¿Por qué no tenemos PCB con un recuento de capas muy alto (generalmente un máximo de 4-6 capas)?

Echemos un vistazo a este iPhone PCB.

Observequenohayrastros,soloparchescondispositivospegadosunoalladodelotroenamboslados.

EstoesHDI(Interconexióndealtadensidad).

Esto es muy limpio. Básicamente, pagas extra por tener las 1-2 capas externas en uno o ambos lados grabadas con características extremadamente pequeñas. Las capas internas, que en su mayoría son planos de potencia y tierra, de todos modos, están grabadas con procesos baratos regulares.

Las pequeñas microvias se perforan con láser en las almohadillas para conectar la superficie a la siguiente capa de alta densidad. Hay también vias ciegas y enterradas.

Simplificando las cosas ... el principal problema con las PCB estándar son las vías. Recorren todo el tablero y comen espacio en todas las capas. Puedes agregar capas si quieres, ¡pero aún estarán llenas de agujeros! Y se pone caro. No se puede reducir un orificio de paso por debajo del tamaño del taladro, y el taladro tiene que ser lo suficientemente resistente como para que realmente ... ya sabes, perforar todo el tablero sin romperse ... así que no puede ser demasiado pequeño. Además, todo tiene que alinearse y registrarse correctamente. Las cosas de precisión no son baratas.

Sin embargo, una microvia solo atraviesa una o dos capas muy finas, por lo que puede perforarse con un láser y el agujero puede ser mucho más pequeño. Estas, y también las vías Blind / Buried, liberan espacio en otras capas y permiten enrutar más trazas, y ponen componentes en ambos lados.

Cada capa puede hacer mucho más con estas tecnologías.

No sé qué tableros está viendo, pero los recuentos de capas altas se utilizan definitivamente donde tiene sentido económico. ¿Has mirado la placa base de una PC o celular últimamente? Regularmente trabajo en productos compactos para propósitos especiales que tienen desde PCB de 6 a 12 capas. En particular, los paquetes BGA de alto número de pines requieren un cierto número de capas solo para hacer las conexiones (a.k.a. "fanout") a las bolas internas.

Pero parte de tu pregunta no tiene sentido. En general, no se puede reemplazar un tablero de 10 pulgadas cuadradas que tiene cuatro capas con un tablero de 5 pulgadas cuadradas que tiene 8 capas; no funciona así. Recuerde, los componentes solo se pueden montar en las dos capas exteriores, lo que pone un límite inferior en el área de la PCB. Las conexiones entre esos componentes y el cableado de la capa interna requieren vías que también ocupan un área en las capas externas. Las vías ocultas y ocultas pueden mitigar un poco la cantidad de área requerida para el cableado, pero también agregan pasos adicionales de procesamiento y costo a la placa.

En muchos casos, el tamaño de la placa viene determinado por el número de componentes y más por la colocación de conectores externos, etc. que tienen más sentido desde el punto de vista del empaque (y la experiencia del usuario). Por ejemplo, usar un solo PCB "de gran tamaño" que se extienda desde la parte frontal hasta la parte posterior de la caja puede tener sentido si elimina el gasto de hacer dos ensamblajes separados con el cableado entre ellos. Luego, el diseñador tiene el "lujo" de extender los componentes un poco y usar menos capas. El costo final de la lista de materiales suele ser el más bajo con este enfoque.

Respondiendo a su edición sobre el diseño de IC: en realidad, los IC tienen solo UNA capa de componentes activos, lo que es aún más restrictivo que una PCB de 2 caras. Sin embargo, el tamaño mínimo de la característica de la capa activa suele ser mucho más pequeño que el de las capas metálicas de cableado anteriores, por lo que hay muchas ventajas al tener múltiples capas de cableado.

El factor limitante se convierte en el hecho de que las vías de cualquier capa de cableado a la capa activa deben pasar por todas las capas de cableado inferiores, limitando la cantidad de cableado que realmente se puede hacer en esas capas inferiores. Por lo tanto, las capas más bajas tienden a usarse solo para las conexiones "más locales", y las capas más altas para las conexiones de mayor alcance y las conexiones globales, como las fuentes de alimentación y las señales de reloj.

Como diseñador de la tarjeta de circuitos impresos, puedo decir que todo se reduce al costo. He diseñado tableros de hasta 56 capas, pero este fue un caso muy específico donde el costo no era tanto un problema como el rendimiento. Otra limitación es el espesor del tablero; los laminados utilizados solo pueden ser tan delgados, y cuando se agregan todas las capas a más de 14-16 capas, el grosor de la placa comienza a superar el estándar de 1,6 mm, y en el caso de esa placa de 56 capas que diseñé, el grosor había terminado 5mm. Si utilizara componentes de orificio pasante, se encontrará con el problema de que estas piezas tienen patas diseñadas para adaptarse a una tabla con espesores que no superan los 2 mm, y si excede eso no tendrá suficiente clavija para soldar, por lo tanto, fallará Pasar las normas de la CIP para la calidad de montaje. La alternativa sería seleccionar las partes que tienen longitudes de pin más largas (no muchas) o hacerlas a la medida ($$$).

Cuando se trata del diseño de IC, el concepto de capa es ligeramente diferente, ya que la fabricación se realiza principalmente por deposición, pero de la misma manera que para los PCB, cada capa agrega tiempo para la fabricación y, por lo tanto, costo.

Nosotros sí. Los PCB tienen 16 capas de grosor si no mucho más gruesas.

Los circuitos integrados son una capa de transistores y luego 16-32 capas de cables en la parte superior.
Los circuitos integrados de 2.5-d son pilas de estos uno encima del otro con interconexiones entre las obleas de silicio. Los circuitos integrados 3-d en realidad tendrían múltiples capas de transistores, pero no estoy seguro de que haya muchos fabricantes que hagan eso.

La razón principal para tratar de mantener las capas al mínimo es simplemente el costo. Cada centavo cuesta cuando estás fabricando mucho de algo. Más capas = más tiempo y más costo. Sin embargo, cuando necesitas las capas, las necesitas y están ahí para ti si tienes el verde.

La reducción de costos es la razón principal.

A mediados de los 80 mainframes, nuestra empresa matriz compró una fábrica de 200k pies cuadrados que hizo pistas de microrred de 50 capas en tamaño MOBO y las prensas para estos tableros eran enormes, por no mencionar las grandes cubas de tamaño de contenedor llenas de químicos líquidos de oro para una inmersión total chapado.

Cuando solía comprar PCB cada mes para R & D y volumen, las estimaciones de costos podrían reducirse a unas pocas líneas de especificaciones que básicamente eran el peso total de cobre o capas de espesor y área *. Así que agregar más capas agrega costo a menos que se haga más delgado. Los costos adicionales quedaron fuera de la norma de enrutamiento y cantidad y tamaño de orificios, y en condiciones normales de 8/8 mil millones, que ahora se reduce a 3 / 3mil track and gap.

El costo de reemplazar un mainframe en el rendimiento es como una PC de gama alta que solo cuesta el 0.02% de la propiedad de un mainframe.

La regla de oro en los años 90 para mí fue de 5 centavos por cuadrado en todas las capas de 1 oz Cu

El preimpregnado de PCB más delgado que se realiza corresponde a alrededor de 2 milésimas de pulgada por capa, por lo que más de aproximadamente 30 a 32 capas (y ningún núcleo) requerirá una placa más gruesa que la habitual de 1.6 mm.

El costo por cm ^ 2 de un tablero de 14 capas frente a un tablero de 4 capas es de aproximadamente 5-6: 1 en la cantidad 100 y 12: 1 en la cantidad 10, en otras palabras, los costos de instalación son bastante altos, así como el costos variables.

Solo puede obtener las partes tan juntas que los ahorros sean reales, pero limitados, con un mayor número de capas. Los ahorros también se logran utilizando los paquetes más pequeños posibles, como BGA o paquetes a escala de chip y las partes pasivas más pequeñas (más pequeñas que 0201), usando líneas muy finas (3 o 4 mil, por ejemplo), usando vías ciegas, vías enterradas, microvias , y dejando de lado la imprenta designador. Cada una de esas cosas cuesta más y requiere un mayor nivel de tecnología para el mismo nivel de confiabilidad.

En general, los tableros de recuento de capas altas cuestan más por la misma conectividad (el rendimiento puede ser mejor con más planos de tierra, por lo que no digo funcionalidad equivalente) y tienen costos fijos mucho más altos, por lo que es menos probable que se vean en un volumen bajo o dispositivos baratos.

Un teléfono inteligente es un ejemplo donde se justifica el costo, pero la mayoría de los productos no necesitan (o no pueden costearse) el uso del IC más pequeño y otros paquetes abarrotados lo más estrechamente posible.

Los IC, según entiendo, pueden usar muchas (decenas) de capas de metal para la conectividad (los IC digitales complejos, como las CPU, que pueden tener más de mil millones de transistores, no simples chips analógicos).

Hay un problema que solucionan 2 capas (con PTH): las trazas no se pueden cruzar sin aprovechar algún componente (o puente / cero-ohm / ...) que lo cruza.

Hay un problema que resuelven 3 capas: los retornos a tierra para señales de bajo nivel o alta frecuencia están en una ruta diferente a la traza en sí, causando bucles de tierra, impedancia de traza indefinida, acoplamiento inductivo y mal blindaje. Un plano de tierra es más o menos equivalente a una traza de retorno de tierra exactamente paralela (ya que forma el bucle de inductancia más baja).

Hay un problema que solucionan 4 capas: el cableado de distribución de energía toma espacio de las trazas de la señal y agrega complejidad.

Hay un problema que solucionan 5 capas: los circuitos analógicos de bajo nivel o RF y los circuitos digitales (de pulso) y / o de potencia comparten una conexión a tierra, y el cambio de tierra más leve causado por esta última se ve fuertemente amplificado por la primera.

Cualquier cosa más allá de eso es solo una complejidad adicional y / o rieles de alimentación adicionales ...

Hay muchos factores que determinan el conteo de capas:

1 . Distribución de energía.

No es raro ver 6 o más rieles de alimentación en una placa moderadamente compleja. La distribución adecuada puede ser todo un desafío (especialmente si hay enlaces de alta velocidad como PCI Express, Fibre channel 4x o incluso 10x, Infiniband, 10G ethernet, SMPTE292 o más rápido).

Los requisitos de alimentación solo pueden necesitar varias capas; un switch Infiniband de clase director que diseñé hace 14 años tenía 1.2V @ 100A en las placas de nodo de switch. Un LED de alto brillo para conducir una pantalla de visualización ascendente tomó 15A a ~ 4.5V. Estos tipos de requisitos presionan para múltiples capas de potencia y tierra solo . 8 capas de poder no son infrecuentes en estos casos.

2 . Disposición de alta densidad.

Aparte del recuento de capas, las vías son un controlador de costos; Puede ser menos costoso agregar un par de capas si se puede reducir el conteo. Vía tamaño del agujero también impulsa el costo; aunque el tamaño de orificio mínimo ordinario de 0,3 mm normalmente no agregará mucho costo, exceder la relación de aspecto del grosor de la placa a través del tamaño de broca de 8: 1 definitivamente porque el fabricante sabe que esto aumentará drásticamente la rotura de la broca. Esto es un poco de gallina y huevo, ya que el aumento en el recuento de capas puede aumentar el tamaño mínimo del agujero.

3 . Un montón de interconexión de alta velocidad.

Los pares de alta velocidad funcionan mejor con enrutamiento de una sola capa (solo una ruptura a través de cada extremo) por una variedad de razones. Considere una PCB con 2 interconexiones DDR3 2100 independientes, 32 líneas de PCI Express a 8Gb / s; todo eso exige múltiples capas de enrutamiento. Esto puede ser muy desafiante en un entorno de señal mixta (muchas señales analógicas sensibles).

Por supuesto, elegimos el recuento de capas más rentable, pero a menudo no es el mínimo posible, lo que podría introducir problemas de confiabilidad (es más difícil llegar a los límites del tamaño del anillo anular).

Entonces la respuesta es que el conteo de capas está determinado por la aplicación; Si podemos salir con 4 capas, genial. Muy a menudo eso no es realista.

De hecho, los recuentos de capas altas son posibles y se utilizan en algunas aplicaciones.

Pero en realidad se trata de costos y confiabilidad.

Es necesario comprender el proceso de fabricación de PCB para obtener realmente el verdadero control de esto. El hecho es que cada capa que agregue aumenta la probabilidad de que la pila fabricada no pase las pruebas funcionales. En particular, las interconexiones entre y a través de las capas pueden y no pueden conectarse. Como tal, hay un número significativo de tableros de chatarra generados como parte del proceso de fabricación. Cuantas más capas tenga, el costo de producción de los fabricantes aumentará, lo que, por supuesto, se le transmite.

Además, incluso si pasa la prueba en la fabricación, la probabilidad de que esas interconexiones fallen en el campo también aumenta notablemente con el número de capas.

Claro que a menudo sería más fácil, especialmente con las herramientas de CAD de hoy en día, simplemente agregar otra capa, pero cualquier diseñador prudente se esfuerza por mantener los costos bajos y maximizar la confiabilidad del PCB al minimizar el conteo de capas. A menudo, esto significa rediseños leves, reasignación inteligente de pin, cambio de tipos de componentes, etc.

La decisión de agregar otra capa suele ser de último recurso.