Fase de Design – Montagem da Tampa Eletrônica Parte 2

Bem-vindo de volta à série do Projeto de Laptop de Código Aberto! Até agora, discutimos a funcionalidade e a seleção de componentes da eletrônica da montagem da tampa, demos uma olhada mais de perto no captura de esquemático, e preparamos o projeto para o design do layout da PCB.

Nesta atualização, vamos abordar o design da PCB da placa da webcam com alguns desafios esperados pela frente; por exemplo, lidar com o fator de forma geralmente pequeno da placa ou fazer a breakout do sensor de imagem da webcam microscópico.

Pacote do Sensor de Imagem

Vamos começar dando uma olhada mais de perto no sensor de imagem da webcam e no footprint correspondente. O sensor de imagem OV2740 está disponível em vários pacotes, os sensores de imagem são frequentemente vendidos como um die nu que é colado ou soldado diretamente na PCB. O sensor é então conectado à placa usando fios finos de ouro para fazer a breakout de todos os sinais necessários.

Die OV2740 conectado a uma PCB

Há várias razões para usar um die nu em vez de um sensor totalmente embalado. As três razões mais proeminentes são custo, fator de forma e propriedades ópticas. Primeiro, vamos considerar o custo: embalar um sensor de imagem sem impactar o desempenho óptico é um processo caro. Conectar o die do sensor sem um pacote diretamente à PCB economiza o custo de embalagem, mas vem com um custo de montagem/fabricação mais alto. Conectar componentes ópticos em uma PCB geralmente requer uma configuração de sala limpa, bem como um acabamento de superfície da PCB que possa ser conectado. Ambas as opções aumentam o custo de fabricação, o que é por isso que a conexão direta do die geralmente é viável apenas para produtos de alto volume ou altamente especializados.

Outra boa razão para escolher o método de conexão direta do die é diminuir a altura total da solução, especialmente com soluções de câmeras densamente integradas para laptops ou smartphones, onde cada fração de milímetro no eixo Z conta. Se o die ativo do sensor de imagem for elevado 0,5 mm acima da superfície da placa, a altura extra deve ser compensada pelo conjunto da lente. Isso muitas vezes resulta em um aumento da espessura de todo o conjunto do sensor de imagem e da lente.

Além disso, a facilidade de montagem do conjunto da lente serve como mais um motivo convincente para utilizar o die do sensor nu. O die do sensor deve estar perfeitamente perpendicular ao eixo do conjunto da lente para alcançar uma imagem sem distorções. O conjunto da lente é mecanicamente referenciado à superfície da PCB, que deve estar perfeitamente paralela ao die do sensor de imagem. Se o sensor de imagem for embalado como um componente BGA, por exemplo, é difícil garantir que ele estará perfeitamente paralelo à superfície da placa. Esse efeito precisa ser compensado pelo conjunto da lente, mas geralmente não está presente com a abordagem de fixação direta do die.

Para o nosso design de laptop, fixar o die do sensor diretamente na superfície da PCB não é uma opção devido ao aumento do custo de fabricação. Portanto, usaremos o OV2740 embalado como um componente BGA de passo fino.

Sensor de imagem OV2740 em um pacote BGA

Pegada do Sensor de Imagem

O pacote do sensor não é um pacote BGA regular, mas sim um arranjo de grade de múltiplos passos. No nosso caso, isso significa que as esferas de solda têm um passo diferente nos eixos X e Y:

Pegada BGA do sensor de imagem

A captura de tela mostra que a pegada BGA usa um passo de 0.53mm no eixo X e 0.48mm no eixo Y. Isso traz algumas implicações para o design da PCB e a tecnologia de fabricação que temos que escolher para a placa. A maioria dos fornecedores de PCB pode fabricar uma largura de trilha e espaçamento de 0.1mm no processo padrão. Se gostaríamos de escolher regras de design padrão sem pagar custos adicionais por uma classe de tecnologia superior, só podemos quebrar os pinos do sensor no eixo Y:

Distribuição de componentes BGA

Uma vez que o espaçamento entre pinos no eixo X é ligeiramente maior, podemos encaixar convenientemente uma trilha de 0,1mm entre dois pads. Se quisermos também distribuir a segunda fila no eixo X, precisaríamos escolher um espaçamento de trilha de 0,09mm, o que a maioria dos fabricantes não consegue lidar com suas regras de design padrão.

O sensor de imagem tem cinco filas e podemos distribuir as duas filas mais externas de pinos sem nenhum problema. Resta uma fila no meio que não podemos alcançar a partir da camada superior. Colocar um VIA com um pad de 0,4mm e uma broca de 0,2mm—os limites da maioria das regras de design de PCB padrão—entre os pads não é uma opção porque não haveria espaço suficiente do VIA para os pads:

Distribuição BGA com VIAs

Neste ponto, podemos usar um passo adicional no processo de fabricação de PCB, que é o preenchimento e vedação dos VIAs. Ao usar VIAs vedados, podemos colocar os VIAs diretamente no pad sem causar problemas de confiabilidade durante a montagem da PCB.

Dessa forma, o roteamento de escape para o sensor de imagem poderia parecer o seguinte:

Roteamento de escape do sensor de imagem

Posicionamento de Componentes

Com a tecnologia de PCB definida e armados com uma estratégia de fanout, podemos agora prosseguir e trabalhar no posicionamento dos componentes na placa. A maioria das posições dos componentes já é definida pelo modelo CAD. Os LEDs para os ícones de toque retroiluminados, bem como os eletrodos de detecção, devem ser posicionados sob os recortes correspondentes no vidro de cobertura. A posição do conector de placa para placa que conecta a placa da webcam à placa principal também é predefinida. Podemos importar as informações de posicionamento importando o contorno do vidro de cobertura como um arquivo .DXF para a camada mecânica do corpo 3D no Altium Designer. Podemos usar esses contornos como um ponto de ancoragem e encaixar os componentes nas localizações corretas:

Contorno DXF importado

O posicionamento dos componentes restantes é determinado pelo esquemático. Os três reguladores de tensão necessários para o sensor de imagem são colocados diretamente ao lado da zona de exclusão para o conjunto da lente:

Sensor de imagem e reguladores de tensão

Cada LED deve ser colocado sob um difusor personalizado para garantir uma retroiluminação homogênea para os ícones de teclas de toque. Os difusores são usados para furos de registro.

Posição do LED em relação aos furos de registro do difusor

Com o posicionamento dos componentes concluído, podemos ter uma boa impressão da densidade de roteamento com a qual estamos lidando e selecionar uma pilha de camadas adequada com base nessas informações. Para a PCB da webcam, estaremos usando uma placa de seis camadas com controle de impedância na camada superior e inferior. Não estaremos roteando quaisquer trilhas com controle de impedância na camada inferior, mas o controle de impedância geralmente é oferecido apenas como uma opção simétrica em espelho na pilha de camadas. O sensor de imagem usa uma interface MIPI CSI-2 de duas vias para transmitir os dados da imagem para o ISP. A interface CSI-2 precisa ser roteada com impedância diferencial de 100 Ohms.

Layout da PCB

No primeiro passo do layout da PCB, cuidaremos do roteamento do sensor de imagem e da sua conexão com o conector de placa para placa. Os capacitores de desacoplamento foram colocados próximos ao sensor de imagem na camada superior, pois não são permitidos componentes na camada inferior da placa. Queremos usar trilhas curtas e largas para conectar os capacitores ao sensor. Os LDOs próximos ao sensor são conectados usando regiões de cobre sólido para fornecer um pouco mais de dispersão térmica. No meio de cada pad do LDO, um VIA de GND foi colocado para espalhar o calor para os planos de GND da placa.

O roteamento do sensor de imagem e da seção de alimentação se parece com isso:

Roteamento do Sensor de Imagem

Os três pares diferenciais que saem das duas fileiras superiores dos sensores de imagem são a interface MIPI CSI-2. Gostaríamos de garantir que as bordas do sinal em cada trilha complementar dentro do par diferencial se propaguem em paralelo/na mesma altura ao longo das trilhas.

Devido à maneira como os sinais CSI-2 saem da pegada, um pequeno atraso é introduzido próximo ao componente. Podemos contrariar esse atraso adicionando nossos primitivos de ajuste de comprimento Intra-Pair perto dos pads BGA.

Ajuste de comprimento Intra-Pair próximo ao pad BGA

Os LEDs foram conectados usando uma região sólida para cada terminal do LED. Isso proporciona uma maior dispersão térmica e, portanto, um melhor resfriamento dos LEDs. Como não estamos usando LEDs de alta potência, o desempenho térmico não é crítico neste caso.

Conexão de LED usando regiões sólidas

Finalmente, as camadas internas são usadas para um plano de terra sólido na camada interna 1 e na camada interna 4, e a alimentação é roteada nas camadas internas 2 e 3:

Roteamento de energia na camada interna 3

Há algumas seções com pouca área de cobre restante nos planos de energia, o que poderia causar uma queda excessiva de IR. Felizmente, toda a placa consome apenas 25mA durante a operação normal sem picos de corrente, então as perdas dentro da geometria do cobre serão insignificantes.

Você pode dar uma olhada no design final da PCB aqui:

Com o design da PCB concluído, podemos encomendar os primeiros protótipos da placa da webcam e começar a testar o sistema! Isso nos aproxima um passo da conclusão do marco da montagem da tampa. Uma vez que os testes da placa da webcam estejam concluídos, podemos focar em conectar toda a montagem da tampa ao restante do sistema. Só temos que elaborar um design de FPC para transmitir os dados do sensor de imagem para a placa principal. Um segundo FPC será necessário para conectar a placa principal à tela eDP na montagem da tela.

Estes tópicos e mais serão abordados ao longo do Projeto de Laptop de Código Aberto. Fique atento para descobrir quais desafios de integridade de sinal nos aguardam durante o design do FPC!