Dlaczego nie mamy płytek PCB o bardzo dużej liczbie warstw (zwykle maksymalnie 4-6 warstw)?

Wygląda na to, że przeprowadzono tak wiele badań nad tworzeniem coraz mniejszych obwodów i komponentów, ale w pewnym momencie będziemy projektować komponenty i płytki o dosłownie kilku atomach szerokości.

Dlaczego firmy nakładają tak dużo pieniędzy na powiedzmy, że 4-warstwowa płytka drukowana, która ma 10 cali kwadratowych, to wciąż tylko 4-warstwowe, ale może 8-centymetrowe kwadratowe, zamiast po prostu na przykład zrobić 8-warstwową płytkę drukowaną tylko 5 cali kwadratowych? (8 jest nadal możliwe i jest zrobione, ale dlaczego nie zajmuje to 100 lub więcej warstw?)

Czy ta sama zasada dotyczy również projektowania układów scalonych? Czy układy scalone są zwykle tylko kilkoma warstwami i są rozłożone na cienkie arkusze, czy też zazwyczaj są zbudowane bardziej pionowo?

* Edycja: Więc jedną rzeczą, która stała się dla mnie oczywista z komentarzy, jest fakt, że w projektowaniu płytek drukowanych można naprawdę umieszczać komponenty tylko na zewnętrznych 2 warstwach. To sprawiłoby, że wewnętrzne warstwy nie byłyby potrzebne do niczego innego niż tkanie. Co z projektowaniem układów scalonych, czymś w rodzaju procesora Intel? Czy na zewnętrznych dwóch warstwach są jeszcze specjalne elementy, czy też procesor jest bardziej trójwymiarowy niż płytka drukowana?

Rzućmy okiem na tę płytkę iPhone.

Zauważ, że nie ma śladów, tylko pady z urządzeniami upchniętymi obok siebie wszędzie po obu stronach.

To jest HDI (High Density Interconnect).

To jest bardzo miłe. Zasadniczo płacisz dodatkowo za to, że 1-2 zewnętrzne warstwy po jednej lub obu stronach są wytrawione niezwykle drobnymi elementami. Wewnętrzne warstwy, które i tak są głównie płaszczyznami mocy i ziemi, są trawione przy użyciu regularnych tanich procesów.

Małe mikrowie są wiercone laserowo w podkładkach, aby połączyć powierzchnię z następną warstwą o wysokiej gęstości. Są też ślepe i zakopane przelotki.

Upraszczanie rzeczy ... głównym problemem ze standardowymi płytkami drukowanymi są przelotki. Przechodzą przez całą planszę i zajmują miejsce na wszystkich warstwach. Możesz dodać warstwy, jeśli chcesz, ale nadal będą pełne dziur! I robi się drogo. Nie możesz zmniejszyć otworu przelotowego poniżej wielkości wiertła, a wiertło musi być wystarczająco mocne, aby właściwie ... no wiesz, wywiercić całą płytę bez pęknięcia ... więc nie może być za mała. Ponadto wszystko musi się odpowiednio wyrównać i zarejestrować. Rzeczy precyzyjne nie są tanie.

Jednak microvia przechodzi tylko przez jedną lub dwie bardzo cienkie warstwy, dzięki czemu można go wiercić laserem, a otwór może być znacznie mniejszy. Te, a także ślepe / zakopane przelotki zwalniają miejsce na innych warstwach i pozwalają trasować więcej śladów oraz umieszczać komponenty po obu stronach.

Każda warstwa może zrobić znacznie więcej dzięki tym technologiom.

Nie wiem, na które tablice patrzysz, ale wysokie liczby warstw są zdecydowanie używane tam, gdzie ma to sens ekonomiczny. Czy ostatnio oglądałeś płytę główną komputera lub telefonu komórkowego? Regularnie pracuję nad kompaktowymi produktami specjalnymi, które mają gdziekolwiek od 6 do 12 warstw PCB. W szczególności pakiety BGA o dużej liczbie pinów wymagają pewnej liczby warstw, aby wykonać połączenia (inaczej „fanout”) z wewnętrznymi kulkami.

Ale część twojego pytania nie ma sensu. Zasadniczo nie można zastąpić płyty o powierzchni 10 m2, która ma cztery warstwy, płytą o powierzchni 5 m2, która ma 8 warstw - tak to nie działa. Pamiętaj, że komponenty można montować tylko na dwóch zewnętrznych warstwach, co nakłada dolną granicę na powierzchnię płytki drukowanej. Połączenia między tymi elementami a okablowaniem warstwy wewnętrznej wymagają przelotek, które również zajmują obszar na warstwach zewnętrznych. Ślepe i zakopane przelotki mogą nieco zmniejszyć powierzchnię wymaganą do okablowania, ale dodają również dodatkowe etapy przetwarzania i koszty na płycie.

W wielu przypadkach rozmiar płyty jest podyktowany mniejszą liczbą elementów, a bardziej umieszczeniem zewnętrznych złączy itp., Które są najbardziej sensowne z punktu widzenia opakowania (i doświadczenia użytkownika). Na przykład użycie pojedynczej „przewymiarowanej” płytki drukowanej, która rozciąga się od przodu do tyłu pudełka, może mieć sens, jeśli wyeliminuje koszt tworzenia dwóch oddzielnych zespołów z okablowaniem między nimi. Następnie projektant ma „luksus” polegający na tym, że rozkłada elementy nieco i używa mniejszej liczby warstw. Przy takim podejściu końcowy koszt BOM jest często najniższy.

W odpowiedzi na Twoją edycję dotyczącą projektowania układów scalonych: W rzeczywistości układy scalone mają tylko JEDNĄ warstwę aktywnych komponentów, co jest jeszcze bardziej restrykcyjne niż dwustronna płytka drukowana. Jednak minimalny rozmiar elementu warstwy aktywnej jest zwykle znacznie mniejszy niż w przypadku metalowych warstw okablowania powyżej, więc wiele warstw okablowania ma znaczną zaletę.

Czynnikiem ograniczającym staje się fakt, że przelotki z dowolnej warstwy okablowania do warstwy aktywnej muszą przejść przez wszystkie dolne warstwy okablowania, ograniczając ile okablowania można faktycznie wykonać na tych dolnych warstwach. Dlatego też najniższe warstwy są zwykle używane tylko dla „najbardziej lokalnych” połączeń, a wyższe warstwy dla bardziej dalekosiężnych połączeń i połączeń globalnych, takich jak zasilacze i sygnały zegarowe.

Jako projektant obwodów drukowanych mogę powiedzieć, że wszystko zależy od kosztów. Zaprojektowałem płyty do 56 warstw, ale był to bardzo konkretny przypadek, w którym koszt nie był tak duży, jak wydajność. Innym ograniczeniem jest grubość płyty; zastosowane laminaty mogą być tak cienkie, a kiedy dodasz wszystkie warstwy do ponad 14-16 warstw, grubość płyty zaczyna przekraczać standard 1,6 mm, a w przypadku tej 56-warstwowej płyty, którą zaprojektowałem, grubość została przekroczona 5mm Gdybyś używał elementów przelotowych, natrafisz na problem, że te części mają długości szpilek zaprojektowane tak, aby pasowały do ​​płyty o grubości nie większej niż 2 mm, a jeśli przekroczysz to, nie będziesz miał wystarczającej ilości szpilki do lutowania, w związku z czym przekazać standardy IPC dotyczące jakości montażu.

Jeśli chodzi o projektowanie układów scalonych, koncepcja warstw jest nieco inna, ponieważ produkcja odbywa się głównie przez osadzanie, ale w taki sam sposób, jak w przypadku płytek drukowanych, każda warstwa dodaje czasu na wykonanie, a tym samym koszty.

My robimy. Płytki drukowane mają grubość 16 warstw, jeśli nie są dużo grubsze.

Układy scalone to jedna warstwa tranzystorów, a następnie 16-32 warstwy drutów na górze.
Układy scalone 2.5-d to stosy na sobie nawzajem z połączeniami między krzemowymi płytkami.
Układy 3-d faktycznie miałyby wiele warstw tranzystorów, ale nie jestem pewien, czy robi to wielu producentów.

Głównym powodem prób ograniczenia warstw do minimum jest po prostu koszt. Każdy grosz kosztuje, gdy produkujesz dużo czegoś. Więcej warstw = więcej czasu i więcej kosztów. Kiedy potrzebujesz warstw, potrzebujesz ich, a są one dla Ciebie, jeśli masz zielony.

Głównym powodem jest redukcja kosztów.

W połowie lat 80-tych nasza firma macierzysta kupiła fabrykę o powierzchni 200 tys. M2, która wyprodukowała 50-warstwowe ścieżki mikrosieciowe w rozmiarze MOBO, a prasy do tych płyt były ogromne, nie wspominając o dużych kadziach wielkości śmietników pełnych ciekłych złotych chemikaliów do pełnego zanurzenia.

Kiedy kupowałem płytki drukowane co miesiąc na potrzeby badań i rozwoju oraz objętości, szacunki kosztów można zmniejszyć do kilku wierszy specyfikacji, które w zasadzie były całkowitą wagą miedzi lub warstwami grubości i powierzchni *. Tak więc dodanie większej liczby warstw zwiększa koszty, chyba że jest cieńsze. Dodatkowe koszty wykraczały poza normę frezowania i ilości i wielkości dołka, a także poniżej normalnej wartości 8/8 mil, co jest obecnie zmniejszone do 3 / 3mil toru i luki.

Koszt zastąpienia komputera mainframe wydajnością jest jak wysokiej klasy komputer PC, który kosztuje tylko 0,02% własności komputera mainframe.

W latach 90. stosowano dla mnie zasadę 5 centów za kwadrat na wszystkich warstwach 1 uncji Cu

Najcieńsza wstępnie przygotowana płytka drukowana odpowiada około 2 milom na warstwę, więc więcej niż około 30-32 warstw (i bez rdzenia) będzie wymagało grubszej płyty niż zwykłe 1,6 mm.

Koszt za cm ^ 2 płyty 14-warstwowej w porównaniu z płytą 4-warstwową wynosi około 5-6: 1 w ilości 100 i 12: 1 w ilości 10, innymi słowy koszty instalacji są dość wysokie, a także koszty zmienne.

Części można zbierać tak blisko siebie, aby oszczędności były realne, ale ograniczone, przy większej liczbie warstw. Oszczędności osiąga się również dzięki zastosowaniu najmniejszych możliwych pakietów, takich jak BGA lub pakiety w skali chipowej i najmniejszych pasywnych części (mniejszych niż 0201), przy użyciu bardzo cienkich linii (na przykład 3 lub 4 mil), przy użyciu przelotek ślepych, zakopanych przelotek, mikrowodów i pomijając drukowanie desygnatora. Każda z tych rzeczy kosztuje więcej i wymaga wyższego poziomu technologii dla tego samego poziomu niezawodności.

Ogólnie rzecz biorąc, płyty o dużej liczbie warstw kosztują więcej za tę samą łączność (wydajność może być lepsza przy większej liczbie płaszczyzn uziemienia, więc nie mówię, że równoważna funkcjonalność) i mają znacznie wyższe koszty stałe, więc mniej prawdopodobne jest, że będą widoczne w urządzeniach o niskiej objętości lub tanich .

Smartfon to przykład, w którym koszty są uzasadnione, ale większość produktów nie musi (lub nie może sobie pozwolić) na użycie najmniejszego układu scalonego i innych pakietów stłoczonych tak ściśle, jak to możliwe.

Układy scalone, jak rozumiem, mogą wykorzystywać wiele (dziesiątki) warstw metalu do połączeń (złożone cyfrowe układy scalone, takie jak procesory, które mogą mieć ponad miliard tranzystorów, a nie proste układy analogowe).

Jest problem, który rozwiązują 2 warstwy (z PTH): ślady nie mogą się krzyżować bez wykorzystania jakiegoś elementu (lub mostka / zera-omu / ...).

Problem polega na rozwiązaniu 3 warstw: powroty uziemienia dla śladów sygnału niskiego poziomu lub wysokiej częstotliwości są na innej drodze niż sam ślad, powodując pętle uziemienia, nieokreśloną impedancję śladu, sprzężenie indukcyjne i złe ekranowanie. Płaszczyzna uziemienia jest mniej więcej równoważna dokładnie równoległemu śladowi powrotnemu uziemienia (ponieważ tworzy pętlę o najniższej indukcyjności).

Problem polega na rozwiązaniu 4 warstw: okablowanie dystrybucji energii zajmuje miejsce od śladów sygnału i zwiększa złożoność.

Istnieje problem, który rozwiązuje 5 warstw: obwody analogowe niskiego poziomu lub RF oraz obwody cyfrowe (impulsowe) i / lub zasilające dzielą uziemienie, a najmniejsze przesunięcie uziemienia spowodowane przez to drugie jest silnie wzmacniane przez to pierwsze.

Wszystko inne poza tym zapewnia dodatkową złożoność i / lub dodatkowe szyny zasilające ...

Istnieje wiele czynników, które determinują liczbę warstw:

1 . Dystrybucja mocy.

Nie jest niczym niezwykłym widzieć 6 lub więcej szyn zasilających na umiarkowanie złożonej płycie. Właściwa dystrybucja może być sporym wyzwaniem (szczególnie, jeśli istnieją łącza o dużej prędkości, takie jak PCI Express, Fibre Channel 4x lub nawet 10x, Infiniband, Ethernet 10G, SMPTE292 lub szybszy).

Same wymagania mocy mogą wymagać wielu warstw; przełącznik Infiniband klasy dyrektorskiej, który zaprojektowałem 14 lat temu, miał 1,2 V @ 100 A na płytkach węzłów przełączających. Dioda LED o wysokiej jasności do napędzania wyświetlacza head up zajęła 15 A przy ~ 4,5 V. Tego rodzaju wymóg naciśnięciem dla wielu elektrowni i podziemnych warstw pojedynczo . 8 warstw mocy nie jest rzadkością w takich przypadkach.

2 . Układ o wysokiej gęstości.

Oprócz liczby warstw przelotki są czynnikiem napędzającym koszty; dodanie kilku warstw może być tańsze, jeśli można zmniejszyć liczbę operacji. Rozmiar otworu zwiększa również koszty; chociaż zwykły minimalny rozmiar otworu wynoszący 0,3 mm zwykle nie spowoduje dużego kosztu, przekroczenie proporcji grubości płyty do wiertła o średnicy 8: 1 na pewno to zrobi, ponieważ producent wie, że drastycznie zwiększy to złamanie wiertła. To trochę kurczak i jajko, ponieważ zwiększenie liczby warstw może zwiększyć minimalny rozmiar otworu.

3) . Wiele szybkich połączeń.

Pary o dużej prędkości najlepiej działają z routingiem jednowarstwowym (przebijanie tylko na każdym końcu) z różnych powodów. Rozważmy płytkę drukowaną z 2 niezależnymi połączeniami DDR3 2100, 32 liniami PCI express przy 8 Gb / s; wszystko to wymaga wielu warstw routingu. Może to być bardzo trudne w środowisku o mieszanym sygnale (dużo wrażliwych analogów).

Oczywiście wybieramy najbardziej opłacalną liczbę warstw, ale często nie jest to minimum możliwe, co może powodować problemy z niezawodnością (przychodzi na myśl przekroczenie limitu pierścieniowego rozmiaru.

Odpowiedzią jest więc, że liczba warstw zależy od aplikacji; jeśli uda nam się uciec z 4 warstwami, świetnie. Dość często nie jest to realistyczne.

Wysokie liczby warstw są w rzeczywistości możliwe i wykorzystywane w niektórych aplikacjach.

Ale w rzeczywistości sprowadza się to do kosztów i niezawodności.

Musisz zrozumieć proces produkcji PCB, aby naprawdę sobie z tym poradzić. Faktem jest, że każda dodana warstwa zwiększa prawdopodobieństwo, że wyprodukowany stos nie przejdzie testów funkcjonalnych. W szczególności połączenia między warstwami i między nimi mogą się nie nawiązywać. Jako taka istnieje znaczna liczba skrawków wytwarzanych w ramach procesu produkcyjnego. Im więcej warstw masz, tym większa jest cena produkcji producenta, która oczywiście zostaje Ci przekazana.

Co więcej, nawet jeśli przejdzie testy produkcyjne, prawdopodobieństwo awarii połączeń w terenie również znacznie wzrasta wraz z liczbą warstw.

Oczywiście, często byłoby łatwiej, szczególnie w przypadku dzisiejszych narzędzi CAD, po prostu dodać kolejną warstwę, ale każdy rozważny projektant stara się obniżyć koszty i zmaksymalizować niezawodność samej płytki drukowanej, minimalizując liczbę warstw. Często oznacza to niewielkie przeprojektowanie, sprytne przypisanie pinów, zmianę typów komponentów itp.

Decyzja o dodaniu kolejnej warstwy jest zwykle ostatecznością.