Por que não temos PCBs com contagem de camadas muito alta (geralmente um máximo de 4-6 camadas)?

Parece que tem havido muita pesquisa sendo feita sobre a fabricação de circuitos e componentes cada vez menores, mas em um determinado momento estaremos projetando componentes e placas com literalmente apenas alguns átomos de largura.

Por que as empresas investem tanto dinheiro em fazer, digamos, uma placa de circuito de 4 camadas com 10 polegadas quadradas ainda apenas uma plana de 4 camadas, mas talvez 8 polegadas quadradas, em vez de apenas fazer uma placa de 8 camadas com apenas 5 polegadas quadradas, por exemplo? (8 ainda é possível e está pronto, mas por que isso não é considerado 100 camadas ou mais?)

Também esse mesmo princípio se aplica ao design de IC? Os CIs geralmente são apenas algumas camadas e se espalham em folhas finas, ou geralmente são construídos mais verticalmente?

* Edit: Então, uma coisa que me ficou evidente a partir dos comentários é o fato de que, no design da placa de circuito, você só pode realmente colocar componentes nas 2 camadas externas. Isso tornaria desnecessárias as camadas internas para outra coisa que não a tecelagem. E no design de IC, algo como um processador intel? Ainda existem componentes especiais nas duas camadas externas ou um processador é mais 3D do que uma placa de circuito?

Vamos dar uma olhada neste PCB para iPhone.

Observe que não há vestígios, apenas almofadas com dispositivos recheados um ao lado do outro em todos os lados dos dois lados.

Este é o HDI (High Density Interconnect).

Isso é muito legal. Basicamente, você paga mais para ter as 1-2 camadas externas de um ou dos dois lados gravadas com recursos extremamente pequenos. As camadas internas, que são principalmente planos de força e terra, são gravadas usando processos baratos regulares.

Pequenas microvias são perfuradas a laser nas almofadas para conectar a superfície à próxima camada de alta densidade. Existem também vias cegas e enterradas.

Simplificando as coisas ... o principal problema dos PCBs padrão são as vias. Eles percorrem todo o tabuleiro e ocupam espaço em todas as camadas. Você pode adicionar camadas, se quiser, mas elas ainda estarão cheias de buracos! E fica caro. Você não pode encolher um orifício de passagem abaixo do tamanho da broca, e a broca deve ser suficientemente resistente para realmente ... você sabe, perfurar a prancha inteira sem quebrar ... para que não possa ser muito pequena. Além disso, tudo precisa alinhar e registrar corretamente. Material de precisão não é barato.

No entanto, uma microvia passa apenas por uma ou duas camadas muito finas, portanto pode ser perfurada com laser e o orifício pode ser muito menor. Essas e também as vias cegas / enterradas liberam espaço em outras camadas e permitem rotear mais traços e colocar componentes nos dois lados.

Cada camada pode fazer muito mais com essas tecnologias.

Não sei para quais painéis você está olhando, mas contagens elevadas de camadas são definitivamente usadas onde faz sentido econômico. Você já viu a placa-mãe de um PC ou celular ultimamente? Trabalho regularmente em produtos compactos para fins especiais, com PCBs de 6 a 12 camadas. Em particular, pacotes BGA de alta contagem de pinos requerem um certo número de camadas apenas para fazer as conexões (também conhecidas como "fanout") às esferas internas.

Mas parte da sua pergunta não faz sentido. Em geral, não é possível substituir uma placa de 10 pol. Com quatro camadas por uma placa de 5 pol. Com 8 camadas - não funciona dessa maneira. Lembre-se de que os componentes só podem ser montados nas duas camadas externas, o que coloca um limite mais baixo na área da placa de circuito impresso. As conexões entre esses componentes e a fiação da camada interna requerem vias que também ocupam área nas camadas externas. Vias cegas e enterradas podem atenuar um pouco a quantidade de área necessária para a fiação, mas adicionam etapas adicionais de processamento e custos à placa.

Em muitos casos, o tamanho da placa é ditado menos pelo número de componentes e mais pelo posicionamento de conectores externos etc., que faz mais sentido do ponto de vista da embalagem (e da experiência do usuário). Por exemplo, o uso de uma única PCB "de tamanho grande" que se estende da frente para a traseira da caixa pode fazer sentido se eliminar a despesa de fazer dois conjuntos separados com cabos entre eles. Então o designer tem o "luxo" de espalhar um pouco os componentes e usar menos camadas. O custo final da lista técnica é geralmente mais baixo usando essa abordagem.

Respondendo à sua edição sobre o design de IC: Na verdade, os ICs possuem apenas UMA camada de componentes ativos, o que é ainda mais restritivo do que um PCB de 2 lados. No entanto, o tamanho mínimo do recurso da camada ativa é geralmente muito menor que o das camadas de fiação metálicas acima, portanto, há um benefício considerável em ter várias camadas de fiação.

O fator limitante torna-se o fato de que as vias de qualquer camada de fiação para a camada ativa devem passar por todas as camadas inferiores da fiação, limitando a quantidade de fiação que pode realmente ser feita nessas camadas inferiores. Portanto, as camadas mais baixas tendem a ser usadas apenas para as conexões "mais locais" e as camadas mais altas para as conexões de maior alcance e as conexões globais, como fontes de alimentação e sinais de relógio.

Como designer de placa de circuito impresso, posso dizer que tudo se resume ao custo. Projetei placas de até 56 camadas, mas esse era um caso muito específico, pois o custo não era tanto um problema quanto o desempenho. Uma outra limitação é a espessura da placa; os laminados usados ​​podem ser tão finos e, quando você adiciona todas as camadas a mais de 14 a 16 camadas, a espessura da placa começa a exceder o padrão de 1,6 mm e, no caso da placa de 56 camadas que projetei, a espessura estava acabada 5mm. Se você usasse componentes de orifício, depararia com a questão de que essas peças têm comprimentos de pinos projetados para caber em uma placa com espessuras não superiores a 2 mm e, se você exceder, não terá pino suficiente para soldar, portanto, falha para passar os padrões do IPC para qualidade de montagem.

No que diz respeito ao design de CI, o conceito de camada é um pouco diferente, pois a fabricação ocorre principalmente por deposição, mas, da mesma forma que ocorre com os PCBs, cada camada acrescenta tempo para produzir e, portanto, custo.

Nós fazemos. Os PCBs têm 16 camadas de espessura, se não muito mais.

Os CIs são uma camada de transistores e, em seguida, 16 a 32 camadas de fios na parte superior.
Os CIs de 2,5 d são pilhas dessas em cima umas das outras com interconexões entre as pastilhas de silício.
Os ICs de 3-d realmente teriam várias camadas de transistores, mas não tenho certeza de que haja muitos fabricantes fazendo isso.

O principal motivo para tentar manter as camadas no mínimo é simplesmente o custo. Cada centavo custa quando você está fabricando muita coisa. Mais camadas = mais tempo e mais custo. Quando você precisar das camadas, precisará delas e elas estarão lá para você, se você tiver o verde.

A redução de custos é o principal motivo.

Em meados dos anos 80, os mainframes compraram uma fábrica de 200 mil pés quadrados que produzia faixas de micro-redes de 50 camadas no tamanho MOBO e as prensas para essas placas eram enormes, sem mencionar os grandes tanques do tamanho de lixeiras cheios de produtos químicos de ouro líquido para revestimento de imersão total.

Quando eu costumava comprar PCBs todos os meses para pesquisa e desenvolvimento e volume, as estimativas de custo podiam ser reduzidas a algumas linhas de especificações que basicamente eram o peso total de cobre ou camadas de espessura e área *. Portanto, adicionar mais camadas aumenta o custo, a menos que seja mais fino. Os custos adicionais estavam fora da norma de roteamento, quantidade e tamanho dos furos e estavam abaixo dos 8/8 mil normais, que agora estão abaixo da faixa e do intervalo de 3 / 3mil.

O custo para substituir um mainframe no desempenho é como um PC de ponta que custa apenas 0,02% da propriedade de um mainframe.

A regra de ouro nos anos 90 para mim era de 5 centavos por metro quadrado em todas as camadas de 1 onça de Cu

A pré-impregnação mais fina de PCB feita corresponde a cerca de 2 mils por camada; portanto, mais de 30 a 32 camadas (e sem núcleo) exigirão uma placa mais grossa que a de 1,6 mm usual.

O custo por cm ^ 2 de uma placa de 14 camadas versus uma placa de 4 camadas é de cerca de 5-6: 1 na quantidade 100 e 12: 1 na quantidade 10; em outras palavras, os custos de instalação são bastante altos e os custos variáveis.

Você só pode aproximar as peças para que as economias sejam reais, mas limitadas, com contagens de camadas mais altas. Também é possível economizar usando os menores pacotes possíveis, como pacotes de escala BGA ou chip e as menores partes passivas (menores que 0201), usando linhas muito finas (3 ou 4 mil, por exemplo), usando vias cegas, vias enterradas, microvias e deixando de fora a impressão do designador. Cada uma dessas coisas custa mais e exige um nível mais alto de tecnologia para o mesmo nível de confiabilidade.

Em geral, as placas de contagem de camada alta custam mais pela mesma conectividade (o desempenho pode ser melhor com mais planos de terra, por isso não digo funcionalidade equivalente) e têm custos fixos muito mais altos, por isso é menos provável que sejam vistos em dispositivos de baixo volume ou baratos .

Um smartphone é um exemplo em que o custo é justificado, mas a maioria dos produtos não precisa (ou não pode pagar) para usar o menor IC e outros pacotes amontoados o mais firmemente possível.

Os ICs, como eu o entendo, podem usar muitas (dezenas) de camadas de metal para conectividade (ICs digitais complexos, como CPUs, que podem ter mais de um bilhão de transistores, não simples chips analógicos).

Há um problema na resolução de duas camadas (com PTH): Os rastreamentos não podem ser cruzados sem tirar vantagem de algum componente (ou ponte / zero-ohm / ...) cruzando-o.

Há um problema que três camadas resolvem: os retornos de terra para traços de sinal de nível baixo ou de alta frequência estão em uma rota diferente da que o traço em si, causando loops de terra, impedância indefinida de traço, acoplamento indutivo e má blindagem. Um plano de terra é mais ou menos equivalente a um traço de retorno de terra exatamente paralelo (uma vez que forma o loop de indutância mais baixa).

Há um problema que quatro camadas resolvem: a fiação de distribuição de energia ocupa espaço com os traços de sinal e aumenta a complexidade.

Há um problema que cinco camadas resolvem: circuitos analógicos de RF de baixo nível e circuitos digitais (de pulso) e / ou de energia compartilham um terra, e a menor mudança de terra causada por este último é fortemente amplificada pelo primeiro.

Qualquer coisa além disso é apenas atendendo a complexidade adicional e / ou trilhos de energia extras ...

Existem muitos fatores que determinam a contagem de camadas:

1 . Distrubuição de energia.

Não é incomum ver 6 ou mais trilhos de potência em uma placa moderadamente complexa. A distribuição adequada pode ser um grande desafio (principalmente se houver links de alta velocidade, como PCI Express, Fibre Channel 4x ou até 10x, Infiniband, Ethernet 10G, SMPTE292 ou mais rápido).

Somente os requisitos de energia podem precisar de várias camadas; um switch Infiniband de classe diretor que eu projetei há 14 anos tinha 1.2V @ 100A nas placas dos nós do switch. Um LED de alto brilho para acionar um display frontal levou 15A a ~ 4.5V. Estes tipos de impulso requisito para múltiplas camadas de alimentação e terra sozinho . 8 camadas de energia não são incomuns nesses casos.

2 . Layout de alta densidade.

Além da contagem de camadas, as vias são um fator de custo; pode ser mais barato adicionar duas camadas se a contagem de via puder ser reduzida. Via tamanho do furo também aumenta o custo; embora o tamanho mínimo do orifício mínimo de 0,3 mm normalmente não adicione muito custo, exceder a proporção da espessura da placa para o tamanho de broca de 8: 1 definitivamente o fará porque o fabricante sabe que isso aumentará drasticamente a quebra da broca. Isso é um pouco de galinha e ovo, pois o aumento da contagem de camadas pode aumentar o tamanho mínimo do furo.

3 . Muita interconexão de alta velocidade.

Os pares de alta velocidade funcionam melhor com o roteamento de camada única (uma fuga apenas em cada extremidade) por vários motivos. Considere um PCB com 2 interconexões DDR3 2100 independentes, 32 faixas de PCI express a 8Gb / s; tudo isso exige várias camadas de roteamento. Isso pode ser muito desafiador em um ambiente de sinal misto (muitos analógicos sensíveis).

É claro que escolhemos a contagem de camadas com melhor custo-benefício, mas isso geralmente não é o mínimo possível, o que pode gerar problemas de confiabilidade (forçar os limites através do tamanho do anel anular).

Portanto, a resposta é que a contagem de camadas é determinada pela aplicação; se pudermos sair com 4 camadas, ótimo. Muitas vezes isso não é realista.

Contagens elevadas de camada são de fato possíveis e usadas em algumas aplicações.

Mas, na realidade, tudo se resume a custo e confiabilidade.

Você precisa entender o processo de fabricação de PCB para realmente entender o que é verdade. O fato é que cada camada adicionada aumenta a probabilidade de a pilha fabricada não passar no teste funcional. Em particular, as interconexões entre e através das camadas podem e não conseguem se conectar. Como tal, há um número significativo de placas de sucata geradas como parte do processo de fabricação. Quanto mais camadas você tiver, aumenta o custo de produção dos fabricantes, o que, é claro, é repassado a você.

Além disso, mesmo que seja aprovado nos testes de fabricação, a probabilidade de essas interconexões falharem no campo também aumenta acentuadamente com o número de camadas.

Com certeza, muitas vezes seria mais fácil, especialmente com as ferramentas CAD de hoje, adicionar apenas outra camada, mas qualquer designer prudente se esforça para manter os custos baixos e maximizar a confiabilidade do PCB, minimizando a contagem de camadas. Muitas vezes, isso significa pequenas reformulações, reatribuição inteligente de pinos, alteração dos tipos de componentes etc.

A decisão de adicionar outra camada geralmente é de última instância.