Phase de conception - Assemblage du couvercle Électronique Partie 2

Lukas Henkel
|  Créé: Février 15, 2024  |  Mise à jour: Mars 18, 2024
LAE Partie 2

Jalon

2
Concept Phase – Initial CAD Design
| Created: June 16, 2023
3
Concept Phase – Cooling and Airflow Part 1
| Created: September 19, 2023
4
Concept Phase – Lid Assembly Design Part 1
| Created: September 19, 2023
5
Concept Phase – Lid Assembly Design Part 2
| Created: September 26, 2023
6
7
Design Phase – Lid Assembly Mechanics Part 2
| Created: November 16, 2023
8
Design Phase – Lid Assembly Mechanics Part 3
| Created: November 23, 2023
9
10
Design Phase – Lid Assembly Electronics Part 2
| Created: February 16, 2024
11
More Milestones
| Coming soon

Bienvenue de retour dans la série du projet d'ordinateur portable open source ! Jusqu'à présent, nous avons discuté de la fonctionnalité et de la sélection des composants de l'électronique de l'assemblage du couvercle, nous avons examiné de plus près la capture schématique, et nous avons préparé le projet pour la conception de la disposition du PCB.

Dans cette mise à jour, nous allons nous attaquer à la conception du PCB de la carte de la webcam avec quelques défis attendus ; par exemple, gérer le facteur de forme global petit de la carte ou sortir le capteur d'image microscopique de la webcam.

Package du capteur d'image

Commençons par examiner de plus près le capteur d'image de la webcam et l'empreinte correspondante. Le capteur d'image OV2740 est disponible dans plusieurs packages, les capteurs d'images sont souvent vendus comme une puce nue qui est soit collée soit soudée directement sur le PCB. Le capteur est ensuite relié à la carte à l'aide de fils de liaison en or fins pour sortir tous les signaux nécessaires.

Puce OV2740 reliée à un PCB

Puce OV2740 reliée à un PCB

Il y a plusieurs raisons d'utiliser une puce nue au lieu d'un capteur entièrement emballé. Les trois raisons les plus importantes sont le coût, le facteur de forme et les propriétés optiques. Premièrement, considérons le coût : emballer un capteur d'image sans impacter la performance optique est un processus coûteux. Relier la puce du capteur sans emballage directement au PCB économise le coût de l'emballage, mais entraîne un coût d'assemblage/fabrication plus élevé. Relier des composants optiques sur un PCB nécessite généralement un environnement de salle blanche ainsi qu'une finition de surface du PCB bondable. Les deux options augmentent le coût de fabrication, c'est pourquoi l'attachement direct de la puce est généralement viable uniquement pour les produits à volume élevé ou hautement spécialisés.

Une autre bonne raison de choisir la méthode d'attachement direct de la puce est de diminuer la hauteur totale de la solution, en particulier avec des solutions de caméra densément intégrées pour les ordinateurs portables ou les smartphones, où chaque fraction de millimètre sur l'axe Z compte. Si le die actif du capteur d'image est élevé de 0,5 mm au-dessus de la surface du PCB, la hauteur supplémentaire doit être compensée par l'assemblage de la lentille. Cela résulte souvent en une épaisseur accrue de l'ensemble du capteur d'image et de la pile de lentilles.

De plus, la facilité de montage de l'ensemble de la lentille constitue une autre raison convaincante d'utiliser le die du capteur nu. Le die du capteur doit être parfaitement perpendiculaire à l'axe de l'ensemble de la lentille pour obtenir une image non distordue. L'ensemble de la lentille est mécaniquement référencé à la surface du PCB qui doit être parfaitement parallèle au die du capteur d'image. Si le capteur d'image est conditionné en tant que composant BGA, par exemple, il est difficile de garantir qu'il sera parfaitement parallèle à la surface du circuit imprimé. Cet effet doit être compensé par l'ensemble de la lentille, mais n'est généralement pas présent avec l'approche de fixation directe du die.

Pour notre conception de laptop, fixer directement le die du capteur à la surface du PCB n'est pas une option en raison du coût de fabrication accru. Par conséquent, nous utiliserons le OV2740 conditionné en tant que composant BGA à pas fin.

Capteur d'image OV2740 dans un boîtier BGA

Capteur d'image OV2740 dans un boîtier BGA

Empreinte du capteur d'image

Le boîtier du capteur n'est pas un boîtier BGA régulier, mais plutôt un réseau à grille à pas multiple. Dans notre cas, cela signifie que les billes de soudure ont un pas différent dans les axes X et Y :

Empreinte BGA du capteur d'image

Empreinte BGA du capteur d'image

La capture d'écran montre que l'empreinte BGA utilise un pas de 0,53mm dans l'axe X et de 0,48mm dans l'axe Y. Cela a certaines implications pour la conception du PCB et la technologie de fabrication que nous devons choisir pour le circuit. La plupart des fournisseurs de PCB peuvent fabriquer une largeur de piste et un espacement de 0,1mm dans le processus standard. Si nous souhaitons choisir des règles de conception standard sans payer de coûts supplémentaires pour une classe de technologie supérieure, nous ne pouvons sortir les broches du capteur que dans l'axe Y :

Sortie de composant BGA

Dégroupage des composants BGA

Puisque le pas des broches sur l'axe X est légèrement plus grand, nous pouvons aisément insérer une piste de 0,1mm entre deux pads. Si nous voulons également dégrouper la deuxième rangée sur l'axe X, nous devrions choisir un espacement de piste de 0,09mm, ce que la plupart des fabricants ne peuvent pas gérer avec leurs règles de conception par défaut.

Le capteur d'image a cinq rangées et nous pouvons dégrouper les deux rangées les plus externes de broches sans aucun problème. Il reste une rangée au milieu que nous ne pouvons pas atteindre depuis la couche supérieure. Placer un VIA avec un pad de 0,4mm et un perçage de 0,2mm—les limites de la plupart des règles de conception de PCB standard—entre les pads n'est pas une option car il n'y aurait pas assez d'espace du VIA aux pads :

Empreinte BGA avec VIAs

Empreinte BGA avec VIAs

À ce stade, nous pouvons utiliser une étape supplémentaire dans le processus de fabrication du PCB qui est le bouchage et le capsulage des VIAs. En utilisant des VIAs capsulés, nous pouvons placer les VIAs directement dans le pad sans causer de problèmes de fiabilité pendant l'assemblage du PCB.

De cette manière, le routage d'évasion pour le capteur d'image pourrait ressembler à ce qui suit :

Routage d'évasion du capteur d'image

Routage d'évasion du capteur d'image

Placement des composants

Avec la technologie PCB définie et armés d'une stratégie de fanout, nous pouvons maintenant procéder au placement des composants sur la carte. La plupart des positions des composants sont déjà définies par le modèle CAO. Les LED pour les icônes tactiles rétroéclairées ainsi que les électrodes de détection doivent être positionnées sous les découpes correspondantes dans le verre de couverture. La position du connecteur de carte à carte qui relie la carte de la webcam à la carte principale est également prédéfinie. Nous pouvons importer les informations de placement en important le contour du verre de couverture sous forme de fichier .DXF sur la couche mécanique du corps 3D dans Altium Designer. Nous pouvons utiliser ces contours comme un point d'ancrage et placer les composants aux emplacements corrects :

Contour DXF importé

Contour DXF importé

Le placement des composants restants est dicté par le schéma. Les trois régulateurs de tension nécessaires pour le capteur d'image sont placés juste à côté de la zone d'exclusion pour l'assemblage de l'objectif :

Capteur d'image et régulateurs de tension

Capteur d'image et régulateurs de tension

Chaque LED doit être placée sous un diffuseur personnalisé pour garantir un rétroéclairage homogène pour les icônes des touches tactiles. Les diffuseurs sont utilisés pour les trous de repérage.

Position des LED par rapport aux trous de repérage du diffuseur

Position des LED par rapport aux trous de repérage du diffuseur

Avec le placement des composants terminé, nous pouvons avoir une bonne impression de la densité de routage avec laquelle nous avons affaire et sélectionner une pile de couches adaptée sur la base de ces informations. Pour le PCB de la webcam, nous utiliserons une carte à six couches avec contrôle de l'impédance sur la couche supérieure et inférieure. Nous ne routerons pas de traces à impédance contrôlée sur la couche inférieure, mais le contrôle de l'impédance est généralement proposé uniquement comme une option symétrique en miroir dans la pile de couches. Le capteur d'image utilise une interface MIPI CSI-2 à deux voies pour transmettre les données d'image à l'ISP. L'interface CSI-2 doit être routée avec une impédance différentielle de 100 Ohms.

Disposition PCB

Dans la première étape de la disposition PCB, nous nous occuperons du routage du capteur d'image et de sa connexion avec le connecteur carte-à-carte. Les condensateurs de découplage ont été placés près du capteur d'image sur la couche supérieure car aucun composant n'est autorisé sur la couche inférieure de la carte. Nous voulons utiliser des traces courtes et larges pour connecter les condensateurs au capteur. Les LDOs proches du capteur sont connectés en utilisant des régions de cuivre solide pour fournir un peu de dispersion thermique supplémentaire. Au milieu de chaque pad de LDO, un VIA GND a été placé pour disperser la chaleur dans les plans GND de la carte.

Le routage du capteur d'image et de la section d'alimentation ressemble à ceci :

Routage du capteur d'image

Routage du capteur d'image

Les trois paires différentielles quittant les deux rangées supérieures des capteurs d'image sont l'interface MIPI CSI-2. Nous aimerions nous assurer que les bords des signaux dans chaque trace complémentaire au sein de la paire différentielle se propagent en parallèle/à la même hauteur le long des traces.

En raison de la manière dont les signaux CSI-2 quittent l'empreinte, un petit retard est introduit près du composant. Nous pouvons contrer ce retard en ajoutant nos primitives de réglage de longueur Intra-Paire près des pads BGA.

Réglage de longueur Intra-Paire près du pad BGA

Réglage de longueur Intra-Paire près du pad BGA

Les LED ont été connectées en utilisant une région solide pour chaque pad de LED. Cela fournit une dissipation thermique supplémentaire et donc un meilleur refroidissement des LED. Puisque nous n'utilisons pas de LED de haute puissance, la performance thermique n'est cependant pas critique dans ce cas.

Connexion des LED à l'aide de régions solides

Connexion des LED à l'aide de régions solides

Enfin, les couches internes sont utilisées pour un plan de masse solide sur la première couche interne et la quatrième couche interne, et l'alimentation est routée sur la deuxième et la troisième couche interne :

Routage de l'alimentation sur la couche interne 3

Routage de l'alimentation sur la couche interne 3

Il y a quelques sections avec peu de zone de cuivre restante dans les plans d'alimentation qui pourraient causer une chute de tension IR excessive. Heureusement, l'ensemble du circuit ne consomme que 25mA en fonctionnement normal sans pics de courant, donc les pertes dans la géométrie du cuivre seront négligeables.

Vous pouvez jeter un œil au design final du PCB ici :

Test du bouton

Avec le design du PCB terminé, nous pouvons commander les premiers prototypes de la carte de la webcam et commencer les tests du système ! Cela nous rapproche d'un pas de l'achèvement de l'étape de montage du couvercle. Une fois les tests de la carte de la webcam terminés, nous pouvons nous concentrer sur la connexion de l'ensemble du couvercle au reste du système. Il suffit de concevoir un FPC pour transmettre les données du capteur d'image à la carte principale. Un second FPC sera nécessaire pour connecter la carte principale à l'affichage eDP dans l'assemblage de l'écran.

Ces sujets et bien d'autres seront abordés tout au long du projet d'ordinateur portable Open Source. Restez à l'écoute pour découvrir quels défis d'intégrité de signal vous attendent lors de la conception du FPC !

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Lukas is a passionate hardware designer with more than 10 years of experience in the electronics industry. As a co-founder of his own engineering services company, he has had the privilege of working on many exciting projects, taking on challenges ranging from precision analogue design to high-speed PCB layout and power electronics.

As a strong supporter of the open-source philosophy, Lukas has made it his goal to give anyone interested an insight into the construction and functioning of modern electronic devices. Driven by that goal, he has founded the company Open Visions Technology (OV Tech GmbH), which aims to bring highly repairable, fully documented state-of-the-art consumer hardware to the market.

Lukas firmly believes that with today's online access to know-how and tools, anyone with an idea, drive, and passion can create extraordinary things. He is looking forward to being part of an enthusiastic community and is excited to see how people bring their ideas to life.

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