Fase di Progettazione – Assemblaggio del Coperchio Parte Elettronica 2

Bentornati alla serie del Progetto Laptop Open Source! Finora, abbiamo discusso della funzionalità e della selezione dei componenti dell'elettronica dell'assembly del coperchio, abbiamo esaminato più da vicino la cattura schematica e abbiamo preparato il progetto per il design del layout del PCB.

In questo aggiornamento, affronteremo il design del PCB della scheda della webcam con alcune sfide previste; ad esempio, gestire il fattore di forma complessivamente piccolo della scheda o estrarre il microscopico sensore d'immagine della webcam.

Pacchetto del Sensore d'Immagine

Iniziamo esaminando più da vicino il sensore d'immagine della webcam e il footprint corrispondente. Il sensore d'immagine OV2740 è disponibile in diversi pacchetti, i sensori d'immagine sono spesso venduti come un die nudo che viene incollato o saldato direttamente sul PCB. Il sensore è poi collegato alla scheda utilizzando sottili fili d'oro per estrarre tutti i segnali necessari.

OV2740 die collegato a un PCB

Ci sono diverse ragioni per utilizzare un die nudo invece di un sensore completamente confezionato. Le tre ragioni più importanti sono il costo, il fattore di forma e le proprietà ottiche. Prima, consideriamo il costo: confezionare un sensore d'immagine senza impattare le prestazioni ottiche è un processo costoso. Collegare il die del sensore senza un pacchetto direttamente al PCB risparmia il costo del confezionamento, ma comporta un costo di assemblaggio/produzione più elevato. Collegare componenti ottici su un PCB di solito richiede una configurazione in camera pulita così come una finitura della superficie del PCB bondabile. Entrambe le opzioni aumentano il costo di produzione, motivo per cui l'attacco diretto del die è solitamente fattibile solo per prodotti ad alto volume o altamente specializzati.

Un'altra buona ragione per scegliere il metodo di attacco diretto del die è per diminuire l'altezza complessiva della soluzione, specialmente con soluzioni di fotocamere densamente integrate per laptop o smartphone, dove ogni frazione di millimetro nell'asse Z conta. Se il die attivo del sensore d'immagine è elevato di 0,5 mm sopra la superficie della scheda, l'altezza extra deve essere compensata dall'assemblaggio della lente. Ciò spesso risulta in un aumento dello spessore dell'intero stack di sensore d'immagine e lente.

Inoltre, la facilità di montaggio dell'insieme lente rappresenta un altro motivo convincente per utilizzare il die del sensore nudo. Il die del sensore deve essere perfettamente perpendicolare all'asse dell'insieme lente per ottenere un'immagine non distorta. L'insieme lente è meccanicamente riferito alla superficie del PCB che deve essere perfettamente parallela al die del sensore d'immagine. Se il sensore d'immagine è confezionato come un componente BGA, ad esempio, è difficile garantire che sarà perfettamente parallelo alla superficie della scheda. Questo effetto deve essere compensato dall'insieme lente, ma di solito non è presente con l'approccio di attacco diretto del die.

Per il nostro design del laptop, attaccare direttamente il die del sensore alla superficie del PCB non è un'opzione a causa dell'aumento del costo di produzione. Pertanto, utilizzeremo l'OV2740 confezionato come componente BGA a passo fine.

Sensore d'immagine OV2740 in un pacchetto BGA

Impronta del Sensore d'Immagine

Il pacchetto del sensore non è un pacchetto BGA regolare, ma invece una griglia multi-passo. Nel nostro caso, questo significa che le sfere di saldatura hanno un passo diverso negli assi X e Y:

Impronta BGA del sensore d'immagine

Lo screenshot mostra che l'impronta BGA utilizza un passo di 0.53mm nell'asse X e 0.48mm nell'asse Y. Questo comporta alcune implicazioni per il design del PCB e la tecnologia di produzione che dobbiamo scegliere per la scheda. La maggior parte dei fornitori di PCB può produrre una larghezza di traccia e uno spazio di 0.1mm nel processo standard. Se vogliamo scegliere regole di design standard senza pagare costi aggiuntivi per una classe di tecnologia superiore possiamo solo far uscire i pin del sensore nell'asse Y:

Sviluppo dei componenti BGA

Poiché il passo dei pin sull'asse X è leggermente più grande, possiamo inserire comodamente una traccia da 0,1mm tra due pad. Se volessimo anche sviluppare la seconda fila sull'asse X, dovremmo scegliere uno spazio tra le tracce di 0,09mm, che la maggior parte dei produttori non può gestire con le loro regole di progettazione predefinite.

Il sensore di immagine ha cinque file e possiamo sviluppare le due file esterne di pin senza problemi. Rimane una fila al centro che non possiamo raggiungere dallo strato superiore. Posizionare una VIA con un pad da 0,4mm e una foratura da 0,2mm—i limiti della maggior parte delle regole di progettazione PCB standard—tra i pad non è un'opzione perché non ci sarebbe abbastanza spazio dalla VIA ai pad:

Impronta BGA con VIA

A questo punto, possiamo utilizzare un ulteriore passaggio nel processo di fabbricazione del PCB, ovvero il tappaggio e la sigillatura delle VIA. Utilizzando VIA sigillate possiamo posizionare le VIA direttamente nel pad senza causare problemi di affidabilità durante l'assemblaggio del PCB.

In questo modo, il routing di fuga per il sensore di immagine potrebbe apparire come segue:

Routing di fuga del sensore di immagine

Posizionamento dei componenti

Con la tecnologia PCB definita e armati di una strategia di fanout possiamo ora procedere con il posizionamento dei componenti sulla scheda. La maggior parte delle posizioni dei componenti è già definita dal modello CAD. I LED per le icone touch retroilluminate così come gli elettrodi di rilevamento devono essere posizionati sotto le aperture corrispondenti nel vetro di copertura. Anche la posizione del connettore da scheda a scheda che collega la scheda della webcam alla scheda principale è predefinita. Possiamo importare le informazioni di posizionamento importando il contorno del vetro di copertura come file .DXF sullo strato meccanico del corpo 3D in Altium Designer. Possiamo usare questi contorni come punto di ancoraggio e posizionare i componenti nelle corrette posizioni:

Contorno DXF importato

Il posizionamento dei componenti rimanenti è guidato dallo schema. I tre regolatori di tensione necessari per il sensore di immagine sono posizionati direttamente accanto alla zona di esclusione per l'assemblaggio della lente:

Sensore di immagine e regolatori di tensione

Ogni LED deve essere posizionato sotto un diffusore personalizzato per garantire un'illuminazione omogenea per le icone dei tasti touch. I diffusori sono utilizzati per i fori di registrazione.

Posizione dei LED rispetto ai fori di registrazione del diffusore

Con il posizionamento dei componenti completato, possiamo ottenere una buona impressione della densità di routing con cui abbiamo a che fare e selezionare uno stack di strati adatto basandoci su queste informazioni. Per il PCB della webcam, utilizzeremo una scheda a sei strati con controllo dell'impedenza sullo strato superiore e inferiore. Non effettueremo il routing di tracce con controllo dell'impedenza sullo strato inferiore, ma il controllo dell'impedenza è solitamente offerto solo come opzione simmetrica a specchio nello stack di strati. Il sensore di immagine utilizza un'interfaccia MIPI CSI-2 a due corsie per trasmettere i dati dell'immagine all'ISP. L'interfaccia CSI-2 deve essere routata con un'impedenza differenziale di 100 Ohm.

Layout PCB

Nel primo passo del layout PCB ci occuperemo del routing del sensore di immagine e del suo collegamento con il connettore da scheda a scheda. I condensatori di disaccoppiamento sono stati posizionati vicino al sensore di immagine sullo strato superiore poiché non sono ammessi componenti sullo strato inferiore della scheda. Vogliamo utilizzare tracce corte e larghe per collegare i condensatori al sensore. Gli LDO vicini al sensore sono collegati utilizzando regioni di rame solido per fornire un po' di diffusione termica aggiuntiva. Nel mezzo di ogni pad LDO è stato posizionato un VIA a GND per diffondere il calore nei piani GND della scheda.

Il routing del sensore di immagine e della sezione di alimentazione si presenta così:

Routing del sensore di immagine

Le tre coppie differenziali che escono dalle due file superiori dei sensori di immagine sono l'interfaccia MIPI CSI-2. Vorremmo assicurarci che i bordi del segnale in ogni traccia complementare all'interno della coppia differenziale si propaghino in parallelo/alla stessa altezza lungo le tracce.

A causa del modo in cui i segnali CSI-2 escono dall'impronta, viene introdotto un piccolo ritardo vicino al componente. Possiamo contrastare questo ritardo aggiungendo i nostri primitivi di sintonizzazione della lunghezza Intra-Pair vicino ai pad BGA.

Sintonizzazione della lunghezza Intra-Pair vicino al pad BGA

I LED sono stati connessi utilizzando una regione solida per ogni pad del LED. Questo fornisce una certa diffusione termica aggiuntiva e quindi un migliore raffreddamento dei LED. Poiché non stiamo utilizzando LED ad alta potenza, la prestazione termica non è critica in questo caso.

Connessione dei LED tramite regioni solide

Infine, gli strati interni sono utilizzati per un piano di massa solido sullo strato interno 1 e sullo strato interno 4, e l'alimentazione è instradata sugli strati interni 2 e 3:

Instradamento dell'alimentazione sullo strato interno 3

Ci sono alcune sezioni con poca area di rame rimasta nei piani di alimentazione che potrebbero causare una caduta di tensione IR eccessiva. Fortunatamente, l'intera scheda assorbe solo 25mA durante il normale funzionamento senza picchi di corrente, quindi le perdite all'interno della geometria del rame saranno trascurabili.

Puoi dare un'occhiata al design del PCB finito qui:

Con il design del PCB completato, possiamo ordinare i primi prototipi della scheda della webcam e iniziare i test del sistema! Questo ci avvicina di un passo al completamento del traguardo dell'assemblaggio del coperchio. Una volta terminati i test della scheda della webcam, possiamo concentrarci sul collegamento dell'intero assemblaggio del coperchio al resto del sistema. Dobbiamo solo progettare un FPC per trasmettere i dati del sensore di immagine alla scheda madre. Un secondo FPC sarà necessario per collegare la scheda madre al display eDP nell'assemblaggio dello schermo.

Questi argomenti e molti altri saranno trattati nel corso del Progetto Laptop Open Source. Restate sintonizzati per scoprire quali sfide di integrità del segnale vi aspettano durante la progettazione del FPC!