Diseño y fabricación nacional de un circuito impresomulticapa 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: brengi@inti.gob.ar

† Ernesto Mayer S.A.Buenos Aires, Argentina. Email:mayer@pcb.com.ar

Resumen—Este trabajo presenta el diseño y la fabricaciónde un circuito impreso multicapa, poniendo particular énfasis enlas técnicas de diseño necesarias para su posterior verificación.Se mencionan en este artículo las etapas de diseño del circuitoimpreso, fabricación del PCB y cupón de prueba, cálculos yverificaciones realizadas, enfocando especialmente en las carac-terísticas necesarias de impedancia controlada en los puertos decomunicación USB y Ethernet y los cuidados necesarios parala posterior verificación y caracterización. Además se definenlos criterios necesarios para que el circuito impreso pueda serfabricado en Argentina.

Keywords—Multicapa, impedancia controlada, cupón, líneasmicrostrip, circuito impreso

I. INTRODUCCIÓN

El diseño de un circuito impreso multicapa moderno re-quiere de varias consideraciones adicionales como por ejem-plo la selección del stack-up1, el cálculo de la impedanciacaracterística de algunas pistas, el uso correcto de los planosde alimentación, los caminos de retorno, la prevención delcrosstalk2 y los mecanismos de verificación del proceso defabricación del PCB y sus materiales asociados[1].

Para incursionar en esta temática, se aplican dichos con-ceptos al desarrollo de un controlador lógico industrial, dentrodel marco del proyecto CIAA, Computadora Industrial AbiertaArgentina[2]. Debido a esto, se requiere que el diseño seproduzca en serie en el país, por lo que se deben considerar lascapacidades actuales de los fabricantes nacionales de circuitosimpresos y los aspectos que faciliten el proceso de ensamblajey soldadura.

En las siguientes secciones se mencionarán las caracterís-ticas principales del circuito desarrollado, los requerimientosprincipales, las herramientas de software, los cálculos, losmecanismos de control y verificación, la fabricación del PCBy, finalmente, los resultados obtenidos hasta el momento.

1El stack-up es la definición de espesores, materiales y funciones que

tendrán las distintas capas de un circuito impreso.2Interferencia entre pistas adyacentes

II. EL PROYECTO CIAA

El proyecto CIAA propone el diseño y la posterior aplica-ción de una computadora industrial, planteando el desarrollocolaborativo entre instituciones, academias y empresas. Todo eltrabajo resultante (hardware y software) se publica como hard-ware abierto y software libre. Para ofrecer distintas alternativasacordes 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 yverificación utilizadas para el desarrollo de la versión CIAA-FSL3 (Fig.1) , que se caracteriza por poseer un procesadorCortex-M4 de 150 MHz (Freescale MK60FN1M0VLQ15).

Figura 1. Circuito impreso finalizado.

III. PAUTAS GENERALES

III-A. Pautas del diseño del hardware

Las pautas del proyecto plantean varias condiciones quelimitan el diseño. Se debe mantener compatibilidad entre todaslas versiones de la CIAA y además se debe producir localmentetomando las recomendaciones y capacidades locales de losfabricantes y los ensambladores de PCBs. Algunos de losrequerimientos de hardware son:

3https://github.com/ciaa/Hardware/tree/master/PCB/FSL

Alimentación de 24 VCC, entradas digitales y analó-gicas, 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 posibi-lidad de fabricación en Argentina.Sin encapsulados BGA que dificulten el armado.Dimensiones de 86 x 137 mm y ubicación de losconectores ya determinados por el gabinete.

IV. SOFTWARE DE DISEÑO

Debido a las características de hardware abierto que pro-pone el proyecto, el diseño del circuito impreso se realizó conKicad[3], un software libre con licencia GPL[4] utilizando laversión de Diciembre de 2013. Este software posee ingreso deesquemático, ruteo del PCB, generación y visor de gerbers ycalculadoras de ancho de pistas y líneas microstrip. Tambiénpermite visualización en 3D del diseño. Kicad es una herra-mienta ya madura (se publica inicialmente en el año 2003),pero sin embargo aún no incluye las herramientas necesariaspara el diseño de circuitos de alta velocidad e impedanciacontrolada, lo cual plantea un desafío a la hora de realizardiseños de este tipo. Sin embargo, su característica de librelo hace cada vez más popular, y su desarrollo avanza díaa día con colaboraciones y aportes de personas en todo elmundo, contando con instituciones como el CERN[5][6] entresus desarrolladores.

V. DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO

Mencionaremos los aspectos generales del diseño del cir-cuito impreso. Para que el circuito pueda ser producido enserie por los fabricantes nacionales que realizan multicapa seestablecieron las siguientes restricciones de diseño:

Margen = 8 mils (7 mils en USB)Ancho de pista = 10 milsDiámetro de la vía = 32 milsAgujero de la vía = 16 mils

El diseño de los footprints de los componentes se realizóconsiderando la norma IPC-7351[7] para facilitar el posicio-namiento y la soldadura manual del circuito. Debido a ladensidad de componentes y el área disponible, se colocaroncomponentes de ambos lados del PCB. Aunque el método desoldadura más adecuado en este caso es la doble refusión, setomaron los recaudos para permitir la soldadura por ola en lacara inferior, que puede ser conveniente para algunos ensam-bladores. Esto agrega restricciones adicionales de ubicación,orientación de los componentes y largo de los pads de loscomponentes de montaje superficial.

Se definieron planos de masa analógica y masa digital sepa-rados, de manera de suprimir ruidos indeseados[8]. Para el casoparticular de este circuito, también se tuvieron consideracionesespeciales con respecto a la tierra del chasis[9].

VI. IMPEDANCIA CONTROLADA

Los circuitos digitales modernos pueden poseer señalesde alta velocidad y flancos menores al nanosegundo. Esto

4Controller Area Network

requiere tener consideraciones adicionales en las pistas decobre que interconectan los componentes más veloces deun circuito impreso, considerando a las mismas como líneasde transmisión con una impedancia característica que debemantenerse en todo el recorrido de la señal. Estos cuidados sonnecesarios para evitar reflexiones indeseadas que degraden lasseñales, crosstalk o interpretaciones incorrectas de los niveleslógicos. La técnica que considera estos aspectos de diseño seconoce como “Impedancia Controlada” e involucra el diseñodel stack-up, el cálculo de anchos de pistas y los mecanismosde verificación y control posteriores a la fabricación, realizadospor 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 conel fabricante del circuito impreso ya que depende de losmateriales disponibles y los procesos de fabricación utilizados.Debido a que se eligió emplear líneas microstrip, se seleccionóuna distribución tradicional de stack-up, con los planos dealimentación en las capas internas y las capas de señal en elexterior. En el cuadro I se detallan los espesores y materialesutilizados. Los códigos de los materiales indicados correspon-den al fabricante Isola[10].

Cuadro I. STACK-UP

Espesor

Capa Tipo Característica mils mm

Máscara antisoldante Lackwerke Peters SD 2467SM-YG

L1 Señal, superior Cobre 1oz/ft2 + plating 1,50 0,038Dieléctrico Prepreg (2 x 7628AT05) 13,60 0,345

L2 Plano GND Cobre 1oz/ft2 1,38 0,035Dieléctrico Laminate (4 x 7628M) 30,00 0,762

L3 Plano alim. Cobre 1oz/ft2 1,38 0,035Dieléctrico Prepreg (2 x 7628AT05) 13,60 0,345

L4 Señal, inferior Cobre 1oz/ft2 + plating 1,50 0,038Máscara antisoldante Lackwerke Peters SD 2467

SM-YGTOTAL 62,96 1,598

VI-B. Líneas USB y Ethernet

La especificación USB define en 90Ω± 15% la impedan-cia característica que debe tener un par diferencial de tipoUSB[11]. Del mismo modo, la interfaz Ethernet requiere eltrazado de dos pares diferenciales de 100Ω[12][9].

Para cumplir con estos requisitos deben realizarse loscálculos de las líneas microstrip diferenciales a partir de losdatos de los materiales y el stack-up. El objetivo es determinarel ancho de la pistas y la separación entre ellas para amboscasos, conociendo los espesores y materiales del circuitoimpreso.

VI-C. Cálculo de líneas microstrip

Para realizar los cálculos se utilizó la calculadora incorpo-rada en Kicad, basada en el programa Transcalc[13].

La permitividad del material varía con la frecuencia y esuno de los parámetros que define la impedancia característicade un microstrip. Para conocer el valor necesario se utilizala máxima componente en frecuencia que tiene una señal[1],se calcula utilizando el tiempo de crecimiento (Ec. 1). Segúnla especificación de USB 2.0[11], el tiempo de crecimiento

mínimo es de 4 ns, la frecuencia será de 87,50MHz. ParaEthernet, el PHY KSZ8041TL tiene un tiempo de crecimientode 3 ns, la frecuencia resulta 116MHz.

fmax =0,35

tr(1)

Se verificaron los resultados obtenidos con un software co-mercial de simulación[14] y se obtuvieron resultados similares.En la Fig. 2 se observa una pantalla del software Kicad conel cálculo de una línea microstrip para utilizar en el cupónde pruebas. En el cuadro II se presentan los cálculos de losanchos de pistas y sus impedancias estimadas.

Figura 2. Software de cálculo de líneas microstrip (Kicad).

Cuadro II. IMPEDANCIAS CALCULADAS PARA LA CAPA L1

Microstrip Impedancia

25mils, 50Ω ± 10% (Referenciado a L2) 49, 61Ω11mils, 75Ω ± 10% (Referenciado a L2) 74, 71ΩMicrostrip Diferencial Impedancia

18/7/18mils, 90Ω ± 10% (Referenciado a L2) 91, 75Ω15/8/15mils, 100Ω ± 10% (Referenciado a L2) 102, 11Ω

VII. CUPÓN DE PRUEBAS

VII-A. Función del cupón

Según el apartado 4.7.1 de la norma IPC-2141A[15], elpropósito de los cupones de prueba es emular las propiedadeselectromagnéticas, especialmente la impedancia característica,de las interconexiones funcionales del circuito impreso enestudio. Con este objetivo, se diseñó un cupón de pruebapara que el fabricante del circuito impreso lo incorpore en elpanelizado de fabricación. Con el cupón de prueba se puedenrealizar las mediciones de los pares diferenciales o de las líneasmicrostrip para caracterizar el circuito impreso fabricado.

VII-B. Diseño del cupón

En el cupón de prueba (Ver Fig. 3) se incorporaron doslíneas microstrip y un par diferencial. Aunque en el diseñode la CIAA-FSL sólo son necesarios los pares diferenciales

de USB y Ethernet, se agregaron las líneas microstrip paracaracterizar el circuito impreso con la medición de diferenteslíneas 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 incor-poraron conectores SMA a todas las líneas de transmisióndel cupón. Además, se agregaron testpoints para medir conpuntas económicas de fácil construcción, o con puntas del tipoPicoprobe con pitch de 1250 µm.

Según la norma IPC-2141A, se debe dejar una distancia deseis veces el ancho de la línea (ó 100 mils, lo que sea mayor),entre la línea de transmisión y los otros elementos del cupónde prueba (planos, pistas, pads). Por este motivo se dejaron150 mils libres para la línea de 50Ω y 100 mils libres para lalínea microstrip de 75Ω y el par diferencial.

El largo del cupón de prueba se mantuvo en 15 cm, talcomo lo menciona el apartado 4.7.3.1 de la norma IPC-2141A.

Para evitar diferencias en la cantidad de cobre entre lasdistintas capas del cupón de prueba y, para garantizar unproceso electroquímico homogéneo, se agregaron áreas decobre adicionales en la capa superior, mencionadas en elapartado 4.7.6.3 de la IPC-2141A como copper thieving.

Figura 3. Cupón de prueba del circuito.

VIII. OTROS ELEMENTOS PARA VERIFICACIÓN

En el circuito impreso se incorporaron diferentes elementosde verificación[16] como un verificador de capas y espesores.Este permite ver fácilmente si los planos se han armado enel orden correcto. El verificador consiste en una estructuradonde las capas de cobre llegan hasta el borde del PCB y sepueden ver y medir con algún equipamiento óptico. Tambiénse colocaron testpoints especiales (además de los utilizadostradicionalmente) para la medición de la capacidad de losplanos de alimentación.

IX. FABRICACIÓN DEL CIRCUITO

IX-A. Panelizado

Al diseñar el panelizado de fabricación se buscó la distribu-ción óptima de circuitos y cupones de prueba en el panel, paraesta tarea se consideraron los requerimientos del ensambladorde componentes y de las normas IPC-2221A[17] e IPC-2141A.En cada panel de fabricación se distribuyeron cuatro circuitosy cuatro cupones de prueba (ver Fig. 4). Se identificaronlos circuitos y sus cupones asociados para poder realizar elseguimiento luego de que los elementos del panel (cuponesy circuitos) se separen. También se identificó cada cupón porseparado dentro de un mismo panel para conocer su ubicaciónrelativa en el mismo.

IX-B. Espesores de las pistas

Es de suma importancia verificar durante las diferentesetapas de fabricación los espesores de cobre y dieléctricoobtenidos. Para este diseño es de particular importancia lacapa L1, ya que es la capa donde se colocaron las pistas conrequerimientos de impedancia controlada. Las verificacionesde espesor de las pistas se realizaron en la planta con elinstrumento Oxford CMI165[18].

Figura 4. Panelizado con cupones de prueba en la periferia.

X. MEDICIONES Y VERIFICACIONES

X-A. Verificación del espesor

En la placa principal se colocó un verificador de espesor yde capas. Esta estructura se pudo observar con el microscopiodigital Digimess[19] y se muestra en la figura 5, verificándoseel orden correcto de las capas.

Figura 5. Vista del verificador de espesores y capas

Para realizar la verificación de los espesores asociados ala 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 capasuperior de cobre puede verse en la figura 6. Las medicionesobtenidas y su error frente al valor esperado se presentan enel cuadro III.

Cuadro III. MEDICIONES DE ESPESOR

Capa Espesor esperado Espesor medido Diferenciaporcentual

Máscara antisoldante 7,16 µmCobre L1 38,10 µm 35,92 µm 5,47 %Dieléctrico 345,44 µm 326,20 µm 5,57 %

Figura 6. Medición de la capa superior del cupón.

X-B. Medición del cupón con VNA

Para comprobar que la línea microstrip de 50Ω poseela impedancia característica calculada se midió el parámetroS11 para el rango de frecuencias deseado. El parámetro S11

es el coeficiente de reflexión, es decir, el cociente entre laonda reflejada y la incidente[21][22], entonces, mientras máspequeño sea este parámetro, mejor será la adaptación delmicrostrip a 50Ω. El equipo utilizado para medir es el VNA5

Rohde & Schwarz ZVRE.

La medición de S11 (Ver Fig. 7) resultó inferior a los−35dB en todo el rango de la medición, es decir, que sóloel 2 % de la onda incidente es reflejado. Por lo tanto la líneamicrostrip diseñada está adaptada para 50Ω.

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

dB

Frecuencia (MHZ)

S11 dB

S11 dB

Figura 7. Medición de S11 con VNA.

X-C. Verificación de funcionamiento

Una de las verificaciones finales es la verificación defuncionamiento. En este sentido se está trabajando actualmenteen realizar pruebas utilizando la interfaz JTAG del microcon-trolador. Con este mecanismo se han realizado verificacionesbásicas como manejo de salidas de LEDs y relés. En el caso

5Vector Network Analyzer

del puerto Ethernet, el circuito integrado realiza correctamentela negociación cuando se conecta a un switch.

XI. CONCLUSIONES

Se logró diseñar, fabricar y verificar un circuito impresomulticapa con impedancia controlada con resultados inicialessatisfactorios.

Durante la etapa de diseño, se lograron ampliar los co-nocimientos sobre normativas IPC, sobre las característicasinformadas en las hojas de datos de los materiales paracircuitos impresos multicapa y sobre los métodos de cálculode impedancia característica en líneas microstrip y microstripdiferencial.

En la etapa de verificaciones, se pudieron profundizar losdiferentes métodos de medición de impedancia característi-ca en un circuito impreso con instrumentos de tipo VNA.Además, se lograron interpretar correctamente los resultadosobtenidos, coincidiendo los mismos con los cálculos previos.

Se concluyó también que, aunque el VNA es un instru-mento adecuado para medir la adaptación de una línea, paraobtener la impedancia característica instantánea debe realizarsela medición con un TDR en el dominio del tiempo, siendo ésteel método más recomendable.

XII. TRABAJO FUTURO

Es necesario realizar una mayor cantidad de mediciones deimpedancia y espesores en otros cupones para poder conocer larepetibilidad del fabricante y realizar una validación más com-pleta de las restantes líneas del cupón de prueba. Se buscaráadquirir un equipo TDR para ganar experiencia aplicándolo ala temática aborada.

También se trabajará en calcular la constante dieléctrica delmaterial en función de la frecuencia, midiendo la impedanciaentre planos y conociendo las dimensiones de los mismos. Estees un parámetro que nos permitiría caracterizar al material ydefinir su comportamiento en alta frecuencia. En ese sentidose puede caracterizar la red de distribución de alimentaciones(PDN) en el PCB, lo que permite conocer la impedancia entrelos planos de alimentación, antes y después de colocar loscapacitores de desacople. De esta forma se puede estimar lavariación de la tensión al producirse un consumo de corrienteinstantáneo y evaluar el desempeño del circuito en este sentido.

Para certificar si las líneas de USB 2.0 están correcta-mente diseñadas, además de la verificación funcional, seríaconveniente realizar un diagrama de ojo sobre las mismas. Laprueba consiste en comparar las transiciones de las señales queocurren sobre las líneas con una máscara especificada.

XIII. AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a los participantes del proyecto CIAA, enespecial a quienes trabajaron estrechamente en la versiónCIAA-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: Caroli-na Giuffrida, Leandro Tozzi, Gabriel Gabian, Pablo Granell,Gustavo Giménez, Néstor Mariño, Marcelo Tenorio, Gustavo

Alessandrini, Guillermo Monasterios, Hernando Silva, RodrigoMelo y Bruno Valinotti. Y también agradecemos los consejosde Dante Starkloff.

REFERENCIAS

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[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.

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[15] (2004, Mar.) IPC-2141A Design Guide for High-Speed ControlledImpedance Circuit Boards. IPC Association Connecting ElectronicsIndustries. [Online]. Available: http://www.ipc.org/TOC/IPC-2141A.pdf

[16] Lee W. Ritchey and John Zasio, Right the first time, A practical

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[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.

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[22] Eric Bogatin, Signal and Power Integrity Simplified, 2nd ed.