基于ANSYS Workbench的貼片式硅膠按鍵結構設計

何為

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541000）

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基于ANSYS Workbench的貼片式硅膠按鍵結構設計

何為

（桂林電子科技大學機電工程學院，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品，在各個領域被廣泛使用。研究了一種結構合理、回彈性好、手感優異并且能夠適合表面組裝生產線的貼片式硅膠按鍵，以按鍵彈力曲線作為設計的主要因素，具有一定的使用價值。關鍵詞:硅膠按鍵；表面組裝；貼片式；按鍵彈力曲線

硅膠具有優良的耐高溫、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用發展較快，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合，出現按鍵力大、手感不舒服、效率低等問題，而且使用壽命特別短。而后發展為電動按鍵，雖使用方便，但其按鍵太笨重，設計和制造較復雜、造價高。隨著科學技術的發展，硅膠按鍵成為上述兩種按鍵的替代品。硅膠按鍵的結構是在電路板上放置導電鍵，通過導電膠粒接觸電路板而產生電訊號。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，快速高效的組裝到線路板上，節約了人工和成本[3]。

1　表面貼裝技術

表面貼裝技術（Surface Mount Technology，SMT），是新一代電子組裝技術，它將傳統的電子元器件壓縮成為體積只有幾十分之一的器件，從而實現了電子產品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生產的自動化。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定位置，并通過再流焊或浸焊等焊接方法進行組裝并使元器件與印制電路板之間構成機械和電氣連接的電路裝連技術。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品的生產都要經過這三道工序，各部分缺一不可。印刷工藝的作用是通過使用焊膏印刷設備和模板使焊膏準確無誤地印刷到PCB線路板上。焊膏是將片式元器件與PCB線路板焊盤連接導通，實現其機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確、快速地貼到PCB線路板相應的位置上。再流焊工藝的作用是通過熔化預先印刷到PCB線路板焊盤上的焊膏，從而實現表面貼裝片式元器件的焊接面或引腳與PCB線路板焊盤之間機械和電氣的連接。

2　硅膠按鍵的彈力曲線

電子產品所采用的彈性按鍵多是經過硅橡膠注入按要求設計好的模腔塑造成型的，作為數據輸入以及操作的關鍵部件，硅膠按鍵早已經被廣泛用于各種各樣的電子產品之中。但是在實際使用中，會發現有許多電子產品的按鍵很容易出現缺陷，比如因按鍵力過大而感到操作費力，或者因為按鍵回彈力過小按鍵出現塌陷，按壓手感特性差，使用壽命短等，出現這些現象多是由于硅膠按鍵的結構設計存在很多缺陷。在進行硅膠按鍵的結構設計時，必須認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）是硅膠按鍵產品的三個主要參數，也是硅膠按鍵結構設計的三個決定性因素。可以用壓力-位移曲線表示這三個因素的相互關系。硅膠按鍵的彈力特性曲線可以使用按鍵荷重曲線儀進行繪制，曲線儀的測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量頭上，將按壓力的變化經過傳感器傳輸到輸出端，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。通過設計硅膠按鍵的結構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）是操作者對按鍵施加的力，這個力將會導致斜壁彎曲。

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

行程（Travel）是導電黑粒與PCB之間的距離。

從按鍵荷重曲線看，測量頭從接觸按鍵頂部到下行至導電觸點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，隨著硅膠基體變現的不斷增大，測量頭受到按鍵的反作用力逐步增大，大概到行程的一半時，按壓彈力達到最大值（Fm），這時硅膠按鍵的壓縮彈性變形達到了最大，隨著按鍵進一步的下行，彈力不斷下降，這時候因為此后彈性變形部位開始回縮，彈力變小。對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。當按鍵下行到導電觸點即將接觸到印制線路板時，彈力達到最低（Fn），隨后導電觸點壓到印制線路板時，由于印制線路板的反作用力，使測量頭受力迅速變大，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不住載荷力時開始跨落而產生的斷落感。因此，按壓手感的好壞取決于Fm和Fn大小的差值，實際上，按壓手感取決于Fm-Fn與Fm比值的大小，這個比值也叫做按壓手感率（Click Feeling Rate），其表達式為：

Click Feeling Rate=（Fm-Fn）/Fm×100%

當按壓手感率為50%至60%時，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，使用壽命長久。在進行硅膠按鍵結構設計時，應根據這一要求斟酌考慮相關部位的結構方案和尺寸，才可以使得硅膠按鍵的設計盡可能避免缺陷，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，節約了空間，增加了PCB板的貼裝密度。圖2所示的按鍵結構為由硅膠基體和金屬支架構成的四引腳貼片式硅膠按鍵，該類按鍵采用類似QFN封裝結構的無外伸引腳。通過設計其尺寸大小，這種硅膠按鍵能適用于表面貼裝技術，具有重量輕、體積小、實用性好、制造成本低廉的特點。

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；

導電觸點：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.

各種材料參數如表1所示。

表1　材料參數[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，要靠引腳來導電，而此類貼片式硅膠按鍵中并不需要靠金屬引腳等結構來完成導電。所述及的金屬支架結構的作用，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。模型設計好后用ANSYS Workbench有限元軟件對模型的按壓過程進行模擬仿真分析，得出位移結果如圖3按鍵部位等效應力結果。

圖3　硅膠按鍵的等效應力圖

從圖3中可以看出等效應力最大點在彈性斜壁的上方為1.111 4 MPa，隨著按鍵的不斷下壓，彈性斜壁的等效應力不算增大，直到接觸到底端PCB線路板的時候達到最大值，最后導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為0.79 N，最小壓力在按鍵導電顆粒接觸到PCB線路板上的時候得到為0.31 N，根據公式Click Feeling Rate=（Fm-Fn）/Fm×100%算得按鍵按壓手感率為60%，符合優秀的按壓手感，所以此結構合適。

該硅膠按鍵的結構設計特點：

（1）變形部位圓錐形結構的錐度取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，使操作時最初按壓按鍵和導電顆粒即將接觸到PCB時的彈力小，適合人的手感需要。若變形部位錐度太小，最初按壓按鍵及導電顆粒即將接觸到PCB時的彈力大，這不僅容易使手指疲勞，而且導電顆粒即將接觸到PCB板時需要較大的壓力，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塌陷，回彈力量不足，而達不到彈力曲線所要求的。

（2）導電顆粒到PCB的距離叫做行程，行程應根據按鍵的整體尺寸，一般取0.5~1.5 mm較為合適。有的電子產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度，太厚的話會使按鍵彈力過大，操作費勁，手感變差。

4　結束語

本文通過仿真驗證了按鍵彈力曲線對按鍵結構設計的重要性，提出的貼片式硅膠按鍵能夠產生良好的按壓手感，并且可以通過表面貼裝技術進行自動安裝，節約了成本，提高了效率。

參考文獻：

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

[2]肖軍.電子硅膠在電子產業中凸顯優勢大有可為[J].聚氨酯，2014，（01）:64-70.

[3]張寧.硅橡膠消費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.中國有機硅工業的發展空間[J].有機硅材料，2007，（03）：21-23.

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0101-03

收稿日期：2016-01-17

作者簡介：何為（1991-），男，江蘇常州人，碩士學位，研究方向為微電子封裝。

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