Fase de Diseño – Montaje de la Tapa de Electrónica Parte 2

¡Bienvenidos de nuevo a la serie del Proyecto de Laptop de Código Abierto! Hasta ahora, hemos discutido la funcionalidad y selección de componentes de la electrónica de la tapa, hemos examinado más de cerca la captura esquemática, y hemos preparado el proyecto para el diseño del layout de PCB.

En esta actualización, abordaremos el diseño de PCB de la placa de la cámara web con algunos desafíos esperados por delante; por ejemplo, lidiar con el factor de forma general pequeño de la placa o sacar el sensor de imagen de la cámara web microscópico.

Paquete del Sensor de Imagen

Comencemos por examinar más de cerca el sensor de imagen de la cámara web y el footprint correspondiente. El sensor de imagen OV2740 está disponible en varios paquetes, los sensores de imagen a menudo se venden como un die desnudo que se pega o se suelda directamente en el PCB. Luego, el sensor se une a la placa usando finos cables de unión de oro para sacar todas las señales necesarias.

Die OV2740 unido a un PCB

Hay varias razones para usar un die desnudo en lugar de un sensor completamente empaquetado. Las tres razones más destacadas son el costo, el factor de forma y las propiedades ópticas. Primero, consideremos el costo: empaquetar un sensor de imagen sin afectar el rendimiento óptico es un proceso costoso. Unir el die del sensor sin un paquete directamente al PCB ahorra el costo del empaquetado, pero viene con un costo de ensamblaje/fabricación más alto. Unir componentes ópticos en un PCB generalmente requiere una configuración de sala limpia así como un acabado de superficie del PCB que se pueda unir. Ambas opciones aumentan el costo de fabricación, razón por la cual la unión directa del die generalmente solo es viable para productos de alto volumen o altamente especializados.

Otra buena razón para elegir el método de unión directa del die es disminuir la altura total de la solución, especialmente con soluciones de cámaras densamente integradas para laptops o smartphones, donde cada fracción de milímetro en el eje Z cuenta. Si el die activo del sensor de imagen se eleva 0.5 mm por encima de la superficie de la placa, la altura extra debe ser compensada por el ensamblaje de la lente. Esto a menudo resulta en un aumento del grosor de todo el conjunto del sensor de imagen y la lente.

Además, la facilidad de montaje del conjunto de lentes sirve como otra razón convincente para utilizar el chip sensor desnudo. El chip sensor debe estar perfectamente perpendicular al eje del conjunto de lentes para lograr una imagen sin distorsiones. El conjunto de lentes se referencia mecánicamente a la superficie del PCB, la cual debe estar perfectamente paralela al chip del sensor de imagen. Si el sensor de imagen se empaqueta como un componente BGA, por ejemplo, es difícil garantizar que estará perfectamente paralelo a la superficie de la placa. Este efecto necesita ser compensado por el conjunto de lentes, pero usualmente no está presente con el enfoque de montaje directo del chip.

Para nuestro diseño de laptop, montar el chip sensor directamente en la superficie del PCB no es una opción debido al aumento del costo de fabricación. Por lo tanto, utilizaremos el OV2740 empaquetado como un componente BGA de paso fino.

Sensor de imagen OV2740 en un paquete BGA

Huella del Sensor de Imagen

El paquete del sensor no es un paquete BGA regular, sino más bien un arreglo de grilla de múltiples pasos. En nuestro caso, esto significa que las bolas de soldadura tienen un paso diferente en los ejes X e Y:

Huella BGA del sensor de imagen

La captura de pantalla muestra que la huella BGA utiliza un paso de 0.53mm en el eje X y 0.48mm en el eje Y. Esto conlleva algunas implicaciones para el diseño del PCB y la tecnología de fabricación que tenemos que elegir para la placa. La mayoría de los proveedores de PCB pueden fabricar un ancho de traza y espaciado de 0.1mm en el proceso estándar. Si nos gustaría elegir reglas de diseño estándar sin pagar costos adicionales por una clase de tecnología superior, solo podemos sacar los pines del sensor en el eje Y:

Desglose de componentes BGA

Dado que el paso de los pines en el eje X es ligeramente mayor, podemos colocar cómodamente una pista de 0.1mm entre dos almohadillas. Si quisiéramos también desglosar la segunda fila en el eje X, necesitaríamos elegir un espaciado de pistas de 0.09mm, lo cual la mayoría de los fabricantes no pueden manejar con sus reglas de diseño predeterminadas.

El sensor de imagen tiene cinco filas y podemos desglosar las dos filas más externas de pines sin ningún problema. Queda una fila en el medio a la que no podemos acceder desde la capa superior. Colocar un VIA con una almohadilla de 0.4mm y un taladro de 0.2mm—los límites de la mayoría de las reglas de diseño de PCB estándar—entre las almohadillas no es una opción porque no habría suficiente espacio desde el VIA hasta las almohadillas:

Huella BGA con VIAs

En este punto, podemos usar un paso adicional en el proceso de fabricación de PCB y eso es tapar y sellar los VIAs. Al usar VIAs sellados podemos colocar los VIAs directamente en la almohadilla sin causar problemas de fiabilidad durante el ensamblaje del PCB.

De esta manera, el escape routing para el sensor de imagen podría verse de la siguiente manera:

Escape routing del sensor de imagen

Colocación de componentes

Con la tecnología de PCB definida y armados con una estrategia de fanout, ahora podemos proceder a trabajar en la colocación de los componentes en la placa. La mayoría de las posiciones de los componentes ya están definidas por el modelo CAD. Los LEDs para los iconos táctiles retroiluminados, así como los electrodos de detección, deben posicionarse debajo de los recortes correspondientes en el vidrio de cobertura. La posición del conector de placa a placa que conecta la placa de la webcam con la placa principal también está predefinida. Podemos importar la información de colocación importando el contorno del vidrio de cobertura como un archivo .DXF en la capa mecánica del cuerpo 3D en Altium Designer. Podemos usar estos contornos como un punto de anclaje y ajustar los componentes a las ubicaciones correctas:

Contorno DXF importado

La colocación de los componentes restantes está dirigida por el esquemático. Los tres reguladores de voltaje necesarios para el sensor de imagen se colocan directamente al lado de la zona de exclusión para el ensamblaje de la lente:

Sensor de imagen y reguladores de voltaje

Cada LED debe colocarse debajo de un difusor personalizado para garantizar una retroiluminación homogénea para los iconos de teclas táctiles. Los difusores se utilizan para los agujeros de registro.

Posición del LED relativa a los agujeros de registro del difusor

Con la colocación de los componentes completada, podemos obtener una buena impresión de la densidad de enrutamiento con la que estamos tratando y seleccionar un apilado de capas adecuado basado en esta información. Para la PCB de la webcam, utilizaremos una placa de seis capas con control de impedancia en la capa superior e inferior. No vamos a enrutar trazas con control de impedancia en la capa inferior, pero el control de impedancia suele ofrecerse solo como una opción simétrica en espejo en el apilado de capas. El sensor de imagen utiliza una interfaz MIPI CSI-2 de dos carriles para transmitir los datos de imagen al ISP. La interfaz CSI-2 necesita ser enrutada con una impedancia diferencial de 100 Ohmios.

Diseño de PCB

En el primer paso del diseño de la PCB nos ocuparemos de enrutar el sensor de imagen y conectarlo con el conector de placa a placa. Los capacitores de desacoplamiento se colocaron cerca del sensor de imagen en la capa superior ya que no se permiten componentes en la capa inferior de la placa. Queremos usar trazas cortas y anchas para conectar los capacitores al sensor. Los LDOs cerca del sensor están conectados usando regiones de cobre sólido para proporcionar un poco de dispersión térmica extra. En el medio de cada pad de LDO se colocó un VIA de GND para dispersar el calor en los planos de GND de la placa.

El enrutamiento del sensor de imagen y la sección de suministro de energía se ve así:

Enrutamiento del sensor de imagen

Los tres pares diferenciales que salen de las dos filas superiores de los sensores de imagen son la interfaz MIPI CSI-2. Nos gustaría asegurarnos de que los bordes de la señal en cada traza complementaria dentro del par diferencial se propaguen en paralelo/a la misma altura a lo largo de las trazas.

Debido a la forma en que las señales CSI-2 salen de la huella, se introduce un pequeño retraso cerca del componente. Podemos contrarrestar este retraso agregando nuestros primitivos de ajuste de longitud Intra-Pair cerca de los pads BGA.

Ajuste de longitud Intra-Pair cerca del pad BGA

Los LED se conectaron utilizando una región sólida para cada pad del LED. Esto proporciona una mayor dispersión térmica y, por lo tanto, una mejor refrigeración de los LED. Dado que no estamos utilizando LED de alta potencia, el rendimiento térmico no es crítico en este caso.

Conexión de LED utilizando regiones sólidas

Finalmente, las capas internas se utilizan para un plano de tierra sólido en la capa interna 1 y la capa interna 4, y la alimentación se enruta en la capa interna 2 y 3:

Enrutamiento de potencia en la capa interna 3

Hay algunas secciones con poca área de cobre restante en los planos de potencia que podrían causar una caída de IR excesiva. Afortunadamente, toda la placa consume solo 25mA durante el funcionamiento normal sin picos de corriente, por lo que las pérdidas dentro de la geometría del cobre serán despreciables.

Puedes echar un vistazo al diseño de PCB terminado aquí:

Con el diseño del PCB terminado, podemos pedir los primeros prototipos de la placa de la webcam y comenzar a probar el sistema. Esto nos acerca un paso más a completar el hito del ensamblaje de la tapa. Una vez que se haya completado la prueba de la placa de la webcam, podemos concentrarnos en conectar todo el ensamblaje de la tapa al resto del sistema. Solo tenemos que diseñar un FPC para transmitir los datos del sensor de imagen a la placa principal. Se necesitará un segundo FPC para conectar la placa principal con la pantalla eDP en el ensamblaje de la pantalla.

Estos temas y más serán cubiertos a lo largo del Proyecto de Laptop de Código Abierto. ¡Mantente atento para descubrir qué desafíos de integridad de señal te esperan durante el diseño de FPC!