Designphase – Elektronikkomponente des Deckelbausatzes Teil 2

Willkommen zurück zur Serie des Open Source Laptop Projekts! Bisher haben wir die Funktionalität und die Auswahl der Komponenten für die Elektronik des Deckelbausatzes besprochen, wir haben uns die schematische Erfassung genauer angesehen und das Projekt für das PCB-Layoutdesign vorbereitet.

In diesem Update werden wir uns mit dem PCB-Design der Webcam-Platine befassen, wobei einige erwartete Herausforderungen auf uns zukommen; z.B. der Umgang mit dem insgesamt kleinen Formfaktor der Platine oder das Herausführen des mikroskopisch kleinen Webcam-Bildsensors.

Bildsensor-Paket

Beginnen wir damit, den Webcam-Bildsensor und das passende Footprint genauer zu betrachten. Der Bildsensor OV2740 ist in mehreren Paketen erhältlich, Bildsensoren werden oft als nackter Chip verkauft, der entweder direkt auf die PCB geklebt oder gelötet wird. Der Sensor wird dann mit dünnen Goldbondingdrähten an die Platine gebunden, um alle notwendigen Signale herauszuführen.

OV2740 Chip auf einer PCB gebondet

Es gibt mehrere Gründe, einen nackten Chip anstelle eines vollständig verpackten Sensors zu verwenden. Die drei wichtigsten Gründe sind Kosten, Formfaktor und optische Eigenschaften. Zuerst betrachten wir die Kosten: Das Verpacken eines Bildsensors ohne Beeinträchtigung der optischen Leistung ist ein teurer Prozess. Das Bonden des Sensorchips ohne Gehäuse direkt auf die PCB spart die Verpackungskosten, führt aber zu höheren Montage-/Herstellungskosten. Das Bonden optischer Komponenten auf einer PCB erfordert in der Regel eine Reinraumumgebung sowie eine bondfähige PCB-Oberflächenbeschichtung. Beide Optionen treiben die Herstellungskosten in die Höhe, weshalb das direkte Chipanbringen normalerweise nur für Produkte mit hohen Stückzahlen oder für hochspezialisierte Produkte praktikabel ist.

Ein weiterer guter Grund für die Wahl der direkten Chipanbringung ist die Verringerung der Gesamthöhe der Lösung, insbesondere bei dicht integrierten Kamera-Lösungen für Laptops oder Smartphones, wo jeder Bruchteil eines Millimeters in der Z-Achse zählt. Wenn der aktive Chip des Bildsensors 0,5 mm über der Oberfläche der Platine erhöht ist, muss die zusätzliche Höhe durch die Linsenbaugruppe kompensiert werden. Dies führt oft zu einer erhöhten Dicke des gesamten Bildsensor- und Linsenstapels.

Darüber hinaus ist die einfache Montage der Linsenbaugruppe ein weiterer überzeugender Grund für die Verwendung des nackten Sensorchips. Der Sensorchip muss perfekt senkrecht zur Achse der Linsenbaugruppe stehen, um ein unverzerrtes Bild zu erreichen. Die Linsenbaugruppe ist mechanisch auf die Oberfläche der Leiterplatte bezogen, die perfekt parallel zum Bildsensorchip sein muss. Wenn der Bildsensor beispielsweise als BGA-Komponente verpackt ist, ist es schwierig zu garantieren, dass er perfekt parallel zur Plattenoberfläche ist. Dieser Effekt muss durch die Linsenbaugruppe kompensiert werden, ist jedoch bei der direkten Chipanbringungsmethode normalerweise nicht vorhanden.

Für unser Laptop-Design ist das direkte Anbringen des Sensorchips an die Oberfläche der Leiterplatte aufgrund erhöhter Herstellungskosten keine Option. Daher werden wir den OV2740 verwenden, der als feinpolige BGA-Komponente verpackt ist.

OV2740-Bildsensor in einem BGA-Gehäuse

Bildsensor-Fußabdruck

Das Sensorgehäuse ist kein reguläres BGA-Gehäuse, sondern ein Mehrfach-Pitch-Grid-Array. In unserem Fall bedeutet dies, dass die Lötkugeln einen unterschiedlichen Pitch in der X- und Y-Achse haben:

BGA-Fußabdruck des Bildsensors

Der Screenshot zeigt, dass der BGA-Fußabdruck einen Pitch von 0,53mm in der X-Achse und 0,48mm in der Y-Achse verwendet. Dies hat einige Implikationen für das Leiterplattendesign und die Fertigungstechnologie, die wir für die Platine wählen müssen. Die meisten Leiterplattenhersteller können eine Leiterbahnbreite und -abstand von 0,1mm im Standardprozess herstellen. Wenn wir uns für Standard-Designregeln entscheiden möchten, ohne zusätzliche Kosten für eine höhere Technologieklasse zu zahlen, können wir nur die Sensorpins in der Y-Achse herausführen:

Ausbruch von BGA-Komponenten

Da der Pin-Abstand in der X-Achse etwas größer ist, können wir bequem eine 0,1mm Leiterbahn zwischen zwei Pads einpassen. Wenn wir auch die zweite Reihe in der X-Achse herausführen möchten, müssten wir einen Leiterbahnabstand von 0,09mm wählen, den die meisten Hersteller mit ihren Standard-Designregeln nicht bewältigen können.

Der Bildsensor hat fünf Reihen und wir können die zwei äußersten Reihen der Pins ohne Probleme herausführen. Es bleibt eine Reihe in der Mitte übrig, die wir von der oberen Schicht aus nicht erreichen können. Das Platzieren einer VIA mit einem 0,4mm Pad und 0,2mm Bohrung—die Grenzen der meisten Standard-PCB-Designregeln—zwischen den Pads ist keine Option, da der Abstand von der VIA zu den Pads nicht ausreichend wäre:

BGA-Fußabdruck mit VIAs

An diesem Punkt können wir einen zusätzlichen Schritt im PCB-Herstellungsprozess nutzen, und das ist das Verschließen und Abdecken der VIAs. Durch die Verwendung von abgedeckten VIAs können wir die VIAs direkt im Pad platzieren, ohne während der PCB-Montage Zuverlässigkeitsprobleme zu verursachen.

Auf diese Weise könnte das Escape-Routing für den Bildsensor wie folgt aussehen:

Escape-Routing des Bildsensors

Platzierung der Komponenten

Mit der definierten PCB-Technologie und einer Strategie für das Fanout können wir nun mit der Platzierung der Komponenten auf der Platine beginnen. Die meisten Komponentenpositionen sind bereits durch das CAD-Modell definiert. Die LEDs für die hintergrundbeleuchteten Touch-Symbole sowie die Sensorelektroden müssen unter den passenden Ausschnitten im Deckglas positioniert werden. Die Position des Board-zu-Board-Steckverbinders, der das Webcam-Board mit dem Hauptboard verbindet, ist ebenfalls vordefiniert. Wir können die Platzierungsinformationen importieren, indem wir die Umrisse des Deckglases als .DXF-Datei in die 3D-Körper-Mechanikschicht in Altium Designer importieren. Wir können diese Umrisse als Ankerpunkt nutzen und die Komponenten an den korrekten Positionen ausrichten:

Importierter DXF-Umriss

Die verbleibende Komponentenplatzierung wird durch das Schaltbild bestimmt. Die drei Spannungsregler, die für den Bildsensor benötigt werden, sind direkt neben der Sperrzone für die Linsenmontage platziert:

Bildsensor und Spannungsregler

Jede LED muss unter einem speziellen Diffusor platziert werden, um eine homogene Hintergrundbeleuchtung für die Touch-Key-Symbole zu gewährleisten. Die Diffusoren werden für Registrierungslöcher verwendet.

LED-Position relativ zu den Registrierungslöchern des Diffusors

Nachdem die Komponentenplatzierung abgeschlossen ist, können wir einen guten Eindruck von der Routingdichte erhalten, mit der wir es zu tun haben, und basierend auf diesen Informationen eine geeignete Lagenanordnung auswählen. Für die Webcam-PCB werden wir eine sechslagige Platine mit Impedanzkontrolle auf der oberen und unteren Lage verwenden. Wir werden keine impedanzkontrollierten Leiterbahnen auf der unteren Lage routen, aber die Impedanzkontrolle wird üblicherweise nur als spiegelsymmetrische Option in der Lagenanordnung angeboten. Der Bildsensor verwendet eine zweispurige MIPI CSI-2-Schnittstelle, um die Bilddaten an den ISP zu übertragen. Die CSI-2-Schnittstelle muss mit einer differentiellen Impedanz von 100 Ohm geroutet werden.

PCB-Layout

Im ersten Schritt des PCB-Layouts werden wir uns um das Routing des Bildsensors kümmern und ihn mit dem Board-zu-Board-Steckverbinder verbinden. Die Entkopplungskondensatoren wurden nahe am Bildsensor auf der oberen Lage platziert, da auf der unteren Lage der Platine keine Komponenten erlaubt sind. Wir möchten kurze und breite Leiterbahnen verwenden, um die Kondensatoren mit dem Sensor zu verbinden. Die LDOs in der Nähe des Sensors sind mit soliden Kupferflächen verbunden, um ein wenig zusätzliche thermische Verteilung zu bieten. In der Mitte jedes LDO-Pads wurde eine GND-VIA platziert, um die Wärme in die GND-Ebenen der Platine zu verteilen.

Das Routing des Bildsensors und des Stromversorgungsbereichs sieht so aus:

Routing des Bildsensors

Die drei differentiellen Paare, die die beiden oberen Reihen der Bildsensoren verlassen, sind die MIPI CSI-2-Schnittstelle. Wir möchten sicherstellen, dass die Signalflanken in jeder komplementären Leiterbahn innerhalb des differentiellen Paares parallel/in gleicher Höhe entlang der Leiterbahnen propagieren.

Aufgrund der Art und Weise, wie die CSI-2-Signale den Footprint verlassen, wird in der Nähe der Komponente eine kleine Verzögerung eingeführt. Wir können dieser Verzögerung entgegenwirken, indem wir unsere Intra-Paar-Längenabstimmungsprimitive in der Nähe der BGA-Pads hinzufügen.

Intra-Paar-Längenabstimmung nahe des BGA-Pads

Die LEDs wurden durch Verwendung eines Festkörpers für jedes LED-Pad verbunden. Dies bietet eine zusätzliche thermische Ausbreitung und daher eine bessere Kühlung der LEDs. Da wir keine Hochleistungs-LEDs verwenden, ist die thermische Leistung in diesem Fall allerdings nicht kritisch.

LED-Verbindung mit Festkörperbereichen

Schließlich werden die inneren Lagen für eine solide Massefläche auf der inneren Lage 1 und der inneren Lage 4 verwendet, und die Stromversorgung wird auf der inneren Lage 2 und 3 geführt:

Stromführung auf der inneren Lage 3

Es gibt einige Bereiche mit wenig Kupferfläche in den Stromversorgungsebenen, die einen übermäßigen IR-Abfall verursachen könnten. Glücklicherweise zieht die gesamte Platine nur 25mA während des normalen Betriebs ohne Stromspitzen, so dass die Verluste innerhalb der Kupfergeometrie vernachlässigbar sein werden.

Hier können Sie einen Blick auf das fertige PCB-Design werfen:

Mit dem abgeschlossenen PCB-Design können wir die ersten Prototypen der Webcam-Platine bestellen und mit dem Testen des Systems beginnen! Dies bringt uns einen Schritt näher an den Abschluss des Meilensteins für die Deckelmontage. Sobald die Tests der Webcam-Platine abgeschlossen sind, können wir uns darauf konzentrieren, die gesamte Deckelmontage mit dem Rest des Systems zu verbinden. Wir müssen nur noch ein FPC-Design für die Übertragung der Bilddaten des Sensors auf das Hauptboard herausfinden. Ein zweites FPC wird benötigt, um das Hauptboard mit dem eDP-Display in der Bildschirmmontage zu verbinden.

Diese Themen und mehr werden im Rahmen des Open Source Laptop Projekts behandelt. Bleiben Sie dran, um herauszufinden, welche Herausforderungen bezüglich der Signalintegrität beim FPC-Design auf Sie warten!