Diseño y fabricación nacional de un circuito impreso multicapa con impedancia controlada y cupón de prueba asociado

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1 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: Ernesto Mayer S.A. Buenos Aires, Argentina. 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 II. EL 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 CIAA- FSL 3 (Fig.1), que se caracteriza por poseer un procesador Cortex-M4 de 150 MHz (Freescale MK60FN1M0VLQ15). I. INTRODUCCIÓN El diseño de un circuito impreso multicapa moderno requiere de varias consideraciones adicionales como por ejemplo la selección del stack-up 1, el cálculo de la impedancia característica de algunas pistas, el uso correcto de los planos de alimentación, los caminos de retorno, la prevención del crosstalk 2 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-A. III. PAUTAS GENERALES 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

2 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 CAN 4. 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. SOFTWARE 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 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. DISEÑO 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. IMPEDANCIA 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. STACK-UP Espesor Capa Tipo Característica mils mm Máscara antisoldante Lackwerke Peters SD 2467 SM-YG L1 Señal, superior Cobre 1oz/ft2 + plating 1,50 0,038 Dieléctrico Prepreg (2 x 7628AT05) 13,60 0,345 L2 Plano GND Cobre 1oz/ft2 1,38 0,035 Dieléctrico Laminate (4 x 7628M) 30,00 0,762 L3 Plano alim. Cobre 1oz/ft2 1,38 0,035 Dieléctrico Prepreg (2 x 7628AT05) 13,60 0,345 L4 Señal, inferior Cobre 1oz/ft2 + plating 1,50 0,038 Máscara antisoldante Lackwerke Peters SD 2467 SM-YG TOTAL 62,96 1,598 VI-B. 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

3 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. f max = 0,35 t r (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. 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. 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 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 de la IPC-2141A como copper thieving. Figura 2. Software de cálculo de líneas microstrip (Kicad). VII-A. Cuadro II. IMPEDANCIAS CALCULADAS PARA LA CAPA L1 Microstrip Impedancia 25mils,50Ω ± 10% (Referenciado a L2) 49,61Ω 11mils,75Ω ± 10% (Referenciado a L2) 74,71Ω Microstrip Diferencial Impedancia 18/7/18mils, 90Ω ± 10% (Referenciado a L2) 91, 75Ω 15/8/15mils, 100Ω ± 10% (Referenciado a L2) 102, 11Ω VII. Función del cupón CUPÓN DE PRUEBAS Según el apartado 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. 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 Figura 3. Cupón de prueba del circuito. 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-A. IX. Panelizado FABRICACIÓN DEL CIRCUITO 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.

4 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. Medición del cupón con VNA Figura 4. Panelizado con cupones de prueba en la periferia. X-A. X. MEDICIONES 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. Para comprobar que la línea microstrip de 50Ω posee la impedancia característica calculada se midió el parámetro S 11 para el rango de frecuencias deseado. El parámetro S 11 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 VNA 5 Rohde & Schwarz ZVRE. La medición de S 11 (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. -30 S11 db S11 db db Figura 5. Vista del verificador de espesores y capas 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. Cuadro III. MEDICIONES DE ESPESOR Capa Espesor esperado Espesor medido Diferencia porcentual Máscara antisoldante 7,16 µm Cobre L1 38,10 µm 35,92 µm 5,47 % Dieléctrico 345,44 µm 326,20 µm 5,57 % Frecuencia (MHZ) Figura 7. Medición de S 11 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

5 del puerto Ethernet, el circuito integrado realiza correctamente la negociación cuando se conecta a un switch. XI. CONCLUSIONES 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. TRABAJO 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. Alessandrini, Guillermo Monasterios, Hernando Silva, Rodrigo Melo y Bruno Valinotti. Y también agradecemos los consejos de Dante Starkloff. REFERENCIAS [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: [3] J.-P. Charras, "Kicad: GPL PCB Suite", [4] Free Software Foundation, Inc., GNU General Public License, http: //www.gnu.org/copyleft/gpl.html. [5] CERN & Society, kicad-development, Kicad development. [6] CERN, CERN BE-CO-HT contribution to Kicad, 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: [8] (2008) SLOA089 Circuit Board Layout Techniques. Texas Instruments. [Online]. Available: [9] (2007, Feb.) AN-111 Micrel 10/100 Switches and PHYs. Micrel. [Online]. Available: an-111.pdf [10] Isola Group, [11] (2000) Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. USB Implementers Forum, Inc. [Online]. Available: developers/docs/usb20_docs/#usb20spec [12] (2012) IEEE Standard for Ethernet Sponsored by the LAN/MAN Standards Comittee. 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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

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