Neden çok yüksek katman sayım PCB'leri yok (genellikle maksimum 4-6 katman)?

Görünüşe göre daha küçük ve daha küçük devreler ve bileşenler yapmak için çok fazla araştırma yapıldı, ancak bir noktada tam anlamıyla sadece birkaç atom genişliğinde bileşenler ve kartlar tasarlayacağız.

Neden şirketler, sadece 8 inçlik bir tahta yapmaktan ziyade, sadece 10 inç kare bir 4 katmanlı devre kartı hala sadece düz bir 4 katman ama belki 8 inç kare demek için bu kadar para döküyor? (8 hala mümkündür ve yapılır, ancak bu neden 100 veya daha fazla katman demek değildir?)

Aynı ilke IC tasarımı için de geçerli mi? IC'ler genellikle sadece birkaç katman mıdır ve ince tabakalara mı yayılır, yoksa genellikle daha dikey olarak mı inşa edilir?

* Düzenleme: Yani benim için yorumlardan belirgin hale gelen bir şey, devre kartı tasarımında sadece gerçekten dış 2 katmanlara bileşenler yerleştirebilirsiniz olmasıdır. Bu, iç katmanları dokuma dışında herhangi bir şey için gereksiz hale getirecektir. IC tasarımında, intel işlemci gibi bir şeyden ne haber? Dıştaki iki katmanda hala özel bileşenler var mı veya işlemci bir devre kartından daha 3B mi?

Bu iPhone PCB'ye bir göz atalım.

İz yok, sadece her iki tarafta da yan yana doldurulmuş cihazlara sahip pedler dikkat edin.

Bu HDI (Yüksek Yoğunluklu Bağlantı).

Bu çok düzenli. Temel olarak, bir veya her iki taraftaki 1-2 dış katmanın son derece küçük özelliklerle kazınmış olması için ekstra ödeme yaparsınız. Zaten çoğunlukla güç ve zemin düzlemleri olan iç katmanlar, düzenli ucuz işlemler kullanılarak kazınır.

Küçük mikrovilar, yüzeyi bir sonraki yüksek yoğunluklu katmana bağlamak için pedlere lazerle delinir. Ayrıca kör ve gömülü yollar da var.

Bir şeyleri basitleştirmek ... standart PCB'lerle ilgili temel sorun, yollardır. Tüm tahtadan geçer ve tüm katmanlarda yer yerler. İsterseniz katman ekleyebilirsiniz, ancak yine de deliklerle dolu olacaklar! Ve pahalı oluyor. Matkabın boyutunun altındaki bir geçiş deliğini küçültemezsiniz ve matkap gerçekten de ... Ayrıca, her şey düzgün bir şekilde hizalanmalı ve kayıt edilmelidir. Hassas şeyler ucuz değil.

Bununla birlikte, bir microvia sadece bir veya iki çok ince tabakadan geçer, bu yüzden bir lazerle delinebilir ve delik çok daha küçük olabilir. Bunlar ve ayrıca Kör / Gömülü yollar diğer katmanlarda yer açar ve daha fazla iz yönlendirmeye izin verir ve bileşenleri her iki tarafa da yerleştirir.

Her katman bu teknolojilerle çok daha fazlasını yapabilir.

Hangi panolara baktığınızı bilmiyorum, ancak ekonomik anlamda mantıklı olan yerlerde kesinlikle yüksek katman sayısı kullanılıyor. Son zamanlarda bir bilgisayarın veya cep telefonunun anakartına baktınız mı? Düzenli olarak 6 ila 12 katmanlı PCB içeren kompakt özel amaçlı ürünler üzerinde çalışıyorum. Özellikle, yüksek pimli sayım BGA paketleri, iç bilyalara bağlantı yapmak için belirli sayıda katman gerektirir ("fanout" olarak da bilinir).

Ama sorunuzun bir kısmı mantıklı değil. Genelde dört katmanı olan 10 metrekarelik bir tahtayı 8 katmanı olan 5 metrekarelik bir tahta ile değiştiremezsiniz - böyle çalışmaz. Unutmayın, bileşenler sadece PCB alanına daha düşük bir sınır koyan dış iki katmana monte edilebilir. Bu bileşenler ile iç katman kablolaması arasındaki bağlantılar, dış katmanlarda da alan kaplayan yollara ihtiyaç duyar. Kör ve gömülü yollar, kablolama için gerekli alan miktarını biraz azaltabilir, ancak panoya da ek işlem adımları ve maliyet ekler.

Çoğu durumda, kartın boyutu, bileşen sayısı ile daha az, ambalaj (ve kullanıcı deneyimi) açısından en mantıklı olan harici konektörler, vb. Yerleştirilerek belirlenir. Örneğin, kutunun önünden arkasına kadar uzanan tek bir "büyük boy" PCB kullanmak, aralarında kablolama ile iki ayrı montaj yapma masrafını ortadan kaldırırsa mantıklı olabilir. Sonra tasarımcı, bileşenleri biraz yayma ve daha az katman kullanma lüksüne sahiptir. Son ürün ağacı maliyeti genellikle bu yaklaşım kullanılarak en düşük düzeydedir.

IC tasarımı ile ilgili düzenlemenize yanıt olarak: Aslında IC'lerin 2 katmanlı PCB'den daha kısıtlayıcı olan yalnızca BİR aktif bileşen katmanı vardır. Bununla birlikte, aktif katmanın minimum özellik boyutu tipik olarak yukarıdaki metal kablo katmanlarından çok daha küçüktür, bu nedenle birden fazla kablo katmanına sahip olmanın önemli bir yararı vardır.

Sınırlayıcı faktör, herhangi bir kablolama katmanından aktif katmana kadar olan yolların, bu alt katmanlar üzerinde gerçekte ne kadar kablolama yapılabileceğini sınırlayan tüm alt kablolama katmanlarından geçmesi gerektiği gerçeği haline gelir. Bu nedenle, en düşük katmanlar yalnızca "en yerel" bağlantılar için, daha yüksek katmanlar ise daha geniş bağlantılar ve güç kaynakları ve saat sinyalleri gibi global bağlantılar için kullanılır.

Baskılı Devre Kartı tasarımcısı olarak tüm bunların maliyetinin düşük olduğunu söyleyebilirim. 56 katmana kadar panoları tasarladım, ancak maliyetin performans kadar bir sorun olmadığı çok özel bir durumdu. Diğer bir sınırlama levha kalınlığıdır; kullanılan laminatlar sadece çok ince olabilir ve tüm katmanları 14-16 katın üzerine eklediğinizde, levha kalınlığı 1,6 mm standardını aşmaya başlar ve bu 56 katmanlı levha durumunda kalınlığın bittiğini tasarladım 5mm. Delik bileşenlerini kullanacaksanız, bu parçaların 2 mm'den daha kalın olmayan bir tahtaya uyacak şekilde tasarlanmış pim uzunluklarına sahip olduğu ve bunu aşarsanız lehim için yeterli pim olmayacağından, bu nedenle montaj kalitesi için IPC standartlarını geçmek.

IC tasarımı söz konusu olduğunda, katman kavramı, üretim çoğunlukla biriktirme ile gerçekleştiği için biraz farklıdır, ancak PCB'lerde olduğu gibi, her katman yapmak için zaman ve dolayısıyla maliyet ekler.

Yaparız. PCB'ler çok kalın değilse 16 kat kalınlaşır.

IC'ler bir transistör katmanı ve daha sonra üstte 16-32 tel katmanıdır.
2.5-d IC'ler, bunların silikon gofretler arasındaki ara bağlantılarla birbirinin üstünde yığınlarıdır.
3-b IC'lerin aslında birden fazla transistör katmanı olurdu, ancak bunu yapan birçok üretici olduğundan emin değilim.

Katmanları minimumda tutmaya çalışmanın temel nedeni maliyettir. Bir şey üretirken her kuruşun maliyeti. Daha fazla katman = daha fazla zaman ve daha fazla maliyet. Katmanlara ihtiyaç duyduğunuzda bunlara ihtiyacınız vardır ve yeşil varsa bunlar sizin için oradadır.

Maliyet azaltma ana nedendir.

80'lerin ortalarında ana şirketimiz, MOBO boyutunda 50 katmanlı mikro ızgara izleri yapan 200k metrekarelik bir fabrika satın aldı ve bu levhalar için presler, tam daldırma kaplaması için sıvı altın kimyasallarla dolu büyük çöp bidonu boyutlarındaki fıçılardan bahsetmemek için çok büyüktü.

Ar-Ge ve hacim için her ay PCB satın alırken, maliyet tahminleri temelde bakır veya kalınlık ve alan * katmanlarının toplam ağırlığı olan birkaç spesifikasyona indirgenebilir. Bu nedenle, daha fazla katman eklenmesi, inceltilmedikçe maliyet katar. Eklenen maliyetler, yönlendirme ve delik adedi ve boyutu normu dışında ve normal 8/8 mil'in altındaydı ve şimdi 3 / 3mil iz ve aralığa düştü.

Performanstaki bir ana kareyi değiştirme maliyeti, bir ana karenin sahipliğinin yalnızca% 0,02'sine mal olan üst düzey bir PC gibidir.

Benim için 90'lı yıllardaki kural, 1oz Cu'nun tüm katmanlarında kare başına 5 sentti

Yapılan en ince PCB pre-preg, katman başına yaklaşık 2 mil'e karşılık gelir, bu nedenle yaklaşık 30-32 katmandan (ve çekirdek yok) normal 1.6 mm'den daha kalın bir tahtaya ihtiyaç duyar.

14 katmanlı levhaya kıyasla 4 katmanlı levhaya cm ^ 2 başına maliyet 100'de yaklaşık 5-6: 1 ve miktar 10'da 12: 1'dir, başka bir deyişle kurulum maliyetleri oldukça yüksektir ve değişken maliyetlerdir.

Parçaları yalnızca birbirine bu kadar yakınlaştırabilirsiniz, böylece tasarruflar daha yüksek katman sayılarıyla gerçek, ancak sınırlıdır. Tasarruflar ayrıca BGA veya yonga ölçekli paketler gibi mümkün olan en küçük paketler ve kör vias, gömülü vias, mikrovias kullanılarak çok ince çizgiler (örneğin 3 veya 4 mil) kullanılarak en küçük pasif parçalar (0201'den küçük) kullanılarak da elde edilir. ve işaret baskısının dışarıda bırakılması. Bunların her biri daha pahalıya mal olur ve aynı güvenilirlik seviyesi için daha yüksek bir teknoloji seviyesi gerektirir.

Genel olarak yüksek katman sayım panoları aynı bağlantı için daha pahalıya mal olur (daha fazla yer düzlemi ile performans daha iyi olabilir, bu yüzden eşdeğer işlevsellik demiyorum) ve çok daha yüksek sabit maliyetlere sahiptir, bu nedenle düşük hacimli veya ucuz cihazlarda görülme olasılığı daha düşüktür .

Akıllı telefon, maliyetin haklı olduğu bir örnektir, ancak çoğu ürünün birlikte mümkün olduğunca sıkı tıka basa dolu en küçük IC'yi ve diğer paketleri kullanması gerekmez (veya karşılayamaz).

IC'ler, anladığım kadarıyla, bağlantı için birçok (onlarca) metal katman kullanabilir (basit analog yongalar değil, bir milyardan fazla transistöre sahip CPU'lar gibi karmaşık dijital IC'ler).

2 kat (PTH ile) çözülen bir sorun var: İzler, onu geçen bazı bileşenlerden (veya köprü / sıfır-ohm / ...) yararlanmadan geçemez.

3 katmanın çözdüğü bir sorun var: Düşük seviyeli veya yüksek frekanslı sinyal izleri için toprak geri dönüşleri, izin kendisinden farklı bir yol üzerindedir ve toprak döngülerine, tanımlanmamış iz empedansına, endüktif kuplaja ve kötü ekranlamaya neden olur. Bir zemin düzlemi, tam olarak paralel bir zemin dönüş izine az ya da çok eşdeğerdir (en düşük endüktans döngüsünü oluşturduğundan).

4 katmanın çözdüğü bir sorun var: Güç dağıtım kabloları sinyal izlerinden alan alır ve karmaşıklık katar.

5 katın çözdüğü bir sorun var: Düşük seviye veya RF analog devresi ve dijital (darbe) ve / veya güç devreleri bir toprak paylaşıyor ve ikincisinin neden olduğu en küçük toprak kayması birincisi tarafından yoğun bir şekilde yükseltiliyor.

Bunun ötesinde her şey sadece ek karmaşıklık ve / veya ekstra güç raylarına hitap ediyor ...

Katman sayısını belirleyen birçok faktör vardır:

1 . Güç dağılımı.

Orta derecede karmaşık bir tahtada 6 veya daha fazla güç rayını görmek olağandışı değildir. Doğru dağıtım oldukça zor olabilir (özellikle PCI Express, Fiber kanal 4x veya hatta 10x, Infiniband, 10G ethernet, SMPTE292 veya daha hızlı gibi yüksek hızlı bağlantılar varsa).

Sadece güç gereksinimleri için birden fazla katman gerekebilir; 14 yıl önce tasarladığım bir yönetmen sınıfı Infiniband anahtarının anahtar düğümü kartlarında 1.2V @ 100A vardı. Bir baş üstü ekranı sürmek için yüksek parlaklıkta bir LED ~ 4.5V'da 15A aldı. Bu tür gereksinimler tek başına birden fazla güç ve toprak katmanı için zorlar . Bu gibi durumlarda güç için 8 katman nadir değildir.

2 . Yüksek yoğunluklu yerleşim.

Katman sayımının yanı sıra, yollar bir maliyet faktörüdür; eğer sayım azaltılabilirse birkaç kat eklemek daha ucuz olabilir. Delik boyutu sayesinde maliyeti de arttırır; 0,3 mm'lik normal minimun delik boyutu normalde çok fazla maliyet eklemeyecek olsa da, levha kalınlığının en boy oranını 8: 1 matkap boyutuyla aşmak kesinlikle olacaktır çünkü imalatçı bunun matkap ucu kırılmasını büyük ölçüde artıracağını bilir. Bu katman sayısını artırmak gibi biraz tavuk ve yumurta olabilir asgari delik boyutunu artırmak.

3 . Çok sayıda yüksek hızlı bağlantı.

Yüksek hızlı çiftler, çeşitli nedenlerle tek katmanlı yönlendirme (yalnızca her iki uçtan bir koparma) ile en iyi şekilde çalışır. 2 bağımsız DDR3 2100 ara bağlantısına, 8 Gb / s'de 32 şerit PCI express'e sahip bir PCB düşünün; bunların hepsi birden fazla yönlendirme katmanı gerektirir. Bu, karışık sinyal (çok sayıda hassas analog) ortamda çok zor olabilir.

Tabii ki en uygun maliyetli katman sayısını seçiyoruz, ancak bu genellikle mümkün olan minimum değil, güvenilirlik sorunları getirebilir (halka biçimli halka boyutu ile sınırları zorlamak akla geliyor).

Dolayısıyla yanıt, katman sayısının uygulama tarafından belirlendiğidir; 4 katmanla kurtulabilirsek harika. Çoğu zaman bu gerçekçi değildir.

Yüksek katman sayımları aslında mümkündür ve bazı uygulamalarda kullanılmaktadır.

Ancak gerçekte maliyet ve güvenilirlik söz konusudur.

Bu konuda gerçek bir tutuş elde etmek için PCB üretim sürecini anlamalısınız. Gerçek şu ki, eklediğiniz her katman, üretilen yığının fonksiyonel testlerden geçmeme olasılığını artırır. Özellikle, katmanlar arasında ve katmanlar arasındaki ara bağlantılar bağlanamaz ve başarısız olur. Bu nedenle, üretim sürecinin bir parçası olarak üretilen önemli sayıda hurda levha vardır. Ne kadar fazla katmanınız varsa, üreticinin üretim maliyetini artırır, bu da elbette size aktarılır.

Ayrıca, üretimde testten geçse bile, bu bağlantıların sahada başarısız olma olasılığı, katman sayısı ile de önemli ölçüde artar.

Elbette, özellikle günümüzün CAD araçlarıyla, başka bir katman eklemek genellikle daha kolay olurdu, ancak herhangi bir ihtiyatlı tasarımcı, katman sayısını en aza indirerek maliyetleri düşürmeye ve PCB'nin güvenilirliğini en üst düzeye çıkarmaya çalışır. Genellikle hafif yeniden tasarımlar, akıllı pin yeniden atama, bileşen türlerini değiştirme vb.

Başka bir katman ekleme kararı genellikle son çare olur.