디자인 단계 - 뚜껑 조립 전자 부품 2

오픈 소스 노트북 프로젝트 시리즈에 다시 오신 것을 환영합니다! 지금까지 우리는 뚜껑 조립 전자 부품의 기능과 구성 요소 선택에 대해 논의했으며, 회로도 캡처에 대해 자세히 살펴보았고, PCB 레이아웃 디자인을 위한 프로젝트 준비를 마쳤습니다.

이 업데이트에서는 웹캠 보드의 PCB 디자인을 다룰 것이며, 예상되는 몇 가지 도전 과제가 있습니다; 예를 들어, 보드의 전반적인 작은 폼 팩터를 다루거나, 초소형 웹캠 이미지 센서를 분리하는 것 등입니다.

이미지 센서 패키지

웹캠 이미지 센서와 일치하는 풋프린트를 자세히 살펴보기 시작합시다. 이미지 센서 OV2740은 여러 패키지로 제공되며, 이미지 센서는 종종 베어 다이 형태로 판매되어 PCB에 직접 접착되거나 납땜됩니다. 그런 다음 센서는 필요한 모든 신호를 분리하기 위해 얇은 금 본딩 와이어로 보드에 본딩됩니다.

PCB에 본딩된 OV2740 다이

완전히 패키지된 센서 대신 베어 다이를 사용하는 몇 가지 이유가 있습니다. 가장 주요한 세 가지 이유는 비용, 폼 팩터, 광학적 특성입니다. 먼저 비용을 고려해 봅시다: 이미지 센서를 광학 성능에 영향을 주지 않고 패키징하는 것은 비싼 과정입니다. 패키지 없이 센서 다이를 PCB에 직접 본딩하면 패키징 비용을 절약할 수 있지만, 조립/제조 비용은 더 높아집니다. PCB에 광학 구성 요소를 본딩하는 것은 보통 클린룸 설치와 본딩 가능한 PCB 표면 마감이 필요합니다. 두 옵션 모두 제조 비용을 증가시키기 때문에, 직접 다이 부착은 보통 대량 생산이나 매우 특수한 제품에만 실행 가능합니다.

직접 다이 부착 방법을 선택하는 또 다른 좋은 이유는 전체 솔루션 높이를 줄이기 위해서입니다. 특히 노트북이나 스마트폰과 같이 밀집된 카메라 솔루션에서는 Z축에서의 소수의 밀리미터도 중요합니다. 이미지 센서의 활성 다이가 보드 표면 위로 0.5mm 높이로 위치하면, 추가 높이는 렌즈 어셈블리로 보상해야 합니다. 이는 종종 전체 이미지 센서와 렌즈 스택의 두께 증가로 이어집니다.

또한, 렌즈 어셈블리를 쉽게 장착할 수 있다는 점은 베어 센서 다이를 사용하는 또 다른 설득력 있는 이유입니다. 센서 다이는 왜곡되지 않은 이미지를 얻기 위해 렌즈 어셈블리 축에 완벽하게 수직이어야 합니다. 렌즈 어셈블리는 PCB 표면에 기계적으로 참조되어야 하며, 이 표면은 이미지 센서 다이와 완벽하게 평행해야 합니다. 예를 들어, 이미지 센서가 BGA 구성 요소로 패키지되어 있는 경우, 보드 표면에 완벽하게 평행할 것이라는 보장이 어렵습니다. 이 효과는 렌즈 어셈블리에 의해 보상되어야 하지만, 직접 다이 부착 방식에서는 일반적으로 존재하지 않습니다.

우리의 노트북 디자인에서는 제조 비용이 증가하기 때문에 센서 다이를 PCB 표면에 직접 부착하는 것은 옵션이 아닙니다. 따라서, 우리는 OV2740을 미세 피치 BGA 구성 요소로 사용할 것입니다.

BGA 패키지의 OV2740 이미지 센서

이미지 센서 풋프린트

센서 패키지는 일반적인 BGA 패키지가 아니라 멀티-피치 그리드 어레이입니다. 우리의 경우, 이는 솔더 볼이 X축과 Y축에서 다른 피치를 가진다는 것을 의미합니다:

이미지 센서의 BGA 풋프린트

스크린샷은 BGA 풋프린트가 X축에서 0.53mm 피치를, Y축에서는 0.48mm를 사용한다는 것을 보여줍니다. 이는 우리가 보드를 위해 선택해야 하는 PCB 디자인 및 제조 기술에 몇 가지 함의를 가집니다. 대부분의 PCB 제공업체는 표준 공정에서 0.1mm 트레이스 폭과 간격을 제조할 수 있습니다. 추가 비용을 지불하지 않고도 더 높은 기술 등급을 선택하고 싶다면, 우리는 센서 핀을 Y축에서만 분리할 수 있습니다:

BGA 부품 배치

X축의 핀 간격이 약간 더 넓기 때문에, 두 패드 사이에 0.1mm 트레이스를 편리하게 배치할 수 있습니다. X축의 두 번째 줄도 배치하고 싶다면, 대부분의 제조업체가 기본 설계 규칙으로 처리할 수 없는 0.09mm 트레이스 간격을 선택해야 합니다.

이미지 센서에는 다섯 줄의 행이 있으며, 가장 바깥쪽의 두 줄의 핀을 문제없이 배치할 수 있습니다. 중앙에 남은 한 줄은 상단 레이어에서 접근할 수 없습니다. 패드 사이에 0.4mm 패드와 0.2mm 드릴을 가진 VIA를 배치하는 것은 대부분의 표준 PCB 설계 규칙의 한계로, VIA와 패드 사이의 충분한 간격이 없기 때문에 옵션이 될 수 없습니다:

VIA가 있는 BGA 풋프린트

이 시점에서, PCB 제조 공정에서 추가 단계를 사용할 수 있으며, 그것은 VIA를 막고 캡핑하는 것입니다. 캡핑된 VIA를 사용함으로써, PCB 조립 중에 신뢰성 문제를 일으키지 않으면서 패드 안에 직접 VIA를 배치할 수 있습니다.

이 방식으로, 이미지 센서의 이스케이프 라우팅은 다음과 같을 수 있습니다:

이미지 센서 이스케이프 라우팅

부품 배치

PCB 기술이 정의되고 팬아웃 전략을 갖춘 상태에서 이제 보드 위의 부품 배치 작업을 진행할 수 있습니다. 대부분의 부품 위치는 이미 CAD 모델에 의해 정의되어 있습니다. 백라이트 터치 아이콘용 LED와 감지 전극은 커버글라스의 매칭 컷아웃 아래에 위치해야 합니다. 웹캠 보드를 메인보드에 연결하는 보드 간 커넥터의 위치도 사전에 정의되어 있습니다. 커버글라스 윤곽을 .DXF 파일로 가져와 Altium Designer의 3D 바디 기계 레이어에 배치 정보를 가져올 수 있습니다. 이 윤곽을 앵커 포인트로 사용하여 부품을 정확한 위치에 스냅할 수 있습니다:

가져온 DXF 윤곽

나머지 부품 배치는 회로도에 의해 결정됩니다. 이미지 센서에 필요한 세 개의 전압 조절기는 렌즈 어셈블리의 킵아웃 영역 바로 옆에 배치됩니다:

이미지 센서와 전압 조절기

각 LED는 터치 키 아이콘의 균일한 백라이팅을 보장하기 위해 맞춤형 디퓨저 아래에 배치되어야 합니다. 디퓨저는 등록 구멍에 사용됩니다.

디퓨저 등록 구멍에 대한 LED 위치

구성 요소 배치가 완료되면, 우리는 라우팅 밀도에 대한 좋은 인상을 얻을 수 있으며 이 정보를 바탕으로 적합한 레이어 스택을 선택할 수 있습니다. 웹캠 PCB의 경우, 상단 및 하단 레이어에 임피던스 제어가 있는 6층 보드를 사용할 예정입니다. 하단 레이어에서 임피던스 제어 트레이스를 라우팅할 계획은 없지만, 레이어 스택에서 임피던스 제어는 보통 거울 대칭 옵션으로만 제공됩니다. 이미지 센서는 MIPI CSI-2 인터페이스를 사용하여 이미지 데이터를 ISP로 전송합니다. CSI-2 인터페이스는 100 옴 차동 임피던스로 라우팅되어야 합니다.

PCB 레이아웃

PCB 레이아웃의 첫 단계에서는 이미지 센서를 라우팅하고 보드 간 커넥터와 연결하는 작업을 진행할 것입니다. 탈커플링 커패시터는 보드의 하단 레이어에는 구성 요소가 허용되지 않으므로 상단 레이어의 이미지 센서 근처에 배치되었습니다. 커패시터를 센서에 연결하기 위해 짧고 넓은 트레이스를 사용하고자 합니다. 센서 근처의 LDO는 약간의 추가 열 확산을 제공하기 위해 고체 구리 영역을 사용하여 연결됩니다. 각 LDO 패드의 중앙에는 보드의 GND 평면으로 열을 확산시키기 위해 GND VIA가 배치되었습니다.

이미지 센서와 전원 공급 섹션의 라우팅은 다음과 같습니다:

이미지 센서 라우팅

이미지 센서의 상단 두 줄에서 나가는 세 개의 차동 쌍은 MIPI CSI-2 인터페이스입니다. 우리는 차동 쌍 내의 각 보완 트레이스에서 신호 가장자리가 트레이스를 따라 평행하게/동일한 높이에서 전파되도록 하고 싶습니다.

CSI-2 신호가 풋프린트를 떠나는 방식으로 인해 구성 요소 근처에 작은 지연이 도입됩니다. BGA 패드 근처에서 Intra-Pair 길이 튜닝 기본 요소를 추가함으로써 이 지연을 상쇄할 수 있습니다.

BGA 패드 근처의 Intra-Pair 길이 튜닝

LED 패드마다 고체 영역을 사용하여 LED가 연결되었습니다. 이는 추가적인 열 확산을 제공하므로 LED의 냉각을 더 잘 할 수 있습니다. 하지만, 고출력 LED를 사용하지 않기 때문에 이 경우 열 성능이 중요하지 않습니다.

고체 영역을 사용한 LED 연결

마지막으로, 내부 레이어는 내부 레이어 1과 내부 레이어 4에 고체 접지면을 사용하고, 내부 레이어 2와 3에서는 전력을 라우팅합니다:

내부 레이어 3에서의 전력 라우팅

전력 평면에서 구리 면적이 적은 몇몇 부분이 과도한 IR 강하를 일으킬 수 있습니다. 다행히도, 전체 보드는 정상 작동 시 25mA만을 소모하며 전류 스파이크가 없어 구리 기하학 내의 손실은 무시할 수 있을 것입니다.

완성된 PCB 디자인을 여기에서 확인할 수 있습니다:

PCB 디자인이 완료되면, 웹캠 보드의 첫 번째 프로토타입을 주문하고 시스템 테스트를 시작할 수 있습니다! 이는 뚜껑 조립 마일스톤을 완성하는 데 한 걸음 더 가까워졌음을 의미합니다. 웹캠 보드 테스트가 완료되면, 전체 뚜껑 조립을 시스템의 나머지 부분에 연결하는 데 집중할 수 있습니다. 이미지 센서 데이터를 메인보드로 전송하기 위한 FPC 디자인을 고안해야 합니다. 두 번째 FPC는 메인보드를 화면 조립의 eDP 디스플레이에 연결하는 데 필요할 것입니다.

이러한 주제들과 더 많은 내용이 오픈 소스 랩탑 프로젝트를 통해 다루어질 예정입니다. FPC 디자인 중에 어떤 신호 무결성 문제가 기다리고 있는지 알아보기 위해 계속 주목해 주세요!