Giai đoạn Thiết kế - Phần Điện tử của Nắp Lắp Ráp Phần 2

Chào mừng trở lại với loạt bài về Dự án Laptop Mã nguồn Mở! Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về chức năng và lựa chọn linh kiện của bộ phận điện tử nắp máy, chúng ta đã xem xét kỹ lưỡng về việc thu thập sơ đồ mạch, và chúng ta đã chuẩn bị dự án cho thiết kế bố trí PCB.

Trong bản cập nhật này, chúng ta sẽ giải quyết thiết kế PCB của bảng webcam với một số thách thức dự kiến; ví dụ, xử lý kích thước tổng thể nhỏ của bảng mạch hoặc phá vỡ cảm biến hình ảnh webcam siêu nhỏ.

Gói Cảm Biến Hình Ảnh

Hãy bắt đầu bằng việc xem xét kỹ lưỡng cảm biến hình ảnh webcam và dấu chân phù hợp. Cảm biến hình ảnh OV2740 có sẵn trong một số gói, cảm biến hình ảnh thường được bán dưới dạng một mảnh chết được dán hoặc hàn trực tiếp lên PCB. Sau đó, cảm biến được kết nối với bảng mạch bằng các dây kết nối mỏng bằng vàng để phá vỡ tất cả các tín hiệu cần thiết.

OV2740 được kết nối với một PCB

Có một số lý do để sử dụng một mảnh chết thay vì một cảm biến được đóng gói hoàn chỉnh. Ba lý do nổi bật nhất là chi phí, kích thước hình dạng, và tính chất quang học. Đầu tiên, hãy xem xét chi phí: việc đóng gói một cảm biến hình ảnh mà không ảnh hưởng đến hiệu suất quang học là một quá trình đắt đỏ. Việc kết nối mảnh chết cảm biến mà không cần gói trực tiếp lên PCB tiết kiệm chi phí đóng gói, nhưng đi kèm với chi phí lắp ráp/sản xuất cao hơn. Việc kết nối các thành phần quang học trên PCB thường đòi hỏi một cơ sở phòng sạch cũng như một bề mặt PCB có thể kết nối. Cả hai lựa chọn đều làm tăng chi phí sản xuất, đó là lý do tại sao việc gắn mảnh chết trực tiếp thường chỉ khả thi cho các sản phẩm có khối lượng cao hoặc chuyên biệt cao.

Một lý do tốt khác để chọn phương pháp gắn mảnh chết trực tiếp là để giảm chiều cao tổng thể của giải pháp, đặc biệt là với các giải pháp camera tích hợp dày đặc cho laptop hoặc điện thoại thông minh, nơi mỗi phần nhỏ của trục Z đều quan trọng. Nếu mảnh chết hoạt động của cảm biến hình ảnh được nâng cao 0.5mm so với bề mặt bảng mạch, chiều cao thêm phải được bù đắp bởi bộ phận lắp ống kính. Điều này thường dẫn đến việc tăng độ dày của toàn bộ cảm biến hình ảnh và chồng lớp ống kính.

Hơn nữa, việc lắp đặt bộ phận ống kính dễ dàng là một lý do thuyết phục khác để sử dụng cảm biến dạng chíp trần. Cảm biến phải được đặt hoàn toàn vuông góc với trục của bộ phận ống kính để đạt được hình ảnh không méo. Bộ phận ống kính được tham chiếu cơ khí với bề mặt PCB, bề mặt này phải hoàn toàn song song với chíp cảm biến hình ảnh. Nếu cảm biến hình ảnh được đóng gói dưới dạng thành phần BGA, ví dụ, thì khó có thể đảm bảo nó sẽ hoàn toàn song song với bề mặt bo mạch. Hiệu ứng này cần được bộ phận ống kính điều chỉnh, nhưng thường không xuất hiện với phương pháp gắn chíp trực tiếp.

Đối với thiết kế laptop của chúng tôi, việc gắn trực tiếp chíp cảm biến vào bề mặt PCB không phải là một lựa chọn do chi phí sản xuất tăng cao. Do đó, chúng tôi sẽ sử dụng OV2740 được đóng gói dưới dạng thành phần BGA với khoảng cách chân nhỏ.

Cảm biến hình ảnh OV2740 trong gói BGA

Dấu chân cảm biến hình ảnh

Gói cảm biến không phải là gói BGA thông thường, mà là một mảng lưới với nhiều khoảng cách chân khác nhau. Trong trường hợp của chúng tôi, điều này có nghĩa là các bóng hàn có khoảng cách khác nhau trên trục X và Y:

Dấu chân BGA của cảm biến hình ảnh

Ảnh chụp màn hình cho thấy dấu chân BGA sử dụng khoảng cách 0.53mm trên trục X và 0.48mm trên trục Y. Điều này đem lại một số hậu quả cho việc thiết kế và công nghệ sản xuất PCB mà chúng tôi phải lựa chọn cho bo mạch. Hầu hết các nhà cung cấp PCB có thể sản xuất bề rộng và khoảng cách đường dẫn 0.1mm trong quy trình tiêu chuẩn. Nếu chúng tôi muốn chọn quy tắc thiết kế tiêu chuẩn mà không phải trả thêm chi phí cho một lớp công nghệ cao hơn, chúng tôi chỉ có thể phá vỡ các chân cảm biến trên trục Y:

Phá vỡ thành phần BGA

Vì khoảng cách giữa các chân trong trục X hơi lớn hơn, chúng ta có thể dễ dàng lắp một đường dẫn 0.1mm giữa hai pad. Nếu chúng ta muốn phá vỡ hàng thứ hai trong trục X, chúng ta sẽ cần chọn khoảng cách đường dẫn 0.09mm, mà hầu hết các nhà sản xuất không thể xử lý với các quy tắc thiết kế mặc định của họ.

Cảm biến hình ảnh có năm hàng và chúng ta có thể phá vỡ hai hàng ngoài cùng của chân mà không gặp bất kỳ vấn đề gì. Còn lại một hàng ở giữa mà chúng ta không thể tiếp cận từ lớp trên cùng. Đặt một VIA với pad 0.4mm và khoan 0.2mm—giới hạn của hầu hết các quy tắc thiết kế PCB tiêu chuẩn—giữa các pad không phải là một lựa chọn vì sẽ không có đủ khoảng cách từ VIA đến các pad:

Dấu chân BGA với VIAs

Tại thời điểm này, chúng ta có thể sử dụng một bước bổ sung trong quy trình sản xuất PCB đó là chặn và đậy các VIA. Bằng cách sử dụng VIA đậy, chúng ta có thể đặt VIA trực tiếp trên pad mà không gây ra bất kỳ vấn đề đáng tin cậy nào trong quá trình lắp ráp PCB.

Theo cách này, đường thoát cho cảm biến hình ảnh có thể trông như sau:

Đường thoát cảm biến hình ảnh

Bố trí thành phần

Với công nghệ PCB đã được định nghĩa và có chiến lược fanout, chúng ta có thể tiến hành công việc đặt các linh kiện lên bảng mạch. Hầu hết vị trí của các linh kiện đã được định nghĩa bởi mô hình CAD. Các LED cho các biểu tượng chạm có đèn nền cũng như các điện cực cảm biến phải được đặt dưới các lỗ cắt khớp với trên kính che. Vị trí của bộ kết nối bảng-mạch kết nối bảng webcam với bảng chính cũng đã được định trước. Chúng ta có thể nhập thông tin về vị trí đặt linh kiện bằng cách nhập đường viền kính che dưới dạng tệp .DXF vào lớp cơ khí 3D trong Altium Designer. Chúng ta có thể sử dụng các đường viền này như một điểm neo và đặt các linh kiện vào đúng vị trí:

Đường viền DXF đã nhập

Việc đặt các linh kiện còn lại được dẫn dắt bởi sơ đồ mạch. Ba bộ điều chỉnh điện áp cần thiết cho cảm biến hình ảnh được đặt ngay cạnh khu vực cấm cho bộ phận lắp ống kính:

Cảm biến hình ảnh và bộ điều chỉnh điện áp

Mỗi LED phải được đặt dưới một bộ khuếch tán tùy chỉnh để đảm bảo ánh sáng đèn nền đồng đều cho các biểu tượng phím chạm. Các bộ khuếch tán được sử dụng cho các lỗ đăng ký.

Vị trí LED so với các lỗ đăng ký khuếch tán

Sau khi hoàn thành việc đặt linh kiện, chúng ta có thể có cái nhìn tổng quan về mật độ định tuyến mà chúng ta đang đối mặt và chọn lựa một cấu trúc lớp phù hợp dựa trên thông tin này. Đối với PCB của webcam, chúng tôi sẽ sử dụng một bảng mạch 6 lớp với kiểm soát trở kháng ở lớp trên cùng và lớp dưới cùng. Chúng tôi sẽ không định tuyến bất kỳ đường dẫn nào kiểm soát trở kháng trên lớp dưới cùng, nhưng kiểm soát trở kháng thường chỉ được cung cấp như một lựa chọn đối xứng gương trong cấu trúc lớp. Cảm biến hình ảnh sử dụng giao diện MIPI CSI-2 hai làn để truyền dữ liệu hình ảnh đến ISP. Giao diện CSI-2 cần được định tuyến với trở kháng chênh lệch 100 Ohm.

Bố Cục PCB

Trong bước đầu tiên của việc bố trí PCB, chúng tôi sẽ tiến hành định tuyến cảm biến hình ảnh và kết nối nó với bộ kết nối giữa các bảng mạch. Các tụ bù đã được đặt gần cảm biến hình ảnh trên lớp trên cùng vì không có linh kiện nào được phép đặt trên lớp dưới cùng của bảng mạch. Chúng tôi muốn sử dụng các đường dẫn ngắn và rộng để kết nối các tụ với cảm biến. Các LDO gần cảm biến được kết nối bằng các vùng đồng rắn để cung cấp một chút phân tán nhiệt bổ sung. Ở giữa mỗi pad LDO, một VIA GND được đặt để phân tán nhiệt vào các mặt phẳng GND của bảng mạch.

Việc định tuyến cảm biến hình ảnh và phần cung cấp điện trông như thế này:

Định tuyến cảm biến hình ảnh

Ba cặp chênh lệch rời khỏi hai hàng trên cùng của cảm biến hình ảnh là giao diện MIPI CSI-2. Chúng tôi muốn đảm bảo rằng các cạnh tín hiệu trong mỗi đường dẫn bổ sung trong cặp chênh lệch di chuyển song song/vào cùng một độ cao dọc theo các đường dẫn.

Do cách các tín hiệu CSI-2 rời khỏi bản in chân, một độ trễ nhỏ được giới thiệu gần linh kiện. Chúng tôi có thể khắc phục độ trễ này bằng cách thêm các nguyên tắc điều chỉnh chiều dài Intra-Pair của chúng tôi gần các pad BGA.

Điều chỉnh chiều dài Intra-Pair gần pad BGA

Các LED được kết nối bằng cách sử dụng một vùng rắn cho mỗi pad LED. Điều này cung cấp một số khả năng lan tỏa nhiệt bổ sung và do đó làm mát tốt hơn cho các LED. Tuy nhiên, vì chúng tôi không sử dụng LED công suất cao nên hiệu suất nhiệt không quan trọng trong trường hợp này.

Kết nối LED bằng vùng rắn

Cuối cùng, các lớp bên trong được sử dụng cho một mặt đất rắn ở lớp bên trong thứ 1 và lớp bên trong thứ 4, và nguồn được định tuyến trên lớp bên trong thứ 2 và 3:

Định tuyến nguồn trên lớp bên trong thứ 3

Có một số phần với diện tích đồng ít ỏi trong các mặt phẳng nguồn có thể gây ra sự sụt giảm IR quá mức. May mắn thay, toàn bộ bảng mạch chỉ tiêu thụ 25mA trong quá trình hoạt động bình thường mà không có sự tăng đột biến dòng điện nên sự mất mát trong hình học đồng sẽ không đáng kể.

Bạn có thể xem thiết kế PCB hoàn chỉnh tại đây:

Với việc thiết kế PCB đã hoàn tất, chúng tôi có thể đặt hàng các mẫu đầu tiên của bảng mạch webcam và bắt đầu kiểm tra hệ thống! Điều này đưa chúng tôi tiến gần hơn một bước đến việc hoàn thành mục tiêu lắp ráp nắp. Một khi việc kiểm tra bảng mạch webcam hoàn tất, chúng tôi có thể tập trung vào việc kết nối toàn bộ bộ phận nắp với phần còn lại của hệ thống. Chúng tôi chỉ cần tìm ra một thiết kế FPC để truyền dữ liệu cảm biến hình ảnh đến bo mạch chính. Một FPC thứ hai sẽ cần thiết để kết nối bo mạch chính với màn hình eDP trong bộ phận màn hình.

Những chủ đề này và nhiều hơn nữa sẽ được đề cập trong Dự án Laptop Mã nguồn Mở. Hãy theo dõi để tìm hiểu những thách thức về tính toàn vẹn tín hiệu nào đang chờ đợi trong quá trình thiết kế FPC!