设计阶段 - 盖子组件电子部件第二部分

欢迎回到开源笔记本电脑项目系列！到目前为止，我们已经讨论了盖板电子组件的功能和部件选择，我们已经更仔细地查看了原理图捕获，并且我们已经为PCB布局设计准备了项目。

在这次更新中，我们将解决网络摄像头板的PCB设计，面临一些预期的挑战；例如，处理板子整体的小尺寸因素或者打破微小的网络摄像头图像传感器。

图像传感器封装

让我们开始更仔细地看看网络摄像头图像传感器和匹配的脚印。图像传感器OV2740有几种封装，图像传感器通常作为裸片销售，直接粘贴或焊接在PCB上。然后使用薄金属键合线将传感器键合到板上，以打开所有必要的信号。

OV2740芯片键合到PCB上

使用裸片而不是完整封装的传感器有几个原因。三个最突出的原因是成本、形状因子和光学属性。首先，让我们考虑成本：不影响光学性能的情况下封装图像传感器是一个昂贵的过程。直接将传感器芯片无封装地键合到PCB上可以节省封装成本，但带来了更高的组装/制造成本。在PCB上键合光学组件通常需要一个洁净室设置以及一个可键合的PCB表面处理。这两个选项都会增加制造成本，这就是为什么直接芯片贴装通常只适用于高体积或高度专业化的产品。

选择直接芯片贴装方法的另一个好理由是为了减少整体解决方案的高度，特别是在笔记本电脑或智能手机等密集集成的摄像解决方案中，Z轴上的每一分毫米都很重要。如果图像传感器的活动芯片在板面上方升高0.5mm，则额外的高度必须通过镜头组件来补偿。这通常导致整个图像传感器和镜头堆栈的厚度增加。

此外，镜头组件的安装便捷性是使用裸传感器芯片的另一个有力理由。为了获得无畸变的图像，传感器芯片必须与镜头组件轴线完全垂直。镜头组件是以PCB表面为机械参考的，该表面必须与图像传感器芯片完全平行。例如，如果图像传感器被封装为BGA组件，很难保证它与板面完全平行。这种效应需要通过镜头组件来补偿，但在直接芯片贴装方法中通常不存在这个问题。

对于我们的笔记本电脑设计，由于制造成本增加，直接将传感器芯片贴装到PCB表面不是一个选项。因此，我们将使用以细间距BGA组件形式封装的OV2740。

以BGA封装的OV2740图像传感器

图像传感器封装印记

传感器封装不是常规的BGA封装，而是一个多间距网格阵列。在我们的案例中，这意味着焊球在X轴和Y轴上有不同的间距：

图像传感器的BGA印记

截图显示，BGA印记在X轴上使用0.53mm的间距，在Y轴上使用0.48mm的间距。这对我们必须为电路板选择的PCB设计和制造技术有一些影响。大多数PCB提供商可以在标准工艺中制造0.1mm的走线宽度和间距。如果我们想选择标准设计规则而不为更高技术等级支付额外费用，我们只能在Y轴上打破传感器引脚：

BGA元件引出

由于X轴的引脚间距略大，我们可以方便地在两个焊盘之间放置一条0.1mm的走线。如果我们想要同时引出X轴的第二排，我们需要选择0.09mm的走线间距，这是大多数制造商在他们的默认设计规则下无法处理的。

图像传感器有五排引脚，我们可以毫无问题地引出最外面的两排引脚。中间还有一排我们无法从顶层到达。在焊盘之间放置一个带有0.4mm焊盘和0.2mm钻孔的通孔（VIA）—大多数标准PCB设计规则的极限—不是一个选项，因为从VIA到焊盘的间距不够：

带有VIA的BGA足迹

此时，我们可以在PCB制造过程中使用一个额外的步骤，那就是堵塞和封顶VIA。通过使用封顶VIA，我们可以直接将VIA放置在焊盘上，而不会在PCB组装期间引起任何可靠性问题。

这样，图像传感器的逃逸布线可能如下所示：

图像传感器逃逸布线

元件放置

在定义了PCB技术并制定了走线策略后，我们现在可以继续进行电路板上的元件布局了。大部分元件的位置已经由CAD模型定义。背光触摸图标的LED以及感应电极必须放置在覆盖玻璃的相应切口下方。连接网络摄像头板和主板的板对板连接器的位置也是预先定义的。我们可以通过将覆盖玻璃轮廓作为.DXF文件导入到Altium Designer中的3D机械层来导入布局信息。我们可以使用这些轮廓作为锚点，并将元件准确地定位到正确的位置：

导入的DXF轮廓

剩余的元件布局由原理图驱动。图像传感器所需的三个电压调节器直接放置在镜头组件的禁止区域旁边：

图像传感器和电压调节器

每个LED必须放置在一个定制的扩散器下面，以保证触摸键图标的均匀背光。扩散器用于定位孔。

LED相对于扩散器定位孔的位置

在完成元件放置后，我们可以对我们正在处理的布线密度有一个好的印象，并基于这些信息选择合适的层叠结构。对于网络摄像头的PCB，我们将使用六层板，并在顶层和底层实施阻抗控制。我们不会在底层布线任何阻抗控制的走线，但阻抗控制通常只作为层叠结构中的镜像对称选项提供。图像传感器使用两通道的MIPI CSI-2接口将图像数据传输给ISP。CSI-2接口需要以100欧姆的差分阻抗进行布线。

PCB布局

在PCB布局的第一步中，我们将负责布线图像传感器并将其与板对板连接器连接。去耦电容被放置在顶层的图像传感器附近，因为板子的底层不允许放置任何组件。我们希望使用短而宽的走线将电容连接到传感器。靠近传感器的LDO使用实心铜区域连接，以提供一点额外的热扩散。在每个LDO垫的中间放置了一个GND VIA，以将热量扩散到板的GND平面中。

图像传感器和电源部分的布线如下所示：

图像传感器布线

离开图像传感器顶部两排的三对差分对是MIPI CSI-2接口。我们希望确保每个差分对内互补走线的信号边缘在走线上并行/在同一高度上传播。

由于CSI-2信号离开封装的方式，靠近组件的地方引入了一个小的延迟。我们可以通过在BGA垫附近添加我们的Intra-Pair长度调整原语来抵消这个延迟。

靠近BGA垫的Intra-Pair长度调整

通过使用每个LED焊盘的实心区域连接LED，这样可以提供一些额外的热扩散，因此更好地冷却LED。由于我们没有使用高功率LED，在这种情况下热性能并不关键。

使用实心区域连接LED

最后，内层被用作第1层和第4层的实心接地平面，而第2层和第3层则用于电源布线：

第3内层的电源布线

在电源平面中有一些小铜区域可能会导致过高的IR下降。幸运的是，整个电路板在正常操作时仅消耗25mA电流，没有电流尖峰，因此铜几何内的损耗将可以忽略不计。

你可以在这里查看完成的PCB设计：

PCB设计完成后，我们可以订购网络摄像头板的第一批原型并开始测试系统！这使我们更接近完成盖板组装里程碑。一旦完成网络摄像头板测试，我们就可以专注于将整个盖板组装连接到系统的其余部分。我们只需要设计一个FPC来传输图像传感器数据到主板。连接主板和屏幕组装中的eDP显示屏将需要第二个FPC。

这些主题以及更多相关内容将在开源笔记本电脑项目中讨论。敬请关注，了解在FPC设计过程中将遇到哪些信号完整性挑战！