Фаза проектирования – Сборка крышки, электронные компоненты, часть 2

Добро пожаловать обратно в серию проектов Open Source Laptop! До сих пор мы обсуждали функциональность и выбор компонентов для электроники крышки, подробнее рассмотрели захват схемы и подготовили проект к дизайну печатной платы.

В этом обновлении мы возьмемся за дизайн печатной платы веб-камеры, перед нами стоят некоторые ожидаемые вызовы; например, работа с общим малым размером платы или вывод микроскопического датчика изображения веб-камеры.

Пакет Датчика Изображения

Давайте начнем с более детального рассмотрения датчика изображения веб-камеры и соответствующего монтажного места. Датчик изображения OV2740 доступен в нескольких корпусах, датчики изображения часто продаются как голый кристалл, который либо клеят, либо напрямую припаивают к печатной плате. Затем датчик соединяется с платой с помощью тонких золотых соединительных проводов для вывода всех необходимых сигналов.

Кристалл OV2740, соединенный с печатной платой

Существует несколько причин для использования голого кристалла вместо полностью упакованного датчика. Три наиболее важные причины - это стоимость, форм-фактор и оптические свойства. Во-первых, давайте рассмотрим стоимость: упаковка датчика изображения без влияния на оптические характеристики - это дорогой процесс. Соединение кристалла датчика без корпуса напрямую с печатной платой позволяет сэкономить на упаковке, но требует более высоких затрат на сборку/производство. Соединение оптических компонентов на печатной плате обычно требует наличия чистой комнаты, а также поверхности печатной платы, пригодной для соединения. Оба варианта увеличивают производственные затраты, поэтому прямое соединение кристалла обычно целесообразно только для продукции большого объема или высокоспециализированных изделий.

Еще одна хорошая причина выбрать метод прямого соединения кристалла - это уменьшение общей высоты решения, особенно для плотно интегрированных камерных решений для ноутбуков или смартфонов, где каждая доля миллиметра по оси Z имеет значение. Если активный кристалл датчика изображения расположен на 0,5 мм выше поверхности платы, дополнительную высоту необходимо компенсировать сборкой объектива. Это часто приводит к увеличению толщины всего стека датчика изображения и объектива.

Кроме того, простота монтажа объектива служит еще одной убедительной причиной для использования голого кристалла датчика. Кристалл датчика должен быть идеально перпендикулярен оси сборки объектива, чтобы получить недеформированное изображение. Сборка объектива механически ориентирована относительно поверхности печатной платы, которая должна быть идеально параллельна кристаллу изображения. Если датчик изображения упакован, например, в компонент BGA, сложно гарантировать, что он будет идеально параллелен поверхности платы. Этот эффект необходимо компенсировать с помощью сборки объектива, но обычно он отсутствует при прямом креплении кристалла.

Для нашего дизайна ноутбука прямое прикрепление кристалла датчика к поверхности печатной платы не является вариантом из-за увеличения производственных затрат. Поэтому мы будем использовать OV2740, упакованный как компонент BGA с мелким шагом.

Датчик изображения OV2740 в корпусе BGA

Размеры подложки датчика изображения

Корпус датчика не является обычным корпусом BGA, а представляет собой многошаговую сетку. В нашем случае это означает, что шарики припоя имеют разный шаг по осям X и Y:

Размеры подложки датчика изображения BGA

Скриншот показывает, что размеры подложки BGA используют шаг 0.53 мм по оси X и 0.48 мм по оси Y. Это влечет за собой некоторые последствия для дизайна печатной платы и технологии производства, которые мы должны выбрать для платы. Большинство производителей печатных плат могут изготавливать дорожки и промежутки шириной 0.1 мм в стандартном процессе. Если мы хотим выбрать стандартные правила проектирования без дополнительных затрат на более высокий класс технологии, мы можем выводить контакты датчика только по оси Y:

Вывод компонентов BGA

Поскольку шаг контактов по оси X немного больше, мы можем удобно разместить между двумя площадками дорожку шириной 0,1 мм. Если мы хотим также вывести второй ряд по оси X, нам потребуется выбрать расстояние между дорожками 0,09 мм, с чем большинство производителей не справятся, используя стандартные правила проектирования.

У датчика изображения пять рядов, и мы можем без проблем вывести два крайних ряда контактов. Остаётся один ряд посередине, до которого мы не можем добраться с верхнего слоя. Размещение переходного отверстия (VIA) с площадкой 0,4 мм и сверлом 0,2 мм — предел для большинства стандартных правил проектирования печатных плат — между площадками не является вариантом, поскольку не будет достаточного расстояния от VIA до площадок:

Расположение контактов BGA с VIA

На этом этапе мы можем использовать дополнительный шаг в процессе изготовления печатных плат, а именно - заполнение и закрытие VIA. Используя закрытые VIA, мы можем размещать VIA непосредственно в площадке без риска возникновения проблем с надежностью во время сборки печатной платы.

Таким образом, маршрутизация выводов для датчика изображения может выглядеть следующим образом:

Маршрутизация выводов датчика изображения

Размещение компонентов

С технологией печатных плат, определенной и вооруженной стратегией разводки, мы теперь можем приступить к размещению компонентов на плате. Большинство позиций компонентов уже определено CAD-моделью. Светодиоды для подсветки сенсорных иконок, а также сенсорные электроды должны быть расположены под соответствующими вырезами в стекле крышки. Позиция разъема платы к плате, соединяющего плату веб-камеры с основной платой, также предопределена. Мы можем импортировать информацию о размещении, импортировав контур стекла крышки в виде файла .DXF на механический слой 3D-корпуса в Altium Designer. Мы можем использовать эти контуры как точку опоры и выровнять компоненты в правильных местах:

Импортированный контур DXF

Оставшееся размещение компонентов определяется схемой. Три регулятора напряжения, необходимых для датчика изображения, размещаются непосредственно рядом с зоной запрета для сборки объектива:

Датчик изображения и регуляторы напряжения

Каждый светодиод должен быть размещен под индивидуальным диффузором, чтобы обеспечить однородную подсветку для иконок сенсорных клавиш. Диффузоры используются для отверстий регистрации.

Позиция светодиода относительно отверстий регистрации диффузора

После размещения компонентов мы можем получить хорошее представление о плотности трассировки, с которой имеем дело, и на основе этой информации выбрать подходящую структуру слоёв. Для печатной платы веб-камеры мы будем использовать шестислойную плату с контролем импеданса на верхнем и нижнем слое. Мы не будем трассировать линии с контролируемым импедансом на нижнем слое, но контроль импеданса обычно предлагается только как зеркально симметричный вариант в структуре слоёв. Датчик изображения использует двухканальный интерфейс MIPI CSI-2 для передачи данных изображения в ISP. Интерфейс CSI-2 необходимо трассировать с дифференциальным импедансом 100 Ом.

Разметка ПП

На первом этапе разметки ПП мы займемся трассировкой датчика изображения и его соединением с разъемом платы к плате. Разделительные конденсаторы были размещены близко к датчику изображения на верхнем слое, так как на нижнем слое платы размещение компонентов не допускается. Мы хотим использовать короткие и широкие дорожки для соединения конденсаторов с датчиком. Линейные стабилизаторы напряжения (LDO), расположенные рядом с датчиком, соединены с использованием сплошных медных областей для обеспечения небольшого дополнительного теплового рассеивания. В центре каждой площадки LDO размещен заземляющий переход (GND VIA) для рассеивания тепла в земляные плоскости платы.

Трассировка датчика изображения и секции питания выглядит так:

Трассировка датчика изображения

Три дифференциальные пары, выходящие из двух верхних рядов датчика изображения, представляют собой интерфейс MIPI CSI-2. Мы хотели бы убедиться, что фронты сигналов в каждой дополнительной дорожке внутри дифференциальной пары распространяются параллельно/на одной высоте вдоль дорожек.

Из-за способа выхода сигналов CSI-2 из контактной площадки компонента вблизи компонента вводится небольшая задержка. Мы можем компенсировать эту задержку, добавив наши примитивы настройки длины внутри пары рядом с площадками BGA.

Настройка длины внутри пары рядом с площадкой BGA

Светодиоды были соединены с использованием сплошной области для каждого контактного площадка светодиода. Это обеспечивает дополнительное теплораспределение и, следовательно, лучшее охлаждение светодиодов. Поскольку мы не используем светодиоды высокой мощности, тепловая производительность в данном случае не критична.

Соединение светодиодов с использованием сплошных областей

Наконец, внутренние слои используются для сплошной земляной плоскости на внутреннем слое 1 и внутреннем слое 4, а питание прокладывается на внутренних слоях 2 и 3:

Прокладка питания на внутреннем слое 3

Есть несколько секций с небольшой площадью меди в плоскостях питания, что может вызвать чрезмерное падение напряжения IR. К счастью, вся плата потребляет всего 25 мА во время нормальной работы без скачков тока, поэтому потери в геометрии меди будут незначительными.

Вы можете посмотреть на готовый дизайн печатной платы здесь:

С дизайном печатной платы завершенным, мы можем заказать первые прототипы платы веб-камеры и начать тестирование системы! Это приближает нас на шаг к завершению этапа сборки крышки. После тестирования платы веб-камеры мы можем сосредоточиться на подключении всей сборки крышки к остальной части системы. Нам просто нужно разработать дизайн гибкого печатного соединителя (FPC) для передачи данных с датчика изображения на основную плату. Второй FPC потребуется для подключения основной платы к дисплею eDP в сборке экрана.

Эти и многие другие темы будут рассмотрены в рамках проекта по созданию ноутбука с открытым исходным кодом. Следите за обновлениями, чтобы узнать, какие проблемы с целостностью сигнала вас ждут при проектировании гибкой печатной платы!