設計フェーズ - リッドアセンブリ電子部品 パート2

オープンソースラップトッププロジェクトシリーズへようこそ！これまでに、蓋組み立て電子部品の機能とコンポーネント選択について議論し、回路図のキャプチャについて詳しく見てきました。そして、PCBレイアウト設計のためのプロジェクトの準備が整いました。

このアップデートでは、ウェブカメラボードのPCB設計に取り組みますが、いくつかの予想される課題があります。例えば、ボードの全体的な小さなフォームファクターを扱うことや、顕微鏡で見るようなウェブカメライメージセンサーをブレイクアウトすることです。

イメージセンサーパッケージ

ウェブカメライメージセンサーとマッチングフットプリントをより詳しく見てみましょう。イメージセンサーOV2740は、いくつかのパッケージで利用可能です。イメージセンサーは、通常、PCBに直接接着またははんだ付けされる裸のダイとして販売されます。その後、センサーは必要なすべての信号をブレイクアウトするために、薄い金のボンディングワイヤーを使用してボードに接合されます。

PCBに接合されたOV2740ダイ

完全にパッケージされたセンサーではなく、裸のダイを使用する理由はいくつかあります。最も顕著な3つの理由は、コスト、フォームファクター、および光学特性です。まず、コストを考えてみましょう：イメージセンサーを光学性能に影響を与えずにパッケージングすることは、高価なプロセスです。パッケージなしでセンサーダイを直接PCBに接合することで、パッケージングコストを節約できますが、組み立て/製造コストは高くなります。PCB上の光学コンポーネントを接合するには、通常、クリーンルーム設定および接合可能なPCB表面仕上げが必要です。これらのオプションは製造コストを押し上げるため、直接ダイアタッチは通常、大量生産または高度に特殊化された製品にのみ実行可能です。

直接ダイアタッチ方法を選択するもう一つの良い理由は、特にラップトップやスマートフォンのような密集したカメラソリューションで、全体的なソリューションの高さを減らすことです。Z軸でのわずかなミリメートル単位の差が重要です。イメージセンサーのアクティブダイがボード表面から0.5mm上にある場合、その余分な高さはレンズアセンブリによって補償されなければなりません。これは、しばしばイメージセンサーとレンズのスタック全体の厚みを増加させる結果となります。

さらに、レンズアセンブリの取り付けが容易であることは、裸のセンサーダイを利用するもう一つの説得力のある理由となります。歪みのない画像を得るためには、センサーダイがレンズアセンブリの軸に対して完全に垂直でなければなりません。レンズアセンブリは、PCB表面に機械的に参照され、その表面は画像センサーダイと完全に平行でなければなりません。例えば、画像センサーがBGAコンポーネントとしてパッケージされている場合、それが基板表面に対して完全に平行であることを保証することは困難です。この効果はレンズアセンブリによって補償される必要がありますが、直接ダイアタッチアプローチでは通常存在しません。

私たちのノートパソコンの設計では、製造コストの増加のため、センサーダイを直接PCB表面に取り付けることは選択肢ではありません。したがって、私たちはOV2740を細ピッチBGAコンポーネントとして使用します。

BGAパッケージのOV2740イメージセンサー

イメージセンサーのフットプリント

センサーパッケージは通常のBGAパッケージではなく、マルチピッチグリッドアレイです。私たちの場合、これはX軸とY軸ではんだボールのピッチが異なることを意味します：

イメージセンサーのBGAフットプリント

スクリーンショットは、BGAフットプリントがX軸で0.53mmのピッチを、Y軸で0.48mmのピッチを使用していることを示しています。これは、基板の設計と製造技術の選択にいくつかの意味合いを持ちます。ほとんどのPCBプロバイダーは、標準プロセスで0.1mmのトレース幅と間隔を製造できます。高い技術クラスに追加費用を支払うことなく標準の設計ルールを選択したい場合、センサーピンをY軸でのみブレイクアウトすることができます：

BGAコンポーネントのブレイクアウト

X軸のピンピッチがわずかに大きいため、2つのパッドの間に0.1mmのトレースを便利に配置することができます。X軸の第2行もブレイクアウトしたい場合は、ほとんどのメーカーが標準の設計ルールで対応できない0.09mmのトレース間隔を選択する必要があります。

イメージセンサーには5行あり、最も外側の2行のピンを問題なくブレイクアウトできます。中央に1行残っており、その行は上層からは到達できません。パッド間に0.4mmのパッドと0.2mmのドリルを持つVIAを配置することは、VIAからパッドまでの間隔が十分でないため、オプションではありません。これは、ほとんどの標準的なPCB設計ルールの限界です：

VIAを備えたBGAフットプリント

この時点で、PCB製造プロセスに追加のステップを使用できます。それは、VIAのプラグとキャップをすることです。キャップ付きVIAを使用することで、PCB組み立て中に信頼性の問題を引き起こすことなく、パッド内に直接VIAを配置できます。

この方法で、イメージセンサーのエスケープルーティングは次のようになります：

イメージセンサーのエスケープルーティング

コンポーネント配置

PCB技術を定義し、ファンアウト戦略を武装したことで、これから基板上のコンポーネントの配置作業に取り掛かることができます。ほとんどのコンポーネントの位置は、CADモデルによって既に定義されています。バックライトタッチアイコン用のLEDや感知電極は、カバーガラスのマッチングカットアウトの下に配置する必要があります。ウェブカムボードをメインボードに接続するボード間コネクタの位置も事前に定義されています。カバーガラスのアウトラインを.DXFファイルとしてインポートし、Altium Designerの3Dボディメカニカルレイヤーに配置することで、配置情報をインポートできます。これらのアウトラインをアンカーポイントとして使用し、コンポーネントを正しい位置にスナップできます：

インポートされたDXFアウトライン

残りのコンポーネント配置は、回路図によって決定されます。イメージセンサーに必要な3つの電圧レギュレータは、レンズアセンブリのキープアウトゾーンのすぐ隣に配置されます：

イメージセンサーと電圧レギュレータ

各LEDは、タッチキーアイコンの均一なバックライトを保証するために、カスタムディフューザーの下に配置する必要があります。ディフューザーは登録穴に使用されます。

ディフューザー登録穴に対するLEDの位置

部品配置が完了すると、私たちは取り扱っているルーティング密度の良い印象を得ることができ、この情報に基づいて適切なレイヤースタックを選択することができます。ウェブカメラのPCBには、上層と下層にインピーダンス制御を施した6層ボードを使用します。下層でインピーダンス制御されたトレースをルーティングすることはありませんが、インピーダンス制御は通常、レイヤースタックで鏡対称のオプションとしてのみ提供されます。イメージセンサーは、2レーンのMIPI CSI-2インターフェースを使用して、画像データをISPに送信します。CSI-2インターフェースは、100オームの差動インピーダンスでルーティングする必要があります。

PCBレイアウト

PCBレイアウトの最初のステップでは、イメージセンサーのルーティングを行い、それをボード間コネクターに接続します。デカップリングキャパシタは、ボードの下層には部品を配置できないため、上層でイメージセンサーに近い場所に配置されました。キャパシタをセンサーに接続するためには、短くて幅の広いトレースを使用したいと考えています。センサーに近いLDOは、少しの熱拡散を提供するために、固体の銅領域を使用して接続されます。各LDOパッドの中央には、熱をボードのGNDプレーンに拡散させるためにGND VIAが配置されました。

イメージセンサーと電源セクションのルーティングは、このように見えます：

イメージセンサーのルーティング

イメージセンサーの上部2行から出ている3つの差動ペアがMIPI CSI-2インターフェースです。私たちは、差動ペア内の各補完トレースの信号エッジが、トレースに沿って平行/同じ高さで伝播することを確認したいと考えています。

CSI-2信号がフットプリントから出る方法により、コンポーネントに近い小さな遅延が導入されます。BGAパッドの近くに私たちのIntra-Pair長さ調整プリミティブを追加することで、この遅延に対処することができます。

BGAパッドに近いIntra-Pair長さ調整

LEDパッドごとに固体領域を使用してLEDが接続されました。これにより、LEDの熱拡散が若干向上し、その結果、LEDの冷却が向上します。ただし、高出力LEDを使用していないため、このケースでは熱性能は重要ではありません。

固体領域を使用したLED接続

最終的に、内層は内層1と内層4で固体のグラウンドプレーンを使用し、内層2と3で電力が配線されます：

内層3での電力配線

電力プレーンに銅の面積が少ないセクションがいくつかあり、過度のIRドロップを引き起こす可能性があります。幸いなことに、この基板は通常運転時に25mAしか消費しないため、電流スパイクがなく、銅のジオメトリ内の損失は無視できるでしょう。

完成したPCBデザインはこちらでご覧いただけます：

PCBデザインが完成したので、ウェブカムボードの最初のプロトタイプを注文し、システムのテストを開始できます！これにより、リッドアセンブリのマイルストーンを完成させる一歩近づきました。ウェブカムボードのテストが完了次第、リッドアセンブリ全体をシステムの残りの部分に接続する作業に集中できます。画像センサーデータをメインボードに伝送するためのFPCデザインを考え出すだけです。スクリーンアセンブリ内のeDPディスプレイにメインボードを接続するために、2つ目のFPCが必要になります。

これらのトピックやその他の内容は、オープンソースラップトッププロジェクトを通じて取り上げられます。FPC設計中にどのようなシグナルインテグリティの課題が待ち受けているか、続報をお待ちください！