使用金屬簧片當橡膠按鍵的注意事項與按鍵不靈敏問題探討

dimple_metal_dome上一篇文章介紹過大部分的手機按鍵都使用金屬簧片(metal dome)來當作其按鍵接觸開關的優缺點,也因為大部分的金屬簧片都會在其正中間的位置設計一個凸點(dimple)來當作接觸點,所以一開始我們的設計單位很擔心按鍵的所有的力量都會加諸於這一點,經過長時間反覆按壓之後可能會在PCB的金手指上造成凹陷的損壞,導致接觸不良發生,因此我們的設計單位決定選擇沒有凸點(dimple)的簧片設計

經過了信賴度及壽命實驗後,證實沒有凸點(dimple)的簧片(metal dome)的確可以耐按壓測試至少1,000,000(一百萬)次以上功能良老。可是好景不常,拿掉凸點(dimple)之後生產線卻陸陸續續回報有按鍵不靈敏的問題出現。

所謂的按鍵不靈敏(keypad insensitivity)是輕壓按鍵直到有「喀」的感覺時按鍵無法作動,也就是不能驅動電子訊號,必須要再加更多的力氣往下按壓才會驅動按鍵的功能。







一開始我們的設計單位把問題的矛頭指向了PCB表面氧化的問題,我們使用的是ENIG(化鎳浸金)的板子,這種板子如果在板廠的製造過程如果沒有控制好P(磷)的濃度,經常會發生黑墊(Black pad)的問題。

下面的板子經過了高低溫度及濕度的環境循環測試後,出現了一些黑色斑點,試著用無水酒精擦拭這些斑點後,按鍵不靈敏的問題就不見了,可是再重複一次溫濕度的循環之後,不靈敏的問題又重複出現,這個問題一直讓設計單位百思不得其解。
 PEC_ENIG_after_storagePCB_ENIG02

後來我們更發現按鍵不靈敏的問題其實不只是可能的「黑墊」氧化問題,其實,只要有一點點的灰塵、毛屑剛好掉落在按鍵的位置,就會影響到按鍵的功能,這一點也可以解釋為何輕壓按鍵時沒有反應,必須要重壓按鍵才可作動,因為只要在按鍵的電路上有任何的不導電髒東西,都有可能會阻擋金屬簧片下壓後與PCB的接觸,只要再加更多的力氣把髒東西壓扁或是讓金屬簧片其他的地方接觸到電路板就可作動按鍵了。

黑墊氧化的生成造成按鍵不靈敏的問題也可以視作是PCB析出了不導電的物質在電路板的表面,阻擋了金屬簧片與電路板的接觸,只要把這些不導電的物質排除,就可以作動按鍵。
dust on keypad area,按鍵線路上有毛屑 dust on keypad area,按鍵線路上有灰塵

既然這些內在的黑墊氧化物與外來的灰塵及毛屑無法有效的受到控制,於是我們開始想如何在有這些髒東西的情況下還能導通金屬簧片與電路板。

聰明的你應該已經想到了,沒錯就是把原本在金屬簧片的小凸點(dimple)加回來,小凸點可以有效碾碎或穿透這些細小的髒東西,達到與電路板接觸的目的。可是這麼一來就會到了圓點,我們當初擔心的有效壽命可能就會縮短,於是我們開始尋找多個凸點的金屬簧片,果然,市面上真的有3個、4個、及5個凸點的金屬簧片在量產,原來別人早已經有過相同的問題,所以才會發展出這些多凸點的金屬簧片。

metal_3_dimple_picture metal_4_dimple_picture metal_5_dimple_picture

事實上我們測試過所有的多凸點金屬簧片,後來我們選用了3個凸點的金屬簧片,因為這個設計就已經可以符合我們1,000,000次的手指按壓的要求了,不過按壓的力量會變大一點,但工作熊個人覺得觸感反而更好。
3 dimples metal

經過了1,000,000次的手指按壓壽命測試後,只有少部份的按鍵金層稍微有壓陷的痕跡,在顯微鏡下觀察也都沒有看到金層斷裂的現象,足見金的延展性真的很好。
 metal_dome_dimple_markx50 metal_dome_dimple_markx100


延伸閱讀:
橡膠按鍵簡介(Rubber keypad)
RCA 橡膠按鍵印刷的耐磨測試
橡膠按鍵使用金屬簧片的優缺點


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