PROGETTAZIONE

INTRODUZIONE

La tecnologia delle schede a circuito stampato PCB segue, come tutti i dispositivi elettronici, il trend di sviluppo indicato già dal 1965 dal fondatore di Intel Gordon Moore. Secondo tale legge il numero di chip presenti su un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi; questo tasso di crescita è seguito anche dalla complessità dei circuiti. Una scheda PCB oggi ospita un alto numero di circuiti integrati, quindi complessivamente contiene diverse decine di milioni di transistor e collegamenti tra i vari pin degli integrati con percorsi lunghi e complessi. Il trend di crescita indicato dalla legge di Moore non è purtroppo seguito dalla produttività dei progettisti, che cresce anch'essa molto velocemente (circa del 21% su base annua), ma comunque più lentamente rispetto alla complessità dei dispositivi da progettare. Questo provoca un productivity gap che va ampliandosi col passare del tempo. Per colmare almeno in parte questa differenza vengono adottati diversi accorgimenti: il progetto viene diviso in parti affidate a più progettisti che lavorano in parallelo, ma il più grosso miglioramento si ha se ciascun progettista ha a disposizione un valido sistema CAD, cioè un pacchetto software che permette ad un calcolatore di assistere il progettista nel design. Data l'importanza di questi ambienti CAD, questo studio si concentra su essi e ne analizza alcuni aspetti.

L'organizzazione della relazione è la seguente: viene descritto il flusso di operazioni da seguire durante il progetto assistito di una scheda PCB; successivamente di presentano quattro sistemi commerciali, evidenziandone per ciascuno le caratteristiche e i punti che lo distinguono dagli altri. Infine si fornisce una schematizzazione del lavoro svolto mediante diagramma e tabella, e si effettuano alcune considerazioni conclusive.

FLUSSO DI PROGETTO

Tutti i pacchetti CAD presenti sul mercato si dividono in almeno due moduli.

La prima parte consente di disegnare lo schematic, ossia lo schema elettrico del circuito da realizzare su board: è possibile inserire un componente selezionandolo da una libreria, tracciare una net (collegamento), inserire un bus, cambiare nome e valore dei componenti, cancellarli, spostarli, copiarli. La selezione e l'inserimento dei componenti sono di solito facilitati da una funzione di ricerca nelle librerie. La seconda fase consiste nell'effettuare un Electrical Rule Check (ERC). La funzione ERC controlla automaticamente lo schema e genera un report in cui sono elencati tutti i presunti "problemi" trovati nello schema, come ad esempio pin di ingresso lasciati flottanti o uscite connesse insieme a creare un conflitto elettrico.

A questo punto lo schematico è completo e si passa ad utilizzare il secondo modulo, un Board Editor in cui è possibile effettuare il placing e il routing, cioè il piazzamento dei componenti sulla scheda e la realizzazione dei collegamenti senza incroci tra le diverse net (sbroglio). Il passaggio dallo Schematic Editor al Board Editor è reso possibile dalla creazione di una netlist a partire dallo schematico realizzato. Di solito è anche necessario specificare, per ciascun componente presente nello schematico, un footprint cioè associare al componente un nome che indichi al Board Editor quali sono le dimensioni fisiche e l'ingombro sulla scheda del componente. Nonostante questi passaggi si rivelino critici specialmente per i meno esperti nell'utilizzo dei CAD elettronici, solo alcuni pacchetti software consentono una gestione della netlist e dei footprint completamente invisibile all'utilizzatore. Effettuati questi passi, schematico e layout della board restano strettamente correlati e qualsiasi modifica viene fatta allo schema (aggiunta componenti, modifica collegamenti) aggiorna immediatamente il layout, e viceversa.

Quando si inizia a lavorare sul layout della board, il sistema CAD posiziona sulla scheda ogni componente dello schema in modo casuale. La prima operazione da compiere è quindi procedere al piazzamento dei componenti sull'area del PCB: questa fase può essere a carico del progettista oppure può esserci una funzione automatizzata. I collegamenti tra i componenti, ricavati dalla netlist, sono di solito mostrati come ratsnests, ossia sottili linee rette che si spostano quando il componente viene mosso. Questi collegamenti presentano un alto numero di incroci; lo scopo finale del progettista è trovare per ogni ratsnest un percorso sulla board che non intersechi le altre connessioni. Si comprende dunque che, osservando la densità di tali collegamenti, è necessario trovare la collocazione ottimale per ogni componente.

Completato il placing dei dispositivi si procede al routing dei collegamenti: per ciascuno di essi è necessario ottenere una track, cioè una pista che senza incrociarsi con le altre realizzi la connessione elettrica voluta. Per alcune schede, specialmente per quelle semplici che hanno pochi collegamenti da realizzare, può essere sufficiente trovare il percorso ottimale, ma di solito è necessario utilizzare più layer fisici, cioè più livelli di metallizzazione. I sistemi CAD più evoluti consentono di gestire schede anche con 16 layer fisici, cioè top layer e bottom layer sulle due facce visibili della board e 14 strati di metallizzazione interni. Una track può essere realizzata utilizzando contemporaneamente più di un layer, e il passaggio da un layer all'altro si ha mediante vias, cioè fori passanti metallizzati che di solito sono inseriti automaticamente dal programma di Board Editing. In tutti i sistemi CAD è possibile impostare la larghezza delle piste, la distanza minima dagli altri componenti e il routing angle cioè se sono utilizzabili, nel tracciare le tracks, solo angoli retti oppure anche a 45°.

Per lo sbroglio è anche possibile utilizzare un autorouter, cioè un algoritmo integrato nel sistema CAD che trova il percorso ottimale per i collegamenti in modo automatico. Se si è effettuato un piazzamento razionale dei componenti, non è raro che lo sbroglio automatico dia un risultato ottimale in pochi tentativi, senza che sia necessario alcun ulteriore intervento manuale. Di solito le regole seguite dall'autorouter sono fortemente configurabili: ad esempio si ha la possibilità di definire la direzione preferenziale delle piste su ogni layer fisico, il massimo numero di passaggi tra layer ammesso, e molti altri parametri. Le impostazioni più importanti riguardano il "peso" da attribuire nell'algoritmo ai passaggi tra un layer e l'altro, ai passaggi tra due pin di un circuito integrato e ai cambiamenti di direzione; infatti l'autorouter, nella ricerca del percorso ottimale, confronta diverse soluzioni e sceglie quella di peso minimo in base ai parametri specificati. Nella maggioranza dei casi i progettisti preferiscono una soluzione mista, cioè in una prima fase intervengono manualmente sulle piste critiche e successivamente completano lo sbroglio con il routing automatico.

Come lo Schematic Editor, solitamente anche il Board Editor permette di eseguire un Design Rule Check (DRC), con cui a PCB terminato è possibile verificarne la conformità con delle regole di progetto specificabili a priori (sovrapposizioni e minima distanza tra piste, forma dei pad...)

A questo punto il progetto vero e proprio del circuito stampato è terminato, ma in tutti i sistemi CAD è possibile apportare delle rifiniture finali. Si può realizzare un copper pour, cioè definire su uno dei layer un'area metallizzata collegata elettricamente a un segnale. Attraverso questa funzione si effettuano, per esempio, i piani di massa.

La fase successiva è la simulazione del circuito PCB, che è sicuramente una tra le fasi più importanti dell'intero flusso di progetto perchè permette di effettuare una validazione del lavoro svolto prima di realizzare fisicamente la scheda. Infatti per un'azienda che progetta schede elettroniche scoprire gli eventuali errori ha un diverso costo a seconda del momento in cui il difetto stesso viene trovato: se, tramite il simulatore, ci si accorge dell'errore quando il progetto è ancora in fase di design, il costo è molto minore rispetto a difetti scoperti quando si è già realizzato un prototipo della board. Il danno cresce ulteriormente se l'errore viene trovato durante la produzione in serie della scheda, infine nel caso peggiore il difetto viene scoperto da un cliente, e in tal caso la perdita è enorme sia in termini economici che di immagine. Quanto detto chiarisce l'importanza della simulazione; su questa fase tuttavia poggiano le principali differenze che distinguono i sistemi CAD presi in esame da questo studio. Storicamente infatti i pacchetti per la progettazione di schede erano distinti rispetto ai sistemi per la simulazione circuitale; solo in questi anni si assiste alla tendenza ad integrare i due ambienti. Da una parte vi sono sistemi CAD molto avanzati nella progettazione di schede che inseriscono nel pacchetto i simulatori, dall'altra ambienti evoluti nella parte di simulazione circuitale che espandono le proprie funzionalità consentendo il progetto di circuiti stampati. I sistemi CAD di fascia medio-bassa presenti oggi sul mercato hanno quindi il vantaggio di un costo minore ma sono ancora sprovvisti di simulatori; per ovviare in parte a questa mancanza, di solito è presente nel programma una funzione di esportazione che crea files utilizzabili con simulatori esterni al pacchetto. I sistemi di fascia medio-alta presentano invece simulatori integrati che consentono una validazione più immediata della board realizzata; l'integrazione del simulatore in questi ambienti non è ancora perfetta, ne è prova il fatto che alcuni software considerano facoltativa la presenza del simulatore stesso. In quest'ultima fascia di sistemi si inseriscono anche pacchetti che, come detto, sono molto avanzati sotto il punto di vista della simulazione circuitale; essi consentono di effettuare simulazioni non realizzabili medianti altri CAD, come ad esempio le simulazioni ad alta frequenza, ma hanno lo svantaggio di avere la parte di progettazione del PCB meno evoluta.

La fase finale della progettazione di una scheda è la generazione di file gerber, cioè la creazione attraverso un CAM Processor dei dati necessari per la produzione industriale della scheda. È possibile creare file che consentono il controllo automatico di plotter e macchine per la foratura e la tracciatura delle piste. I pacchetti sul mercato si differenziano qui per il numero e la tipologia di macchinari supportati.

CADSOFT EAGLE 4.1

Il sistema EAGLE è un insieme di tool per il progetto di schede a circuito stampato PCB prodotto dalla società CadSoft. Il nome EAGLE è l'acronimo di Easily Applicable Graphical Layout Editor. Il pacchetto è composto da tre moduli: Schematic Editor, Layout Editor e Autorouter. Questi sono tutti integrati in un'unica applicazione detta Control Panel, e ciò consente di non dover creare netlist nel passaggio da uno all'altro.

Schematic Editor è la prima parte che compone il sistema e consente di disegnare lo schema elettrico del circuito. Esso contiene tutte le funzioni standard già descritte, come l'inserimento di componenti da un set di circa 170 librerie, la possibilità di disegnare fili e bus e di modificare le proprietà dei vari oggetti.

È disponibile l'Electrical Rule Check per il controllo di errori nello schema. La creazione della scheda PCB è molto semplice, perchè come detto non è necessario creare netlist ed esportarle, ma con un singolo clic del mouse si passa al Layout Editor integrato nel programma. Questo sistema CAD consente di realizzare schede con dimensioni fino a 1,6 m2, con una risoluzione che si spinge fino a 0,1 mm. Per tutti i componenti scelti dalle librerie esiste un footprint, e sono pienamente supportati i dispositivi SMD. Il piazzamento dei componenti viene svolto manualmente; durante questa fase sono visualizzati i ratsnests che successivamente possono essere sbrogliati occupando fino a 16 layer di segnale, di cui l'utente può impostare i colori. Il routing può essere manuale o automatico, in quest'ultimo caso si sfrutta un algoritmo di tipo ripup&retry che è configurabile sotto molti aspetti, in particolare è possibile impostare la strategia mediante i cost factors.

A sbroglio terminato si può eseguire un Design Rule Check per verificare che soddisfi i requisiti di progetto, e realizzare un area di copper pour connessa a una delle net presenti nel PCB. Questo sistema non mette a disposizione nel proprio pacchetto alcun simulatore, tuttavia fornisce uno script in un linguaggio simile al C (ULP, acronimo per User Language Program) che consente di utilizzare EAGLE come frontend di SPICE, programma per simulazioni analogiche. Per quanto riguarda la generazione dei file gerber, sono fornite in dotazione le predisposizioni per circa 40 macchinari industriali, tra cui pen plotters, Gerber plotters e files per la foratura di schede con gli standard Excellon e Sieb&Meyer.

CadSoft EAGLE è disponibile per piattaforme Microsoft Windows, Linux e Apple Macintosh; il computer deve soddisfare i seguenti requisiti: processore Pentium/G3, 32 MB di memoria RAM, 50 MB di spazio su Hard Disk, presenza di un mouse e di una scheda video con risoluzione 1024x768. Sono disponibili diversi tipi di licenza per il pacchetto: la versione Professional costa 1200 euro; vi sono poi altre versioni che hanno limitazioni sull'area di sbroglio e sul numero di layer utilizzabili per il routing. La licenza Standard, con dimensioni massime del PCB 16x10 cm e 4 layer utilizzabili, costa 600 euro; la versione Light ha invece dimensioni massime della scheda 10x8 cm, solo 2 layer di segnale e non è utilizzabile con fini di lucro, ma è completamente gratuita.

CADENCE ORCAD 10.3

OrCAD è un pacchetto software per la progettazione di schede a circuito stampato di cui sono disponibili due diverse suite. La prima è composta da Capture per il disegno dello schematico, Layout per il progetto del PCB e Specctra per l'autorouting. La seconda suite integra le funzionalità della prima e il simulatore PSpice per analizzare il circuito. A differenza di EAGLE, Cadence OrCAD consente quindi (in modo facoltativo) di aggiungere un simulatore al pacchetto. Capture è il programma per il disegno degli schemi. Esso ha tutte le funzionalità di base di un applicativo per schematici, in più fornisce la tecnologia CIS (Component Information System) che cataloga i 44000 componenti di libreria e quelli creati dal designer e consente di cercare informazioni anche tramite la rete Internet, in modo da facilitare il riuso dei dispositivi. Altre caratteristiche di Capture CIS sono l'integrazione con database esterni, la creazione automatica di report, e la presenza di interfacce verso PSpice e VHDL.

Completato lo schematico, è necessario creare manualmente la netlist e passare a Layout. A disposizione del progettista vi è una libreria con oltre 3000 footprints per componenti discreti, connettori e circuiti integrati di diversi tipi; si possono creare schede in 60 formati standard, tra cui IBM-PC, PC-104, EuroCard. Le board realizzabili con questo software hanno dimensione massima di 1,7m2; il placing dei componenti può essere automatizzato, specificando per un gruppo di oggetti o per un singolo dispositivo le strategie di piazzamento. Viene anche considerato l'ingombro tridimensionale. Lo sbroglio può occupare fino a 16 layer ed essere svolto in modo manuale o con l'ausilio dell'autorouter Specctra. Questo può funzionare in modo ripup&retry o in push&shove; con quest'ultima si ha maggiore efficienza nelle aree molto dense, perchè gli oggetti vengono spostati (rispettando regole impostate dal progettista) minimizzando cosė il numero di vias. Grazie all'Auto-DFM (Design for Manufacturability) si può ottimizzare la scheda, ad esempio eliminando gli angoli retti delle tracce e migliorando l'aggancio alle piazzole.

Anche in OrCAD vi sono funzioni per DRC, creazione di aree di rame e generazione di file gerber (sono supportati tutti gli standard più comuni come FIRE9XXX, NC Drill, Postscript, Excellon, Sieb&Mayer). Con il simulatore PSpice è possibile effettuare analisi DC, AC, Transient, su effetti termici e rumore, sulle variazioni dei componenti. Con i risultati è possibile condurre analisi post simulazione, come Sensitivity Analysis per identificare i componenti critici del progetto, Monte Carlo Analysis per valutare il rendimento e le performance e Smoke Analysis per conoscere lo stress dei componenti durante il funzionamento. La minima configurazione hardware è costituita da Pentium 90MHz, Microsoft Windows, 16MB RAM, 90MB di spazio libero su Hard disk, lettore CD-ROM e mouse. La licenza del pacchetto OrCAD costa circa 12000 euro; sono disponibili suite prive delle funzionalità CIS e di simulazione. Esiste anche una versione per gli studenti, distribuita gratuitamente ma con limitazioni nelle librerie e nelle funzionalità.

ALTIUM PROTEL 2004

Protel è un sistema per il progetto di board che, oltre ad essere completo di alcuni tool per la simulazione, a partire dalla versione 2004 espande le proprie funzionalità introducendo il supporto per il design di FPGA. La parte di disegno dello schema presenta un set completo di strumenti e librerie con oltre 68000 dispositivi, tra cui componenti pre-sintetizzati su FPGA. Per le FPGA, è possibile scegliere sia componenti generici come adder, buffer, comparatori e decoder sia cores per il controllo di periferiche, ad esempio controllori per tastiere, LCD e VGA. Quando lo schematico è completo, è necessario creare la netlist; attraverso una sorta di compilazione, è possibile ricavare da essa sia le informazioni per la parte di scheda PCB sia le istruzioni necessarie per programmare una tra le FPGA supportate (è garantito il supporto per le principali FPGA di Altera e Xilinx).

La parte di Board Editing è integrata nell'unica interfaccia grafica del pacchetto; la creazione di una board PCB può essere svolta con un wizard che aiuta a compiere le scelte fondamentali di progetto come la forma della scheda, il numero di layer, lo stile di componenti e vias e alcune misure come spazio tra le piste e dimensione delle vias. Le board realizzabili con il pacchetto Altium hanno massima dimensione 2,5 m2 e risoluzione minima 2,5 mm; il numero di componenti presenti sulla scheda è illimitato, mentre altri sistemi pongono delle limitazioni. Non esiste possibilità di piazzare automaticamente i componenti, mentre il routing può essere svolto sia manualmente sia con l'ausilio di Situs, un sistema di autorouting capace di sbrogliare su 16 layer in varie modalità (tra cui push&shove) e di creare aree di copper pour connesse a una net. Situs autorouter è configurabile manualmente o può svolgere automaticamente delle analisi sul circuito per impostare cost factors e strategia di sbroglio. Le simulazioni sono divise in due categorie: simulazioni circuitali come Operating point, Transient, Fourier, AC, DC, Noise, Funzione di trasferimento e Monte Carlo e simulazioni di Signal Integrity come ad esempio il calcolo dell'impedenza di una Track e l'analisi degli effetti crosstalk. A disposizione del progettista vi sono anche un simulatore funzionale VHDL e alcuni strumenti per testare le FPGA, per esempio un generatore di clock con frequenza da 1Hz a 200MHz e un analizzatore logico. Il sistema di generazione file gerber è altrettanto completo, consentendo il supporto alla produzione industriale delle schede nei più svariati formati, tra cui Gerber 274X, ODB++, NC Drill Excellon e DXF, formato questo compatibile con qualsiasi sistema CAD. Il pacchetto Protel è il più esigente per quanto riguarda i requisiti di sistema: richiede un PC con sistema operativo Windows XP, processore Pentium IV a 3 GHz, 1 GByte di memoria RAM e 2 GByte di spazio su disco. Viene inoltre fortemente consigliato l'utilizzo di un doppio monitor con risoluzione 1280x1024, con una scheda grafica a 64 MB e colori a 32 bit. La licenza dell'intero sistema costa circa 9600 euro.

AGILENT EESOF ADS 2004A

Agilent EEsof Advanced Design System è nei fatti il pacchetto CAD più utilizzato per il progetto di sistemi operanti ad alta frequenza, ad esempio telefoni cellulari, reti wireless e sistemi per comunicazioni satellite. In questo sistema è molto sviluppata la parte di simulazione; le suite disponibili considerano come funzionalità di base la parte di progetto del PCB, e consentono di espandere il pacchetto con vari tipi di simulatori. ADS è costituito da un unico programma, in cui il flusso di progetto differisce da quello degli altri sistemi CAD perchè non è obbligatorio iniziare dallo schematico e poi passare al layout. Il progettista può partire da uno o dall'altro indifferentemente; quando ha realizzato una parte del layout, ad esempio, può sincronizzare automaticamente il lavoro svolto con lo schematico. Altra peculiarità è la possibilità di inserire nello schema generatori di segnali e sonde virtuali che indicano dove si vuole realizzare una misura o una simulazione. ADS è dotato di un ampio set di librerie i cui componenti vengono regolarmente aggiornati dalle più famose aziende produttrici; Agilent rende disponibile su Internet il download degli aggiornamenti.

La parte di progetto del layout del PCB è meno evoluta rispetto agli altri sistemi CAD presentati. Essa gode della tecnologia Physical Connectivity Engine, che consente ai designer di realizzare piste di forma poligonale e di estrarre informazioni sulle interconnessioni "al volo". L'utilizzo di connessioni di forma particolare è comune nel progetto di sistemi ad alta frequenza e ADS è il primo pacchetto sul mercato ad includere la possibilità di creare tali collegamenti custom-tailored. Tuttavia, questo ambiente non mette a disposizione del progettista nè un algoritmo per il piazzamento automatico dei dispositivi sulla board nè un autorouter per sbrogliare i collegamenti in modo assistito. Il pacchetto Agilent fornisce un ambiente di simulazione adatto alla verifica sia di sistemi ad alta frequenza sia di DSP systems: comprende infatti simulatori behavioral per validare la correttezza ad alto livello e modelli per propagazione e per architetture Data Flow (simulazioni Ptolemy) per i controlli a basso livello. Vengono svolte analisi DC, Transient, di bilancio armonico e sono possibili RF System Budget Analysis su una cascata di dispositivi che forniscono più di 40 misure, come SNR e figura di rumore. Altri sistemi effettuano queste misure solo con fogli di calcolo esterni. Si possono inoltre effettuare simulazioni sulle Ultra Wideband UWB, tecnologia wireless ad alta velocità (100-500 Mbps) basata su Ortogonal Frequency Division Multiplexing OFDM, la cui specifica è stata rilasciata nel Settembre 2004. ADS offre infine un nuovo flusso di simulazione per sistemi wireless basati su tecnologia WLAN, 3GPP e TDSCDMA: le specifiche chiave come EVM, BER e ACPR sono verificate continuamente, mentre nelle simulazioni tradizionali venivano controllate solo nella fase finale.

ADS è disponibile per Unix su workstation Sun SPARC, HP PA-RISC e IBM RS 6000; c'è una versione per PC con Windows 2000/XP. I requisiti hardware sono Pentium III 700 MHz, 512 MB di RAM e 2,5 GB di spazio su Hard Disk per l'installazione tipica. La licenza del sistema ha un costo dell'ordine di 150000 euro.

CONCLUSIONI

In conclusione gli ambienti CAD presentati si differenziano per aspetti anche importanti; la mancanza delle caratteristiche volute può portare un'azienda a scelte obbligate. Ad esempio, se si vuole progettare schede miste che utilizzino componenti sintetizzati su FPGA l'unico pacchetto ad offrirne il supporto è Protel. La scelta è critica se l'azienda vuole compiere design di schede ad alta frequenza: può decidere di progettare senza l'ausilio di simulatori appositi oppure scegliere Agilent ADS, il sistema più completo sotto questo punto di vista, ma il cui costo è da 10 a 100 volte maggiore degli altri pacchetti. Quanto detto chiarisce quale importanza rivesta la scelta di un CAD per la progettazione di schede.

 

Realizzazione di schede elettroniche: tecnologia

SCHEDE MULTISTRATO E FLIP-CHIP

La realizzazione di schede elettroniche è un passo fondamentale nello sviluppo di sistemi embedded dedicati, e può essere effettuata in diverse modalità, sfruttando differenti tecnologie, ognuna delle quali presenta caratteristiche proprie di costi, affidabilità, robustezza, prestazioni e dimensioni.

La scheda elettronica deve consentire ai chip e agli altri componenti, dotati di velocità di comunicazione interne molto alte, di colloquiare tra loro nella maniera più efficace e veloce possibile. La tendenza in questo settore è quindi quella di sviluppare tecnologie di fabbricazione che privilegiano le prestazioni e l'occupazione di spazio, a svantaggio, generalmente, della complessità realizzativa, del costo e dei problemi di dissipazione di calore.

Esistono innanzitutto diversi metodi di fabbricazione dei componenti, sia per quanto riguarda la produzione vera e propria del dispositivo e delle sue funzionalità "sul silicio", sia per quanto riguarda il packaging, ovvero l'"impacchettamento", finalizzato alle interconnessioni con altri componenti, alla protezione dall'ambiente esterno e alla dissipazione di calore.

Figura 1 : Collocazione della realizzazione della scheda nel processo di realizzazione di un sistema a µp

Casella di testo: Figura 2: Schema delle possibili tecnologie di realizzazione di una scheda

Si può quindi avere un packaging di tipo Wire Bonding oppure Flip-Chip Bonding (o chip rovesciato). Nel primo caso (tecnologia di minor costo ma anche minore qualità) il lato passivo del

Figura 2 : Schema delle possibili tecnologie di realizzazione di una scheda

chip in silicio viene incollato al modulo di materiale e dimensioni desiderati, mentre le connessioni del lato attivo allo stesso modulo (dai pad di alluminio ai pin esterni) vengono realizzate tramite fili d'oro molto conduttivi. Nel secondo caso invece il lato attivo del chip è connesso direttamente alla scheda mediante sfere di materiale di giunzione (tipicamente in lega saldante piombo-stagno). In questo modo si ha un notevole risparmio di spazio sul chip (non ci sono le saldature dei fili di oro sui pad, e in più i sempre più numerosi punti di connessione con l'esterno possono coprire tutta la superficie del chip e non solo il contorno); si hanno inoltre migliori performance elettriche e maggiore robustezza, a scapito di maggiori costi realizzativi. La tecnologia Flip Chip determina una progettazione e fabbricazione diversa anche del silicio vero e proprio. Nel caso del Wire Bonding si può avere una realizzazione del dispositivo di tipo tradizionale o una di tipo SMD - Surface Mount Device , che costituisce un passo in avanti, essendo caratterizzata da dispositivi in cui la parte attiva (il silicio) è sempre la medesima, ma il package esterno ha dimensioni molto minori (anche di 10 volte), quindi minor occupazione d'area e performance migliori ma costi più elevati.
A seconda del tipo di componente utilizzato è quindi possibile realizzare una scheda di tipo PTH - Pin Trough Hole (detta anche THT - Trough Hole Technology) oppure di tipo SMT - Surface Mount Technology . Nel caso PTH i componenti vengono disposti solo su una faccia della scheda, e connessi meccanicamente ed elettricamente infilando i pin attraverso appositi fori, per poi essere saldati e quindi collegati elettricamente alle piste già presenti, le quali determinano le interconnessioni e possono essere presenti su una sola faccia della scheda, su entrambe; i collegamenti tra le due vengono effettuati tramite fori detti vias , i quali vengono resi conduttivi mediante deposizione galvanica (solitamente di rame); è possibile inoltre realizzare schede con più di due strati ( multistrato-multilayer ), in cui sono presenti livelli di interconnessioni interni alla scheda stessa. Nel caso SMT invece i componenti vengono connessi alla scheda posizionando, appoggiando e saldando superficialmente i pin di collegamento (ovviamente di tipo e forma diverse dal caso tradizionale) su apposite piazzole; è quindi possibile disporre componenti su entrambe le facce della scheda, e realizzare schede mono, bi e multi strato. La tecnologia SMT presenta notevoli vantaggi di produzione, in quanto si utilizzano solitamente linee di fabbricazione automatizzate (soprattutto per quanto riguarda il prelievo e il posizionamento dei componenti) quindi veloci e precise, e solitamente molto meno ingombranti. Nel caso SMT si parla anche di montaggio superficiale di tipo leaded , ovvero solo sul perimetro del componente (a differenza del montaggio, sempre superficiale, di tipo grid array nel caso Flip Chip , su tutta la superficie del dispositivo.

Figura 4: Principio realizzativi della tecnica Flip-Chip

Schede Multistrato (Multilayer)

Un circuito stampato a doppia faccia si compone di un substrato isolante solido, piano e di spessore costante (da 0,1 fino a 5,0 mm ), costituito di materiali (normalmente vetronite) aventi caratteristiche più o meno spinte di autoestinguenza nei confronti del fuoco. Questi materiali sono detti "materiali di base" ( raw material ), ed esistono in una vasta gamma di varietà; si distinguono solitamente per la diversa rigidità dielettrica, capacità di resistere ad elevate temperature e agli stress termici. La vetronite viene realizzata in forti volumi in appositi stabilimenti chimici a partire da vari strati di tessuto in fibra di vetro, i quali vengono sovrapposti, impregnati con una apposita resina ad alte temperature, e laminati nella forma finale. Su entrambe le facce esterne del substrato viene applicato con forte collante termoadesivo composto da tessuto di vetro impregnato di resina, uno strato di rame laminato avente spessore costante e predeterminato (normalmente 18, 35 o 70 µm, ma per lavorazioni di schede speciali si possono utilizzare spessori di rame da 5 µm a 140 µm). Per ricavare da questo piano di rame l'insieme dei soli collegamenti (le piste) necessari si esegue, in seguito ad un processo serigrafico (in cui viene riportata sul rame la mappa fisica delle interconnessioni) una asportazione chimica selettiva del rame in eccesso. La piastra così ottenuta viene forata per consentire il futuro passaggio dei terminali passanti dei componenti elettronici, e per realizzare il collegamento elettrico tra i piani superiore ed inferiore con i vias.

Figura 7: Illustrazione esemplificativa di scheda multistrato

Per realizzare schede con più strati, si replica quanto detto per ciascun elemento da due strati (senza la foratura e quindi la formazione galvanica dei vias), tranne per la prima ed ultima scheda, nelle quali non viene realizzata la faccia rivolta verso l'esterno. Successivamente i vari elementi doppia faccia vengono posti uno sopra l'altro, allineati e separati da fogli chiamati di pre-preg (tessuto di fibra di vetro misto resina plastica in genere a base di poliestere), e pressati termicamente con tempi e temperature predeterminate, fino a costituire infine un'unica scheda fisica. Si procede poi alla serigrafia delle facce esterne, alla foratura e quindi alla metallizzazione dei fori. Le parti delle due facce esterne di rame non destinate alla successiva saldatura dei componenti vengono poi protette dall'ossidazione e dai contatti elettrici indesiderati mediante una vernice isolante chiamata "solder resist" (normalmente di colore verde smeraldo). Infine si può procedere alla eventuale stampa serigrafia di scritte, diciture, disegni e indicazioni sul circuito stampato.

Figura 8: Particolare di scheda multistrato

Per approfondire: presentazione (formato ppt) Tecnologia delle Schede Multistrato .

Tecnologia Flip-Chip

La tecnologia Flip-Chip costituisce un passo in avanti rispetto alla Wire Bonding , la quale è ancora molto utilizzata essendo stata introdotta prima, quindi molto affidabile, meno costosa, ma ovviamente meno performante.

Figura 9: Sezione di un packaging Flip-Chip

Figura 10: BGA-CGA

Come si è detto in precedenza, la connessione Flip Chip è effettuata sfruttando l'area sottostante alla superficie attiva del chip, attraverso sfere di piombo-stagno, presentando vantaggi in termini di occupazione di spazio, di performance elettriche e di robustezza. È da notare, infatti, che la superficie conduttiva del chip "rovesciato" ( flipped die ) occupa, a parità di connessioni, solo il 10% dell'area richiesta per lo stesso die in caso di connessione Wire Bonding . Esistono anche risparmi sull'altezza: non si hanno i fili d'oro con gli archi caratteristici e non c'è la necessità di inglobare il package e il die con una resina protettiva; vi è inoltre un risparmio in termini di peso. Inoltre la connessione elettrica di questo tipo permette maggiori velocità: essendo molto più breve ( 0.1 mm in rispetto ai 5 mm della SMT) presenta valori di impedenza molto minori; si ha infine una riduzione del rumore sulla alimentazione, in quanto essa viene portata direttamente dentro al chip, anzichè passare attraverso piste e saldature (con induttanze parassite). La connessione del chip alla scheda viene effettuate con tecnica Grid Array , e può essere di tipo BGA - Ball Grid Array­ , oppure CGA - Column Grid Array ; nel primo caso i punti di saldatura sono delle sfere di lega conduttiva, mentre nel secondo sono delle colonne. È possibile poi utilizzare un substrato di materiale plastico (si parla in tal caso di PBGA - Plastic BGA ), oppure ceramico ( CBGA o CCGA - Ceramic BGA o Ceramic CGA ). Nel primo caso si hanno minori costi di materiale e di processo realizzativi (temperature più basse), ma minore conduzione quindi dissipazione di calore rispetto al secondo caso, che presenta anche minore espansione termica e maggior affidabilità. La ricerca di materiali per il substrato è comunque tuttora importante argomento di ricerca.

 

I processi di realizzazione della tecnologia Flip Chip , come si vede dalla figura 11, possono essere diversi, anche se simili e con gli stessi risultati.

Figura 11: Processi di fabbricazione con tecnologia Flip-Chip

Quello di tipo convenzionale presenta le seguenti fasi:

- Flux Dip, Pick & Place : il chip viene "bagnato" con il materiale saldante (lega St-Pb) che aderisce ai punti in cui vi è contatto conduttivo, e successivamente posizionato con preciso allineamento sopra alla matrice di connessioni ( Gate Array ) poste sul substrato;

- Solder Bump Reflow : il chip così appoggiato al substrato viene scaldato in un forno in cui si ha la fusione delle sfere saldanti che connettono così meccanicamente, elettricamente e termicamente il chip;

- Deflux : il chip viene raffreddato e le saldature si solidificano;

- Underfill Dispense : viene erogato il materiale di riempimento (isolante) che va ad occupare tutti gli spazi vuoti presenti tra il chip e il substrato, ovvero tra le sfere di saldatura;

- Underfill Cure : il prodotto così ottenuto viene posto in un altro forno per il trattamento finale del materiale di riempimento, che va così ad occupare tutti gli spazi vuoti presenti, allo scopo di un corretto isolamento termico ed elettrico, e per assicurare una più elevata robustezza meccanica al sistema chip-substrato.

Figura 12: Particolare di tecnologia Flip-Chip

 

Figura 13: Sezione di dispositivo Flip-Chip

Si può avere anche un processo di fabbricazione No Flow Underfill , in cui si ha prima la deposizione di materiale di riempimento sul substrato, e successivamente il posizionamento del chip su di esso; si procede poi al riscaldamento del sistema chip-substrato per una contemporanea realizzazione delle saldature e trattamento del materiale riempitivo.

Infine si parla di processo APS Thermal Compression Bonding quando, dopo un primo passo di deposizione di uno strato di materiale di riempimento, si realizza allo stesso tempo il posizionamento del chip e la realizzazione delle saldature mediante compressione.
Per approfondire: presentazione (formato ppt) Schede Flip Chip .

 

Per approfondire: presentazione (formato ppt) Linea Produzione Scgede MARPOS .

BIBLIOGRAFIA

[1] - http://www.amkor.com/enablingtechnologies/FlipChip/index.cfm

[2] - http://www.smartgroup.org/ev_flip.htm

[3] - http://www.mm.fh-heilbronn.de/wehl/projekte/lotdruck.htm

[4] - http://neasia.nikkeibp.com/archive_magazine/nea/200311/manu_274495.php

[5] - http://www.aguilatech.com/Packaging/Packaging_examples/fobxsec.htm

[6] - http://www.microwaves101.com/encyclopedia/flipchip.cfm

[7] - http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?nodeId=0121005372

[8] - http://www.wikipedia.org

[9] - http://www.flipchips.com/tutorials.html

[10] - www.tesionline.it/__PDF/3060/3060p.pdf

[11] - http://www-micrel.deis.unibo.it

[12] - http://www.advanpack.com/events/

[13] - http://www-micrel.deis.unibo.it/AFFI/mcm_2.pdf

[14] - http://www-micrel.deis.unibo.it/SMLS/corso/programma_corso.html