Diseño y fabricación nacional de un circuito impreso multicapa

Diseño y fabricación nacional de un circuito impreso
multicapa con impedancia controlada y cupón de
prueba asociado
Diego Alamon∗, Noelia Scotti∗ , David Caruso∗, Diego Brengi∗ , Marcos Mayer†
∗
Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI)
Centro de Micro y Nanoelectrónica del Bicentenario (CMNB)
Buenos Aires, Argentina. Contacto: [email protected]
† Ernesto Mayer S.A.
Buenos Aires, Argentina. Email:[email protected]
Resumen—Este trabajo presenta el diseño y la fabricación
de un circuito impreso multicapa, poniendo particular énfasis en
las técnicas de diseño necesarias para su posterior verificación.
Se mencionan en este artículo las etapas de diseño del circuito
impreso, fabricación del PCB y cupón de prueba, cálculos y
verificaciones realizadas, enfocando especialmente en las características necesarias de impedancia controlada en los puertos de
comunicación USB y Ethernet y los cuidados necesarios para
la posterior verificación y caracterización. Además se definen
los criterios necesarios para que el circuito impreso pueda ser
fabricado en Argentina.
Keywords—Multicapa, impedancia controlada, cupón, líneas
microstrip, circuito impreso
I.
II.
E L PROYECTO CIAA
El proyecto CIAA propone el diseño y la posterior aplicación de una computadora industrial, planteando el desarrollo
colaborativo entre instituciones, academias y empresas. Todo el
trabajo resultante (hardware y software) se publica como hardware abierto y software libre. Para ofrecer distintas alternativas
acordes a la experiencia técnica y comercial del usuario final,
se abordan varios diseños con diferentes microcontroladores.
El presente trabajo trata sobre las técnicas de diseño y
verificación utilizadas para el desarrollo de la versión CIAAFSL3 (Fig.1) , que se caracteriza por poseer un procesador
Cortex-M4 de 150 MHz (Freescale MK60FN1M0VLQ15).
I NTRODUCCIÓN
El diseño de un circuito impreso multicapa moderno requiere de varias consideraciones adicionales como por ejemplo la selección del stack-up1 , el cálculo de la impedancia
característica de algunas pistas, el uso correcto de los planos
de alimentación, los caminos de retorno, la prevención del
crosstalk2 y los mecanismos de verificación del proceso de
fabricación del PCB y sus materiales asociados[1].
Para incursionar en esta temática, se aplican dichos conceptos al desarrollo de un controlador lógico industrial, dentro
del marco del proyecto CIAA, Computadora Industrial Abierta
Argentina[2]. Debido a esto, se requiere que el diseño se
produzca en serie en el país, por lo que se deben considerar las
capacidades actuales de los fabricantes nacionales de circuitos
impresos y los aspectos que faciliten el proceso de ensamblaje
y soldadura.
En las siguientes secciones se mencionarán las características principales del circuito desarrollado, los requerimientos
principales, las herramientas de software, los cálculos, los
mecanismos de control y verificación, la fabricación del PCB
y, finalmente, los resultados obtenidos hasta el momento.
1 El stack-up es la definición de espesores, materiales y funciones que
tendrán las distintas capas de un circuito impreso.
2 Interferencia entre pistas adyacentes
Figura 1. Circuito impreso finalizado.
III.
PAUTAS
GENERALES
III-A. Pautas del diseño del hardware
Las pautas del proyecto plantean varias condiciones que
limitan el diseño. Se debe mantener compatibilidad entre todas
las versiones de la CIAA y además se debe producir localmente
tomando las recomendaciones y capacidades locales de los
fabricantes y los ensambladores de PCBs. Algunos de los
requerimientos de hardware son:
3 https://github.com/ciaa/Hardware/tree/master/PCB/FSL
Alimentación de 24 VCC, entradas digitales y analógicas, salidas digitales, analógicas y con relés.
Comunicación USB 2.0, Ethernet 100 Mbps, RS-485,
RS-232 y CAN4 .
Circuito impreso de dos o cuatro capas y con posibilidad de fabricación en Argentina.
Sin encapsulados BGA que dificulten el armado.
Dimensiones de 86 x 137 mm y ubicación de los
conectores ya determinados por el gabinete.
IV.
S OFTWARE
DE DISEÑO
Debido a las características de hardware abierto que propone el proyecto, el diseño del circuito impreso se realizó con
Kicad[3], un software libre con licencia GPL[4] utilizando la
versión de Diciembre de 2013. Este software posee ingreso de
esquemático, ruteo del PCB, generación y visor de gerbers y
calculadoras de ancho de pistas y líneas microstrip. También
permite visualización en 3D del diseño. Kicad es una herramienta ya madura (se publica inicialmente en el año 2003),
pero sin embargo aún no incluye las herramientas necesarias
para el diseño de circuitos de alta velocidad e impedancia
controlada, lo cual plantea un desafío a la hora de realizar
diseños de este tipo. Sin embargo, su característica de libre
lo hace cada vez más popular, y su desarrollo avanza día
a día con colaboraciones y aportes de personas en todo el
mundo, contando con instituciones como el CERN[5][6] entre
sus desarrolladores.
V.
D ISEÑO
DEL CIRCUITO IMPRESO
Mencionaremos los aspectos generales del diseño del circuito impreso. Para que el circuito pueda ser producido en
serie por los fabricantes nacionales que realizan multicapa se
establecieron las siguientes restricciones de diseño:
Margen = 8 mils (7 mils en USB)
Ancho de pista = 10 mils
Diámetro de la vía = 32 mils
Agujero de la vía = 16 mils
El diseño de los footprints de los componentes se realizó
considerando la norma IPC-7351[7] para facilitar el posicionamiento y la soldadura manual del circuito. Debido a la
densidad de componentes y el área disponible, se colocaron
componentes de ambos lados del PCB. Aunque el método de
soldadura más adecuado en este caso es la doble refusión, se
tomaron los recaudos para permitir la soldadura por ola en la
cara inferior, que puede ser conveniente para algunos ensambladores. Esto agrega restricciones adicionales de ubicación,
orientación de los componentes y largo de los pads de los
componentes de montaje superficial.
Se definieron planos de masa analógica y masa digital separados, de manera de suprimir ruidos indeseados[8]. Para el caso
particular de este circuito, también se tuvieron consideraciones
especiales con respecto a la tierra del chasis[9].
VI.
I MPEDANCIA
CONTROLADA
Los circuitos digitales modernos pueden poseer señales
de alta velocidad y flancos menores al nanosegundo. Esto
4 Controller
Area Network
requiere tener consideraciones adicionales en las pistas de
cobre que interconectan los componentes más veloces de
un circuito impreso, considerando a las mismas como líneas
de transmisión con una impedancia característica que debe
mantenerse en todo el recorrido de la señal. Estos cuidados son
necesarios para evitar reflexiones indeseadas que degraden las
señales, crosstalk o interpretaciones incorrectas de los niveles
lógicos. La técnica que considera estos aspectos de diseño se
conoce como “Impedancia Controlada” e involucra el diseño
del stack-up, el cálculo de anchos de pistas y los mecanismos
de verificación y control posteriores a la fabricación, realizados
por el usuario final o por el propio fabricante de PCBs.
VI-A.
El stack-up utilizado
La definición del stack-up se realiza en conjunto con
el fabricante del circuito impreso ya que depende de los
materiales disponibles y los procesos de fabricación utilizados.
Debido a que se eligió emplear líneas microstrip, se seleccionó
una distribución tradicional de stack-up, con los planos de
alimentación en las capas internas y las capas de señal en el
exterior. En el cuadro I se detallan los espesores y materiales
utilizados. Los códigos de los materiales indicados corresponden al fabricante Isola[10].
Cuadro I.
Capa
L1
L2
L3
L4
VI-B.
S TACK - UP
Tipo
Máscara antisoldante
Característica
Lackwerke Peters SD 2467
SM-YG
Señal, superior
Cobre 1oz/ft2 + plating
Dieléctrico
Prepreg (2 x 7628AT05)
Plano GND
Cobre 1oz/ft2
Dieléctrico
Laminate (4 x 7628M)
Plano alim.
Cobre 1oz/ft2
Dieléctrico
Prepreg (2 x 7628AT05)
Señal, inferior
Cobre 1oz/ft2 + plating
Máscara antisoldante
Lackwerke Peters SD 2467
SM-YG
TOTAL
Espesor
mils
mm
1,50
13,60
1,38
30,00
1,38
13,60
1,50
0,038
0,345
0,035
0,762
0,035
0,345
0,038
62,96
1,598
Líneas USB y Ethernet
La especificación USB define en 90Ω ± 15 % la impedancia característica que debe tener un par diferencial de tipo
USB[11]. Del mismo modo, la interfaz Ethernet requiere el
trazado de dos pares diferenciales de 100Ω[12][9].
Para cumplir con estos requisitos deben realizarse los
cálculos de las líneas microstrip diferenciales a partir de los
datos de los materiales y el stack-up. El objetivo es determinar
el ancho de la pistas y la separación entre ellas para ambos
casos, conociendo los espesores y materiales del circuito
impreso.
VI-C. Cálculo de líneas microstrip
Para realizar los cálculos se utilizó la calculadora incorporada en Kicad, basada en el programa Transcalc[13].
La permitividad del material varía con la frecuencia y es
uno de los parámetros que define la impedancia característica
de un microstrip. Para conocer el valor necesario se utiliza
la máxima componente en frecuencia que tiene una señal[1],
se calcula utilizando el tiempo de crecimiento (Ec. 1). Según
la especificación de USB 2.0[11], el tiempo de crecimiento
mínimo es de 4 ns, la frecuencia será de 87,50MHz. Para
Ethernet, el PHY KSZ8041TL tiene un tiempo de crecimiento
de 3 ns, la frecuencia resulta 116MHz.
fmax =
0,35
tr
de USB y Ethernet, se agregaron las líneas microstrip para
caracterizar el circuito impreso con la medición de diferentes
líneas de transmisión.
Líneas microstrip de 50Ω.
Líneas microstrip de 75Ω.
Líneas microstrip en par diferencial de 100Ω.
(1)
Se verificaron los resultados obtenidos con un software comercial de simulación[14] y se obtuvieron resultados similares.
En la Fig. 2 se observa una pantalla del software Kicad con
el cálculo de una línea microstrip para utilizar en el cupón
de pruebas. En el cuadro II se presentan los cálculos de los
anchos de pistas y sus impedancias estimadas.
Para facilitar la conexión con los instrumentos se incorporaron conectores SMA a todas las líneas de transmisión
del cupón. Además, se agregaron testpoints para medir con
puntas económicas de fácil construcción, o con puntas del tipo
Picoprobe con pitch de 1250 µm.
Según la norma IPC-2141A, se debe dejar una distancia de
seis veces el ancho de la línea (ó 100 mils, lo que sea mayor),
entre la línea de transmisión y los otros elementos del cupón
de prueba (planos, pistas, pads). Por este motivo se dejaron
150 mils libres para la línea de 50Ω y 100 mils libres para la
línea microstrip de 75Ω y el par diferencial.
El largo del cupón de prueba se mantuvo en 15 cm, tal
como lo menciona el apartado 4.7.3.1 de la norma IPC-2141A.
Para evitar diferencias en la cantidad de cobre entre las
distintas capas del cupón de prueba y, para garantizar un
proceso electroquímico homogéneo, se agregaron áreas de
cobre adicionales en la capa superior, mencionadas en el
apartado 4.7.6.3 de la IPC-2141A como copper thieving.
Figura 2. Software de cálculo de líneas microstrip (Kicad).
Cuadro II.
I MPEDANCIAS C ALCULADAS PARA LA C APA L1
Microstrip
25mils, 50Ω ± 10 % (Referenciado a L2)
11mils, 75Ω ± 10 % (Referenciado a L2)
Microstrip Diferencial
18/7/18mils, 90Ω ± 10 % (Referenciado a L2)
15/8/15mils, 100Ω ± 10 % (Referenciado a L2)
VII.
VII-A.
C UPÓN
Impedancia
49, 61Ω
74, 71Ω
Impedancia
91, 75Ω
102, 11Ω
DE PRUEBAS
Función del cupón
Según el apartado 4.7.1 de la norma IPC-2141A[15], el
propósito de los cupones de prueba es emular las propiedades
electromagnéticas, especialmente la impedancia característica,
de las interconexiones funcionales del circuito impreso en
estudio. Con este objetivo, se diseñó un cupón de prueba
para que el fabricante del circuito impreso lo incorpore en el
panelizado de fabricación. Con el cupón de prueba se pueden
realizar las mediciones de los pares diferenciales o de las líneas
microstrip para caracterizar el circuito impreso fabricado.
VII-B.
Figura 3. Cupón de prueba del circuito.
Diseño del cupón
En el cupón de prueba (Ver Fig. 3) se incorporaron dos
líneas microstrip y un par diferencial. Aunque en el diseño
de la CIAA-FSL sólo son necesarios los pares diferenciales
VIII.
OTROS
ELEMENTOS PARA VERIFICACIÓN
En el circuito impreso se incorporaron diferentes elementos
de verificación[16] como un verificador de capas y espesores.
Este permite ver fácilmente si los planos se han armado en
el orden correcto. El verificador consiste en una estructura
donde las capas de cobre llegan hasta el borde del PCB y se
pueden ver y medir con algún equipamiento óptico. También
se colocaron testpoints especiales (además de los utilizados
tradicionalmente) para la medición de la capacidad de los
planos de alimentación.
IX.
IX-A.
FABRICACIÓN
DEL CIRCUITO
Panelizado
Al diseñar el panelizado de fabricación se buscó la distribución óptima de circuitos y cupones de prueba en el panel, para
esta tarea se consideraron los requerimientos del ensamblador
de componentes y de las normas IPC-2221A[17] e IPC-2141A.
En cada panel de fabricación se distribuyeron cuatro circuitos
y cuatro cupones de prueba (ver Fig. 4). Se identificaron
los circuitos y sus cupones asociados para poder realizar el
seguimiento luego de que los elementos del panel (cupones
y circuitos) se separen. También se identificó cada cupón por
separado dentro de un mismo panel para conocer su ubicación
relativa en el mismo.
IX-B.
Espesores de las pistas
Es de suma importancia verificar durante las diferentes
etapas de fabricación los espesores de cobre y dieléctrico
obtenidos. Para este diseño es de particular importancia la
capa L1, ya que es la capa donde se colocaron las pistas con
requerimientos de impedancia controlada. Las verificaciones
de espesor de las pistas se realizaron en la planta con el
instrumento Oxford CMI165[18].
Figura 6. Medición de la capa superior del cupón.
X-B.
Para comprobar que la línea microstrip de 50Ω posee
la impedancia característica calculada se midió el parámetro
S11 para el rango de frecuencias deseado. El parámetro S11
es el coeficiente de reflexión, es decir, el cociente entre la
onda reflejada y la incidente[21][22], entonces, mientras más
pequeño sea este parámetro, mejor será la adaptación del
microstrip a 50Ω. El equipo utilizado para medir es el VNA5
Rohde & Schwarz ZVRE.
Figura 4. Panelizado con cupones de prueba en la periferia.
X.
X-A.
M EDICIONES
Medición del cupón con VNA
Y VERIFICACIONES
Verificación del espesor
En la placa principal se colocó un verificador de espesor y
de capas. Esta estructura se pudo observar con el microscopio
digital Digimess[19] y se muestra en la figura 5, verificándose
el orden correcto de las capas.
La medición de S11 (Ver Fig. 7) resultó inferior a los
−35dB en todo el rango de la medición, es decir, que sólo
el 2 % de la onda incidente es reflejado. Por lo tanto la línea
microstrip diseñada está adaptada para 50Ω.
S11 dB
-30
S11 dB
-35
dB
-40
-45
-50
Figura 5. Vista del verificador de espesores y capas
-55
Para realizar la verificación de los espesores asociados a
la capa superior donde están ruteadas las líneas microstrip,
se utilizó el equipo FEI Helios NanoLab Dual Beam 650[20],
usando una muestra del cupón de prueba. El espesor de la capa
superior de cobre puede verse en la figura 6. Las mediciones
obtenidas y su error frente al valor esperado se presentan en
el cuadro III.
-60
Cuadro III.
Capa
Máscara antisoldante
Cobre L1
Dieléctrico
M EDICIONES DE ESPESOR
Espesor esperado
Espesor medido
38,10 µm
345,44 µm
7,16 µm
35,92 µm
326,20 µm
Diferencia
porcentual
5,47 %
5,57 %
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Frecuencia (MHZ)
Figura 7. Medición de S11 con VNA.
X-C.
Verificación de funcionamiento
Una de las verificaciones finales es la verificación de
funcionamiento. En este sentido se está trabajando actualmente
en realizar pruebas utilizando la interfaz JTAG del microcontrolador. Con este mecanismo se han realizado verificaciones
básicas como manejo de salidas de LEDs y relés. En el caso
5 Vector
Network Analyzer
del puerto Ethernet, el circuito integrado realiza correctamente
la negociación cuando se conecta a un switch.
XI.
C ONCLUSIONES
Se logró diseñar, fabricar y verificar un circuito impreso
multicapa con impedancia controlada con resultados iniciales
satisfactorios.
Durante la etapa de diseño, se lograron ampliar los conocimientos sobre normativas IPC, sobre las características
informadas en las hojas de datos de los materiales para
circuitos impresos multicapa y sobre los métodos de cálculo
de impedancia característica en líneas microstrip y microstrip
diferencial.
En la etapa de verificaciones, se pudieron profundizar los
diferentes métodos de medición de impedancia característica en un circuito impreso con instrumentos de tipo VNA.
Además, se lograron interpretar correctamente los resultados
obtenidos, coincidiendo los mismos con los cálculos previos.
Se concluyó también que, aunque el VNA es un instrumento adecuado para medir la adaptación de una línea, para
obtener la impedancia característica instantánea debe realizarse
la medición con un TDR en el dominio del tiempo, siendo éste
el método más recomendable.
XII.
T RABAJO
FUTURO
Es necesario realizar una mayor cantidad de mediciones de
impedancia y espesores en otros cupones para poder conocer la
repetibilidad del fabricante y realizar una validación más completa de las restantes líneas del cupón de prueba. Se buscará
adquirir un equipo TDR para ganar experiencia aplicándolo a
la temática aborada.
También se trabajará en calcular la constante dieléctrica del
material en función de la frecuencia, midiendo la impedancia
entre planos y conociendo las dimensiones de los mismos. Este
es un parámetro que nos permitiría caracterizar al material y
definir su comportamiento en alta frecuencia. En ese sentido
se puede caracterizar la red de distribución de alimentaciones
(PDN) en el PCB, lo que permite conocer la impedancia entre
los planos de alimentación, antes y después de colocar los
capacitores de desacople. De esta forma se puede estimar la
variación de la tensión al producirse un consumo de corriente
instantáneo y evaluar el desempeño del circuito en este sentido.
Para certificar si las líneas de USB 2.0 están correctamente diseñadas, además de la verificación funcional, sería
conveniente realizar un diagrama de ojo sobre las mismas. La
prueba consiste en comparar las transiciones de las señales que
ocurren sobre las líneas con una máscara especificada.
XIII.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a los participantes del proyecto CIAA, en
especial a quienes trabajaron estrechamente en la versión
CIAA-FSL: Ignacio Zaradnik, Ariel Lutenberg y Pablo Ridolfi.
A las instituciones, cámaras y empresas: ACSE, CADIEEL,
Electrocomponentes S.A., Ernesto Mayer S.A. y Asembli S.A.
Al personal del INTI que brindaron todo su apoyo: Carolina Giuffrida, Leandro Tozzi, Gabriel Gabian, Pablo Granell,
Gustavo Giménez, Néstor Mariño, Marcelo Tenorio, Gustavo
Alessandrini, Guillermo Monasterios, Hernando Silva, Rodrigo
Melo y Bruno Valinotti. Y también agradecemos los consejos
de Dante Starkloff.
R EFERENCIAS
[1] Lee W. Ritchey and John Zasio, Right the first time, A practical
handbook on high speed PCB and system design Vol I.
[2] Computadora Industrial Abierta Argentina (CIAA). [Online]. Available:
http://www.proyecto-ciaa.com.ar
[3] J.-P. Charras, “"Kicad: GPL PCB Suite",” http://www.kicad-pcb.org/.
[4] Free Software Foundation, Inc., “GNU General Public License,” http:
//www.gnu.org/copyleft/gpl.html.
[5] CERN & Society, http://cernandsociety.web.cern.ch/technology/
kicad-development, Kicad development.
[6] CERN, “CERN BE-CO-HT contribution to Kicad,” http://www.ohwr.
org/projects/cern-kicad.
[7] (1999) IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design
and Land Pattern Standard. IPC Association Connecting Electronics
Industries. [Online]. Available: http://landpatterns.ipc.org/default.asp
[8] (2008) SLOA089 Circuit Board Layout Techniques. Texas Instruments.
[Online]. Available: http://www.ti.com/lit/ml/sloa089/sloa089.pdf
[9] (2007, Feb.) AN-111 Micrel 10/100 Switches and PHYs. Micrel.
[Online]. Available: http://www.micrel.com/_PDF/Ethernet/app-notes/
an-111.pdf
[10] “Isola Group,” http://www.isola-group.com.
[11] (2000) Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. USB
Implementers Forum, Inc. [Online]. Available: http://www.usb.org/
developers/docs/usb20_docs/#usb20spec
[12] (2012) IEEE Standard for Ethernet Sponsored by the LAN/MAN
Standards Comittee. IEEE Standards Association, IEEE Computer
Society. [Online]. Available: http://standards.ieee.org/about/get/802/
802.3.html
[13] Gopal Narayanan y Claudio Girardi. (2003) Transcalc. [Online].
Available: http://transcalc.sourceforge.net
[14] Mentor Graphics. HyperLynx Stackup Editor. [Online]. Available:
http://www.mentor.com/pcb/hyperlynx
[15] (2004, Mar.) IPC-2141A Design Guide for High-Speed Controlled
Impedance Circuit Boards. IPC Association Connecting Electronics
Industries. [Online]. Available: http://www.ipc.org/TOC/IPC-2141A.pdf
[16] Lee W. Ritchey and John Zasio, Right the first time, A practical
handbook on high speed PCB and system design Vol II.
[17] (2003, May) IPC-2221A Generic Standard on Printed Board Design.
IPC Association Connecting Electronics Industries. [Online]. Available:
http://www.ipc.org/toc/ipc-2221a.pdf
[18] “Oxford Instruments,” http://www.oxford-instruments.com.
[19] “DMS 133 Digimess, Videoscopio para Metrología y Control de Calidad,” http://www.digimesswebsite.com.
[20] “Helios NanoLab DualBeam,” http://www.fei.com/products/dualbeam/
helios-nanolab.
[21] E. Bogatin, “TDR and VNA techniques for PCB characterization,”
http://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/GTL91.pdf.
[22] Eric Bogatin, Signal and Power Integrity Simplified, 2nd ed.