangentbord PCB Plate Materialval

Plattorna som är monterade på tangentbordskretskort är vanligtvis konstruerade med:

Aluminium – Vanligaste materialet för tangentbordsplattor. Ger styvhet vid låg vikt. CNC-fräst med hög noggrannhet. Kan anodiseras i olika färger. Minimal kostnad.

Rostfritt stål – Erbjuder störst mekanisk styvhet men är tyngre. Låg korrosion och viss estetisk anpassning som färgfyllningar.

Mässingsplatta – Mässingsplattor är kända för sin mjukare känsla av att vara nedåtriktade, vilket ger en subtil dämpande effekt. De producerar ett lägre ljud jämfört med aluminiumplattor och väljs ofta för ljuddämpande ändamål. Mässingsplattor kan öka keyboardets vikt på grund av sin densitet.

Kolfiber – Mycket lätt och styvt alternativ. Visuellt tilltalande med vävd finish. Kostar betydligt mer än aluminium.

Akryl – Prisvärt plastalternativ. Möjliggör kantljusledare i kombination med underglödande LED-lampor. Högre flexibilitet än metallplattor.

FR4-platta – FR4-plattor väljs ofta för budgetkeyboards på grund av deras överkomliga pris. De erbjuder en distinkt ljudprofil med en djupare ton jämfört med aluminiumplattor. Det är dock värt att notera att FR4-plattor tenderar att dämpa keyboardets övergripande ljud, vilket potentiellt kan minska dess livfullhet.

Akrylplatta – Akrylplattor rekommenderas vanligtvis inte om de inte är tillräckligt tjocka. Tunna akrylplattor medför risk för sprickbildning eller splittring. Tjockare akrylplattor kan producera en djupare ljudprofil liknande andra plastplattor.

Polykarbonat – Ett annat plastalternativ med god hållbarhet och transparens för ljuseffekter. Ger måttlig taktil återkoppling.

Den önskade strukturella styvheten, vikten, hållbarheten, kostnaden och de kosmetiska preferenserna styr valet av plåtmaterial vid design av ett tangentbordskretskort.

Kayboard PCB produktionsprocess

Testning av tangentbords-PCB

Paket med tangentbord PCB

Slutsats

Tangentbordskretskort omfattar en mängd olika tekniker som är skräddarsydda för det expansiva applikationsutrymmet som spänner över konsument-, industri- och nischdomäner. Den här artikeln ger en holistisk översikt över de olika överväganden som är involverade i att konstruera optimerade tangentbords-PCB-system baserat på kontextuella krav.

Genom att förstå de ömsesidigt beroende sambanden mellan tangentbords- PCB-material , val av mekaniska brytare, layout- och routingfaktorer, mikrokontrollerfunktioner, gränssnittsalternativ och användningsmiljöer kan konstruktörer göra kloka val för att skapa anpassningsbara, högpresterande och tillförlitliga tangentbordsimplementeringar.