Чому ми не маємо дуже багато шарів PCB (як правило, максимум 4-6 шарів)?

Здається, що було проведено стільки досліджень щодо виготовлення мікросхем та компонентів, які є все меншими та меншими, але в певний момент ми будемо проектувати компоненти та плати, що мають буквально ширину декількох атомів.

Чому компанії вкладають стільки грошей на виготовлення 4-шарової плати, яка на 10 квадратних дюймів все ще залишається лише плоскою 4 шарами, але, можливо, 8 квадратних дюймів, а не просто робити 8-шарову дошку, наприклад, 5 квадратних дюймів? (8 все ще можливо, і це зроблено, але чому це не прийнято сказати 100 шарів і більше?)

Чи застосовується цей самий принцип і для дизайну ІС? ІК зазвичай буває лише в декілька шарів і поширюється на тонкі листи, або вони, як правило, будуються вертикальніше?

* Редагувати: Отже, одне, що мені стало очевидно з коментарів, - це те, що в дизайні друкованої плати ви можете дійсно розміщувати компоненти лише на зовнішніх 2 шарах. Це зробило б внутрішні шари зайвими для нічого, крім ткацтва. А як щодо дизайну ІС, щось на зразок Intel-процесора? Чи є на зовнішніх двох шарах спеціальні компоненти чи процесор більше 3D, ніж плата?

Давайте подивимось на цю плату iPhone.

Зауважте, що слідів немає, лише накладки з пристроями, наповнені один біля одного, скрізь з обох боків.

Це HDI (High Density Interconnect).

Це дуже акуратно. В основному ви доплачуєте, щоб 1-2 зовнішніх шару на одній або обох сторонах були втравлені надзвичайно крихітними функціями. Внутрішні шари, які так чи інакше є силовими і наземними площинами, так само протруюються за допомогою регулярних дешевих процесів.

Крихітні мікровіруси просвердлюються лазерними подушечками для підключення поверхні до наступного шару високої щільності. Там також сліпі та поховані віаси.

Спрощення речей ... Основна проблема стандартних друкованих плат - це віаси. Вони проходять через весь борт і з'їдають простір на всіх шарах. Ви можете додати шари, якщо хочете, але вони все одно будуть повні дірок! І це дорого коштує. Ви не можете стиснути отвір через розмір свердла, і свердло повинно бути досить жорстким, щоб насправді ... ви знаєте, просвердлити всю дошку, не зламаючи ... так що вона не може бути занадто маленькою. Також все має вирівнятись та зареєструватися належним чином. Точність речі недешева.

Однак мікровія проходить лише один або два дуже тонкі шари, тому її можна просвердлити лазером, а отвір може бути набагато меншим. Ці, а також сліпі / поховані віаси звільняють простір на інших шарах і дозволяють прокладати більше слідів і розміщувати компоненти з обох сторін.

Кожен шар може зробити набагато більше за допомогою цих технологій.

Я не знаю, на які дошки ви дивитесь, але підрахунок високих шарів, безумовно, використовується там, де це має економічний сенс. Ви останнім часом переглядали материнську плату ПК чи мобільного телефону? Я регулярно працюю над компактними продуктами спеціального призначення, які мають від 6 до 12 шарів друкованих плат. Зокрема, для пакетів BGA з високою кількістю штифтів потрібна певна кількість шарів лише для того, щоб здійснити з'єднання (він же "fanout") до внутрішніх кульок.

Але частина вашого питання не має сенсу. Загалом, ви не можете замінити дошку площею 10 кв. Дюйму, яка має чотири шари, дошку 5 кв. Дюйма, яка має 8 шарів - вона не працює так. Пам'ятайте, компоненти можна монтувати лише на зовнішніх двох шарах, що ставить нижню межу на площу друкованої плати. З'єднання між цими компонентами та внутрішньошаровим електропроводкою вимагають віясів, які також займають площу на зовнішніх шарах. Сліпі та закопані вії можуть дещо пом’якшити кількість площі, необхідної для проводки, але вони додають додаткових кроків обробки та витрат на плату.

У багатьох випадках розмір плати диктується менше кількістю компонентів і більше розміщенням зовнішніх роз'ємів тощо, що має найбільш сенс з точки зору упаковки (та досвіду користувача). Наприклад, використання однієї «великої» плати, яка розтягується повністю від передньої до задньої частини коробки, може мати сенс, якщо це усуне витрату на виготовлення двох окремих вузлів з проводкою між ними. Тоді у дизайнера є "розкіш", щоб трохи розкласти компоненти і використовувати менше шарів. Кінцева вартість BOM часто найнижча при використанні цього підходу.

Відповідаючи на вашу редакцію щодо дизайну ІС: Насправді ІС мають лише ОДИН шар активних компонентів, що є навіть більш обмежуючим, ніж двостороння друкована плата. Однак мінімальний розмір активного шару, як правило, набагато менший, ніж розмір металевих проводів вище, тому існує значна користь від наявності декількох шарів проводки.

Обмежуючим фактором стає той факт, що віаси від будь-якого проводкового шару до активного шару повинні проходити через усі нижчі шари проводки, обмежуючи, скільки електропроводки може бути реально виконано на цих нижчих шарах. Тому найнижчі шари, як правило, використовуються лише для "найбільш локальних" з'єднань, а більш високі - для більш далеких і глобальних з'єднань, таких як джерела живлення та тактові сигнали.

Як дизайнер друкованої плати, я можу сказати, що все це варто. Я створив дошки до 56 шарів, але це був дуже специфічний випадок, вартість була не стільки проблемою, скільки продуктивністю. Ще одне обмеження - це товщина дошки; використовувані ламінати можуть бути тільки такими тонкими, і коли ви додаєте всі шари понад 14-16 шарів, товщина дошки починає перевищувати стандартну 1,6 мм, і у випадку 56-шарової дошки я розробив товщину 5мм. Якщо ви хочете використовувати через отвори компоненти, ви стикаєтеся з тим, що ці деталі мають довжину штифтів, призначених для розміщення дошки товщиною не більше 2 мм, і якщо ви перевищуєте, у вас не буде достатньо штифта для пайки, тому не вдається пройти стандарти IPC щодо якості складання.

Що стосується дизайну ІС, концепція шару дещо відрізняється, оскільки виготовлення відбувається в основному шляхом осадження, але так само, як і для друкованих плат, кожен шар додає часу на виготовлення, а отже, і витрат.

Ми робимо. Плати йдуть на 16 шарів товщиною, якщо не набагато товщі.

ІК - це один шар транзисторів, а потім 16-32 шари проводів зверху.
2.5-d ІС - це стеки таких поверх інших елементів із з'єднаннями між кремнієвими пластинами.
3-d ІС насправді мали б кілька шарів транзисторів, але я не впевнений, що багато виробників це роблять.

Основна причина намагання звести шари до мінімуму - це просто вартість. Кожна копійка коштує, коли ви багато чого виготовляєте. Більше шарів = більше часу та більше витрат. Коли вам потрібні шари, вони вам потрібні, і вони там для вас, якщо у вас є зелений колір.

Зниження витрат є основною причиною.

У середині 80-х років нашої материнської компанії придбали фабрику площею 200 тис. Квт, яка зробила 50-шарові доріжки мікросетки розміром MOBO, а преси для цих дощок були масивними, не кажучи вже про великі чани розміром із смітником, наповнені рідкими золотими хімічними речовинами для повного занурення.

Коли я купував друковані плати щомісяця для науково-дослідної роботи та обсягу, кошторис витрат міг би бути зменшений до кількох рядків технічних характеристик, які в основному були загальною вагою міді або товщиною та площею * шарів. Таким чином, додавання більшої кількості шарів збільшує вартість, якщо вона не стає тоншою. Додані витрати були поза нормою маршрутизації та кількості отворів і за нормальних 8/8 млн, що зараз до 3 / 3мл колії та розриву.

Вартість заміни мейнфрейму в продуктивності схожа на ПК високого класу, який коштує лише 0,02% від володіння мейнфреймом.

У 90-х для мене правилом було 5 центів на квадрат у всіх шарах по 1 унц

Найтонша попередня попередня плата, що виготовляється, відповідає приблизно 2 милам на шар, тому для більш ніж 30-32 шарів (і жодної основи) не буде потрібно більш товста дошка, ніж звичайна 1,6 мм.

Вартість на см ^ 2 14-шарової дошки та 4-шарової дошки становить приблизно 5-6: 1 у кількості 100 та 12: 1 у кількості 10, інакше кажучи, вартість установки досить висока, а також змінні витрати.

Ви можете лише зблизити деталі так, щоб економія була реальною, але обмежена, з більшим числом шарів. Економія також досягається використанням найменших можливих пакетів, таких як пакети BGA або чіп-шкали та найменші пасивні частини (менше 0201), використовуючи дуже тонкі лінії (наприклад, 3 або 4 мільйони), використовуючи сліпі віаси, закопані віа, мікровії , і залишаючи друк позначень. Кожна з цих речей коштує дорожче і вимагає більш високого рівня технології для того ж рівня надійності.

В основному плати з високим рівнем шарів коштують дорожче за однакову підключення (продуктивність може бути кращою для більшої площини, тому я не кажу про еквівалентну функціональність) і мають набагато більші постійні витрати, тому менше шансів побачити їх низький обсяг або дешеві пристрої .

Смартфон - це приклад, коли вартість виправдана, але більшість продуктів не потребують (або не можуть собі дозволити) використовувати найменший ІС та інші пакети, затиснуті якомога щільніше разом.

ІС, як я розумію, може використовувати багато (десятки) шарів металу для підключення (складні цифрові ІС, такі як ЦП, які можуть мати понад мільярд транзисторів, а не прості аналогові мікросхеми).

Вирішується проблема з двома шарами (з PTH): сліди не можуть перетнутись, не скориставшись тим, що якийсь компонент (або міст / нуль-ом / ...) перетинає його.

Вирішується проблема, яку вирішують 3 шари: повернення заземлення для низькочастотних або високочастотних сигналів слід за іншим маршрутом, ніж сам слід, викликаючи петлі заземлення, невизначений імпеданс сліду, індуктивне з'єднання та погане екранування. Площина заземлення є більш-менш еквівалентною точно паралельному зворотному сліду заземлення (оскільки він утворює цикл нижньої індуктивності).

Існує проблема вирішення 4 шарів: Проводка розподілу електроенергії займає простір від сигнальних слідів і додає складності.

Вирішується проблема, яку вирішують 5 шарів: аналогова схема низького рівня або радіочастотна сигналізація та цифрові (імпульсні) та / або силові схеми поділяють грунт, і найменший зсув заземлення, викликаний останнім, сильно посилюється першим.

Все, що виходить за рамки цього, - це лише додаткова складність та / або додаткова потужність рейок ...

Існує багато факторів, які визначають кількість шарів:

1 . Розподіл живлення.

Незвично бачити 6 і більше силових рейок на помірно складній дошці. Правильний розподіл може бути досить складною проблемою (особливо, якщо є високошвидкісні зв'язки, такі як PCI Express, Fiber-канал 4x або навіть 10x, Infiniband, 10G Ethernet, SMPTE292 або швидше).

Потрібні потужності самі по собі можуть потребувати декількох шарів; режисерний перемикач класу Infiniband, який я розробив 14 років тому, мав 1.2V @ 100A на платах вузлів комутаторів. Світлодіод високої яскравості для управління дисплеєм вгору займав 15А при ~ 4,5 В. Ці типи вимог поштовху для кількох силових і шарів грунту в поодинці . 8 шарів для потужності не рідкість у таких випадках.

2 . Верстка з високою щільністю.

Окрім кількості шарів, віас є рушієм витрат; додати пару шарів може бути дешевше, якщо через кількість можна зменшити. Через розмір отвору також зменшується вартість; хоча звичайний мінімальний розмір отвору 0,3 мм, як правило, не призведе до великих витрат, але перевищення співвідношення товщини дошки до розміру свердла 8: 1, безумовно, буде, оскільки виробник знає, що це різко збільшить поломку свердла. Це трохи курки і яєць, оскільки збільшення кількості шару може збільшити мінімальний розмір отвору.

3 . Багато високошвидкісних з'єднань.

Високошвидкісні пари найкраще працюють з одношаровою маршрутизацією (з проривом на кожному кінці) з різних причин. Розглянемо друковану плату з 2 незалежними з'єднаннями DDR3 2100, 32 смуги експресії PCI при швидкості 8 Гбіт / с; все це вимагає декількох шарів маршрутизації. Це може бути дуже складним у змішаному сигнальному (багато чутливого аналогового) оточенні.

Звичайно, ми вибираємо найбільш рентабельну кількість шарів, але це найчастіше не є мінімально можливим, що може ввести проблеми з надійністю (на увазі наведення обмежень на розмір кільцевого кільця.

Отже, відповідь полягає в тому, що кількість шарів визначається додатком; якщо ми можемо піти з 4 шарів, чудово. Досить часто це нереально.

Висока кількість шарів насправді можлива і використовується в деяких програмах.

Але насправді це зводиться до вартості та надійності.

Вам потрібно зрозуміти процес виготовлення друкованої плати, щоб дійсно зрозуміти справжню справу. Справа в тому, що кожен доданий шар збільшує ймовірність того, що виготовлений стек не пройде функціональне тестування. Зокрема, взаємозв'язки між шарами та через них можуть і не вдається з’єднатися. Таким чином існує значна кількість брухту брухту, що утворюється в рамках виробничого процесу. Чим більше шарів у вас збільшується вартість виробників, що, звичайно, передається вам.

Крім того, навіть якщо він проходить випробування у виробництві, ймовірність тих з’єднань, які виходять з ладу в полі, також помітно зростає з кількістю шарів.

Звичайно, часто було б простіше, особливо з сучасними інструментами CAD, просто додати ще один шар, але будь-який розсудливий дизайнер прагне зменшити витрати та максимізувати надійність самої плати шляхом мінімізації кількості шарів. Часто це означає незначне оновлення, розумне переназначення штифтів, зміну типів компонентів тощо.

Зазвичай рішення про додавання іншого шару - це крайній варіант.