メタルドーム PCB パッドおよびレイアウト設計ガイド: フットプリント、はんだ付け性、および電気的検証

メタルドームスイッチは機械的にはシンプルですが、電気的には精密です。ドームはステンレス鋼のディスクで、作動力に達すると中心を通ってスナップし、中心パッドと PCB 上の環状リング パッドの間の回路を閉じます。触感の品質と接触の信頼性は、ドーム自体だけでなく PCB レイアウトによっても決まります。パッドの形状を正しく設定すれば、スイッチはデータシートに記載されている力と寿命のデータに従って機能します。それを間違えると、同じドームの抵抗が変動したり、メッキが摩耗したり、定格寿命よりずっと前に断続的に故障したりすることになります。このガイドでは、消費者向け、産業用、自動車向けプログラムにわたる制作経験に基づいて、実際に重要なレイアウト ルールをまとめています。

パッドの形状: 2 つのパッドのアーキテクチャ-

標準のドーム コンタクトは、PCB 上の 2 つのパッドを使用します。1 つは中央のパッド、もう 1 つは銅のギャップで区切られ、それを取り囲む環状リング パッドです。ドームがパチンと開くと、その接触リングが隙間を埋めて 2 つのパッドを接続します。 3 つの次元でジオメトリが定義され、それぞれに動作範囲があります。

• センターパッド径：通常、ドームのコンタクト リング直径の 50 ～ 70% です。センターパッドが大きすぎると、ドームの外側リングがセンターパッドに直接接触し、スイッチがショートして永久に閉じてしまう可能性があります。小さすぎると、ドームコンタクトが確実に固定されないか、はんだ/メッキ仕上げのためのパッド面積が不十分になる可能性があります。
• アニュラーリングパッド:外側パッドの幅は通常 0.4 ～ 0.8 mm の銅で、ドーム リングの接点と、スイッチから離れたビアまたはトレースの配線を運ぶのに適したサイズです。リングはセグメント化されているのではなく、センターパッドの周りで連続している必要があり、そのためドームは回転位置に関係なく同じ電気ネットに接触します。
• パッド間のギャップ:ほとんどのドーム サイズの動作範囲は 0.3 ～ 0.5 mm です。ギャップが広すぎると接触面積が減少し、接触抵抗が増加します。ギャップが狭すぎると、パッド間にはんだブリッジまたはメッキブリッジが発生し、スイッチが短絡する危険があります。

ドームの直径によって絶対数が決まります。5 mm のドームでは、およそ 2.2 ～ 2.6 mm のセンター パッドと外径 3.6 ～ 4.2 mm のリングが使用されます。 12mm のドームは比例して拡大縮小します。疑問がある場合は、別のサイズから推定するのではなく、ドームのサプライヤーに特定のドーム サイズの設置図を要求してください。

表面仕上げ: 接触インターフェース

ドーム接点は作動のたびにパッド表面を拭くため、パッドの仕上げによって寿命にわたる接触抵抗の傾向が決まります。ドーム用途の実用的な選択肢を、パフォーマンスの順に示します。

• ENIG (無電解ニッケル浸漬金):ドームスイッチパッドの標準的な選択肢です。ニッケルバリアが銅の移動を阻止し、薄い金層が作動バジェットに耐える安定した低抵抗の接触面を提供します。-一般的なENIG金の厚さは3～6μmのニッケルの上に0.05～0.1μmです。
• イマージョンシルバー：コスト重視のボードの代替品-。銀の表面は接触面に優れていますが、湿気の多い環境では変色が早くなるため、密閉された用途や乾燥した用途に適しています。
• HASL:ドームパッドには推奨されません。はんだの表面は凹凸があり、ドーム接点が頂点に引っかかり、作動力の感触と接触抵抗が変化する可能性があります。
• OSP:ドームの配置後に基板をはんだ付けする低寿命、低コストの用途に使用できますが、有機コーティングは金属仕上げのように接触面を保護せず、寿命にわたる抵抗のドリフトが大きくなります。{0}}

寿命と抵抗が指定されている自動車および医療プログラムの場合、ENIG がデフォルトであり、めっきは最初の記事で検証されます。-パッドの仕上げはドーム メッキとも相互作用します。ENIG パッド上の金-メッキ ドームは最も安定した組み合わせであり、浸漬銀パッド上の銀-メッキ ドームは、密閉型モジュールのコストが最適化された組み合わせです-。

フットプリントの配置と位置合わせ

ドームとパッド間の調整は、スイッチのパフォーマンスに関する問題の最も一般的な根本原因です。ドームはパッドセットと同心円状に配置されている必要があります。ドームのオフセットが 0.2 mm でも、フォース カーブが変化し、コンタクト リングが環状パッドから離れる可能性があります。次の 3 つのルールで位置合わせを制御します。

• ドーム サプライヤーのフットプリント レイヤーを使用します。一般的なスイッチ記号からではなく、正確なドーム サイズに対してサプライヤーが推奨する設置面積からパッドを配置します。フットプリント内のパッド座標は、ドームの接触リングまで測定されます。
• ドームの配置データムを定義します。手動配置または半自動配置の場合、PCB シルク スクリーンでドームの輪郭または中央の十字をマークする必要があります。-自動配置の場合、ピックアンドプレイス プログラムはパッドの位置を特定するのと同じ基準を使用します。--
• 最初の記事で配置を確認してください。最初の基板は X 線検査または透明なドームを通して (またはドームを取り外した状態で) 目視検査され、ドーム リングがサプライヤーの許容範囲内 (通常、小さなドームの場合は ±0.15 mm 以上) 内で環状パッド上に設置されていることを確認します。

キャリア上のドーム アレイの場合、アライメントは個々の配置ではなくアレイ ツールによって定義され、アレイ図面には、PCB レイアウトが一致する必要があるパッド-と-の位置許容差が指定されます。

はんだ付け性と配置順序

ドームは伝統的な意味ではんだ付けされることはほとんどありません。これはオーバーレイまたはキャリアによって保持され、PCB 接点が電気的な役割を果たします。しかし、PCB は他のコンポーネントのリフローを依然として受けており、ドーム パッドははんだ関連の 2 つのリスクに直面しています。- 1 つ目は、パッド表面へのはんだの吸い上げです。はんだペーストが環状リングまたはセンター パッド上に広がると、ドームが仕上げ面ではなくはんだと接触し、接触界面が変化し、作動力を変える隆起点が生じる可能性があります。ルールは、半田ペーストをドームの接触領域から遠ざけることです。パッドをマスクするか、非ドーム ランドにのみペーストを印刷するペースト ステップを使用します。- 2 つ目はフラックス残留物です。パッド上に残ったリフローフラックスは、接触抵抗を上昇させる皮膜を形成します。最終組み立ての前にドームを配置するときに、残留物を少なくするために選択された洗浄ステップまたは非洗浄フラックスが指定されます。-

配置順序も重要です。基板が 2 回目の熱サイクル (コネクタのリフローなど) を通過する前にドームを配置する場合、ドームは変形することなくその温度に耐える必要があります。ほとんどのステンレス鋼ドームは、さらに 1 回のリフローに耐えます。ボードに複数の加熱ステップがある場合は、サプライヤーのドーム温度定格を確認する必要があります。

電気検証およびテストパッド

すべてのドーム スイッチの位置は基板テスト段階で電気的に検証可能である必要があり、それが簡単か困難かはレイアウトによって決まります。 2 つのテスト設計ルール:

• リングとセンター パッドをテスト ポイントに配線します。各スイッチ位置では 2 つのネットがプローブ ポイントまたは-釘の床-テスト パッドに引き出されるため、フライング プローブ テストでドームを設置した状態でスイッチの閉抵抗を測定できます。{{2}
• ドームを削除した導通テストを許可します。{0}: the open resistance between the center and ring nets (with the dome absent or the overlay not yet installed) verifies that the two pads are not bridged by solder or plating. The test spec sets the minimum open resistance, typically >5Vで1MΩ。

ドーム スイッチの閉接点抵抗の目標は通常、定格電流で 100mΩ (多くの場合、5V で 10mA) 未満であり、レイアウトの影響はパッドの仕上げとトレース抵抗です。スイッチへの長くて細い配線は抵抗を加えます。大電流または長寿命プログラムの場合、リングとセンター ネットはより幅広の配線で配線されるか、二重化されて直列抵抗が低減されます。-

ESDとレイアウト保護

ドーム スイッチはユーザーに面する面に設置されているため、静電気が発生します。{0}このレイアウトは、標準ツールキットを使用してスイッチとダウンストリーム回路を保護します。スイッチから離れるトレース上の直列抵抗と TVS、ドーム領域近くのガード リングまたはグランド プレーン、ドーム パッドと隣接する高電圧ネットの間に十分なスペースがあります。-同じパネル上の静電容量式-タッチ コンパニオン ゾーンの場合、ドーム スイッチの配線は静電容量式センシング領域から遠ざけられるため、タッチ センシングがスイッチ信号を拾うことはありません。

構成によっては、ドーム自体が接地された金属部分になります。ドームが電気的に通電している（リング ネットに接続されている）場合、レイアウトはドーム領域を露出した端から離し、ユーザーがアクセスできる入力と同じ ESD 保護を備えたスイッチ ネットを配線する必要があります。{0}}

アレイレイアウトのドームサイズとピッチの選択

ドーム アレイとマルチスイッチ ボードの場合、レイアウトの問題は単一のパッド セットからスイッチ間のピッチと絶縁にまで及びます。{0} 2 つのドーム位置間の最小ピッチは、ドームの直径とリング パッドの延長部分、およびパッド間のトレース配線スペースによって設定されます。通常、5mm ドームの場合、単層配線では 7-8mm-- の中心間ピッチが必要ですが、マイクロ-ビアや 2 層フレックスではさらに密になります。アレイが単一のドーム シートとして配置される場合、ピッチはドーム シート ツールによって固定され、PCB レイアウトはシートのパッド位置と正確に一致する必要があるため、シート図面と基板レイアウトが一緒にリリースされます。

隣接するスイッチ間の絶縁が 2 番目のリスク ポイントです。隣接するドームのリング パッドが狭いピッチで互いに接近しており、2 つのリング ネット間のはんだブリッジまたはメッキ ブリッジがスイッチを短絡させます。このレイアウトでは、2 つのリング パッド間に明確な絶縁ギャップが維持され、下の層で 2 つのネットが分離されます。基板段階でのオープン抵抗テストによって絶縁が検証されます。-同じキャリア上にドームとトレースの両方を搭載するアレイの場合、ドーム領域の下のトレース レイアウトはコンタクト リングから遠ざけられるため、ドームのスナップスルーがトレースにぶつかったり、意図しないネットに短絡したりすることはありません。-

ボードレベルでのフォースカーブの検証

電気的レイアウトはドーム スイッチの性能の半分にすぎません。触覚力はドームとオーバーレイによって設定され、ボードはパッドの平坦性とドームの下のサポートに貢献します。 2 つのボード-レベルの詳細が力の測定に影響します。 1 つ目はパッドの高さです。厚いはんだマスクまたはドームの下の盛り上がったメッキ バンプによって、移動量と知覚される力が変化します。マスクはサプライヤーのフットプリントが要求するドーム領域の下で削除または薄くされ、はんだマスクの開口部はデフォルトのままではなく、フットプリントのマスク層に描画されます。 2 つ目はドームの下のサポートです。薄いボードまたはフレックスでは、ドーム領域の背後にサポート パッドまたは補強材が必要です。そのため、作動エネルギーはボードのフレックスではなくドーム スナップに入ります。フォース カーブは、実際のオーバーレイを実装した基板上のフォース ゲージで検証され、設計が製品にリリースされる前に、測定されたカーブがドーム データシートのカーブと比較されます。

これら 2 つのチェックにより、- パッドの平坦性とサポートの剛性がチェックされます - は、電気的に正しいレイアウトであれば残る「ドームの感触がおかしい」という苦情の大部分を検出します。

リリース前のレイアウトチェックリスト

次のチェックリストは、基板が製造にリリースされる前に、ドーム スイッチ レイアウトの欠陥の大部分を検出します。

• センター パッドと環状リング パッドは、正確なドーム サイズのサプライヤーの設置面積と一致します。
• パッド間のギャップは 0.3 ～ 0.5 mm 以内で、はんだまたはメッキ マスクの開口部がブリッジしないようにしてください。
• パッド仕上げは ENIG (または指定されたコンタクト仕上げ)。半田ペーストはドーム接触領域から除外されます。
• ドーム配置データムがマークされ、位置合わせ公差が図面に記載されています。
• 両方のスイッチ ネットは、定義された開閉抵抗仕様を持つテスト ポイントに配線されます。
• ESD 保護コンポーネントはスイッチ ネット上に配置され、スイッチ トレースは容量性領域から離れています。
• ドーム温度定格はすべてのボードの熱サイクルに対してチェックされます。

Shanyo (ブランド Shanyo、青島 Shanyuan Precision Electronics) はメタル ドームを供給します。ドームスイッチコンポーネントとドームシートアレイ各ドーム サイズのフットプリント図とレイアウトのサポートがあり、エンジニアリング チームはリクエストに応じて顧客のレイアウトをレビューします。新しいプログラムの場合は、フットプリントの図面とパッド仕上げの推奨事項がドームの見積書に含まれているため、PCB レイアウトとコンポーネントは最初から調整された状態で到着します。