Introduzione
L’approccio modulare consente di progettare blocchi funzionali relativamente
indipendenti tra loro, che all’occorrenza possono essere riassemblati in un unico
progetto ottimizzato per l’applicazione in questione.
Il lavoro è stato portato avanti in parallelo con l’attività di Gianluca Zicari, il
quale ha progettato la scheda madre, ossia una piattaforma sulla quale si possono
interfacciare i moduli descritti nel presente lavoro.
I moduli implementati, sebbene ancora in fare di prototipo, hanno come naturale
sbocco applicativo il settore dell’automazione industriale; anche se le possibili
applicazioni sono molteplici, soprattutto per quanto riguarda il nucleo centrale del
progetto, ossia il modulo a microcontrollore.
In fase di progetto, si è focalizzata l’attenzione su alcuni aspetti fondamentali,
quali il costo, le dimensioni dei moduli, la loro facile interconnessione con la scheda
madre e nello stesso tempo si è cercato di rendere le schede autonome, nel senso che
queste possono, tramite il settaggio d’appositi jumpers, funzionare anche in assenza
della scheda progettata da Zicari.
La presentazione seguirà il flusso logico che ha portato dalle specifiche date alla
realizzazione del layout (ossia dell’immagine fisica della scheda stampata) e dei files
Gerber. S’inizierà quindi con una breve panoramica sulla tecnologia utilizzata per
produrre le schede stampate (P.C.B., Printed Circuit Board) e dalla quale discendono
direttamente alcune limitazioni pratiche di cui bisogna tener conto nel proseguire della
progettazione. Nel Capitolo 1 quindi si esamineranno rapidamente la struttura base dei
PCB e le principali tipologie di packages disponibili per i componenti.
Il Capitolo 2 analizzerà nel dettaglio gli strumenti software utilizzati durante
ogni singolo passo del progetto, a partire dagli strumenti necessari per reperire i
componenti adatti per arrivare a quelli utilizzati per il disegno del layout ed alla
definizione dello stack di ogni singola scheda.
In apertura del Capitolo 3 si analizzerà l’architettura generale del progetto;
poiché le schede devono potersi interfacciare con la scheda progettata da Gianluca
Zicari, alcune limitazioni quali le dimensioni massime, il numero e la posizione dei
connettori e la mappatura dei segnali su di essi, così come le tensioni di alimentazione
2
Introduzione
ed il consumo di potenza non derivano dalle specifiche di progetto, ma da come è stata
pensata la scheda madre.
Dopo la panoramica sull’architettura generale, il Capitolo 3 analizzerà il primo
modulo progettato, una scheda che implementa un nodo CANbus, completo d’integrato
di controllo e transceiver per la trasmissione dei segnali secondo lo standard CAN.
Il Capitolo 4 illustrerà il modulo a microcontrollore, che monta un integrato
della famiglia AT91 con core ARM7 prodotto da ATMEL. Sulla scheda sono
implementati oltre all’AT91, due canali USB 2.0 full-speed, una porta USART,
convertitori A/D (built-in nell’AT91), un’interfaccia SPI ed un controller PWM.
Nel Capitolo 5 si parlerà dell’ultimo modulo progettato, una scheda di potenza,
che monta 4 MOSFET in grado di gestire correnti massime pari a 3,5A. Questa scheda è
stata pensata per essere interfacciata al bus riservato presente sulla scheda madre in
modo da comunicare direttamente con l’AT91 che si occupa della generazione dei
segnali PWM.
L’ultima parte è dedicata all’analisi dei possibili sviluppi del progetto, che come
già accennato in precedenza è nato per essere una piattaforma di prototipizzazione.
Sotto quest’ottica appare evidente che i moduli progettati non possono essere ottimizzati
per un’applicazione specifica, in quanto lo scopo dichiarato è d’essere general purpose,
e poter quindi essere usato per le applicazioni più disparate.
3
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
CAPITOLO 1
Struttura e fabbricazione delle
schede stampate
In questo capitolo si analizzeranno brevemente le possibilità messe a
disposizione dalla tecnologia denominata P.C.B. (Printed Circuit Board), a partire dalla
struttura standard delle schede stampate di fabbricazione industriale e il loro processo di
produzione. La conoscenza di questi processi di fabbricazione è importante perché
permette di capire quali siano le limitazioni fondamentali sia per quanto riguarda il tipo
di componenti da utilizzare, sia le limitazioni sul loro piazzamento sulla scheda e sul
routing (ossia la loro interconnessione mediante piste di rame).
Si analizzeranno, inoltre, anche i principali tipi di packages a disposizione per i
componenti elettronici, le loro caratteristiche e gli eventuali vantaggi che derivano
dall’uso di un package rispetto ad un altro.
1.1 Struttura e fabbricazione di un PCB
Una scheda stampata è costituita essenzialmente da strati (layers) di materiale
conduttivo (tipicamente rame) alternati con strati di materiale isolante (di diversi tipi, il
più comune è il FR4 o vetronite). Questi strati di materiale diverso sono impilati e
compressi mediante un processo che sarà analizzato tra breve; la struttura che si viene a
formare è una pila (stack) di strati di spessore diverso simile a quella di Figura 1-1.
4
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
Come si può facilmente vedere dalla figura, gli strati che si alternano nello stack
sono, a partire dallo strato interno:
• Il core, ossia lo strato più interno dello stack. Di regola questo è lo strato che ha
lo spessore maggiore (almeno per le schede con un basso numero di layers).
• I copper planes; sono dei piani di rame che vengono usati sia come piani di
massa o alimentazione (che in questo modo vengono distribuite in maniera
capillare a tutti i componenti sulla scheda), che come piani per schermare da
radiazioni elettromagnetiche componenti particolarmente critici. In Figura 1-1 si
può notare la struttura simmetrica dei copper plane; ad ogni piano
d’alimentazione (power plane) corrisponde sempre un piano di massa (ground
plane). Il motivo va ricercato nel fatto che una struttura come quella indicata in
Figura 1-1, (ground plane – core – power plane) non è altro che un condensatore
distribuito con bassi valori di capacità, che aiuta nel filtraggio ad alte frequenze
della tensione di alimentazione; quest’ultima viene distribuita attraverso il power
plane stesso (per il calcolo della capacità legata ai plane vedere il paragrafo
3.2.2).
Prepreg
Prepreg
Core0.0628in.
0.0040
0.0014
0.0520
0.0014
0.0040
Layer 1 - Horizontal routing.
1oz. copper. 0.005" trace
width with 0.005" spacing.
Layer 2 - Ground Pane. 1oz.
copper.
Layer 3 - Power plane. 1oz.
copper.
Layer 4 - Vertical routing.
1oz. copper. 0.005" trace
width with 0.005" spacing.
4-Layer Board Stackup
Figura 1-1. Struttura base di un PCB (qui a 4 strati)
1
1
Poiché la tecnologia dei PCB è d’invenzione statunitense, di regola le misure sono date in pollici
(inches) o mils (millesimi di pollice). Capita spesso, però, soprattutto per aziende europee, di trovare le
dimensioni espresse indifferentemente sia nel sistema metrico che in quello anglosassone.
5
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
• Il prepreg, è uno strato intermedio (di regola dello stesso materiale che
compone il core) che separa tra loro i vari copper planes.
• I piani di routing, sono i layers sui quali si effettua il routing dei componenti.
Nell’esempio di Figura 1-1 sono i due strati più esterni, denominati horizontal
routing e vertical routing; nelle schede con più di 4 strati possono essere
presenti più strati di routing. In ogni caso una regola d’uso generico è quella di
procedere con il routing su strati adiacenti in maniera da minimizzare le capacità
parassite. Questo è necessario in particolar modo per schede con un alto numero
di layers e funzionanti a frequenze elevate. Per far ciò se il routing su uno strato
è fatto nel senso orizzontale, quello sullo strato immediatamente adiacente è
fatto nel senso verticale, in modo da minimizzare gli incroci tra le piste e quindi
il condensatore parassita che si verrebbe a creare.
Oltre ai layers visti ve ne sono molti altri di natura non elettrica che servono per
la fabbricazione del PCB stesso. I più importanti sono:
• Il DRILL layer (piano di foratura); contiene informazioni come la disposizione
e il diametro dei fori da praticare nella scheda. I fori sono necessari per il
collegamento d’alcuni tipi di componenti sulla scheda (i componenti detti
through hole) o per collegare piste su layers di routing differenti (in questo caso
i fori prendono il nome di vias). Questo layer può anche contenere altre
informazioni meccaniche come il disegno del bordo (necessario per il taglio
della scheda) ed eventuali altre aperture che devono essere praticate nella scheda
per ragioni di montaggio.
• Il solder mask layer (maschera per il solder); identifica sulle facce superiore e
inferiore della scheda (top e bottom) le zone in cui il solder (la pasta che serve
per applicare i componenti di tipo SMD) deve essere predisposta.
• Il silkscreen layer (serigrafia); è una serie d’informazioni (tipo di componente,
part reference nello schematico, bordi) che viene stampata su una o entrambe le
facce della scheda, in modo da fornire una prima documentazione “intrinseca”
del progetto.
6
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
Il processo industriale di fabbricazione di una scheda stampata include vari
passaggi, partendo dall’acquisizione dei files di Gerber (il formato in cui sono salvate le
maschere dei vari layers), fino alla realizzazione effettiva del prototipo.
In Tabella 1-1 sono riportate le unità di misura più frequentemente utilizzate
nell’ambito dei PCB. Durante la progettazione di una scheda, è necessario, infatti, dover
fare numerose conversioni tra sistema metrico e anglosassone, e viceversa.
Unità Sistema anglosassone Sistema
metrico
lunghezza 1 in (pollice) 25.4 mm
lunghezza 1 mils (1/1000 in) 0.0254 mm
lunghezza 39.37 mils 1 mm
spessore
2
copper plane e piani
di routing
0,5 – 1 – 2 oz/ft
2
17 – 35 – 70um
Tabella 1-1. Le più comuni conversioni di unità di misura.
Un’attenzione particolare va riservata alle varie fasi del processo di produzione
industriale dei circuiti stampati, in quanto la conoscenza di come questi sono costruiti
permette di capire alcune limitazioni legate alla tecnologia, limitazioni che verranno
analizzate nel paragrafo 1.3.
La fabbricazione di un PCB ha molte analogie con quelle dei circuiti su silicio
(uso della fotolitografia, etching..), anche i metodi di fabbricazione sono totalmente
differenti. Le fasi standard che compongono il processo produttivo possono così essere
sintetizzate:
1) Acquisizione dei dati sul PCB da produrre (files Gerber, piani di foratura e altri
disegni meccanici). Spesso il manufacturer procede alla revisione dei files
acquisiti per identificare l’eventuale presenza di errori di design ma in alcuni
casi, come ad esempio ditte che lavorano esclusivamente on-line ed in maniera
totalmente automatizzata, questa fase di revisione è a carico del cliente (quindi
errori che pregiudichino la funzionalità della scheda non vengono risarciti).
2) Preparazione delle maschere a partire dai files Gerber.
2
Nel sistema anglosassone ancora utilizzato dagli statunitensi ci si riferisce allo spessore dei piani di
rame con l’unità di misura oz/ft
2
, rapporto tra una misura di peso (oncia) e una di superficie (piede
quadro).
7
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
3) Preparazione del core a partire dai laminati standard a disposizione del
manufacturer. Il materiale è scelto dal cliente secondo le proprie esigenze (range
di temperatura, ambienti particolarmente critici, umidità) tra quelli a
disposizione. Il materiale più comune, come già detto, è l’FR4 (vetronite).
Inoltre il copper foil viene deposto sul core e fatto aderire su entrambi i lati
(tramite pressione e riscaldamento). Infine si procede ad una pulizia chimica del
pannello così ottenuto. Il risultato di questa fase è un “sandwich” con il core in
mezzo a due copper foils dello spessore richiesto dal cliente, come in Figura 1-2.
Figura 1-2. Pannello ottenuto alla fine della fase 2.
4) Applicazione del photoresist sugli strati di rame depositati (che nella scheda
finita saranno degli inner layer). Si usa la maschera precedentemente creata dai
file Gerber per impressionare il photoresist, poi si procede con un etching
chimico del rame in eccesso. Alla fine di questa fase la struttura che si ottiene è
quella di Figura 1-3.
Figura 1-3. La struttura ottenuta dopo la fase di etching.
5) Segue la fase di laminazione che consiste nell’impilaggio di più strutture come
quella di Figura 1-3, inoltre si aggiungono alla “pila” dei fogli di prepreg per
separare tra loro gli inner layer, e gli outer copper foil (il rame sulle facce
esterne del PCB); l’allineamento orizzontale durante questa fase è
particolarmente critico. La struttura così creata viene compressa per circa due
ore da una pressa idraulica e sottoposta a riscaldamento (Figura 1-4), in modo da
favorire la semifusione degli strati e la loro perfetta adesione.
8
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
Figura 1-4. Impilaggio e compressione degli strati precedentemente creati.
6) Il pannello ottenuto è ulteriormente pulito, e poi si passa alla fase di foratura
con punte metalliche (o foratura laser). I fori praticati nel pannello sono resi
conduttivi mediante deposizione non-elettrolitica (la deposizione elettrolitica
classica non è utilizzabile in quanto il materiale costituente il PCB non è
conduttivo). S’immerge quindi il pannello in un bagno d’idrossido di sodio,
formaldeide, sali di rame ed altre sostanze catalizzatrici. Dopo aver metallizzato
i fori si passa all’etching delle facce esterne del pannello, in modo da creare
l’immagine presente nei layers top e bottom. Il risultato di questa fase è riportato
in Figura 1-5.
9
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
Figura 1-5. Metallizzazione dei fori ed etching degli outer copper foils.
7) Si procede alla rifinitura della superficie esterna del pannello, all’applicazione
del solder
3
e alla passivazione del rame esterno per proteggerlo
dall’ossidazione. Il risultato finale di questa serie di lavorazioni è un array di
PCB (Figura 1-6) ricavati da un singolo pannello, sui quali poi si procederà al
taglio e al montaggio dei componenti.
Figura 1-6. PCB pronti per il montaggio dei componenti.
3
Per far ciò prima si applica sulle facce esterne il solder mask, ossia una maschera per proteggere alcune
zone dal solder. Questo viene steso quindi solo dove necessario con un processo denominato HASL (Hot
Air Solder Leveling); il pannello è immerso nel solder liquefatto a 237°C e poi rapidamente esposto ad un
getto di aria calda. Al rame non protetto dal solder mask aderisce il solder, mentre quello in eccesso viene
rimosso mediante un lavaggio in acqua calda.
10
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
1.2 Principali tipologie di packages
Il panorama dei packages forniti dai produttori di circuiti integrati e componenti
passivi è molto ampio. Per ogni tipo di componente si possono trovare differenti
packages e differenti pin-count (numero di piedini) per andar incontro alle più disparate
esigenze dei progettisti. Una classificazione di massima può essere fatta tenendo conto
delle due differenti metodologie di montaggio dei componenti sulla scheda:
• Componenti through hole, nei quali il die è collegato con l’esterno tramite
piedini costituiti da piccoli “fili” di metallo, i quali vanno collegati con il PCB
attraverso fori e poi saldati una volta messi in posizione.
• Componenti SMD (Surface Mount Device), in cui il die viene collegato con
l’esterno con appositi contatti (i pads) di materiale conduttivo. Il componente
viene saldato sulla scheda con una pasta saldante che tiene lo stesso in
posizione, mentre la scheda viene fatta passare in un forno. L’assenza
d’ingombranti piedini permette di ridurre fortemente le dimensioni del case del
componente e quindi il costo totale della scheda. Un cenno particolare merita
una tecnologia di packaging relativamente nuova, denominata BGA (Ball Grid
Array), in questi integrati la piedinatura è disposta su tutta la superficie al di
sotto del chip e non solo lungo i bordi esterni, come accade per i classici SMD.
In Figura 1-7 si può vedere la differenza tra le due tipologie di packages, in particolare
si può notare che pur trattandosi dello stesso integrato (un’EEPROM di
STMicroelectronics) i due packages hanno un ingombro notevolmente differente.
Figura 1-7. Confronto tra i packages TH e SMD.
11
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
In Tabella 1-2 sono sintetizzate le principali differenze tra le due tipologie di
packages:
Through Hole SMD
Ingombro maggiore a causa dei piedini.
Passi standard di piedinatura (100mils,
50mils).
Ingombro notevolmente ridotto. La
piedinatura spesso non segue passi
standard.
Induttanza e resistenza parassite dovute ai
piedini.
I pad hanno induttanza e resistenza
parassite molto ridotte.
Facilità di montaggio e manipolazione del
componente.
Necessità di apparecchiature professionali
per il montaggio di componenti con
elevato pin-count.
Connessione con i layers inferiori facilitata
grazie ai fori metallizzati.
Necessità di effettuare il fan-out
4
dei pad
per collegarli con i layers inferiori
Per componenti ad alta potenza è spesso
necessario ricorrere a dissipatori montati
sul componente.
Rilascio del calore sul PCB attraverso la
faccia inferiore del componente, a diretto
contatto con appositi pad di rame.
Tabella 1-2. Principali differenze tra i packages TH e SMD.
Anche per quanto riguarda i componenti passivi presenti sulle schede si sono
utilizzati gli stessi accorgimenti volti a minimizzare l’ingombro (e quindi il costo). Si è
preferito pertanto l’utilizzo di condensatori e resistori di tipo chip, ossia in packages
progettati apposta per ridurre l’ingombro di tali dispositivi. L’assenza dei lunghi
terminali (lead) di cui sono dotati i dispositivi passivi di tipo through hole, permette di
tenere basse sia l’induttanza che la resistenza parassite (tipicamente la precisione per
questi componenti è intorno all’1% per i resistori, mentre è del 5 – 10% per i
condensatori, a seconda del loro valore).
In Figura 1-8 sono riportati i packages più diffusamente utilizzati nella
progettazione.
4
Per fanout s’intende la procedura con la quale si “esce” dai pads del componente SMD con piste di rame
e si collegano queste con i layers inferiori tramite apposite vias. Questa tecnica può essere anche molto
laboriosa, in particolare per i componenti BGA e quelli con elevato pin-count.
12
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
Condensatore chip in case 0603 Resistore chip in case 0603
Figura 1-8. Componenti passivi in formato SMD 0603
5
.
1.3 Limitazioni dovute alla tecnologia di fabbricazione
Nei paragrafi precedenti si è rapidamente analizzata la struttura ed il processo
industriale di fabbricazione di un PCB. Dalle tecnologie utilizzate per produrre le
schede stampate derivano direttamente una serie di limitazioni pratiche di cui bisogna
tener conto, quando s’incomincia a lavorare al layout della scheda. Ad esempio bisogna
rispettare limiti molto rigidi sulle minime dimensioni delle piste che si possono
tracciare.
Nel seguito saranno elencate alcune delle specifiche più stringenti alle quali il
progettista deve attenersi durante tutto il processo di disegno delle maschere
6
.
Come visto, i PCB sono fabbricati “impilando” fogli di materiali e spessori
diversi che poi vengono pressati e scaldati in modo da ottenere un prodotto compatto.
Non è possibile, quindi, disporre di tutti gli spessori per i dielettrici (ad esempio per il
core o il prepreg) né per i piani di rame. Nel calcolo dello stack (come si vedrà nel
capitolo successivo) bisogna quindi tener conto degli spessori messi a disposizione
dall’azienda.
5
La sigla 0603 si riferisce alle dimensioni espresse in mils del case del componente (di regola 63 mils di
lunghezza e 32 mils di larghezza). Altre dimensioni tipiche sono 0805 e 1206. Per i resistori, ad esempio,
il power rating (la potenza dissipabile) è strettamente legata al case; un case più grande riesce a dissipare
di più.
6
Si farà riferimento alle capabilities (ossia le capacità di un impianto di produzione) della ditta contattata
per la fabbricazione delle schede, la ICS (Industria Circuiti Stampati) di Modena (www.icsmodena.it).
13
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
Per quanto riguarda l’azienda contattata per la produzione dei prototipi, le specifiche da
rispettare sono le seguenti:
¾ Il core prevede l’impilaggio di foglio di FR4 degli spessori di 0.25 – 0.33 – 0.50
– 0.76 – 1.00 – 1.20 – 1.60mm
7
.
¾ Gli strati di prepreg sono disponibili nella gamma 60 - 110 -180µm.
¾ I copper foils disponibili sono 17µm e 35µm (0.5oz e 1oz)
8
¾ Lo spessore massimo della scheda completa deve essere inferiore a 1.60mm.
Oltre a queste specifiche relative allo stackup ve ne sono altre più strettamente
pertinenti al disegno del layout, quali la minima dimensione che si può tracciare sulle
maschere, il minimo isolamento (area lasciata senza rame) tra le piste o i pads, le
minime dimensioni dei fori.
Specifiche molto stringenti in particolare sono date per quanto riguarda le
dimensioni dei fori. In linea generale più saranno i tipi di fori da praticare nella scheda,
più questa verrà a costare (poiché le fasi di lavorazione aumentano, dovendo cambiare
più volte le punte alla macchina predisposta alla foratura). Inoltre un fattore di costo
molto importante (almeno per quanto riguarda il prototipo, prodotto in pochi esemplari)
è il diametro minimo dei fori presenti. Molto chiare, al riguardo, sono le specifiche di
ICS:
¾ Minimo foro metallizzato praticabile sul PCB Æ 0,25mm (9.8mils)
¾ Minimo foro metallizzato che non incide sul prezzo Æ 0.50mm (19.6mils)
Nell’ottica di dover produrre prototipi si è ritenuto di utilizzare fori di diametro
inferiore ai 0,50mm solo dove indispensabile (ad esempio per effettuare il fan-out di
componenti fortemente integrati e con elevati pin-count).
Molto importanti sono anche le specifiche relative ai piani di routing, quali le
minime piste permesse, il minimo isolamento e le dimensioni minime delle piazzole:
¾ Minima pista Æ 7 mils (copper 35µm), 5mils (copper 17µm)
9
7
Non è quindi possibile richiedere alla ditta un core di spessore, ad esempio 0,80mm, ma si può
richiedere lo spessore più vicino ossia 0,83mm (0,50 + 0,33 mm).
8
Per ottenere quindi un top layer di 70um (2oz) ad esempio per applicazioni di potenza con alte correnti,
si può richiedere l’impilaggio di due fogli di rame da 35um.
9
Tenendo presente il processo di fabbricazione, è ovvio che la risoluzione è migliore quando si usa un
copper foil più sottile, in quanto la fase di etching è più breve e quindi i bordi delle piste sono meglio
definiti.
14
Struttura e fabbricazione delle schede stampate
¾ Minimo isolamento Æ 5 mils (sia tra le piste che tra i pads)
¾ Distanza del pattern (disegno delle piste) dal bordo scheda Æ 8 mils in caso di
fresatura.
Da ultimo bisogna fornire alla ditta i file Gerber nel formato adatto (3.2 nel caso di ICS)
corredati del disegno del bordo scheda per ogni layer. Particolari lavorazioni aggiuntive,
come serigrafia, applicazione del solder e passivazione del rame esterno, vanno richieste
in maniera esplicita; anche i test elettrici e ottici sono spesso opzionali ed eseguiti solo
su richiesta.
15
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