¿Por qué no tenemos placas de circuito impreso con un número de capas muy elevado (normalmente un máximo de 4-6 capas)?

Question

Parece que se ha investigado mucho en la fabricación de circuitos y componentes cada vez más pequeños, pero llegará un momento en que diseñaremos componentes y placas que tendrán literalmente sólo unos átomos de ancho.

¿Por qué las empresas invierten tanto dinero en fabricar, por ejemplo, un circuito impreso de 4 capas y 10 pulgadas cuadradas que sólo tenga 4 capas planas, pero quizá 8 pulgadas cuadradas, en lugar de fabricar un circuito impreso de 8 capas y sólo 5 pulgadas cuadradas, por ejemplo? (8 todavía es posible y se hace, pero ¿por qué no se lleva esto hasta digamos 100 capas o más?)

¿Se aplica este mismo principio al diseño de circuitos integrados? ¿Los circuitos integrados suelen tener pocas capas y estar repartidos en finas láminas, o suelen construirse de forma más vertical?

*Edición: Una cosa que me ha quedado clara gracias a los comentarios es que en el diseño de placas de circuitos sólo se pueden colocar componentes en las dos capas exteriores. Eso haría innecesarias las capas interiores para cualquier otra cosa que no sea tejer. ¿Y en el diseño de circuitos integrados, algo como un procesador Intel? ¿Sigue habiendo componentes especiales en las dos capas exteriores, o un procesador es más tridimensional que una placa de circuito impreso?

Answer 1

Echemos un vistazo a este PCB para iPhone.

Fíjate en que no hay rastros, sólo almohadillas con dispositivos metidos uno al lado del otro por todas partes a ambos lados.

Se trata de HDI (High Density Interconnect).

Esto está muy bien. Básicamente, se paga un suplemento para que las dos capas exteriores de uno o ambos lados se graben con características extremadamente pequeñas. Las capas interiores, que en su mayoría son planos de potencia y masa, se graban con procesos baratos normales.

Se perforan con láser diminutas microvías en las almohadillas para conectar la superficie con la siguiente capa de alta densidad. También hay vías ciegas y enterradas.

Simplificando las cosas... el principal problema de las placas de circuito impreso estándar son las vías. Atraviesan toda la placa y ocupan espacio en todas las capas. Puedes añadir capas si quieres, ¡pero seguirán llenas de agujeros! Y sale caro. No se puede reducir una vía por debajo del tamaño del taladro, y el taladro tiene que ser lo suficientemente resistente como para... ya sabes, taladrar toda la placa sin romperse... así que no puede ser demasiado pequeño. Además, todo tiene que alinearse y registrarse correctamente. El material de precisión no es barato.

Sin embargo, una microvía sólo atraviesa una o dos capas muy finas, por lo que puede taladrarse con láser y el orificio puede ser mucho más pequeño. Éstas, y también las vías ciegas/enterradas, liberan espacio en otras capas y permiten enrutar más trazas y colocar componentes a ambos lados.

Cada capa puede hacer mucho más con estas tecnologías.

Answer 2

No sé qué placas estás mirando, pero el alto número de capas se utiliza sin duda cuando tiene sentido desde el punto de vista económico. ¿Has mirado últimamente la placa base de un PC o un móvil? Yo trabajo habitualmente con productos compactos de uso especial que tienen entre 6 y 12 capas de placa de circuito impreso. En concreto, los paquetes BGA con un gran número de patillas requieren un cierto número de capas sólo para realizar las conexiones (también conocidas como "fanout") con las bolas interiores.

Pero parte de tu pregunta no tiene sentido. En general, no se puede sustituir una placa de 10 pulgadas cuadradas que tiene cuatro capas por una placa de 5 pulgadas cuadradas que tiene 8 capas: no funciona así. Recuerde que los componentes sólo pueden montarse en las dos capas exteriores, lo que impone un límite inferior a la superficie de la placa de circuito impreso. Las conexiones entre esos componentes y el cableado de la capa interior requieren vías que también ocupan superficie en las capas exteriores. Las vías ciegas y enterradas pueden mitigar en cierta medida la superficie necesaria para el cableado, pero también añaden pasos de procesamiento y costes adicionales a la placa.

En muchos casos, el tamaño de la placa viene dictado menos por el número de componentes y más por la colocación de los conectores externos, etc. que tenga más sentido desde el punto de vista del embalaje (y de la experiencia del usuario). Por ejemplo, utilizar una única placa de circuito impreso "sobredimensionada" que se extienda desde la parte delantera hasta la trasera de la caja puede tener sentido si elimina el gasto de hacer dos montajes separados con cableado entre ellos. Así, el diseñador puede permitirse el "lujo" de repartir un poco los componentes y utilizar menos capas. El coste final de la lista de materiales suele ser menor con este método.

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Respondiendo a su edición sobre el diseño de circuitos integrados: En realidad, los circuitos integrados sólo tienen UNA capa de componentes activos, lo que es aún más restrictivo que una placa de circuito impreso de 2 caras. Sin embargo, el tamaño mínimo de la capa activa suele ser mucho menor que el de las capas de cableado metálico superiores, por lo que tener varias capas de cableado tiene muchas ventajas.

El factor limitante es el hecho de que las vías desde cualquier capa de cableado hasta la capa activa deben atravesar todas las capas de cableado inferiores, lo que limita la cantidad de cableado que se puede realizar en esas capas inferiores. Por lo tanto, las capas inferiores tienden a usarse sólo para las conexiones "más locales", y las capas superiores para las conexiones de mayor alcance y las conexiones globales, como las fuentes de alimentación y las señales de reloj.

Answer 3

Como diseñador de circuitos impresos, puedo decir que todo se reduce al coste. He diseñado placas de hasta 56 capas, pero se trataba de un caso muy concreto en el que el coste no era tan importante como el rendimiento. Otra limitación es el grosor de la placa; los laminados utilizados no pueden ser muy finos, y cuando se suman todas las capas hasta superar las 14-16 capas, el grosor de la placa empieza a superar la norma de 1,6 mm, y en el caso de la placa de 56 capas que diseñé, el grosor era de más de 5 mm. Si se utilizaran componentes con orificios pasantes, se encontraría con el problema de que estas piezas tienen longitudes de patilla diseñadas para adaptarse a una placa con un grosor no superior a 2 mm, y si se supera este grosor no se dispondría de suficientes patillas para soldar, por lo que no se cumplirían las normas IPC de calidad de montaje. La alternativa sería seleccionar las piezas que tienen longitudes de patilla más largas (no muchas) o hacerlas a medida ( $$$ ).

Cuando se trata del diseño de circuitos integrados, el concepto de capa es ligeramente diferente, ya que la fabricación se realiza principalmente por deposición, pero del mismo modo que ocurre con las placas de circuito impreso, cada capa añade tiempo de fabricación y, por tanto, coste.

Answer 4

Lo hacemos. Los PCB tienen 16 capas de grosor, si no mucho más.

Los circuitos integrados están formados por una capa de transistores y 16-32 capas de cables.
Los circuitos integrados de 2,5 dimensiones se apilan unos encima de otros con interconexiones entre las obleas de silicio.
Los circuitos integrados tridimensionales tendrían varias capas de transistores, pero no estoy seguro de que haya muchos fabricantes que lo hagan.

La principal razón para intentar reducir las capas al mínimo es simplemente el coste. Cada céntimo cuesta cuando se fabrica una gran cantidad de algo. Más capas = más tiempo y más costes. Sin embargo, cuando necesitas las capas, las necesitas y están ahí para ti si tienes el verde.

Answer 5

La reducción de costes es la razón principal.

A mediados de los 80, nuestra empresa matriz compró una fábrica de 200.000 metros cuadrados que fabricaba pistas de microrredes de 50 capas en tamaño MOBO y las prensas para estas placas eran enormes, por no hablar de las grandes cubas del tamaño de un contenedor llenas de productos químicos de oro líquido para el chapado por inmersión total.

Cuando solía comprar placas de circuito impreso cada mes para I+D y volumen, las estimaciones de costes podían reducirse a unas pocas líneas de especificaciones que básicamente eran el peso total del cobre o el grosor y el área * capas. Por lo tanto, añadir más capas supone un coste adicional, a menos que se hagan más finas. Los costes añadidos estaban fuera de la norma de enrutamiento y la cantidad y el tamaño de los agujeros y por debajo de lo normal 8/8 mil que se ha reducido a 3/3mil pista y la brecha ahora.

El coste de sustituir un mainframe en rendimiento es como el de un PC de gama alta que sólo cuesta el 0,02% de la propiedad de un mainframe.

La regla de oro en los años 90 para mí fue de 5 centavos por cuadrado en todas las capas de 1 oz Cu