Faza projektowania – Montaż elektroniki pokrywy Część 2

Witajcie ponownie w serii projektów Open Source Laptop! Do tej pory omówiliśmy funkcjonalność i dobór komponentów elektroniki pokrywy, przyjrzeliśmy się bliżej schematom połączeń, a także przygotowaliśmy projekt do fazy projektowania układu PCB.

W tej aktualizacji zajmiemy się projektowaniem PCB dla kamery internetowej, napotykając po drodze pewne spodziewane wyzwania; np. radzenie sobie z ogólnie małymi wymiarami płytki czy wyprowadzenie mikroskopijnego czujnika obrazu kamery internetowej.

Pakiet czujnika obrazu

Zacznijmy od bliższego przyjrzenia się czujnikowi obrazu kamery internetowej i pasującemu do niego footprintowi. Czujnik obrazu OV2740 jest dostępny w kilku pakietach, czujniki obrazu często sprzedawane są jako gołe kryształy, które są klejone lub lutowane bezpośrednio do PCB. Następnie czujnik jest łączony z płytą za pomocą cienkich drutów ze złota, aby wyprowadzić wszystkie niezbędne sygnały.

Kryształ OV2740 połączony z PCB

Istnieje kilka powodów, dla których używa się gołego kryształu zamiast w pełni zapakowanego czujnika. Trzy najważniejsze powody to koszt, wymiary i właściwości optyczne. Zacznijmy od kosztów: zapakowanie czujnika obrazu bez wpływu na wydajność optyczną jest drogim procesem. Połączenie kryształu czujnika bezpośrednio z PCB oszczędza koszty pakowania, ale wiąże się z wyższymi kosztami montażu/produkcji. Łączenie komponentów optycznych na PCB zwykle wymaga pomieszczenia o wysokiej czystości oraz powierzchni PCB możliwej do złączenia. Obydwie opcje zwiększają koszty produkcji, dlatego bezpośrednie łączenie kryształu jest zwykle opłacalne tylko dla produktów o wysokiej objętości lub wysoko wyspecjalizowanych.

Kolejnym dobrym powodem, by wybrać metodę bezpośredniego łączenia kryształu, jest zmniejszenie całkowitej wysokości rozwiązania, szczególnie w przypadku gęsto zintegrowanych rozwiązań kamerowych dla laptopów lub smartfonów, gdzie każda frakcja milimetra w osi Z ma znaczenie. Jeśli aktywny kryształ czujnika obrazu jest umieszczony 0,5 mm nad powierzchnią płytki, dodatkowa wysokość musi być skompensowana przez zespół obiektywu. Często skutkuje to zwiększeniem grubości całego stosu czujnika obrazu i obiektywu.

Ponadto łatwość montażu zestawu soczewek stanowi kolejny przekonujący powód do wykorzystania gołego układu czujnika. Układ czujnika musi być idealnie prostopadły do osi zestawu soczewek, aby uzyskać nieskazitelny obraz. Zestaw soczewek jest mechanicznie odniesiony do powierzchni PCB, która musi być idealnie równoległa do układu czujnika obrazu. Jeśli czujnik obrazu jest zapakowany jako komponent BGA, na przykład, trudno jest zagwarantować, że będzie on idealnie równoległy do powierzchni płytki. Ten efekt musi być kompensowany przez zestaw soczewek, ale zazwyczaj nie występuje przy bezpośrednim montażu układu.

W przypadku naszego projektu laptopa, bezpośrednie przyłączenie układu czujnika do powierzchni PCB nie jest opcją ze względu na zwiększone koszty produkcji. Dlatego użyjemy OV2740 zapakowanego jako komponent BGA o drobnym rozstawie.

Czujnik obrazu OV2740 w obudowie BGA

Ślad czujnika obrazu

Obudowa czujnika to nie jest regularna obudowa BGA, lecz wielo-pitchowa siatka. W naszym przypadku oznacza to, że kule lutownicze mają różny rozstaw w osi X i Y:

Ślad BGA czujnika obrazu

Zrzut ekranu pokazuje, że ślad BGA używa rozstawu 0,53mm w osi X i 0,48mm w osi Y. Ma to pewne implikacje dla projektowania PCB i technologii produkcyjnej, którą musimy wybrać dla płytki. Większość dostawców PCB może wyprodukować ścieżki o szerokości i odstępie 0,1mm w standardowym procesie. Jeśli chcielibyśmy wybrać standardowe zasady projektowania bez ponoszenia dodatkowych kosztów za wyższą klasę technologii, możemy wyprowadzić piny czujnika tylko w osi Y:

Rozprowadzanie komponentów BGA

Ponieważ rozstaw pinów w osi X jest nieco większy, możemy wygodnie umieścić ścieżkę 0,1mm między dwoma padami. Jeśli chcielibyśmy również rozprowadzić drugi rząd w osi X, musielibyśmy wybrać rozstaw ścieżek 0,09mm, czego większość producentów nie jest w stanie obsłużyć przy użyciu standardowych zasad projektowania.

Czujnik obrazu ma pięć rzędów i możemy bez problemu rozprowadzić dwa najbardziej zewnętrzne rzędy pinów. Pozostaje jeden rząd w środku, do którego nie możemy dotrzeć z górnej warstwy. Umieszczenie VIA z padem 0,4mm i wierceniem 0,2mm—granice większości standardowych zasad projektowania PCB—między padami nie wchodzi w grę, ponieważ nie byłoby wystarczającego odstępu od VIA do padów:

Ślady BGA z VIA

W tym momencie możemy skorzystać z dodatkowego kroku w procesie produkcji PCB, którym jest zatyczanie i zamykanie VIA. Dzięki użyciu zamkniętych VIA możemy umieścić VIA bezpośrednio w padzie, nie powodując żadnych problemów z niezawodnością podczas montażu PCB.

W ten sposób, rozprowadzenie ucieczkowe dla czujnika obrazu może wyglądać następująco:

Rozprowadzenie ucieczkowe czujnika obrazu

Umieszczanie komponentów

Z określoną technologią PCB i strategią rozmieszczania wyprowadzeń możemy teraz przejść do pracy nad rozmieszczeniem komponentów na płytce. Większość pozycji komponentów jest już zdefiniowana przez model CAD. Diody LED dla podświetlanych ikon dotykowych oraz elektrody czujnikowe muszą być umieszczone pod odpowiadającymi im wycięciami w szkle ochronnym. Pozycja złącza płytki do płytki, które łączy płytę kamery z płytą główną, jest również z góry określona. Możemy zaimportować informacje o rozmieszczeniu, importując zarys szkła ochronnego jako plik .DXF na warstwę mechaniczną 3D w Altium Designer. Możemy użyć tych konturów jako punktu kotwiczenia i przyciągnąć komponenty do odpowiednich lokalizacji:

Zaimportowany zarys DXF

Pozostałe rozmieszczenie komponentów jest kierowane przez schemat. Trzy regulatory napięcia potrzebne dla czujnika obrazu są umieszczone bezpośrednio obok strefy, z której należy się trzymać z dala, dla zespołu obiektywu:

Czujnik obrazu i regulatory napięcia

Każda dioda LED musi być umieszczona pod spersonalizowanym dyfuzorem, aby zapewnić jednolite podświetlenie ikon klawiszy dotykowych. Dyfuzory są używane dla otworów rejestracyjnych.

Pozycja LED względem otworów rejestracyjnych dyfuzora

Po umieszczeniu komponentów możemy dobrze ocenić gęstość trasowania, z jaką mamy do czynienia i na tej podstawie wybrać odpowiednią konfigurację warstw. Dla płytki PCB kamery internetowej będziemy używać płytki sześciowarstwowej z kontrolą impedancji na górnej i dolnej warstwie. Nie będziemy trasować żadnych ścieżek z kontrolowaną impedancją na dolnej warstwie, ale kontrola impedancji jest zazwyczaj oferowana tylko jako opcja symetryczna lustrzanie w konfiguracji warstw. Czujnik obrazu używa dwutorowego interfejsu MIPI CSI-2 do przesyłania danych obrazu do ISP. Interfejs CSI-2 musi być trasowany z różnicową impedancją 100 Ohm.

Układ PCB

W pierwszym kroku układu PCB zajmiemy się trasowaniem czujnika obrazu i połączeniem go z konektorem płyta-płyta. Kondensatory odsprzęgające zostały umieszczone blisko czujnika obrazu na górnej warstwie, ponieważ na dolnej warstwie płytki nie są dozwolone żadne komponenty. Chcemy użyć krótkich i szerokich ścieżek do połączenia kondensatorów z czujnikiem. LDO umieszczone blisko czujnika są połączone za pomocą pełnych miedzianych obszarów, aby zapewnić trochę dodatkowego rozprzestrzeniania ciepła. W środku każdej podkładki LDO umieszczono VIA GND, aby rozprowadzić ciepło do płaszczyzn GND płytki.

Trasowanie czujnika obrazu i sekcji zasilania wygląda tak:

Trasowanie czujnika obrazu

Trzy pary różnicowe wychodzące z dwóch górnych rzędów czujników obrazu to interfejs MIPI CSI-2. Chcielibyśmy upewnić się, że krawędzie sygnałów w każdej dopełniającej się ścieżce w parze różnicowej propagują równolegle/na tej samej wysokości wzdłuż ścieżek.

Ze względu na sposób, w jaki sygnały CSI-2 opuszczają obrys komponentu, wprowadzone jest niewielkie opóźnienie blisko komponentu. Możemy przeciwdziałać temu opóźnieniu, dodając nasze prymitywy strojenia długości wewnątrz pary blisko podkładek BGA.

Strojenie długości wewnątrz pary blisko podkładki BGA

Diody LED zostały połączone za pomocą stałego obszaru dla każdej z podkładek LED. Zapewnia to dodatkowe rozprzestrzenianie ciepła, a co za tym idzie lepsze chłodzenie diod LED. Ponieważ nie używamy diod LED o wysokiej mocy, wydajność termiczna nie jest w tym przypadku krytyczna.

Połączenie diod LED za pomocą stałych obszarów

W końcu, wewnętrzne warstwy są wykorzystywane dla stałej płaszczyzny masy na warstwie wewnętrznej 1 i warstwie wewnętrznej 4, a zasilanie jest prowadzone na warstwie wewnętrznej 2 i 3:

Prowadzenie zasilania na warstwie wewnętrznej 3

Istnieje kilka sekcji z małą ilością miedzi pozostawioną w płaszczyznach zasilania, co mogłoby spowodować nadmierne spadki IR. Na szczęście cała płyta pobiera tylko 25mA podczas normalnej pracy bez szczytów prądowych, więc straty w geometrii miedzi będą znikome.

Możesz zobaczyć gotowy projekt PCB tutaj:

Z projektowaniem PCB zakończonym, możemy zamówić pierwsze prototypy płyty kamery internetowej i rozpocząć testowanie systemu! To zbliża nas o krok do ukończenia kamienia milowego montażu pokrywy. Gdy testowanie płyty kamery zostanie zakończone, możemy skupić się na połączeniu całego montażu pokrywy z resztą systemu. Musimy tylko opracować projekt FPC do przesyłania danych z czujnika obrazu do płyty głównej. Drugi FPC będzie potrzebny do połączenia płyty głównej z wyświetlaczem eDP w zespole ekranu.

Te i wiele innych tematów zostaną omówione w ramach projektu Open Source Laptop Project. Bądź na bieżąco, aby dowiedzieć się, jakie wyzwania związane z integralnością sygnału czekają podczas projektowania FPC!