Progettare schede per robot

Il Miniature Mobile Robots group dell' EPFL
L'attività principale del MOBOT è il system design di robot mobili autonomi miniaturizzati, che prevede l'applicazione di un ampio spettro di discipline che spaziano dall'intelligenza artificiale alla meccatronica, dalle tecniche di navigazione all'elettronica digitale. I progetti del MOBOTS includono:

-    Self-Assembling Mobile Robots, caratterizzata dalla creazione di configurazioni dinamiche dipendenti dai compiti da eseguire.
-    Inspection Mobile Robots, un tool per l'ispezione di strutture complesse difficilmente accessibili all'essere umano.
-    Animal-Robot Interaction, che ha il compito di integrarsi per poi interagire col mondo animale.
-    Collective SLAM, che apre nuove prospettive sulla percezione ambientale attraverso lo sviluppo e l'utilizzo di nuovi strumenti meccatronici equipaggiati con algoritmi di data fusion.
-    Desktop Mobile Robots in Education, utilizzati per la motivazione educazionale. In particolare è stato sviluppato il robot e-puck in collaborazione con altri laboratori.
-    Mobile Robots for Edutainment (educational + intertainment), destinato ai ragazzi per sollecitare l'interesse verso l'apprendimento della fisica e della tecnologia.

Il dispositivo MX31moboard è una scheda di controllo per robot sviluppata in MOBOT e caratterizzata dall'elevata potenza elaborativa e da una dimensione estremamente contenuta. Il cuore della scheda è l'MX31 della Freescale che contiene un processore SOC (Sistem-On-Chip) ARM1136. Il dispositivo è stato realizzato in due separate unità funzionali, l'mx31moboard e l'mx31devboard. La prima scheda è un 10 strati che ospita i principali dispositivi funzionali (MX31, 128 MB of DDR Ram, 32 MB of NOR Flash e il chip MC13783). La seconda è un 4 layer su cui collegare la precedente e contiene le connessioni fisiche ai dispositivi esterni (USB, porta seriale, SD, potenza). Questa scheda è stata riprogettata per essere adattata alle necessità del robot, un marXbot.

mx31MoBoard
La nuova mx31MoBoard, in grado di supportare Linux e un framework Aseba per il controllo dell'hardware a basso livello del robot, è equipaggiata con:
•    processore 532 MHz ARM11;
•    128 MB DDR RAM;
•    32 MB NOR Flash;
•    3x serial ports (una delle quali utilizzabile in Bluetooth);
•    1x USB 1.1 Host, 1x USB 2.0 Host, 1x USB 2.0 OTG (Host or Slave);
•    porte miniSD e microSD;
•    LCD e connettore touchscreen;
•    audio in (micro) e out (cuffie e altoparlanti stereo);
•    interfaccia per camera sensore CMOS;
•    gestione della batteria.

Dovendo essere di dimensioni il più possibile ridotte, la scheda (dimensioni 50 x 50 mm) ha comportato l'utilizzo di componenti con case capaci di contenere la superficie occupata, di conseguenza si sono adottati i seguenti package (per un totale di 209 componenti di cui 11 BGA):
•    microprocessore iMX31(ARM11)    μBGA457 passo 0,5 mm;
•    controllo audio e power MC13783    μBGA247 passo 0,5 mm;
•    flash memory da 256 Mb    PBGA84 passo 0,8 mm;
•    DDR SDRAM da 1 Gb    PVFBGA90 passo 0,8 mm;
•    mosfet P e N        BGA9 passo 0,65 mm 3 x 3 mm con copper stud;
•    μPower 150 mA LP3990TL    BGA4 passo 0,5 mm 1x1,28 mm;
•    connettori per collegarsi alla matherbord SAMTEC serie QTH 2x(2x30+1) e 1 x (2 x 30 + 1) passo 0,5 mm;
•    componentistica passiva    dove possibile 0402.

La fase di progettazione
Lo staff di ingegneri TECHFAB ha provveduto, con l'ausilio della società MPH, all'ingegnerizzazione del pcb, che ovviamente presentava non poche difficoltà tra cui il layout capace di rispettare la disposizione di tutti i BGA su singolo lato, i problemi di disposizioni dettate dall'obbligo di vicinanza di alcuni dispositivi, rispettare - se non ridurre - le dimensioni massime di 50 x 50 mm e il problema della dissipazione delle temperature. Il compito ha assorbito alcune settimane di lavoro portando all'eccellente risultato di avere dimensioni finali del pcb pari a 50 x 40 mm, uno sviluppo su 10 layer con fori interrati tra strati interni con spessore di 1,6 mm e una densità media dei pad sul lato BGA pari a 63 pad/cm2 con un valore massimo nel caso dei μBGA di 400 pad/cm2. La fase successiva è consistita nella definizione delle dimensioni dei PAD (rame, solder resist, solder paste):
•    μBGA passo 0,5    pad da 0,30 mm (12 mil);
•    BGA passo 0,65    pad da 0,37 mm (15 mil);
•    BGA passo 0,8    pad da 0,45 mm (18 mil);
•    Pad chip 0402     pad da 24x18 mil con distanza tra i pad di 18,5 mil.

Un'ulteriore attenzione ha portato all'arrotondamento degli angoli con raggio di 80 μm. Per i pad solder resist si è definito un incremento di 4 mil (2 mil per lato), mentre per i pad solder past si è definito un decremento di 2 mil (1 mil per lato). A questo punto si è dovuto pensare a come collegare i pad dei μBGA a passo 0,5 mm. La tecnica classica del pad ovoidale con foro ricoperto da solder resist non era percorribile e la tecnica del foro passante, successivamente riempito e quindi ricoperto, riduceva notevolmente lo spazio disponibile per posizionare i componenti sul lato opposto ai BGA (lato coi chip). Alcuni pad potevano essere gli stessi dei chip, ma altri erano pad da 0,3 mm (ved. Fig. 5a-d). Inutile sottolineare che tale soluzione ne aumentava il costo di produzione con un'incertezza sul risultato. Il problema è stato risolto praticando un foro (profondo 0,1 mm) dal centro del pad sino al layer sottostante. Si è quindi provveduto a effettuare un processo di metallizzazione e finitura ENIG (nichel + oro chimico), producendo come risultato finale una piccola cavità di soli 50 μm di diametro e 40 μm di profondità, ma tale da evitare qualunque problema al giunto di saldatura. Queste soluzioni adottate in fase di progettazione hanno reso confidenti circa l'elevato grado di qualità e di affidabilità relativi alla fase di produzione e di assemblaggio del pcb.

La produzione
In fase di produzione è stato affrontato il problema di individuare il costruttore tecnicamente capace di produrre il pcb (caratterizzato da 10 layer in 1,6 mm di spessore, fori ciechi da 0,1 in pad da 0,3 mm e un numero elevato di pad vicini con conseguente problema di possibili black pad). Lo staff tecnico di Techfab ha stabilito che l'FR4, al fine di gestire la dilatazione in asse Z durante la rifusione per evitare rischi di rotture sia tra i collegamenti interni dei layer che dei fori ciechi di via nel pad dei μBGA, doveva possedere un CTEZ (coefficiente di espansione termica asse Z) inferiore a 40 ppm/°C e un Tg (glass transition) maggiore di 150 °C.
A seguito delle specifiche richieste è stato adottato S1165 High Performance Halogen-Free (materiale privo di alogenuri per essere certi di non avere residui che nel tempo potrebbero portare a guasti certi o intermittenti nei layer interni), con Tg > 165 °C e CTEZ compreso tra 40 e 60 ppm/°C prima del Tg e 250- 300 ppm/°C dopo Tg.
La lamina per la serigrafia della pasta saldante doveva essere progettata in base all'apertura più piccola, determinata dai pad rotondi (0,25 mm) dei μBGA. Considerando di realizzarla con taglio laser e utilizzando un software dedicato al calcolo dello spessore della lamina si è deciso di produrla con spessore di 100 μm. Da questo è dipesa la scelta
della granulometria della pasta saldante. Lo standard di tipo 3 ha sfere da 25 μm a 45 μm, la regola richiede che la dimensione della sfera sia 4 volte inferiore allo spessore della lamina; nel nostro caso solo una parte delle sfere l'avrebbe rispetta. Si è deciso così di utilizzare una pasta tipo 4 la cui granulometria varia da 25 a 38 μm, il che migliorava il rapporto tra spessore lamina e diametro della sfera, avvicinandosi al rapporto ottimale. Il prodotto scelto è stato la INDIUM 5.8LS SAC305 No-Clean R0L0 tipo IV. È stata utilizzata una EKRA X4 professional (15 μm a 6 Sigma) con controllo 2D e livellamento automatico delle racle.
Come P&P è stata usata la Siemens X2, attrezzata con telecamere digitali IC Flip-Chip25 (FoV19x19) e testa TwinHead (30 μm a 4 Sigma) con software Siemens per il controllo al 100% delle ball. Il lavoro di programmazione ha comportato l'inserimento di 6 diversi BGA, dei connettori Samtec, dei quarzi, di led e induttanze non presenti in libreria.
Il forno utilizzato per il processo di rifusione è il modello Condenso-Batch della Rehm con fase di vuoto. Questo forno utilizza, per il trasferimento del calore, la condensazione di vapore di un liquido tecnico (Galden 230), coi seguenti vantaggi:
•    Temperatura massima di processo certa - nel nostro caso 230 °C. Per il principio fisico secondo cui il vapore si condensa solo su un corpo più freddo di se stesso, quando un chip è alla temperatura di 230 °C non gli si può apportare altro calore;
•    sicurezza di raggiungere direttamente con il vapore tutte le ball dei BGA e non di portarle a rifusione tramite il corpo del componente;
•    i vapori di Galden hanno la peculiarità di essere inerti, quindi - essendo la camera di rifusione satura - non avviene ossidazione durante la rifusione.

Raggiunta la temperatura di rifusione, con la pasta saldante ancora liquida, si effettua il vuoto portando la pressione a 20 mBar. Questo permette di estrarre dalla pasta liquida eventuali bolle di vapori di colofonia rimasti intrappolati che, producendo void nel giunto, ne indurrebbero una minor robustezza meccanica, ma soprattutto una minor capacità di trasferimento termico. Nel nostro caso specifico sono i 5 BGA Mosfet che devono trasferire la loro temperatura al pcb tramite i tre copper-stud.

Produzione e analisi del lotto campione
Il lotto consiste di sei campioni; gli involucri in cui sono contenuti i BGA e i LED sono aperti per la prima volta per paura che assorbano umidità dall'ambiente, comunque mantenuta al valore di 50%. Prima di procedere al piazzamento si esegue l'ispezione ottica dei depositi serigrafici e si controlla che le cave nello stencil non presentino occlusioni (in particolare per i BGA e i connettori Samtec). Il controllo visivo post reflow è stato eseguito con un visore Lynx: mediante visione inclinata si è controllato l'uniformità del giunto sui copper-stud dei BGA-MOS. Si è quindi passati al controllo X-Ray, dove i giunti delle ball, dei μBGA e delle zone centrali sono risultati ottimali.
Inviata la campionatura al centro di ricerca EPFL di Losanna, dopo alcune settimane di debug l'esito è stato positivo, i pcb funzionano anche a seguito di ripetuti cicli di stress funzionali e termici, senza presentare nessuna difettosità. Techfab ha quindi ricevuto il consenso per produrre l'intero lotto.