PCB, FPC oder siebgedruckte Schaltungen für Silikontastatur-Baugruppen?

Wählen Sie den Schaltungsträger einer Silikontastatur-Baugruppe anhand des gesamten Systems aus Kontaktierung, mechanischer Abstützung, Leitungsführung und Montage. Eine starre Leiterplatte (PCB) ist meist die einfachste Lösung, wenn das Tastenfeld ein stabiles Gegenlager benötigt und derselbe Träger auch LED, Widerstände, Steckverbinder oder weitere Elektronik aufnehmen soll. Eine Kupfer-FPC ist sinnvoll, wenn sich die Schaltung durch ein kompaktes Gehäuse falten oder zu einer anderen Leiterplatte führen lassen muss. Die Tasten-, Bauteil- und Steckverbinderbereiche können dennoch eine lokale Abstützung benötigen. Eine siebgedruckte Schaltung auf PET oder einer anderen geeigneten Folie kann eine dünne, flexible Kontaktlage bilden. Leiterwerkstoff, Kontaktbeschichtung, rückseitige Abstützung, Bauteilbefestigung und Anschlussausführung müssen dabei jedoch als zusammengehöriger Material- und Prozessaufbau festgelegt werden.

Die aktuelle JASPER-Seite zu Silikontastatur-Baugruppen betrachtet bereits die geformte Silikonschaltmatte, die Schaltung, LED, Steckverbinder, Abstandshalter, Gehäuseschnittstelle und den Prüfumfang als ein System. Hier geht es um eine enger gefasste Entscheidung: Welcher Schaltungsaufbau gehört unter die Silikonschaltmatte, und welche angrenzenden Schnittstellen müssen beherrscht werden?

Zunächst die drei Schaltungsvarianten definieren

In diesem Artikel gelten folgende Begriffe:

• Starre PCB bezeichnet geätzte Kupferleiter auf einer starren Leiterplatte, die elektrische Verbindungen und bei korrekter Befestigung ein stabiles Gegenlager unter dem Tastenfeld bereitstellen kann.
• FPC bezeichnet eine flexible Leiterplatte mit geätzten Kupferleitern, typischerweise auf Polyimid, mit einer isolierenden Abdeckfolie — Coverlay — und bei Bedarf lokalen Versteifungen. FPC ist eine Schaltungstechnologie und nicht automatisch eine Folientastatur.
• Siebgedruckte Schaltung bezeichnet eine flexible Schaltung, bei der leitfähige Tinte, meist auf Silber- und/oder Kohlenstoffbasis, im Siebdruck auf eine geeignete Folie wie PET aufgebracht wird. Dieser Aufbau ist nicht mit einer Kupfer-FPC gleichzusetzen.

Steht in einer Angebotsanfrage (RFQ) lediglich „Flexschaltung“, klären Sie zunächst den tatsächlich gemeinten Aufbau, bevor Sie über Preis oder Werkzeuge sprechen.

1. Elektrische und mechanische Anforderungen auflisten

Beginnen Sie mit der eingebauten Tastatur, nicht mit dem bevorzugten Fertigungsverfahren.

Definieren Sie die elektrische Architektur: Tastenmatrix oder Einzelschalter, Erkennungsschwelle, LED oder andere Bauteile, Steckverbinder und Pinbelegung sowie die Punkte, an denen Durchgang oder Widerstand abschließend gemessen werden. Definieren Sie anschließend den mechanischen Schichtaufbau: Tastenmittelpunkte, Betätigungskraft und -weg, Carbonkontaktpille oder anderer Betätiger, Abstützung unter der Kontaktfläche, Gehäusedome und feste Anschläge, Verlauf der Anschlussfahne, dauerhaft geformte Biegungen oder wiederholte Biegebewegungen sowie die Dichtungsschnittstelle.

Das ist wichtig, weil ein Silikonkontakt nicht isoliert schaltet. Der aktuelle JASPER-Leitfaden zum Widerstand von Carbonkontaktpillen behandelt Geometrie und Oberfläche der Kontaktflächen, Abstützung, Kraft, Überhub, Verunreinigungen und Messschaltung als eine gemeinsame Schnittstelle im eingebauten Zustand.

Schaltungsträger und Schnittstelle zur Silikonschaltmatte

Wählen Sie den Träger nicht rückwärts ausgehend von der letzten Zeile aus. IEC 60529 definiert den Schutz durch Gehäuse. Die Wahl von PCB anstelle von FPC oder PET begründet daher für sich allein keine höhere IP-Schutzart.

2. Leitungsführung und Bauteilintegration vergleichen

Starre PCB

Eine starre PCB ist eine gute Ausgangslösung, wenn das Tastenfeld eben bleiben kann und die Schaltung zusätzlich LED, Widerstände, Steckverbinder, Schutzbauteile oder Steuerelektronik aufnehmen muss. Sie kann elektrische Verbindungen und die Abstützung des Tastenfelds in einem Bauteil vereinen.

Die Leiterplatte bleibt dennoch Teil des Kraftflusses. Prüfen Sie Befestigungspunkte, frei tragende Bereiche, Ausschnitte, Bauteilhöhen, Durchkontaktierungen, Lötstoppmaskenkanten und Freihaltebereiche an den Kontaktflächen. Auch eine unzureichend abgestützte PCB kann sich bei einem Tastendruck durchbiegen.

FPC

Der wesentliche Nutzen einer FPC liegt in der kontrollierten Leitungsführung im dreidimensionalen Bauraum, nicht in der Nachgiebigkeit unter der Taste. Behandeln Sie die Flexschaltung als elektrisches und mechanisches Bauteil: Prüfen Sie Biegeauslegung, Bauteilmontage und Versteifungen in Steckverbinder- oder SMD-Bereichen gemeinsam.

Unterscheiden Sie in der Zeichnung vier Bereiche:

• Tasten-/Kontaktbereich — Ebenheit und Gegenlager sicherstellen;
• Bauteilbereich — bei Bedarf lokal versteifen;
• Biegebereich — Bauteile und Versteifungskanten von der vorgesehenen Biegezone fernhalten;
• Steckverbinderbereich — Dicke, Kontaktgeometrie, Metallisierung und Versteifung auf den gewählten Steckverbinder abstimmen.

Dieselbe FPC kann alle vier Bereiche enthalten; mechanisch sind sie jedoch nicht austauschbar.

Siebgedruckte Schaltung auf Folie

Siebgedruckte Silber- oder Kohlenstoffschaltungen können eine dünne Kontakt- und Leiterlage bilden. „Gedrucktes Silber“ bezeichnet jedoch kein einheitliches Montageverfahren. Eine ausdrücklich lötbare Silbertinte und ein leitfähiges Silberepoxid zum Verkleben oberflächenmontierter Bauteile auf flexiblen oder starren Schaltungen sind unterschiedliche Material- und Prozessoptionen. Bestätigen Sie, welchen Weg der tatsächliche Aufbau zulässt.

Bestätigen Sie deshalb für den konkreten Aufbau:

• Substrat und Temperaturgrenzen;
• Tinten- und Dielektrikumsystem;
• Überdruck oder Beschichtung der Kontaktflächen;
• Befestigung durch Löten oder mit leitfähigem Klebstoff;
• Aushärteprozess;
• Bauteilabstützung und Zugentlastung;
• Prüf- und Reparaturverfahren.

Sind diese Punkte nicht definiert, behandeln Sie die siebgedruckte Schaltung als Kontakt- und Leiterlage, statt vorauszusetzen, dass sie eine konventionell bestückte Leiterplatte (PCBA) ersetzen kann.

3. Abstützung, Biegung und Verlauf der Anschlussfahne prüfen

Eine Silikontaste benötigt ein definiertes Gegenlager. Bewegt sich die Schaltung beim Drücken nach unten, wird ein Teil des Tastenwegs durch die Durchbiegung der Schaltung aufgebraucht. Dadurch können sich elektrischer Schließpunkt, Überhub, Kraft und Kontaktwiderstand verändern.

Prüfen Sie bei einer starren PCB die Leiterplattendicke, Gehäusedome, Befestigungselemente, Ausschnitte und frei tragenden Bereiche. Sehen Sie bei einer FPC bei Bedarf eine rückseitige Trägerplatte, eine Versteifung oder eine Gehäuseabstützung unter dem Tasten-/Kontaktfeld vor, ohne die vorgesehene Biegezone zu beeinträchtigen. Benennen Sie bei bedruckter Folie ausdrücklich den Abstandshalter, die rückseitige Trägerplatte, die Gehäuseauflage oder die sonstige Struktur, die den aktiven Kontaktbereich eben hält.

Übernehmen Sie nicht denselben pauschalen FPC-Biegeradius für jedes Projekt. Stimmen Sie die Biegeauslegung auf Schaltungsdicke, Lagenzahl und vorgesehenen Formzustand ab. Der vom Lieferanten freigegebene Aufbau und die Anwendung bestimmen den tatsächlichen Grenzwert.

Eine zweckmäßige Zeichnung sollte sowohl den elektrischen Schichtaufbau als auch den Kraftfluss von der Tastenoberseite bis zum Gehäuse zeigen.

4. Kontaktoberflächen und Steckverbinder aufeinander abstimmen

Spezifizieren Sie bei Ausführungen mit Carbonkontaktpillen mehr als „Goldkontaktfläche“, „Kupfer“ oder „Silbertinte“. Definieren Sie Kontaktflächengeometrie und Spalt, endgültige Kontaktoberfläche, Anordnung zu Lötstoppmaske und Coverlay, lokale Ebenheit und Abstützung, Maßnahmen gegen Verunreinigungen, einen gemeinsamen Positionierbezug zwischen Silikonschaltmatte und Schaltung sowie das Verfahren zur Widerstands-/Durchgangsprüfung im eingebauten Zustand.

Eine starre PCB, ein freiliegender FPC-Kontakt und ein Kontakt auf bedruckter Folie können gleichermaßen geeignete Kandidaten sein. Eine Änderung der Kontaktoberfläche oder Abstützung ist jedoch als Schnittstellenänderung zu behandeln, die eine erneute Validierung erfordern kann.

Geben Sie bei Anschlussfahnen den Schaltungsanschluss und den Steckverbinder als aufeinander abgestimmtes Paar frei. Eine konkrete Steckverbinderzeichnung kann eine definierte FPC-Kontaktgeometrie und eine Polyimidversteifung am Anschlussende verlangen. Kopieren Sie keine Maße eines anderen Bauteils: Der tatsächlich eingesetzte Steckverbinder muss Kontaktlänge, Kontaktausrichtung, Einsteckdicke, Metallisierung und Versteifung bestimmen.

5. Werkzeuge und Montageumfang vergleichen

Vergleichen Sie nicht nur den Preis der Schaltungslage. Vergleichen Sie denselben Lieferumfang.

Eine starre PCB kann Abstützung und Elektronik kombinieren. Eine FPC kann separate Verdrahtung ersetzen, dafür aber Versteifungen, Formgebung und zusätzliche Kontrollen am Steckverbinderende erfordern. Eine siebgedruckte Schaltung kann eine dünne Kontaktlage vereinfachen, dafür jedoch Drucksiebe, Stanzen, Abstandshalter, eine starre rückseitige Trägerplatte oder eine spezielle Bauteilbefestigung benötigen.

Bitten Sie Lieferanten um Angebote mit demselben Umfang:

• einzelne Silikonschaltmatte;
• Silikonschaltmatte + Kontaktschaltung;
• Silikonschaltmatte + Schaltung + Steckverbinder;
• Silikonschaltmatte + LED/Bauteile;
• Silikonschaltmatte + Abstützung/rückseitige Trägerplatte/Abstandshalter;
• vollständiges, geprüftes Tastaturmodul.

Auch der JASPER-Konstruktionsleitfaden für Silikonschaltmatten empfiehlt, den Lieferumfang festzulegen und das eingebaute System zu validieren. So werden kaufmännische Vergleiche aussagekräftig, und eine einzelne Schaltmatte wird nicht mit einem geprüften HMI-Modul verglichen.

Beispielhafte Querschnitte und Lieferstücklisten

Die folgenden Beispiele dienen ausschließlich der Veranschaulichung. Es handelt sich weder um JASPER-Produktionsunterlagen noch um Kundenfälle.

A. Silikonschaltmatte + starre PCB

Tastenoberseite → Silikon-Schaltmembran → Carbonkontaktpille → PCB-Kontaktfläche → starre PCB → Gehäuseabstützung

Beispielhafte Stückliste (BOM): geformte Silikonschaltmatte, spezifizierter Kontakt/Betätiger, PCB oder PCBA, Steckverbinder, optionale LED/Bauteile, bei Bedarf Abstandshalter/Dichtung und vereinbarte Funktionsprüfung.

Besonders geeignet für: ein ebenes Tastenfeld mit stabiler Abstützung und umfangreicher Elektronikintegration.

B. Silikonschaltmatte + abgestützte FPC

Tastenoberseite → Silikon-Schaltmembran → Kontakt → FPC-Kontaktbereich → lokale Versteifung/rückseitige Trägerplatte → Biegebereich → FPC-Anschlussfahne

Beispielhafte BOM: geformte Silikonschaltmatte, Kupfer-/Polyimid-FPC, lokale Versteifung/rückseitige Trägerplatte, freiliegende/metallisierte Kontakte, optionale, qualifizierte Bauteile, Steckverbinderanschluss sowie Prüfung des Formzustands und elektrische Prüfung.

Besonders geeignet für: kompakte dreidimensionale Leitungsführung, bei der ein separates Kabel oder die Form einer starren Leiterplatte unpraktisch ist.

C. Silikonschaltmatte + siebgedruckte Folienschaltung + Abstützung

Tastenoberseite → Silikon-Schaltmembran → Kontakt/Betätiger → gedruckter Kontakt auf Folie → Abstandshalter nach Bedarf → starre rückseitige Trägerplatte → gedruckte Anschlussfahne

Beispielhafte BOM: geformte Silikonschaltmatte, gedruckte leitfähige Schaltung, Dielektrikum/Abstandshalter, starre Abstützung, kompatible Anschlussausführung, optionale Bauteile nur bei qualifiziertem Befestigungsverfahren und elektrische Prüfung der abgestützten Baugruppe.

Besonders geeignet für: einen dünnen Kontaktaufbau auf bedruckter Folie mit bewusst getrennt festgelegtem Umfang für Abstützung und Elektronik.

Den gewählten Aufbau validieren

1. Bestätigen Sie die Positionierbezüge von Silikonschaltmatte, Schaltung, Abstützung, Anschlussfahne, Steckverbinder und Gehäuse.
2. Messen Sie Kraft und Weg auf der für die Serienausführung vorgesehenen Abstützung.
3. Prüfen Sie an definierten Erfassungspunkten den ersten elektrischen Kontaktschluss, den stabil geschlossenen Zustand, das Öffnen beim Loslassen und intermittierende Unterbrechungen.
4. Prüfen Sie den Kontaktbereich auf Verunreinigungen, Höhenstufen an Lötstoppmaske oder Coverlay, Falten, unzureichende Überdeckung sowie Durchbiegung von Leiterplatte oder Folie.
5. Prüfen Sie Biegeposition, Steckverbinderhalt, Freiräume und Einbaubelastungen.
6. Führen Sie projektspezifische Umwelt- und Lebensdauerprüfungen am vollständigen Schichtaufbau durch.
7. Wiederholen Sie betroffene Validierungen nach Änderungen an Kontaktflächenfinish, Tinte, Versteifung, Steckverbinder, Abstützung, Klebstoff oder Schaltungsrevision.

Was sollte ein OEM bereitstellen?

Stellen Sie Tastatur- und Gehäusezeichnungen, Zielwerte für Tastenkraft und -weg, Kontaktierungsprinzip, Schaltplan oder Matrix, vorgeschlagene PCB-/FPC-/Siebdruckschaltungsdaten, LED-/Bauteilliste, Steckverbinder-Teilenummer, Verlauf der Anschlussfahne, Dichtungs- und Umweltanforderungen, erwarteten Prüfumfang, Prototypen- und Serienmengen sowie den gewünschten Lieferumfang bereit. Noch unbekannte Punkte können mit TBD (noch festzulegen) gekennzeichnet werden.

Eine hybride Silikontastatur-Baugruppe besprechen

Steht Ihr Projekt zwischen starrer PCB, Kupfer-FPC und siebgedruckter flexibler Schaltung, senden Sie Tastenlayout, Gehäusequerschnitt, Schaltungsanforderungen, Steckverbinderkonzept, Mengen und die verbleibenden TBD-Punkte. Eine sinnvolle Entscheidung betrifft nicht nur die Bezeichnung des Trägers, sondern das Zusammenspiel von Abstützung, Kontaktoberfläche, Leitungsführung, Anschlussausführung und Prüfumfang.

Technische Prüfung Ihrer Silikontastatur anfragen

Häufig gestellte Fragen