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

Parece que se ha realizado mucha investigación sobre la fabricación de circuitos y componentes que son cada vez más pequeños, pero en cierto momento diseñaremos componentes y placas que literalmente tienen unos pocos átomos de ancho.

¿Por qué las empresas invierten tanto dinero en hacer una placa de circuito de 4 capas que tiene 10 pulgadas cuadradas y solo 4 capas planas, pero tal vez 8 pulgadas cuadradas, en lugar de hacer una placa de 8 capas de solo 5 pulgadas cuadradas, por ejemplo? (8 todavía es posible y está hecho, pero ¿por qué no se toma esto para decir 100 capas o más?)

¿También se aplica este mismo principio al diseño de CI? ¿Los circuitos integrados generalmente son solo unas pocas capas y se extienden en láminas delgadas, o generalmente se construyen más verticalmente?

* Editar: Entonces, una cosa que me ha resultado evidente en los comentarios es el hecho de que en el diseño de la placa de circuito solo se pueden colocar componentes en las 2 capas externas. Eso haría innecesarias las capas internas para otra cosa que no sea tejer. ¿Qué pasa con el diseño de IC, algo así como un procesador Intel? ¿Todavía hay componentes especiales en las dos capas externas, o es un procesador más 3D que una placa de circuito?

Echemos un vistazo a este PCB de iPhone.

Tenga en cuenta que no hay rastros, solo almohadillas con dispositivos colocados uno al lado del otro en todas partes en ambos lados.

Esto es HDI (interconexión de alta densidad).

Esto es muy bueno. Básicamente, paga extra para 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, se graban usando procesos baratos regulares.

Pequeñas microvias se perforan con láser en las almohadillas para conectar la superficie a la siguiente capa de alta densidad. También hay vias ciegas y enterradas.

Simplificando las cosas ... el principal problema con los PCB estándar es vias. Atraviesan todo el tablero y se comen el espacio en todas las capas. Puede agregar capas si lo desea, ¡pero aún estarán llenas de agujeros! Y se pone caro. No puede encoger un orificio pasante por debajo del tamaño del taladro, y el taladro tiene que ser lo suficientemente resistente como para ... ya sabes, perforar toda la tabla sin romperse ... por lo que no puede ser demasiado pequeño. Además, todo tiene que alinearse y registrarse correctamente. Las cosas de precisión no son baratas.

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

Cada capa puede hacer mucho más con estas tecnologías.

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

Pero parte de su pregunta no tiene sentido. En general, no puede reemplazar una placa de 10 pulgadas cuadradas que tiene cuatro capas con una placa de 5 pulgadas cuadradas que tiene 8 capas, no funciona así. Recuerde, los componentes solo se pueden montar en las dos capas externas, 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 área en las capas externas. Las vías ciegas y enterradas pueden mitigar un poco la cantidad de área requerida para el cableado, pero también agregan pasos de procesamiento adicionales y costos a la placa.

En muchos casos, el tamaño de la placa depende menos del número de componentes y más de la ubicación de los conectores externos, etc., que tiene más sentido desde el punto de vista del embalaje (y la experiencia del usuario). Por ejemplo, usar una sola PCB "de gran tamaño" que se extienda desde el frente hasta la parte trasera de la caja puede tener sentido si elimina el gasto de hacer dos ensamblajes separados con cableado entre ellos. Luego, el diseñador tiene el "lujo" de extender un poco los componentes y usar menos capas. El costo final de la lista de materiales es a menudo más bajo con este enfoque.

En respuesta 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 lados. Sin embargo, el tamaño mínimo de la característica de la capa activa es típicamente mucho más pequeño que el de las capas de cableado de metal anteriores, por lo que es de gran beneficio tener múltiples capas de cableado.

El factor limitante se convierte en el hecho de que las vías desde cualquier capa de cableado a la capa activa deben pasar por todas las capas de cableado inferiores, lo que limita 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 conexiones globales, como fuentes de alimentación y señales de reloj.

Como diseñador de circuitos impresos, puedo decir que todo se debe al costo. He diseñado placas de hasta 56 capas, pero este fue un caso muy específico en el que el costo no fue tanto un problema como el rendimiento. Otra limitación es el grosor del tablero; los laminados utilizados solo pueden ser tan delgados, y cuando agrega todas las capas a más de 14-16 capas, el grosor del tablero comienza a exceder el estándar de 1.6 mm, y en el caso de ese tablero de 56 capas que diseñé, el grosor había terminado 5mm. Si usara componentes de orificio pasante, se encuentra con el problema de que estas piezas tienen longitudes de pasador diseñadas para ajustarse a una placa con espesores no mayores de 2 mm, y si excede eso, no tendrá suficiente pasador para soldar, por lo tanto, no para aprobar los estándares IPC para la calidad del ensamblaje.

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

Hacemos. Los PCB tienen 16 capas de grosor, si no mucho más.

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

La razón principal para tratar de mantener las capas al mínimo es simplemente el costo. Cada centavo cuesta cuando estás fabricando mucho. Más capas = más tiempo y más costo. Sin embargo, cuando necesita las capas, las necesita y están a su disposición si tiene el verde.

La reducción de costos es la razón principal.

A mediados de los años 80, nuestra empresa matriz compró una fábrica de 200 pies cuadrados que fabricaba pistas de microrredes de 50 capas en tamaño MOBO y las prensas para estos tableros eran enormes, sin mencionar los grandes recipientes del tamaño de un contenedor lleno de productos químicos de oro líquido para el chapado de inmersión completa.

Cuando solía comprar PCB todos los meses para investigación y desarrollo y volumen, los costos estimados podían reducirse a unas pocas líneas de especificaciones que básicamente eran el peso total de cobre o el espesor y las capas de área *. Por lo tanto, agregar más capas agrega costos a menos que sea más delgado. Los costos adicionales estaban fuera de la norma de enrutamiento y cantidad y tamaño del pozo y por debajo de 8/8 milésimas de pulgada normales, que ahora se redujo a 3 / 3mil de pista y espacio.

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

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

El pre-preg PCB más delgado que se hace corresponde a alrededor de 2 mils por capa, por lo que más de aproximadamente 30-32 capas (y sin núcleo) requerirán una placa más gruesa que los 1.6 mm habituales.

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 los costos variables.

Solo puede obtener las partes tan juntas para que los ahorros sean reales, pero limitados, con un mayor recuento 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 impresión de designación. Cada una de esas cosas cuesta más y requiere un mayor nivel de tecnología para el mismo nivel de confiabilidad.

En general, las placas de conteo 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 dispositivos de bajo volumen o baratos .

Un teléfono inteligente es un ejemplo en el que el costo está justificado, pero la mayoría de los productos no necesitan (o no pueden permitirse) usar el IC más pequeño y otros paquetes agrupados lo más estrechamente posible.

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

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

Hay un problema que resuelven 3 capas: los retornos a tierra para trazas de señal de bajo nivel o alta frecuencia están en una ruta diferente a la traza misma, lo que provoca 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 a tierra exactamente paralela (ya que forma el bucle de inductancia más baja).

Hay un problema que resuelven 4 capas: el cableado de distribución de energía toma espacio de los rastros de señal y agrega complejidad.

Hay un problema que resuelven 5 capas: los circuitos analógicos de RF o de bajo nivel y los circuitos digitales (de pulso) y / o de potencia comparten una tierra, y el cambio de tierra más leve causado por este último se amplifica en gran medida por el primero.

Cualquier cosa más allá de eso solo atiende a una complejidad adicional y / o rieles de potencia adicionales ...

Hay muchos factores que determinan el recuento de capas:

1 . Distribución de energía.

No es inusual ver 6 o más rieles de potencia en un tablero moderadamente complejo. 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 energía por sí solos pueden necesitar varias capas; un conmutador Infiniband de clase director que diseñé hace 14 años tenía 1.2V @ 100A en las placas de nodo de conmutador. Un LED de alto brillo para conducir una pantalla frontal tomó 15A a ~ 4.5V. Estos tipos de empuje requisito de múltiples capas de alimentación y de tierra por sí solos . 8 capas de poder no es infrecuente en tales casos.

2 . Diseño de alta densidad.

Además del recuento de capas, las vías son un factor de costo; agregar un par de capas puede ser menos costoso si se puede reducir el recuento por vía. Vía el tamaño del agujero también impulsa el costo; aunque el tamaño mínimo normal del agujero de 0.3 mm normalmente no agregará mucho costo, exceder la relación de aspecto del grosor de la tabla a través del tamaño de perforación de 8: 1 definitivamente lo hará porque el fabricante sabe que esto aumentará drásticamente la rotura de la broca. Esto es un poco de pollo y huevo, ya que aumentar el recuento de capas puede aumentar el tamaño mínimo del agujero.

3 . Mucha interconexión de alta velocidad.

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

Por supuesto, elegimos el recuento de capas más rentable, pero a menudo ese no es el mínimo posible, lo que podría introducir problemas de fiabilidad (viene a la mente empujar los límites a través del tamaño del anillo anular.

Entonces la respuesta es que el recuento de capas está determinado por la aplicación; si podemos escapar 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 costo y confiabilidad.

Debe comprender el proceso de fabricación de PCB para realmente entenderlo. El hecho es que cada capa que agrega aumenta la probabilidad de que la pila fabricada no pase la prueba funcional. En particular, las interconexiones entre y a través de 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, aumentará el costo de producción de los fabricantes, que, por supuesto, le será transferido.

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

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

La decisión de agregar otra capa suele ser la última opción.