Perché non abbiamo PCB con un numero di strati molto elevato (di solito un massimo di 4-6 strati)?

Sembra che ci siano state così tante ricerche sulla realizzazione di circuiti e componenti sempre più piccoli, ma ad un certo punto progetteremo componenti e schede che sono letteralmente solo pochi atomi larghi.

Perché le aziende versano così tanti soldi per dire che un circuito stampato a 4 strati che è 10 pollici quadrati è solo un piatto 4 strati ma forse 8 pollici quadrati, piuttosto che fare una scheda a 8 strati solo 5 pollici quadrati per esempio? (8 è ancora possibile ed è fatto, ma perché questo non è impiegato per dire 100 strati o più?)

Lo stesso principio si applica anche alla progettazione di circuiti integrati? I circuiti integrati di solito sono solo pochi strati e si diffondono in fogli sottili o sono generalmente costruiti più verticalmente?

* Modifica: Quindi una cosa che mi è diventata evidente dai commenti è il fatto che nella progettazione del circuito stampato puoi posizionare i componenti solo sui 2 strati esterni. Ciò renderebbe superflui gli strati interni per qualsiasi cosa diversa dalla tessitura. Che dire del design IC, qualcosa come un processore Intel? Ci sono ancora componenti speciali sui due strati esterni o un processore è più 3D di un circuito?

Diamo un'occhiata a questo PCB per iPhone.

Si noti che non ci sono tracce, solo pad con dispositivi riposti uno accanto all'altro ovunque su entrambi i lati.

Questo è HDI (High Density Interconnect).

Questo è molto pulito. Fondamentalmente si paga un extra per avere gli 1-2 strati esterni su uno o entrambi i lati incisi con caratteristiche estremamente minuscole. Gli strati interni, che sono per lo più piani di potenza e di terra, sono incisi usando regolari processi economici.

Minuscole microvie vengono perforate al laser nei pad per collegare la superficie al successivo strato ad alta densità. Ci sono anche viali ciechi e sepolti.

Semplificare le cose ... il problema principale con i PCB standard è vias. Passano attraverso l'intera tavola e consumano spazio su tutti gli strati. Puoi aggiungere livelli se vuoi, ma saranno comunque pieni di buchi! E diventa costoso. Non puoi restringere un foro passante al di sotto delle dimensioni del trapano e il trapano deve essere abbastanza duro da effettivamente ... sai, trapana l'intera scheda senza rompersi ... quindi non può essere troppo piccola. Inoltre, tutto deve essere allineato e registrato correttamente. Le cose di precisione non sono economiche.

Tuttavia, una microvia attraversa solo uno o due strati molto sottili, quindi può essere praticata con un laser e il foro può essere molto più piccolo. Questi, e anche i Blind / Buried vias liberano spazio su altri livelli e consentono di instradare più tracce e posizionare componenti su entrambi i lati.

Ogni livello può fare molto di più con queste tecnologie.

Non so quali schede stai guardando, ma i conteggi di strati alti sono sicuramente usati dove ha senso economico. Hai guardato la scheda madre di un PC o cellulare ultimamente? Lavoro regolarmente su prodotti compatti per usi speciali con PCB da 6 a 12 strati. In particolare, i pacchetti BGA con un elevato numero di pin richiedono un certo numero di layer solo per effettuare le connessioni (alias "fanout") alle sfere interne.

Ma parte della tua domanda non ha senso. In generale non è possibile sostituire una scheda da 10 pollici con quattro strati con una scheda da 5 pollici con 8 strati - non funziona così. Ricorda, i componenti possono essere montati solo sui due strati esterni, il che pone un limite inferiore sull'area del PCB. Le connessioni tra tali componenti e il cablaggio dello strato interno richiedono vie che occupano anche area sugli strati esterni. I via ciechi e interrati possono in qualche modo mitigare la quantità di area richiesta per il cablaggio, ma aggiungono anche ulteriori fasi di elaborazione e costi alla scheda.

In molti casi, la dimensione della scheda è dettata meno dal numero di componenti e più dal posizionamento di connettori esterni, ecc. Che ha più senso dal punto di vista dell'imballaggio (e dell'esperienza dell'utente). Ad esempio, utilizzare un singolo PCB "sovradimensionato" che si estende completamente dalla parte anteriore alla parte posteriore della scatola può avere senso se elimina le spese di realizzazione di due assiemi separati con cablaggio tra di loro. Quindi il designer ha il "lusso" di distribuire un po 'i componenti e di usare meno strati. Il costo finale della distinta base è spesso più basso con questo approccio.

Risposta alla tua modifica sulla progettazione di circuiti integrati: attualmente i circuiti integrati hanno un solo strato di componenti attivi, che è ancora più restrittivo di un PCB a 2 facciate. Tuttavia, la dimensione minima della funzione dello strato attivo è in genere molto più piccola di quella degli strati di cablaggio in metallo sopra, quindi c'è un notevole vantaggio nell'avere più strati di cablaggio.

Il fattore limitante diventa il fatto che i passaggi da qualsiasi strato di cablaggio allo strato attivo devono passare attraverso tutti gli strati di cablaggio inferiori, limitando la quantità di cablaggio effettivamente eseguibile su quegli strati inferiori. Pertanto, gli strati più bassi tendono ad essere utilizzati solo per le connessioni "più locali" e gli strati più alti per le connessioni più ampie e connessioni globali come alimentatori e segnali di clock.

Come progettista di circuiti stampati, posso dire che è tutto a costo. Ho progettato schede fino a 56 livelli, ma questo è stato un caso molto specifico in cui il costo non era tanto un problema quanto le prestazioni. Un'altra limitazione è lo spessore della scheda; i laminati utilizzati possono essere solo così sottili e quando si aggiungono tutti gli strati a più di 14-16 strati, lo spessore del pannello inizia a superare lo standard di 1,6 mm e nel caso di quel 56 strato di cartone ho progettato lo spessore era superiore 5 mm. Se si dovesse usare attraverso i componenti del foro, si riscontra il problema che queste parti hanno lunghezze dei perni progettate per adattarsi a una scheda con spessori non superiori a 2 mm e se si eccede il fatto che non si avrà abbastanza perno da saldare, quindi non si riesce passare gli standard IPC per la qualità dell'assemblaggio.

Quando si tratta di progettazione di circuiti integrati, il concetto di strato è leggermente diverso in quanto la produzione avviene principalmente per deposizione, ma allo stesso modo di quanto avviene per i PCB, ogni strato aggiunge tempo per essere realizzato e quindi costi.

Noi facciamo. I PCB hanno uno spessore di 16 strati se non molto più spesso.

I circuiti integrati sono uno strato di transistor e quindi 16-32 strati di fili sulla parte superiore.
Gli IC 2.5-d sono pile di questi uno sopra l'altro con interconnessioni tra i wafer di silicio.
I circuiti integrati 3-d avrebbero effettivamente più strati di transistor, ma non sono sicuro che ci siano molti produttori che lo fanno.

Il motivo principale per cercare di mantenere i livelli al minimo è semplicemente il costo. Ogni centesimo costa quando produci molto. Più livelli = più tempo e più costi. Quando hai bisogno dei livelli, ne hai bisogno e sono lì per te se hai il verde.

La riduzione dei costi è il motivo principale.

A metà degli anni '80, la nostra casa madre acquistò una fabbrica di 200k piedi quadrati che produceva tracce di microgriglia a 50 strati in dimensioni MOBO e le presse per queste schede erano enormi per non parlare delle vasche di grandi dimensioni del cassonetto piene di sostanze chimiche liquide d'oro per la placcatura a immersione totale.

Quando ero solito acquistare PCB ogni mese per attività di ricerca e sviluppo e volume, le stime dei costi potevano essere ridotte a poche righe di specifiche che sostanzialmente rappresentavano il peso totale del rame o dello spessore e degli strati * dell'area. Quindi l'aggiunta di più strati aumenta il costo a meno che non sia più sottile. I costi aggiuntivi erano al di fuori della norma di instradamento e quantità e dimensione del foro e sotto i normali 8/8 mil che ora sono scesi a 3 / 3mil track and gap.

Il costo per sostituire un mainframe in termini di prestazioni è come un PC di fascia alta che costa solo lo 0,02% della proprietà di un mainframe.

La regola empirica negli anni '90 per me era di 5 centesimi per quadrato su tutti gli strati di 1 oz Cu

Il pre-preg PCB più sottile che viene prodotto corrisponde a circa 2 mil per strato, quindi più di circa 30-32 strati (e nessun nucleo) richiederà una scheda più spessa dei soliti 1,6 mm.

Il costo per cm ^ 2 di una scheda a 14 strati rispetto a una scheda a 4 strati è di circa 5-6: 1 nella quantità 100 e 12: 1 nella quantità 10, in altre parole i costi di installazione sono piuttosto elevati così come i costi variabili.

È possibile solo avvicinare le parti così vicine in modo che i risparmi siano reali, ma limitati, con conteggi dei livelli più alti. I risparmi si ottengono anche utilizzando i pacchetti più piccoli possibili come pacchetti BGA o chip scale e le parti passive più piccole (inferiori a 0201), usando linee molto sottili (3 o 4 mil, ad esempio), usando vie cieche, vie sepolte, microvie e tralasciando la stampa del designatore. Ognuna di queste cose costa di più e richiede un livello più elevato di tecnologia per lo stesso livello di affidabilità.

In generale, le schede con un elevato numero di strati costano di più per la stessa connettività (le prestazioni possono essere migliori con più piani di massa, quindi non dico funzionalità equivalenti) e hanno costi fissi molto più alti, quindi è meno probabile che vengano visualizzate in dispositivi a basso volume o economici .

Uno smartphone è un esempio in cui il costo è giustificato, ma la maggior parte dei prodotti non ha bisogno (o non può permettersi) di utilizzare l'IC più piccolo e altri pacchetti stipati il ​​più strettamente possibile insieme.

I circuiti integrati, a quanto ho capito, possono usare molti (decine) strati di metallo per la connettività (circuiti integrati digitali complessi come le CPU che possono avere oltre un miliardo di transistor, non semplici chip analogici).

Esiste un problema che 2 strati (con PTH) risolvono: le tracce non possono incrociarsi senza sfruttare alcuni componenti (o bridge / zero-ohm / ...) che lo attraversano.

Esiste un problema che 3 strati risolvono: i ritorni di terra per tracce di segnale di basso o ad alta frequenza si trovano su una rotta diversa rispetto alla traccia stessa, causando loop di massa, impedenza di traccia indefinita, accoppiamento induttivo e schermatura errata. Un piano di massa è più o meno equivalente a una traccia di ritorno a terra esattamente parallela (poiché forma il circuito di induttanza più basso).

Vi è un problema risolto da 4 livelli: il cablaggio di distribuzione dell'alimentazione prende spazio dalle tracce del segnale e aggiunge complessità.

Vi è un problema che 5 strati risolvono: circuiti analogici a basso livello o RF e circuiti digitali (a impulsi) e / o di potenza condividono una terra, e il minimo spostamento di massa causato da quest'ultimo viene fortemente amplificato dal primo.

Qualunque cosa oltre a ciò è solo per soddisfare ulteriore complessità e / o rotaie di potenza extra ...

Esistono molti fattori che determinano il conteggio dei livelli:

1 . Distruzione di potere.

Non è insolito vedere 6 o più power rail su una scheda moderatamente complessa. Una corretta distribuzione può essere una vera sfida (in particolare se ci sono collegamenti ad alta velocità come PCI Express, Fibre channel 4x o anche 10x, Infiniband, 10G ethernet, SMPTE292 o più veloce).

I soli requisiti di alimentazione potrebbero richiedere più livelli; uno switch Infiniband di classe regista che ho progettato 14 anni fa aveva 1,2 V @ 100 A sulle schede del nodo switch. Un LED ad alta luminosità per pilotare un display head-up ha richiesto 15 A a ~ 4,5 V. Questi tipi di requisiti spingono per più livelli di potenza e di terra da soli . 8 livelli di potenza non sono rari in questi casi.

2 . Layout ad alta densità.

Oltre al conteggio dei livelli, i via sono un fattore di costo; può essere meno costoso aggiungere un paio di livelli se il conteggio può essere ridotto. Anche la dimensione del foro determina costi; sebbene la normale dimensione minima del foro di 0,3 mm non aumenti normalmente i costi, il superamento delle proporzioni dello spessore della scheda con una dimensione del trapano di 8: 1 lo farà sicuramente perché il costruttore sa che questo aumenterà drasticamente la rottura della punta. Questo è un po 'di pollo e uova poiché l'aumento del numero di strati può aumentare la dimensione minima del foro.

3 . Un sacco di interconnessione ad alta velocità.

Le coppie ad alta velocità funzionano meglio con il routing a singolo strato (un breakout solo su ciascuna estremità) per una serie di motivi. Si consideri un PCB con 2 interconnessioni DDR3 2100 indipendenti, 32 corsie di PCI express a 8 Gb / s; tutto ciò richiede più livelli di routing. Questo può essere molto impegnativo in un ambiente a segnale misto (molti analogici sensibili).

Ovviamente scegliamo il conteggio dei livelli più conveniente, ma spesso non è il minimo possibile, il che potrebbe introdurre problemi di affidabilità (mi viene in mente la limitazione dei limiti tramite la dimensione dell'anello anulare.

Quindi la risposta è che il conteggio dei livelli è determinato dall'applicazione; se riusciamo a cavarcela con 4 strati, fantastico. Abbastanza spesso ciò non è realistico.

Sono infatti possibili conteggi di strati elevati e utilizzati in alcune applicazioni.

Ma in realtà si tratta di costi e affidabilità.

È necessario comprendere il processo di produzione di PCB per ottenere davvero il vero vantaggio su questo. Il fatto è che ogni strato aggiunto aumenta la probabilità che lo stack prodotto non superi i test funzionali. In particolare, le interconnessioni tra e attraverso i livelli possono e non riescono a connettersi. Come tale, esiste un numero significativo di pannelli di scarto generati come parte del processo di produzione. Più strati hai aumenta il costo di produzione del produttore, che, ovviamente, ti viene trasferito.

Inoltre, anche se supera i test in produzione, anche la probabilità che le interconnessioni falliscano sul campo aumenta notevolmente con il numero di strati.

Sicuramente sarebbe spesso più facile, soprattutto con gli strumenti CAD di oggi, aggiungere un altro livello, ma qualsiasi progettista prudente si impegna a contenere i costi e massimizzare l'affidabilità del PCB stesso minimizzando il conteggio dei livelli. Spesso ciò significa lievi riprogettazioni, riassegnazione intelligente dei pin, modifica dei tipi di componenti ecc.

La decisione di aggiungere un altro livello è di solito l'ultima risorsa.