Perché il mio cristallo non vuol saperne di avviarsi e come il fenomeno sia sorprendentemente legato al MCU

Come tutti sanno, il primo e fondamentale input di cui hanno bisogno MCU e MPU dopo l'accensione è un generatore di clock.

Esistono diverse possibilità per dotare un MCU di un generatore di clock esterno: circuiti RC, risonatori ceramici, cristalli (conosciuti anche come cristalli di quarzo), oscillatori a cristallo e moduli di oscillatori al silicio/MEMS.

La soluzione migliore per un'applicazione dipende da molti fattori, tra cui costo, precisione, consumi energetici, parametri ambientali, ecc.

Oggi vorrei parlarvi dell'utilizzo dei risonatori ceramici o dei cristalli (per semplicità, un risonatore ceramico è in realtà un cristallo con condensatori incorporati, sebbene i cristalli di quarzo siano più precisi e stabili in temperatura dei risonatori ceramici). A volte ci riferiamo ai cristalli con il termine "XTAL".

L'utilizzo dei cristalli è molto diffuso nelle applicazioni che hanno vincoli di costo per l'ovvia ragione che sono assai economici. Tuttavia, per la loro precisione e l'elevata stabilità delle frequenze vengono anche impiegati in molte applicazioni in cui i costi non sono un problema.

Molti fornitori di MCU mettono a disposizione dei progettisti note applicative dove spiegano come collegare correttamente il cristallo al MCU, come scegliere i valori corretti dei condensatori e del resistore, le problematiche legate al layout della PCB, ecc.

E finalmente, al termine del processo di progettazione, dopo il testing e le prove sul campo, il progetto è conforme alle buone pratiche ingegneristiche. Visto che tutto funziona, il prodotto entra in produzione, spesso presso aziende subappaltatrici ubicate in paesi lontani del mondo.

Dopo un po' di tempo – possono essere sei mesi o diversi anni – il subappaltatore vi chiama e vi dice che il prodotto non supera il test di go/no go dopo il processo di assemblaggio. Al termine di un'indagine di una certa durata, emerge che il cristallo non si avvia e che il MCU non funziona.

Siete davvero perplessi su cosa stia succedendo. E in questo momento state lavorando sodo a un nuovo prodotto: avete già dimenticato questo, non ricordate il progetto e il progettista non lavora più con voi. Inutile dire che non avete il tempo di occuparvene... un vero disastro.

È una situazione che non si presenta spesso. So di una decina di casi avvenuti negli ultimo 10 anni, ma presumo che ve ne siano altri di cui non sono a conoscenza.

In realtà, la vera ragione non è il cristallo ma il MCU e il processo che va sotto il nome di "die shrink". In termini semplici, il ridimensionamento del die equivale alla creazione di un circuito identico al CI a semiconduttori con un processo di fabbricazione più avanzato e alla riduzione delle dimensione del transistor/gate e della distanza delle interconnessioni. Con il processo di die shrink vengono ricavati più die dallo stesso wafer di silicio, perciò il costo per prodotto è inferiore.

I die shrink sono vantaggiosi anche per gli utilizzatori finali, poiché il ridimensionamento di un die riduce la corrente impiegata da ciascun transistor mantenendo la stessa frequenza di clock di un chip. Il risultato è un prodotto con consumi energetici inferiori e una frequenza di clock maggiore. E i fornitori possono aggiungere ulteriori caratteristiche del CI che non potrebbero essere implementate senza die shrink.

I die shrink sono la chiave di volta per il miglioramento del rapporto prezzo/prestazioni nelle aziende di semiconduttori, una condizione che si verifica una volta ogni tanto. Questo "ogni tanto" può essere una volta all'anno oppure una volta ogni vari anni.

Figura 1: Il circuito elettrico equivalente di un cristallo

Ciò che rimane invariato nel processo di die shrink è il contenitore in cui il die viene montato. La distanza tra la piazzola del die e i pin del contenitore si allunga. L'aumento della lunghezza elettrica della traccia tra piazzola e pin influisce sull'impedenza e sulla resistenza (ESR) del carico e la maggiore velocità degli elettroni nel die ridimensionato influisce sull'induttanza.

Più grande è il contenitore di un MCU, più è probabile che il die shrink abbia ripercussioni. Il cristallo si comporta come un circuito RLC e senza fare troppi calcoli vediamo che i parametri R; L e C dopo il processo di die shrink possono influenzare il valore dei condensatori e/o dei resistori scelti e testati durante la fase iniziale di progettazione prima del die shrink.

Questo fenomeno è simile a quello che si presenta nella fase di progettazione, quando il cristallo non si avvia. Tuttavia, quando controllate che cosa sta accadendo e toccate i pin con le sonde oscilloscopio, inizia improvvisamente a oscillare. La sonda aggiunge un'ulteriore capacitanza marginale che potrebbe mancare per l'avvio del cristallo.

Perciò, qual è la soluzione?

A dire il vero, non c'è granché da fare quando si presenta il problema; la cosa principale è esserne consapevoli. I pompieri solevano dire :"Il modo più rapido per spegnere un incendio è impedire che si sviluppi". Perciò, se è sopportabile caricare di altri 20-40 centesimi il costo totale del sistema, il mio consiglio è di usare un semplice oscillatore a cristallo invece di un cristallo di quarzo. Gli oscillatori a cristallo sono una soluzione totalmente integrata. I produttori di oscillatori abbinano il risonatore al quarzo al circuito dell'oscillatore, sollevando così il progettista della scheda dal compito. Gli oscillatori a cristallo offrono anche altri vantaggi quali resistenza, sensibilità inferiore alle EMI e alla vibrazione e avvio garantito, solo per citarne alcuni.

Un'altra soluzione è la manutenzione. La maggior parte dei venditori affidabili pubblica una Avviso di modifica prodotto (PCN) quando apporta una modifica al componente, incluso il die shrink. Alcuni tra loro aggiungono persino un ulteriore suffisso al codice componente per distinguere quelli modificati del die. Perciò, monitorando le notifiche di variazione del prodotto relative a un die shrink, il progettista è in grado di prendere la scheda con il vecchio progetto e il nuovo MCU sottoposto a ridimensionamento del die e di testarne in anticipo il corretto funzionamento. In caso di problemi, il prodotto può essere modificato per prevenire eventuali difficoltà inattese che si potrebbero presentare durante la produzione di massa, specialmente se questa si svolge presso un subappaltatore che lavora in un altro paese o luogo.