In der Layout-Phase wird der Schaltplan Ihres Keyboard-PCB-Designs in ein physisches Board überführt, das sich fertigen und bestücken lässt. Die Bauteilplatzierung bestimmt nicht nur die elektrische Funktion, sondern auch die mechanische Kompatibilität zu Gehäusen, Plates, Switches und Keycaps. Präzision ist entscheidend – schon 0,5mm Versatz an einem Switch-Loch können zu Klemmen führen oder das Einsetzen verhindern.
HILPCB fertigt Keyboard-PCBs mit der Registrierungsgenauigkeit, die für korrekte Switch-Ausrichtung und zuverlässigen Hot-Swap-Betrieb innerhalb üblicher Fertigungstoleranzen erforderlich ist.
In diesem Leitfaden
- Tastenabstands-System (Units)
- Switch-Footprint-Spezifikationen
- Hot-Swap-Sockel integrieren
- Stabilizer korrekt positionieren
- MCU- und Komponenten-Platzierung
- RGB-LED-Layout
- Lagenaufbau und Routing-Strategie
Tastenabstands-System (Units)
Bevor Bauteile platziert werden, ist das Unit-System von Keyboards zu verstehen. Dieses standardisierte Raster definiert Tastenpositionen weltweit und stellt Kompatibilität zwischen PCBs, Plates, Cases und Keycap-Sets verschiedener Hersteller sicher.
Das Standardraster beträgt 19,05mm (0,75 Zoll) und wird als „1u“ bezeichnet. Die Switch-Zentren liegen exakt auf diesem Raster; Keycaps überstehen symmetrisch. Dieser Standard stammt aus der Schreibmaschinen-Ära und ist bis heute absolut – Abweichungen führen zur Inkompatibilität mit dem großen Keyboard-Ökosystem.
Tastenbreiten in Units:
- 1u (19,05mm): Standard alphanumerische Tasten
- 1,25u (23,81mm): Bottom-Row-Mods (Ctrl, Alt, Win)
- 1,5u (28,58mm): Tab, Backslash
- 1,75u (33,34mm): Caps Lock
- 2u (38,1mm): Numpad 0, optional Backspace
- 2,25u (42,86mm): Left Shift, Enter
- 2,75u (52,39mm): Right Shift
- 6,25u (119,06mm): Standard Spacebar
- 7u (133,35mm): Alternative Spacebar
Tools für Layout-Design
Keyboard Layout Editor (KLE) auf keyboard-layout-editor.com ist ein webbasiertes Tool zum Entwerfen und Visualisieren von Layouts. Es exportiert JSON-Daten, die mit verschiedenen PCB-Tools kompatibel sind, und bietet eine Community-Bibliothek bestehender Layouts als Ausgangspunkt.
ai03 Plate Generator wandelt KLE-Daten in DXF-Dateien für die Plate-Fertigung um und – besonders relevant für PCB-Designer – liefert exakte Koordinaten für Switch-Positionen. Diese lassen sich in KiCad, Altium Designer, Eagle oder andere EDA-Tools importieren, um Switches präzise zu platzieren.
KiCad Keyboard Libraries (ai03, foostan, keebio) stellen fertige Switch-Footprints mit korrekten Abmessungen bereit. Etablierte Libraries reduzieren das Risiko dimensionaler Fehler, die sonst ein komplettes Redesign nötig machen.
Switch-Footprint-Spezifikationen
Cherry‑MX‑kompatible Footprints dominieren Custom-Keyboards und werden von Switches von Cherry, Gateron, Kailh, Durock, JWK, Tecsee und vielen weiteren Herstellern unterstützt. Wer die exakten Spezifikationen kennt, vermeidet kostspielige Fehler.
Kritische Maße (nicht verhandelbar)
- Zentralloch: 4,0mm Durchmesser zur Ausrichtung des Switch-Gehäuses
- Metall-Pin-Löcher: 1,27mm Durchmesser mit 6,35mm horizontalem Abstand vom Zentrum
- Pin-Positionen: Exakt gemäß Cherry-MX-Datenblatt – schon 0,1mm Abweichung kann Einsetzprobleme verursachen
Optionale Features
- PCB-Mount-Pin-Löcher: 1,7mm Durchmesser für 5‑Pin‑Switch-Kunststoffpins – ermöglicht plateless Builds
- LED-Slot: 1mm × 4mm rechteckiger Ausschnitt für THT-LEDs (klassischer Ansatz)
- SMD-LED-Pads: Nördlich oder südlich des Switch-Zentrums für modernes adressierbares RGB
Universelle Footprint-Strategie
Footprints, die mehrere Konfigurationen unterstützen, erhöhen die Build-Flexibilität und Attraktivität für Group-Buys. Ein universeller Footprint umfasst: MX-Pin-Löcher (Pflicht), PCB-Mount-Pin-Löcher (optional), THT-LED-Slot (Legacy-Kompatibilität), SMD-LED-Pads (modernes RGB), Hot-Swap-Pads (Switch-Wechsel ohne Löten) sowie Dioden-Pads (SMD und THT).
So kann ein einziges PCB-Design sowohl gelötete Builds als auch Hot-Swap, verschiedene LED-Optionen sowie plate-mounted oder plateless Konstruktionen unterstützen.
Spezifikationen: Kailh Hot-Swap-Sockel
Hot-Swap-Sockel integrieren
Hot-Swap-Sockel ermöglichen den Switch-Wechsel ohne Löten – essenziell für Enthusiasten-Keyboards, bei denen Nutzer verschiedene Switches ausprobieren. Die zusätzliche Komplexität und die Kosten werden durch ein deutlich besseres Nutzererlebnis gerechtfertigt.
Kailh Hot-Swap-Sockel
Kailh-Sockel sind die dominierende Wahl und werden über SMT-Pads auf der PCB-Unterseite montiert. Jeder Sockel ist 7,4mm × 3,3mm groß und sitzt nach der Montage 1,8mm unterhalb der PCB-Oberfläche. Diese Clearance ist kritisch – prüfen Sie die Gehäusetiefe, bevor Sie sich final für Hot-Swap entscheiden.
Pad-Spezifikation: 2,55mm × 2,55mm Quadratpads mit 6,35mm Pad-Mittenabstand, passend zu den Switch-Pin-Positionen. Zu kleine Pads führen zu schwachen Lötstellen, die beim Einstecken ausreißen können; übergroße Pads verschwenden Platz ohne Vorteil.
Layout-Hinweise: Bereiche unter den Sockelgehäusen freihalten (keine Traces/Vias darunter), einheitliche Sockelorientierung für sauberes Erscheinungsbild, ausreichend Kupferfläche für stabile Lötstellen – 1oz Kupfer ist typischerweise ausreichend, entscheidend ist das Pad-Design.
Mill-Max als Alternative
Mill-Max-Sockel (0305- und 7305-Serie) bieten Hot-Swap-Funktion mit Standard-Switch-Footprints. Diese zylindrischen Sockel werden in Through-Holes eingesetzt und klemmen Switch-Pins über federnde Innenkontakte.
Hauptvorteil: Kompatibel mit bestehenden Non-Hotswap-Designs – ermöglicht Retrofit oder Boards, die sowohl gelötete als auch Hot-Swap-Builds unterstützen, ohne separate Footprints.
Anforderungen: Größere Pin-Löcher (3,30mm für 0305-Serie statt 1,27mm Standard). Da die Sockel in der PCB-Dicke sitzen und nicht darunter, gibt es keine Clearance-Probleme auf der Unterseite.
Trade-off: Höhere Kosten pro Sockel als bei Kailh, dafür mehr Designflexibilität – je nach Zielgruppe kann sich das lohnen.
Stabilizer korrekt positionieren
Tasten ab 2u benötigen Stabilizer für gleichmäßige Betätigung – ohne Stabilizer kippen breite Tasten bei Druck am Rand und fühlen sich inkonsistent an. Cherry‑Style PCB‑Mount‑Stabilizer sind der Standard bei Custom-Keyboards.
Maße der Gehäuseöffnungen
- Gehäuselöcher: 3,0mm Durchmesser
- Draht-Clearance-Slots: auf freie Drahtbewegung auslegen
Stabilizer-Abstand je Tastenbreite
Der Abstand der Stabilizer-Gehäusemittelpunkte variiert je nach Key-Width:
- 2u bis 2,75u: 23,8mm Abstand (11,9mm je Seite vom Switch-Zentrum)
- 6,25u Spacebar: 100mm Abstand (50mm je Seite)
- 7u Spacebar: 114,3mm Abstand (57,15mm je Seite)
Diese Maße sind bei Cherry‑Style Stabilizern herstellerübergreifend standardisiert. Costar und andere Typen haben abweichende Anforderungen und sind in Custom-Designs weniger verbreitet.
Support für Screw-In-Stabilizer
Screw‑In‑Stabilizer sitzen sicherer als Clip‑In‑Varianten, reduzieren Rattle und verbessern die Langzeitstabilität. Sie benötigen zusätzliche M2-Schraublöcher:
- Lochgröße: 2,2mm, nicht metallisiert (NPTH)
- Position: 0,5mm Richtung Tastenmitte von jedem Gehäuseloch
- Hinweis: Prüfen, dass Schraublöcher keine Bottom-Layer-Traces schneiden
Viele Enthusiasten-Keyboards unterstützen Schraub-Stabilizer auch dann, wenn sie ab Werk mit Clip‑Ins geliefert werden – so bleibt eine Upgrade-Option.
MCU- und Komponenten-Platzierung
Neben den Switches enthalten Keyboard-PCBs Mikrocontroller, passive Bauteile, USB-Connector, ESD-Schutz und optional RGB-Treiber. Eine strategische Platzierung vereinfacht das Routing und verbessert die Fertigbarkeit.
MCU-Positionierung
Edge-Placement nahe am USB-Connector minimiert die kritische USB-Leiterbahnlänge – der häufigste Ansatz für 60%- und TKL-Layouts. Kurze USB-Traces verbessern Signal-Integrity und vereinfachen kontrollierte Impedanzführung.
Center-Placement kann Matrix-Tracelängen zu allen Switch-Positionen ausgleichen und so Timing-Konsistenz bei großen Keyboards verbessern. Allerdings kollidiert die mittige Platzierung bei gängigen Layouts oft mit Spacebar-Stabilizern.
Daughterboard-Designs bieten mehr Flexibilität, da USB zum JST-Connector geroutet wird und nicht direkt zum USB‑C.
Guidelines für passive Bauteile
- Abblockkondensatoren: innerhalb von 3mm zu den MCU-VCC-Pins – je näher, desto besser; Wirkung fällt mit Distanz stark ab
- USB-Serienwiderstände (22Ω): nah an der MCU mit kurzen Traces zu den USB-Pads
- ESD-Schutz: am USB-Connector, nicht an der MCU – Transienten sollen abgefangen werden, bevor sie sich ausbreiten
- Quarz/Resonator: innerhalb 10mm zu den MCU-Oszillatorpins, weg von High-Speed-Digital
Dioden-Platzierungsstrategien
Jeder Switch braucht eine zugehörige Diode. Übliche Ansätze:
- Neben dem Switch: Top-Layer in Switch-Nähe – gut für Handlöten und Sichtprüfung
- Unter dem Switch: SMD-Diode auf Bottom-Layer unter dem Switch – nach Montage unsichtbar, Top-Fläche frei für LEDs
- Im Footprint integriert: kleine SMD (SOD‑323) zwischen den Switch-Pins – maximale Flächeneffizienz
Unabhängig vom Ansatz gilt: Die Orientierung muss im gesamten Design konsistent sein. Gemischte Orientierungen führen zu Matrix-Fehlfunktion. Siehe Keyboard Diode Direction.
Empfohlene Designregeln für Keyboards
RGB-LED-Layout
Per-Key-RGB erfordert LED-Platzierung an jeder Switch-Position, wobei Datenleitungen der Kettenreihenfolge der LEDs folgen müssen.
Optionen für LED-Orientierung
South-Facing LEDs (unterhalb des Switch-Zentrums) sind kompatibel zu allen Keycap-Profilen inkl. Cherry – die bevorzugte Orientierung für maximale Kompatibilität. Bei North-Facing kann es bei bestimmten Switch/Keycap-Kombinationen zu Interferenzen kommen.
North-Facing LEDs (oberhalb des Switch-Zentrums) beleuchten Legends auf top-printed Keycaps besser. Das eignet sich, wenn Sie gezielt kompatible Switch/Keycap-Kombinationen adressieren.
Underglow LEDs werden auf der PCB-Unterseite entlang der Peripherie platziert und leuchten unter dem Keyboard. Für gleichmäßigen Glow gleichmäßig verteilen und Data‑In‑Pins konsistent ausrichten, damit das Chain-Routing einfach bleibt.
Data-Chain-Routing
WS2812B/SK6812-LEDs nutzen ein serielles Protokoll – Daten laufen durch die Kette. Das physische Routing muss der logischen Sequenz folgen: LED1 Data‑Out → LED2 Data‑In → LED2 Data‑Out → LED3 Data‑In usw.
Planen Sie die Kette vor dem restlichen Routing. Ein Serpentinenmuster funktioniert gut: Row 1 links‑nach‑rechts, Row 2 rechts‑nach‑links, abwechselnd – minimiert die Leiterbahnlänge und erzeugt eine intuitive Firmware-Adressierung.
Lagenaufbau und Routing-Strategie
Die meisten Keyboard-PCBs sind 2‑lagig – ausreichend für typische Designs bei niedrigen Kosten und hoher Herstellerkompatibilität.
Layer-Zuordnung
Top-Layer: Switch-Pads und Footprints, Row-Traces (horizontal), MCU und USB-Connector, passive Bauteile
Bottom-Layer: Column-Traces (vertikal), GND-Copper-Fill in freien Bereichen, Hot-Swap-Pads, SMD-Dioden (bei Under-Switch-Placement)
Diese Organisation minimiert Vias, weil horizontales und vertikales Routing auf getrennten Layern liegt. Row-Traces laufen horizontal ohne Layerwechsel; Column-Traces gehen pro Switch einmal via nach unten und laufen vertikal.
Designregeln für kosteneffiziente Fertigung
Keyboard-PCBs benötigen keine aggressiven Regeln. Konservative Regeln senken Kosten und erhöhen Yield:
- Trace/Space: 6/6mil (0,15mm) ist komfortabel und Standardpreis. 8/8mil gibt zusätzliche Reserve.
- Via Drill: 0,3mm Standard, ausreichend für Keyboard-Routingdichte
- Via Pad: 0,6mm Minimum für zuverlässigen Annular Ring
Hinweis: HILPCB unterstützt 2/2mil (50μm) für High-Density-Anwendungen, aber Standard-Keyboards sollten 6/6mil oder größer verwenden – feinere Regeln erhöhen die Fertigungskosten ohne Nutzen für typische Keyboard-Designs.
Routing-Strategien im Detail: Keyboard PCB Trace Routing.
HILPCB Layout-Fertigung
HILPCB bietet präzise Fertigung für Keyboard-Layouts – mit Fähigkeiten für Standard- und Advanced-Designs:
- Registrierungsgenauigkeit: Layer‑zu‑Layer‑Alignment ±50μm für zuverlässige Switch-Ausrichtung
- Bohrbild: Konsistente Positionierung für problemloses Einsetzen
- Standardregeln: 6/6mil Trace/Space zum Standardpreis
- Advanced Capability: 2/2mil, wenn erforderlich (HDI, dichtes MCU-Breakout)
- Oberflächen: ENIG für Hot-Swap-Durability, mehrere Lötstopplackfarben
SMT assembly bestückt Dioden, MCU, Passives und Hot-Swap-Sockel mit verifizierter Orientierung.
Reichen Sie Ihr Layout zur Fertigungsprüfung ein – unser Team verifiziert Alignment und Fertigbarkeit vor der Produktion.