Почему у нас нет печатных плат с очень большим количеством слоев (обычно максимум 4-6 слоев)?

Кажется, что было проведено так много исследований по созданию схем и компонентов, которые становятся все меньше и меньше, но в определенный момент мы собираемся разрабатывать компоненты и платы, буквально всего несколько атомов в ширину.

Почему компании тратят столько денег на изготовление 4-слойной печатной платы, которая составляет 10 квадратных дюймов, все еще только плоские 4 слоя, но, может быть, 8 квадратных дюймов, а не просто делает 8-слойную плату, например, только 5 квадратных дюймов? (8 все еще возможно, и это сделано, но почему это не взято, чтобы сказать 100 слоев или больше?)

Также этот же принцип применим к дизайну ИС? Являются ли микросхемы, как правило, только несколькими слоями и распределяются на тонкие листы, или они, как правило, построены более вертикально?

* Edit: Итак, одна вещь, которая стала очевидной для меня из комментариев, это то, что в дизайне печатной платы вы можете реально размещать компоненты только на внешних 2 слоях. Это сделало бы внутренние слои ненужными для чего-либо, кроме плетения. А как насчет дизайна IC, что-то вроде процессора Intel? Есть ли еще какие-то специальные компоненты на внешних двух уровнях или процессор более трехмерный, чем печатная плата?

Давайте посмотрим на эту iPhone PCB.

Заметьте, что нет никаких следов, только колодки с устройствами, вставленными рядом друг с другом повсюду с обеих сторон.

Это HDI (High Density Interconnect).

Это очень аккуратно. По сути, вы доплачиваете, чтобы на 1-2 наружных слоях с одной или обеих сторон были выгравированы чрезвычайно мелкие элементы. Внутренние слои, которые, в любом случае, в основном являются силовыми и заземляющими, травятся с использованием обычных дешевых процессов.

Крошечные микровыступы просверливаются лазером в прокладки, чтобы соединить поверхность со следующим слоем высокой плотности. Там также слепые и погребенные переходы.

Упрощение вещей ... главная проблема со стандартными печатными платами - переходные отверстия. Они проходят всю доску и поглощают пространство на всех слоях. Вы можете добавить слои, если хотите, но они все еще будут дырявыми! И это становится дорогим. Вы не можете сжать сквозное отверстие ниже размера сверла, и сверло должно быть достаточно жестким, чтобы на самом деле ... вы знаете, просверлить всю доску без поломок ... так что она не может быть слишком маленькой. Также все должно выровняться и зарегистрироваться правильно. Точные вещи не из дешевых.

Однако микровидение проходит только через один или два очень тонких слоя, поэтому ее можно просверлить лазером, и отверстие может быть намного меньше. Эти, а также слепые / скрытые переходы освобождают пространство на других слоях и позволяют направлять больше следов и размещать компоненты с обеих сторон.

Каждый слой может сделать намного больше с этими технологиями.

Я не знаю, на какие доски вы смотрите, но большое количество слоев определенно используется там, где это имеет экономический смысл. Вы смотрели на материнскую плату компьютера или мобильного телефона в последнее время? Я регулярно работаю над компактными продуктами специального назначения, которые имеют от 6 до 12 слоев печатных плат. В частности, для BGA-пакетов с большим количеством выводов требуется определенное количество слоев только для того, чтобы соединить («разветвлять») внутренние шарики.

Но часть вашего вопроса не имеет смысла. Обычно вы не можете заменить плату 10 кв. Дюймов с четырьмя слоями на доску 5 кв. Дюймов с 8 слоями - она ​​так не работает. Помните, что компоненты могут быть установлены только на двух внешних слоях, что ограничивает область печатной платы. Соединения между этими компонентами и проводкой внутреннего слоя требуют переходных отверстий, которые также занимают площадь на внешних слоях. Слепые и скрытые переходы могут несколько уменьшить площадь, необходимую для проводки, но они также добавляют дополнительные этапы обработки и стоимость платы.

Во многих случаях размер платы определяется в меньшей степени количеством компонентов, а в большей степени - размещением внешних разъемов и т. Д., Что наиболее целесообразно с точки зрения упаковки (и взаимодействия с пользователем). Например, использование единственной печатной платы «негабаритного размера», которая простирается на всем протяжении от передней до задней части коробки, может иметь смысл, если это устраняет затраты на создание двух отдельных сборок с прокладкой кабелей между ними. Тогда у дизайнера есть «роскошь»: немного разложить компоненты и использовать меньше слоев. Конечная стоимость спецификации часто самая низкая при использовании этого подхода.

Отвечая на ваше редактирование о дизайне ИС: На самом деле, ИС имеют только ОДИН слой активных компонентов, который является еще более ограничительным, чем двухсторонняя печатная плата. Тем не менее, минимальный размер элемента активного слоя, как правило, намного меньше, чем у металлических слоев проводки выше, так что есть существенная выгода от наличия нескольких слоев проводки.

Ограничивающим фактором становится тот факт, что переходы от любого слоя разводки к активному слою должны проходить через все нижние слои разводки, ограничивая объем проводки, который фактически может быть выполнен на этих нижних слоях. Поэтому нижние уровни, как правило, используются только для «наиболее локальных» соединений, а верхние уровни - для более далеко идущих соединений и глобальных соединений, таких как источники питания и тактовые сигналы.

Как дизайнер печатных плат, я могу сказать, что все это связано с затратами. Я разработал доски до 56 слоев, но это был очень специфический случай, когда стоимость была не столько проблемой, сколько производительностью. Еще одно ограничение - толщина доски; используемые ламинаты могут быть только такими тонкими, и когда вы добавляете все слои в более чем 14-16 слоев, толщина доски начинает превышать стандартную 1,6 мм, а в случае с 56-слойной доской, которую я разработал, толщина была более 5 мм. Если вы будете использовать сквозные отверстия, вы столкнетесь с проблемой, что эти детали имеют длину штифтов, предназначенную для установки платы толщиной не более 2 мм, и если вы превысите это значение, у вас не будет достаточно штифтов для пайки, поэтому не получится пройти стандарты IPC по качеству сборки.

Когда речь идет о дизайне ИС, концепция слоя немного отличается, так как производство происходит в основном путем осаждения, но так же, как и для печатных плат, каждый слой добавляет время для создания и, следовательно, стоимость.

Мы делаем. Печатные платы имеют толщину 16 слоев, если не намного толще.

Микросхемы представляют собой один слой транзисторов, а затем 16-32 слоев проводов сверху.
Микросхемы 2.5-d представляют собой их стопки друг над другом с межсоединениями между кремниевыми пластинами.
Трехмерные микросхемы на самом деле имеют несколько слоев транзисторов, но я не уверен, что многие производители делают это.

Основная причина попытки свести слои к минимуму - это просто стоимость. Каждая копейка стоит, когда вы производите много чего-либо. Больше слоев = больше времени и больше затрат. Когда вам нужны слои, они нужны и вам, если у вас есть зеленый.

Снижение затрат является основной причиной.

В мейнфреймах середины 80-х годов наша материнская компания приобрела фабрику площадью 200 тыс. Кв.

Когда я использовал для покупки печатных плат каждый месяц для R & D и объем, оценки стоимости можно было сократить до нескольких строк спецификаций, которые в основном были общий вес слоев меди или толщины и площади *. Таким образом, добавление большего количества слоев увеличивает стоимость, если не станет тоньше. Дополнительные расходы были за пределами нормы маршрутизации, количества и размера отверстия и при нормальных 8/8 мил, что сейчас составляет 3 / 3мил трек и разрыв.

Стоимость замены мэйнфрейма по производительности подобна высокопроизводительному ПК, стоимость владения мэйнфреймом которого составляет всего 0,02%.

Эмпирическое правило в 90-х для меня было 5 центов на квадрат на всех слоях 1 унции Cu

Самая тонкая предварительная подготовка печатной платы соответствует примерно 2 милам на слой, поэтому для более чем 30-32 слоев (и без сердечника) потребуется более толстая доска, чем обычные 1,6 мм.

Стоимость за см ^ 2 14-слойной и 4-слойной платы составляет примерно 5-6: 1 в количестве 100 и 12: 1 в количестве 10, иными словами, затраты на установку довольно высоки, а также переменные затраты.

Вы можете получить детали настолько близко друг к другу, чтобы экономия была реальной, но ограниченной, с большим количеством слоев. Экономия достигается также за счет использования наименьших возможных пакетов, таких как пакеты BGA или чиповых масштабов, и наименьших пассивных частей (менее 0201), с использованием очень тонких линий (например, 3 или 4 мил), с использованием слепых переходов, скрытых переходов, микровыступов и опуская указатель печати. Каждая из этих вещей стоит дороже и требует более высокого уровня технологий для того же уровня надежности.

В общем случае платы с большим количеством слоев стоят дороже за одно и то же соединение (производительность может быть выше при большем количестве заземляющих плоскостей, поэтому я не говорю эквивалентную функциональность) и имеют гораздо более высокие фиксированные затраты, поэтому их с меньшей вероятностью можно увидеть в устройствах с небольшим объемом или дешевых устройствах. ,

Смартфон - это пример, где стоимость оправдана, но большинству продуктов не нужно (или они не могут себе позволить) использовать самые маленькие микросхемы и другие пакеты, набитые как можно плотнее вместе.

Насколько я понимаю, микросхемы могут использовать много (десятки) слоев металла для соединения (сложные цифровые микросхемы, такие как процессоры, которые могут иметь более миллиарда транзисторов, а не простые аналоговые микросхемы).

Существует проблема, которую решают 2 слоя (с помощью PTH): трассы не могут пересекаться, если не используется какой-либо компонент (или мост / нулевое сопротивление / ...), пересекающий его.

Существует проблема, которую решают 3 уровня: Возврат заземления для трасс низкого или высокочастотного сигнала идет по другому маршруту, чем сама трасса, вызывая петли заземления, неопределенный импеданс трассы, индуктивную связь и плохое экранирование. Заземленная плоскость более или менее эквивалентна точно параллельной трассе обратного заземления (так как она образует контур с самой низкой индуктивностью).

Существует проблема, которую решают 4 уровня: Проводка распределения мощности занимает место из трасс сигналов и добавляет сложности.

Существует проблема, которую решают 5 уровней: низкоуровневая или радиочастотная аналоговая схема и цифровые (импульсные) и / или силовые цепи делят землю, и малейшее смещение земли, вызванное последним, сильно усиливается первым.

Все, что за этим стоит, просто обеспечивает дополнительную сложность и / или дополнительные силовые шины ...

Есть много факторов, которые определяют количество слоев:

1 . Распределение власти.

Нет ничего необычного в том, чтобы увидеть 6 или более силовых шин на доске средней сложности. Правильное распределение может быть довольно сложной задачей (особенно если есть высокоскоростные каналы, такие как PCI Express, Fibre Channel 4x или даже 10x, Infiniband, 10G Ethernet, SMPTE292 или более быстрый).

Для одних требований к мощности может потребоваться несколько уровней; Коммутатор Infiniband класса директора, который я разработал 14 лет назад, имел 1,2 В при 100 А на платах узлов коммутатора. Светодиод высокой яркости для управления головным дисплеем потребовал 15А при ~ 4,5 В. Эти типы требований толчка для нескольких силовых и слоев грунта в одиночку . 8 слоев для власти не редкость в таких случаях.

2 . Компоновка высокой плотности.

Помимо количества слоев, переходы являются движущей силой затрат; может быть дешевле добавить пару слоев, если счетчик может быть уменьшен. Размер отверстия также влияет на стоимость; хотя обычный минимальный размер отверстия 0,3 мм обычно не увеличивает стоимость, превышение соотношения сторон толщины плиты по отношению к размеру сверла 8: 1 определенно приведет к тому, что производитель знает, что это резко увеличит поломку бурового долота. Это немного курицы и яйца, так как увеличение количества слоев может увеличить минимальный размер отверстия.

3 . Много высокоскоростного соединения.

Высокоскоростные пары лучше всего работают с однослойной маршрутизацией (прорыв только на каждом конце) по ряду причин. Рассмотрим плату с 2 независимыми межсоединениями DDR3 2100, 32 линии PCI Express со скоростью 8 Гбит / с; все это требует нескольких уровней маршрутизации. Это может быть очень сложным в среде со смешанным сигналом (много чувствительных аналогов).

Конечно, мы выбираем наиболее экономически эффективное количество слоев, но это часто не минимально возможный, что может привести к проблемам с надежностью (на ум приходит увеличение ограничений с помощью кольцевого размера кольца).

Таким образом, ответ заключается в том, что количество слоев определяется приложением; если мы сможем сойти с 4 слоев, отлично. Довольно часто это нереально.

На самом деле подсчет высокого уровня возможен и используется в некоторых приложениях.

Но на самом деле все сводится к стоимости и надежности.

Вы должны понимать процесс производства печатных плат, чтобы действительно разобраться в этом. Дело в том, что каждый добавляемый вами слой увеличивает вероятность того, что изготовленный стек не пройдет функциональное тестирование. В частности, соединения между и сквозными слоями могут и не могут соединиться. Таким образом, существует значительное количество отходов, полученных в процессе производства. Чем больше у вас слоев, тем выше стоимость изготовления, которая, конечно, передается вам.

Кроме того, даже если он проходит испытания в процессе производства, вероятность отказа этих соединений в полевых условиях также заметно возрастает с увеличением количества слоев.

Конечно, часто было бы проще, особенно с современными инструментами САПР, просто добавить еще один слой, но любой предусмотрительный дизайнер стремится снизить затраты и максимально повысить надежность самой печатной платы, сводя к минимуму количество слоев. Зачастую это означает небольшие изменения, умное переназначение штифтов, изменение типов компонентов и т. Д.

Решение добавить еще один слой обычно является последним средством.