基于ANSYS Workbench的贴片式硅胶按键结构设计

基于ANSYS Workbench的贴片式硅胶按键结构设计
何为
【摘要】硅胶按键是以硅胶为原材料制作而成的一种按键产品,在各个领域被广泛使用.研究了一种结构合理、回弹性好、手感优异并且能够适合表面组装生产线的
贴片式硅胶按键,以按键弹力曲线作为设计的主要因素,具有一定的使用价值.
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】3页(P101-103)
【关键词】硅胶按键;表面组装;贴片式;按键弹力曲线
【作者】何为
【作者单位】桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林 541000
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
硅胶具有优良的耐高温、耐寒、耐天候、电绝缘性[1]以及耐疲劳性能，广泛用于
化工、冶金、航天、轻工、电子电讯等部门[2]。

它在电子电讯方面的应用发展较快，尤其是制作各种按键。

早期的按键是塑料与金属弹簧两者结合，出现按键力大、手感不舒服、效率低等问题，而且使用寿命特别短。

而后发展为电动按键，虽使用方便，但其按键太笨重，设计和制造较复杂、造价高。

随着科学技术的发展，硅胶按键成为上述两种按键的替代品。

硅胶按键的结构是在电路板上放置导电键，通过导电胶粒接触电路板而产生电讯号。

这种按键克服了上述两种按键的不足。

本文提
出的贴片式硅胶按键是通过表面贴装技术，快速高效的组装到线路板上，节约了人工和成本[3]。

表面贴装技术（Surface Mount Technology，SMT），是新一代电子组装技术，它将传统的电子元器件压缩成为体积只有几十分之一的器件，从而实现了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、低成本，以及生产的自动化。

它是一种无需在印制板上钻插装孔而直接将短引线或无引脚表面组装元器件安装在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的表面或其它基板的表面上已施加焊料的规定位置，并通过再流焊或浸焊等焊接方法进行组装并使元器件与印制电路板之间构成机械和电气连接的电路装连技术。

表面贴装工艺主要包括核心和辅助两大工艺。

其中核心工艺由印刷、贴片和再流焊三部分组成，几乎任何类型的电子产品的生产都要经过这三道工序，各部分缺一不可。

印刷工艺的作用是通过使用焊膏印刷设备和模板使焊膏准确无误地印刷到PCB线路板上。

焊膏是将片式元器件与PCB线路板焊盘连接导通，实现其机械和电气连接的重要工艺材料。

贴片工艺的作用是确保所有片式元器件准确、快速地贴到PCB线路板相应的位置上。

再流焊工艺的作用是通
过熔化预先印刷到PCB线路板焊盘上的焊膏，从而实现表面贴装片式元器件的焊
接面或引脚与PCB线路板焊盘之间机械和电气的连接。

电子产品所采用的弹性按键多是经过硅橡胶注入按要求设计好的模腔塑造成型的，作为数据输入以及操作的关键部件，硅胶按键早已经被广泛用于各种各样的电子产品之中。

但是在实际使用中，会发现有许多电子产品的按键很容易出现缺陷，比如因按键力过大而感到操作费力，或者因为按键回弹力过小按键出现塌陷，按压手感特性差，使用寿命短等，出现这些现象多是由于硅胶按键的结构设计存在很多缺陷。

在进行硅胶按键的结构设计时，必须认真考虑按键的按压手感特性。

压手感特性是可以利用按键下压过程中弹力变化的特征曲线推导出来的按键的弹力特性曲线即按键荷重曲线，硅胶按键的按压手感（Click Feeling）、压力（Force）及行程
（Stroke）是硅胶按键产品的三个主要参数，也是硅胶按键结构设计的三个决定
性因素。

可以用压力-位移曲线表示这三个因素的相互关系。

硅胶按键的弹力特性
曲线可以使用按键荷重曲线仪进行绘制，曲线仪的测量头模拟用户的手指操作按键下压的过程，按键的弹性力反作用于测量头上，将按压力的变化经过传感器传输到输出端，并由电脑界面显示出弹力随按键行程变化的曲线（图1），这样硅胶按键的手感特性就可以通过弹力特性曲线反映出来。

通过设计硅胶按键的结构控制手感率的范围可以获取良好的操作手感。

作用力（Actuation Force）是操作者对按键施加的力，这个力将会导致斜壁弯曲。

接触力（Contact Force）是导电黑粒与PCB接触时按键上施加的力。

行程（Travel）是导电黑粒与PCB之间的距离。

从按键荷重曲线看，测量头从接触按键顶部到下行至导电触点即将压至印制线路板为按键的下行过程。

在硅胶按键的下压过程中，随着硅胶基体变现的不断增大，测量头受到按键的反作用力逐步增大，大概到行程的一半时，按压弹力达到最大值（Fm），这时硅胶按键的压缩弹性变形达到了最大，随着按键进一步的下行，弹
力不断下降，这时候因为此后弹性变形部位开始回缩，弹力变小。

对于一般的圆锥形硅胶按键，其压力范围为0.3 N~2.5 N较为合适。

当按键下行到导电触点即将
接触到印制线路板时，弹力达到最低（Fn），随后导电触点压到印制线路板时，
由于印制线路板的反作用力，使测量头受力迅速变大，曲线几乎呈直线上升，按键完成了下行过程。

按压手感是由于按键下行过程中按键斜壁经不住载荷力时开始跨落而产生的断落感。

因此，按压手感的好坏取决于Fm和Fn大小的差值，实际上，按压手感取决于
Fm-Fn与Fm比值的大小，这个比值也叫做按压手感率（Click Feeling Rate），其表达式为：
Click Feeling Rate=（Fm-Fn）/Fm×100%
当按压手感率为50%至60%时，按压力适中，按压手感最好，人的手指不易感觉疲倦，回弹力大小适宜，按键回弹力也完全能够顶回键体还原，满足这种要求的按键的抗疲劳能力较强，使用寿命长久。

在进行硅胶按键结构设计时，应根据这一要求斟酌考虑相关部位的结构方案和尺寸，才可以使得硅胶按键的设计尽可能避免缺陷，提高按键使用寿命。

本文将着重研究类似QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平无引脚封装）无引脚式的贴片式硅胶按键。

表面贴型封装之一，由于这种封装无外伸引脚，节约了空间，增加了PCB板的贴装密度。

图2所示的按键结构为由硅胶基体和金属支
架构成的四引脚贴片式硅胶按键，该类按键采用类似QFN封装结构的无外伸引脚。

通过设计其尺寸大小，这种硅胶按键能适用于表面贴装技术，具有重量轻、体积小、实用性好、制造成本低廉的特点。

图2中贴片式硅胶按键模型部分尺寸如下：
按键底座：8 mm×8 mm×1 mm；
导电触点：半径0.75 mm，厚0.3 mm；
弹性斜壁：斜壁厚度0.3 mm，斜壁角度为45°；
按键凸体：高2 mm；
行程：1.3 mm.
各种材料参数如表1所示。

金属支架的引脚与一般的贴片元件如贴片电容、贴片电阻等的引脚是完全不同的概念。

贴片电容、贴片电阻等的引脚属于电路的一部分，具有电气功能，要靠引脚来导电，而此类贴片式硅胶按键中并不需要靠金属引脚等结构来完成导电。

所述及的金属支架结构的作用，是用于将贴片式硅胶按键固定在PCB线路板上，仅仅起固
定作用而已。

模型设计好后用ANSYS Workbench有限元软件对模型的按压过程进行模拟仿真分析，得出位移结果如图3按键部位等效应力结果。

从图3中可以看出等效应力最大点在弹性斜壁的上方为1.111 4 MPa，随着按键的不断下压，弹性斜壁的等效应力不算增大，直到接触到底端PCB线路板的时候达到最大值，最后导出仿真得到的按键弹性曲线如图4所示。

由图4可得最大压力在行程走到一半左右时为0.79 N，最小压力在按键导电颗粒接触到PCB线路板上的时候得到为0.31 N，根据公式Click Feeling Rate=（Fm-Fn）/Fm×100%算得按键按压手感率为60%，符合优秀的按压手感，所以此结构合适。

该硅胶按键的结构设计特点：
（1）变形部位圆锥形结构的锥度取90°比较合适，即变形部位的剖面斜度为45°.取该角度有利于按键在下行和回弹过程中，弹力最大部位位于行程中间附近，使操作时最初按压按键和导电颗粒即将接触到PCB时的弹力小，适合人的手感需要。

若变形部位锥度太小，最初按压按键及导电颗粒即将接触到PCB时的弹力大，这不仅容易使手指疲劳，而且导电颗粒即将接触到PCB板时需要较大的压力，所以反作用于手指上的弹力越小越好，但若变形部位锥度太大也不好，这样容易使按键出现塌陷，回弹力量不足，而达不到弹力曲线所要求的。

（2）导电颗粒到PCB的距离叫做行程，行程应根据按键的整体尺寸，一般取0.5~1.5 mm较为合适。

有的电子产品为了防止按键弹力下降或疲劳塌陷，而将行程取得过大，却忽视了弹力曲线，而恰恰会使按键的综合性能变得较好，因此，没有必要将行程取得过大。

（3）弹性斜壁的厚度直接影响和关系到Fmax和Fmin及按键寿命、成型特性和操作手感。

太薄的话不能保证按键的回弹力和强度，太厚的话会使按键弹力过大，操作费劲，手感变差。

本文通过仿真验证了按键弹力曲线对按键结构设计的重要性，提出的贴片式硅胶按键能够产生良好的按压手感，并且可以通过表面贴装技术进行自动安装，节约了成
本，提高了效率。

【相关文献】
[1]杨方文.硅橡胶按键的生产[J].有机硅材料，2000，14（3）: 15-17.
[2]肖军.电子硅胶在电子产业中凸显优势大有可为[J].聚氨酯，2014，（01）:64-70.
[3]张宁.硅橡胶消费量增长将成用量最大品种之一[J].特种橡胶制品，2014，（04）:64.
[4]杨晓勇.中国有机硅工业的发展空间[J].有机硅材料，2007，（03）：21-23.。