基于ANSYS Workbench的貼片式硅膠按鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

何為

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541000）

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基于ANSYS Workbench的貼片式硅膠按鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

何為

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541000）

摘要:硅膠按鍵是以硅膠為原材料制作而成的一種按鍵產(chǎn)品，在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用。研究了一種結(jié)構(gòu)合理、回彈性好、手感優(yōu)異并且能夠適合表面組裝生產(chǎn)線的貼片式硅膠按鍵，以按鍵彈力曲線作為設(shè)計(jì)的主要因素，具有一定的使用價(jià)值。關(guān)鍵詞:硅膠按鍵；表面組裝；貼片式；按鍵彈力曲線

硅膠具有優(yōu)良的耐高溫、耐寒、耐天候、電絕緣性[1]以及耐疲勞性能，廣泛用于化工、冶金、航天、輕工、電子電訊等部門[2]。它在電子電訊方面的應(yīng)用發(fā)展較快，尤其是制作各種按鍵。早期的按鍵是塑料與金屬彈簧兩者結(jié)合，出現(xiàn)按鍵力大、手感不舒服、效率低等問題，而且使用壽命特別短。而后發(fā)展為電動(dòng)按鍵，雖使用方便，但其按鍵太笨重，設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜、造價(jià)高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，硅膠按鍵成為上述兩種按鍵的替代品。硅膠按鍵的結(jié)構(gòu)是在電路板上放置導(dǎo)電鍵，通過導(dǎo)電膠粒接觸電路板而產(chǎn)生電訊號(hào)。這種按鍵克服了上述兩種按鍵的不足。本文提出的貼片式硅膠按鍵是通過表面貼裝技術(shù)，快速高效的組裝到線路板上，節(jié)約了人工和成本[3]。

1　表面貼裝技術(shù)

表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，SMT），是新一代電子組裝技術(shù)，它將傳統(tǒng)的電子元器件壓縮成為體積只有幾十分之一的器件，從而實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生產(chǎn)的自動(dòng)化。它是一種無需在印制板上鉆插裝孔而直接將短引線或無引腳表面組裝元器件安裝在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的表面或其它基板的表面上已施加焊料的規(guī)定位置，并通過再流焊或浸焊等焊接方法進(jìn)行組裝并使元器件與印制電路板之間構(gòu)成機(jī)械和電氣連接的電路裝連技術(shù)。表面貼裝工藝主要包括核心和輔助兩大工藝。其中核心工藝由印刷、貼片和再流焊三部分組成，幾乎任何類型的電子產(chǎn)品的生產(chǎn)都要經(jīng)過這三道工序，各部分缺一不可。印刷工藝的作用是通過使用焊膏印刷設(shè)備和模板使焊膏準(zhǔn)確無誤地印刷到PCB線路板上。焊膏是將片式元器件與PCB線路板焊盤連接導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)其機(jī)械和電氣連接的重要工藝材料。貼片工藝的作用是確保所有片式元器件準(zhǔn)確、快速地貼到PCB線路板相應(yīng)的位置上。再流焊工藝的作用是通過熔化預(yù)先印刷到PCB線路板焊盤上的焊膏，從而實(shí)現(xiàn)表面貼裝片式元器件的焊接面或引腳與PCB線路板焊盤之間機(jī)械和電氣的連接。

2　硅膠按鍵的彈力曲線

電子產(chǎn)品所采用的彈性按鍵多是經(jīng)過硅橡膠注入按要求設(shè)計(jì)好的模腔塑造成型的，作為數(shù)據(jù)輸入以及操作的關(guān)鍵部件，硅膠按鍵早已經(jīng)被廣泛用于各種各樣的電子產(chǎn)品之中。但是在實(shí)際使用中，會(huì)發(fā)現(xiàn)有許多電子產(chǎn)品的按鍵很容易出現(xiàn)缺陷，比如因按鍵力過大而感到操作費(fèi)力，或者因?yàn)榘存I回彈力過小按鍵出現(xiàn)塌陷，按壓手感特性差，使用壽命短等，出現(xiàn)這些現(xiàn)象多是由于硅膠按鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在很多缺陷。在進(jìn)行硅膠按鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須認(rèn)真考慮按鍵的按壓手感特性。壓手感特性是可以利用按鍵下壓過程中彈力變化的特征曲線推導(dǎo)出來的按鍵的彈力特性曲線即按鍵荷重曲線，硅膠按鍵的按壓手感（Click Feeling）、壓力（Force）及行程（Stroke）是硅膠按鍵產(chǎn)品的三個(gè)主要參數(shù)，也是硅膠按鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)決定性因素?？梢杂脡毫?位移曲線表示這三個(gè)因素的相互關(guān)系。硅膠按鍵的彈力特性曲線可以使用按鍵荷重曲線儀進(jìn)行繪制，曲線儀的測(cè)量頭模擬用戶的手指操作按鍵下壓的過程，按鍵的彈性力反作用于測(cè)量頭上，將按壓力的變化經(jīng)過傳感器傳輸?shù)捷敵龆?，并由電腦界面顯示出彈力隨按鍵行程變化的曲線（圖1），這樣硅膠按鍵的手感特性就可以通過彈力特性曲線反映出來。通過設(shè)計(jì)硅膠按鍵的結(jié)構(gòu)控制手感率的范圍可以獲取良好的操作手感。

圖1　按鍵彈力曲線

作用力（Actuation Force）是操作者對(duì)按鍵施加的力，這個(gè)力將會(huì)導(dǎo)致斜壁彎曲。

接觸力（Contact Force）是導(dǎo)電黑粒與PCB接觸時(shí)按鍵上施加的力。

行程（Travel）是導(dǎo)電黑粒與PCB之間的距離。

從按鍵荷重曲線看，測(cè)量頭從接觸按鍵頂部到下行至導(dǎo)電觸點(diǎn)即將壓至印制線路板為按鍵的下行過程。在硅膠按鍵的下壓過程中，隨著硅膠基體變現(xiàn)的不斷增大，測(cè)量頭受到按鍵的反作用力逐步增大，大概到行程的一半時(shí)，按壓彈力達(dá)到最大值（Fm），這時(shí)硅膠按鍵的壓縮彈性變形達(dá)到了最大，隨著按鍵進(jìn)一步的下行，彈力不斷下降，這時(shí)候因?yàn)榇撕髲椥宰冃尾课婚_始回縮，彈力變小。對(duì)于一般的圓錐形硅膠按鍵，其壓力范圍為0.3 N~2.5 N較為合適。當(dāng)按鍵下行到導(dǎo)電觸點(diǎn)即將接觸到印制線路板時(shí)，彈力達(dá)到最低（Fn），隨后導(dǎo)電觸點(diǎn)壓到印制線路板時(shí)，由于印制線路板的反作用力，使測(cè)量頭受力迅速變大，曲線幾乎呈直線上升，按鍵完成了下行過程。

按壓手感是由于按鍵下行過程中按鍵斜壁經(jīng)不住載荷力時(shí)開始跨落而產(chǎn)生的斷落感。因此，按壓手感的好壞取決于Fm和Fn大小的差值，實(shí)際上，按壓手感取決于Fm-Fn與Fm比值的大小，這個(gè)比值也叫做按壓手感率（Click Feeling Rate），其表達(dá)式為：

Click Feeling Rate=（Fm-Fn）/Fm×100%

當(dāng)按壓手感率為50%至60%時(shí)，按壓力適中，按壓手感最好，人的手指不易感覺疲倦，回彈力大小適宜，按鍵回彈力也完全能夠頂回鍵體還原，滿足這種要求的按鍵的抗疲勞能力較強(qiáng)，使用壽命長久。在進(jìn)行硅膠按鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)這一要求斟酌考慮相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)方案和尺寸，才可以使得硅膠按鍵的設(shè)計(jì)盡可能避免缺陷，提高按鍵使用壽命。

3　提出的貼片式硅膠按鍵

本文將著重研究類似QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無引腳封裝）無引腳式的貼片式硅膠按鍵。表面貼型封裝之一，由于這種封裝無外伸引腳，節(jié)約了空間，增加了PCB板的貼裝密度。圖2所示的按鍵結(jié)構(gòu)為由硅膠基體和金屬支架構(gòu)成的四引腳貼片式硅膠按鍵，該類按鍵采用類似QFN封裝結(jié)構(gòu)的無外伸引腳。通過設(shè)計(jì)其尺寸大小，這種硅膠按鍵能適用于表面貼裝技術(shù)，具有重量輕、體積小、實(shí)用性好、制造成本低廉的特點(diǎn)。

圖2　貼片式硅膠按鍵

圖2中貼片式硅膠按鍵模型部分尺寸如下：

按鍵底座：8 mm×8 mm×1 mm；

導(dǎo)電觸點(diǎn)：半徑0.75 mm，厚0.3 mm；

彈性斜壁：斜壁厚度0.3 mm，斜壁角度為45°；

按鍵凸體：高2 mm；

行程：1.3 mm.

各種材料參數(shù)如表1所示。

表1　材料參數(shù)[4]

金屬支架的引腳與一般的貼片元件如貼片電容、貼片電阻等的引腳是完全不同的概念。貼片電容、貼片電阻等的引腳屬于電路的一部分，具有電氣功能，要靠引腳來導(dǎo)電，而此類貼片式硅膠按鍵中并不需要靠金屬引腳等結(jié)構(gòu)來完成導(dǎo)電。所述及的金屬支架結(jié)構(gòu)的作用，是用于將貼片式硅膠按鍵固定在PCB線路板上，僅僅起固定作用而已。模型設(shè)計(jì)好后用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)模型的按壓過程進(jìn)行模擬仿真分析，得出位移結(jié)果如圖3按鍵部位等效應(yīng)力結(jié)果。

圖3　硅膠按鍵的等效應(yīng)力圖

從圖3中可以看出等效應(yīng)力最大點(diǎn)在彈性斜壁的上方為1.111 4 MPa，隨著按鍵的不斷下壓，彈性斜壁的等效應(yīng)力不算增大，直到接觸到底端PCB線路板的時(shí)候達(dá)到最大值，最后導(dǎo)出仿真得到的按鍵彈性曲線如圖4所示。

圖4　硅膠按鍵的按鍵彈性曲

由圖4可得最大壓力在行程走到一半左右時(shí)為0.79 N，最小壓力在按鍵導(dǎo)電顆粒接觸到PCB線路板上的時(shí)候得到為0.31 N，根據(jù)公式Click Feeling Rate=（Fm-Fn）/Fm×100%算得按鍵按壓手感率為60%，符合優(yōu)秀的按壓手感，所以此結(jié)構(gòu)合適。

該硅膠按鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）變形部位圓錐形結(jié)構(gòu)的錐度取90°比較合適，即變形部位的剖面斜度為45°.取該角度有利于按鍵在下行和回彈過程中，彈力最大部位位于行程中間附近，使操作時(shí)最初按壓按鍵和導(dǎo)電顆粒即將接觸到PCB時(shí)的彈力小，適合人的手感需要。若變形部位錐度太小，最初按壓按鍵及導(dǎo)電顆粒即將接觸到PCB時(shí)的彈力大，這不僅容易使手指疲勞，而且導(dǎo)電顆粒即將接觸到PCB板時(shí)需要較大的壓力，所以反作用于手指上的彈力越小越好，但若變形部位錐度太大也不好，這樣容易使按鍵出現(xiàn)塌陷，回彈力量不足，而達(dá)不到彈力曲線所要求的。

（2）導(dǎo)電顆粒到PCB的距離叫做行程，行程應(yīng)根據(jù)按鍵的整體尺寸，一般取0.5~1.5 mm較為合適。有的電子產(chǎn)品為了防止按鍵彈力下降或疲勞塌陷，而將行程取得過大，卻忽視了彈力曲線，而恰恰會(huì)使按鍵的綜合性能變得較好，因此，沒有必要將行程取得過大。

（3）彈性斜壁的厚度直接影響和關(guān)系到Fmax和Fmin及按鍵壽命、成型特性和操作手感。太薄的話不能保證按鍵的回彈力和強(qiáng)度，太厚的話會(huì)使按鍵彈力過大，操作費(fèi)勁，手感變差。

4　結(jié)束語

本文通過仿真驗(yàn)證了按鍵彈力曲線對(duì)按鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，提出的貼片式硅膠按鍵能夠產(chǎn)生良好的按壓手感，并且可以通過表面貼裝技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)安裝，節(jié)約了成本，提高了效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊方文.硅橡膠按鍵的生產(chǎn)[J].有機(jī)硅材料，2000，14（3）: 15-17.

[2]肖軍.電子硅膠在電子產(chǎn)業(yè)中凸顯優(yōu)勢(shì)大有可為[J].聚氨酯，2014，（01）:64-70.

[3]張寧.硅橡膠消費(fèi)量增長將成用量最大品種之一[J].特種橡膠制品，2014，（04）:64.

[4]楊曉勇.中國有機(jī)硅工業(yè)的發(fā)展空間[J].有機(jī)硅材料，2007，（03）：21-23.

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0101-03

收稿日期：2016-01-17

作者簡(jiǎn)介：何為（1991-），男，江蘇常州人，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b。

Patch Type Silicone Buttons Structure Design based on ANSYS Workbench

HE Wei
（Mechanical and Electrical Engineering College，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541000，China）

Abstract:Silicone keys is based on the silicone raw material production and become a key product，it is widely used in various fields.In this paper，we study a kind of silicone key.It has reasonable structure，good resilience，good feel and can be suitable for surface assembly lines.The main factor is the key elastic curve.It has a certain use value.

Key words:silicone keys；surface mount technology；the patch type；button elastic curve