2025-09-15
แผงวงจรพิมพ์แบบ High-Density Interconnect (HDI) ได้ปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์ด้วยการทำให้เกิดอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลง เร็วขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตั้งแต่สมาร์ทโฟน 5G ไปจนถึงอุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ หัวใจสำคัญของนวัตกรรมนี้คือวัสดุขั้นสูงที่สมดุลระหว่างประสิทธิภาพทางไฟฟ้า เสถียรภาพทางความร้อน และความสามารถในการผลิต ซึ่งแตกต่างจาก PCB มาตรฐาน การออกแบบ HDI อาศัยวัสดุฐานพิเศษ แผ่นฟอยล์ทองแดง และการเสริมแรงเพื่อรองรับไมโครเวีย (≤150μm) ร่องรอยแบบละเอียด (3/3 mil) และจำนวนชั้นสูง (สูงสุด 20 ชั้น)
คู่มือนี้จะสำรวจวัสดุที่สำคัญที่สุดในการผลิต HDI โดยเปรียบเทียบคุณสมบัติ การใช้งาน และตัวชี้วัดประสิทธิภาพ ตั้งแต่ FR4 รุ่นขั้นสูงไปจนถึงโพลีอิไมด์และ BT-epoxy ประสิทธิภาพสูง เราจะแจกแจงว่าวัสดุแต่ละชนิดแก้ปัญหาเฉพาะในงานออกแบบความถี่สูงและมีความหนาแน่นสูงได้อย่างไร ไม่ว่าคุณจะออกแบบลิงก์ข้อมูล 10Gbps หรือเซ็นเซอร์แบบสวมใส่ขนาดกะทัดรัด การทำความเข้าใจวัสดุเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ
ประเด็นสำคัญ
1. ความหลากหลายของวัสดุ: HDI PCB ใช้ประโยชน์จาก FR4, โพลีอิไมด์, BT-epoxy, PTFE และ ABF (Ajinomoto Build-up Film) ขั้นสูงเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะ ตั้งแต่การสูญเสียสัญญาณต่ำไปจนถึงการออกแบบที่ยืดหยุ่น
2. ตัวขับเคลื่อนประสิทธิภาพ: ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk), แฟกเตอร์การกระจาย (Df) และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) เป็นสิ่งสำคัญ วัสดุ Dk/Df ต่ำ (เช่น PTFE) ทำได้ดีในแอปพลิเคชันความถี่สูง (＞10GHz)
3. นวัตกรรมทองแดง: แผ่นฟอยล์ทองแดงที่เรียบเป็นพิเศษและบางช่วยให้เกิดร่องรอยที่ละเอียดขึ้น (50μm) และลดการสูญเสียสัญญาณในการออกแบบ 5G และ mmWave
4. การทำงานร่วมกันในการผลิต: วัสดุต้องทำงานร่วมกับกระบวนการ HDI เช่น การเจาะด้วยเลเซอร์และการเคลือบแบบต่อเนื่อง เช่น การเสริมแรงด้วยแก้วที่เจาะด้วยเลเซอร์ช่วยลดความซับซ้อนในการสร้างไมโครเวีย
5. การเน้นที่แอปพลิเคชัน: โพลีอิไมด์เป็นวัสดุหลักใน HDI แบบยืดหยุ่น BT-epoxy โดดเด่นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ FR4 ขั้นสูงสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพในอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภค
วัสดุหลักในการผลิต HDI PCB ขั้นสูง
HDI PCB ขึ้นอยู่กับชุดของวัสดุ ซึ่งแต่ละชนิดได้รับการปรับแต่งเพื่อตอบสนองความต้องการทางไฟฟ้า ความร้อน และกลไกเฉพาะด้าน ด้านล่างนี้คือการเจาะลึกในหมวดหมู่ที่สำคัญที่สุด:
1. สับสเตรตไดอิเล็กทริก: รากฐานของความสมบูรณ์ของสัญญาณ
วัสดุไดอิเล็กทริกแยกชั้นนำไฟฟ้า ควบคุมความเร็วสัญญาณ การสูญเสีย และอิมพีแดนซ์ การออกแบบ HDI ต้องใช้สับสเตรตที่มีความคลาดเคลื่อนที่แคบเพื่อรองรับสัญญาณความถี่สูงและความเร็วสูง
| หมวดหมู่ของวัสดุ | คุณสมบัติหลัก | Dk (10GHz) | Df (10GHz) | Tg (°C) | เหมาะสำหรับ |
|---|---|---|---|---|---|
| FR4 ขั้นสูง | สร้างสมดุลระหว่างต้นทุน ประสิทธิภาพ และความสามารถในการผลิต | 4.2–4.8 | 0.015–0.025 | 170–180 | อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค, เซ็นเซอร์ IoT |
| โพลีอิไมด์ | ยืดหยุ่น, ทนต่ออุณหภูมิสูง | 3.0–3.5 | 0.008–0.012 | 250–300 | HDI แบบยืดหยุ่น (อุปกรณ์สวมใส่, เซ็นเซอร์ยานยนต์) |
| BT-Epoxy (Bismaleimide-Triazine) | การดูดซึมความชื้นต่ำ, ความเสถียรของมิติ | 3.8–4.2 | 0.008–0.010 | 180–200 | ADAS ยานยนต์, สถานีฐาน 5G |
| PTFE (Polytetrafluoroethylene) | การสูญเสียต่ำเป็นพิเศษ, ประสิทธิภาพความถี่สูง | 2.2–2.5 | 0.0009–0.002 | ＞260 | เรดาร์ mmWave, การสื่อสารผ่านดาวเทียม |
| ABF (Ajinomoto Build-up Film) | ความสามารถในการสร้างเส้นที่ละเอียดเป็นพิเศษ | 3.0–3.3 | 0.006–0.008 | ＞210 | สับสเตรต IC ความหนาแน่นสูง, CPU เซิร์ฟเวอร์ |
การวิเคราะห์ประสิทธิภาพตามความถี่
a.＜10GHz (เช่น Wi-Fi 6): FR4 ขั้นสูง (เช่น Isola FR408HR) ให้ประสิทธิภาพที่เพียงพอในราคาที่ต่ำกว่า
b.10–30GHz (เช่น 5G sub-6GHz): BT-epoxy และโพลีอิไมด์สร้างสมดุลระหว่างการสูญเสียและความเสถียร
c.＞30GHz (เช่น mmWave 28/60GHz): PTFE และ ABF ลดการลดทอนสัญญาณ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเรดาร์และการเชื่อมต่อผ่านดาวเทียม
2. แผ่นฟอยล์ทองแดง: ทำให้เกิดร่องรอยที่ละเอียดและการสูญเสียน้อย
แผ่นฟอยล์ทองแดงสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าใน HDI PCB และคุณภาพของแผ่นฟอยล์ทองแดงส่งผลกระทบโดยตรงต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูง
| ประเภททองแดง | ช่วงความหนา | ความขรุขระของพื้นผิว | ข้อได้เปรียบหลัก | แอปพลิเคชัน |
|---|---|---|---|---|
| แผ่นฟอยล์ทองแดงบาง | 9–18μm (0.25–0.5oz) | ปานกลาง (0.5–1.0μm) | ทำให้เกิดเลย์เอาต์ที่หนาแน่นด้วยร่องรอย/ช่องว่าง 50μm | สมาร์ทโฟน, อุปกรณ์สวมใส่ |
| ทองแดงเรียบเป็นพิเศษ | 12–35μm (0.35–1oz) | ต่ำเป็นพิเศษ (＜0.1μm) | ลดการสูญเสียสัญญาณในการออกแบบความถี่สูง (＞28GHz) | เสาอากาศ mmWave, ตัวรับส่งสัญญาณ 5G |
| ทองแดงรีดอบอ่อน (RA) | 18–70μm (0.5–2oz) | ต่ำ (0.3–0.5μm) | เพิ่มความยืดหยุ่นสำหรับ HDI แบบแข็ง-ยืดหยุ่น | เซ็นเซอร์ยานยนต์, จอแสดงผลแบบพับได้ |
เหตุใดความขรุขระของพื้นผิวจึงมีความสำคัญ: ที่ความถี่สูง กระแสไฟฟ้าจะไหลใกล้กับพื้นผิวทองแดง (ผลกระทบจากผิวหนัง) พื้นผิวที่ขรุขระจะกระจายสัญญาณ ทำให้การสูญเสียเพิ่มขึ้น ทองแดงที่เรียบเป็นพิเศษจะลดสิ่งนี้ลง 30% ที่ 60GHz เมื่อเทียบกับทองแดงมาตรฐาน
3. วัสดุเสริมแรง: ความแข็งแรงและความเข้ากันได้ของกระบวนการ
การเสริมแรง (โดยทั่วไปเป็นแก้ว) เพิ่มความแข็งแรงทางกลให้กับสับสเตรตไดอิเล็กทริกและเปิดใช้งานกระบวนการผลิต HDI เช่น การเจาะด้วยเลเซอร์
| ประเภทการเสริมแรง | วัสดุ | คุณสมบัติหลัก | ประโยชน์สำหรับการผลิต HDI |
|---|---|---|---|
| แก้วเจาะด้วยเลเซอร์ | เส้นด้ายแก้วกระจาย | การทอแบบสม่ำเสมอ, การป้ายน้อยที่สุด | ลดความซับซ้อนในการสร้างไมโครเวีย (เส้นผ่านศูนย์กลาง 50–100μm) |
| แก้วความแข็งแรงสูง | E-glass | CTE ต่ำ (3–5 ppm/°C) | ลดการบิดงอใน HDI หลายชั้น |
| แก้ว Low-Dk | S-glass | ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำกว่า (4.0 เทียบกับ 4.8 สำหรับ E-glass) | ลดการสูญเสียสัญญาณในการออกแบบความถี่สูง |
4. การตกแต่งพื้นผิวและมาสก์บัดกรี: การป้องกันและการเชื่อมต่อ
การตกแต่งพื้นผิวปกป้องทองแดงจากการเกิดออกซิเดชันและรับประกันการบัดกรีที่เชื่อถือได้ ในขณะที่มาสก์บัดกรีเป็นฉนวนร่องรอยและป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร
| การตกแต่งพื้นผิว | ข้อได้เปรียบหลัก | เหมาะสำหรับ |
|---|---|---|
| ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) | พื้นผิวเรียบ, ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม | BGA แบบละเอียด, ร่องรอยความถี่สูง |
| Immersion Silver | พื้นผิวเรียบ, การสูญเสียสัญญาณต่ำ | โมดูล 5G RF, ระบบเรดาร์ |
| ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) | การยึดเกาะที่แข็งแรง, ความน่าเชื่อถือสูง | ADAS ยานยนต์, การบินและอวกาศ |
| Immersion Tin | คุ้มค่า, บัดกรีได้ดี | อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค, HDI ราคาประหยัด |
| ประเภทมาสก์บัดกรี | คุณสมบัติ | แอปพลิเคชัน |
|---|---|---|
| LPI (Liquid Photo-Imaginable) | ความละเอียดสูง (เส้น 50μm) | ส่วนประกอบแบบละเอียด, ไมโครเวีย |
| Laser Direct Imaging (LDI) | การจัดตำแหน่งที่แม่นยำด้วยคุณสมบัติที่เจาะด้วยเลเซอร์ | HDI พร้อมร่องรอย/ช่องว่าง 3/3 mil |
การเลือกวัสดุสำหรับแอปพลิเคชัน HDI เฉพาะ
การเลือกวัสดุที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับความถี่ สภาพแวดล้อม และความต้องการด้านความน่าเชื่อถือของแอปพลิเคชัน:
1. 5G และโทรคมนาคม
ความท้าทาย: ความถี่สูง (28–60GHz) ต้องการการสูญเสียน้อยและ Dk ที่เสถียร
วิธีแก้ไข: สับสเตรต PTFE (เช่น Rogers RT/duroid 5880) พร้อมทองแดงเรียบเป็นพิเศษช่วยลดการสูญเสียการแทรกเหลือ 0.3dB/นิ้ว ที่ 60GHz
ตัวอย่าง: เซลล์ขนาดเล็ก 5G ใช้ PTFE HDI พร้อมการตกแต่งแบบ ENIG ทำให้ได้อัตราข้อมูล 10Gbps โดยใช้พลังงานน้อยลง 20%
2. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์
ความท้าทาย: อุณหภูมิสูง (-40°C ถึง 125°C) และการสั่นสะเทือน
วิธีแก้ไข: สับสเตรต BT-epoxy พร้อมแก้วเจาะด้วยเลเซอร์และการตกแต่งแบบ ENEPIG ทนทานต่อความชื้นและการเปลี่ยนแปลงทางความร้อน
ตัวอย่าง: โมดูลเรดาร์ ADAS ใช้ BT-epoxy HDI รักษาประสิทธิภาพ 77GHz ตลอดระยะทาง 100,000+ ไมล์
3. อุปกรณ์แบบยืดหยุ่นและสวมใส่ได้
ความท้าทาย: ความต้องการความสามารถในการโค้งงอและความทนทาน
วิธีแก้ไข: สับสเตรตโพลีอิไมด์พร้อมทองแดง RA ทนต่อการโค้งงอ 100,000+ ครั้ง (รัศมี 1 มม.) โดยไม่มีรอยร้าว
ตัวอย่าง: เครื่องติดตามการออกกำลังกายใช้ HDI แบบยืดหยุ่นพร้อมโพลีอิไมด์ ใส่เซ็นเซอร์ได้มากกว่า 3 เท่าในเคสขนาด 40 มม.
4. ข้อมูลความเร็วสูง (เซิร์ฟเวอร์, AI)
ความท้าทาย: สัญญาณ 112Gbps PAM4 ต้องการการกระจายน้อยที่สุด
วิธีแก้ไข: ฟิล์ม ABF พร้อมทองแดงเรียบเป็นพิเศษ ความเสถียรของ Dk (±0.05) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการควบคุมอิมพีแดนซ์ (100Ω ±5%)
ตัวอย่าง: สวิตช์ศูนย์ข้อมูลใช้ ABF HDI รองรับปริมาณงาน 800Gbps โดยมีความหน่วงลดลง 30%
แนวโน้มและนวัตกรรมวัสดุ HDI
อุตสาหกรรม HDI ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ขับเคลื่อนด้วยความต้องการความถี่ที่สูงขึ้นและฟอร์มแฟกเตอร์ที่เล็กลง:
1.Low-Dk Nanocomposites: วัสดุใหม่ (เช่น PTFE ที่เติมเซรามิก) ให้ Dk <2.0 โดยมีเป้าหมายที่แอปพลิเคชัน 100GHz+
2.Embedded Components: ไดอิเล็กทริกที่มีตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุแบบฝังช่วยลดขนาดบอร์ดลง 40% ในอุปกรณ์ IoT
3.Eco-Friendly Options: FR4 ที่ปราศจากฮาโลเจนและแผ่นฟอยล์ทองแดงที่รีไซเคิลได้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความยั่งยืนของสหภาพยุโรปและสหรัฐอเมริกา
4.AI-Driven Material Selection: เครื่องมือเช่น Ansys Granta เลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุดตามพารามิเตอร์แอปพลิเคชัน (ความถี่, 5.temperature) ลดรอบการออกแบบลง 20%
คำถามที่พบบ่อย
ถาม: วัสดุ HDI แตกต่างจากวัสดุ PCB มาตรฐานอย่างไร
ตอบ: วัสดุ HDI ให้ความคลาดเคลื่อน Dk/Df ที่แคบกว่า, Tg ที่สูงกว่า และความเข้ากันได้กับการเจาะด้วยเลเซอร์ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับไมโครเวียและร่องรอยแบบละเอียด ตัวอย่างเช่น FR4 มาตรฐานมี Df >0.02 ทำให้ไม่เหมาะสำหรับสัญญาณ >10GHz ในขณะที่ PTFE เกรด HDI มี Df <0.002
ถาม: ฉันควรเลือกโพลีอิไมด์แทน BT-epoxy เมื่อใด
ตอบ: โพลีอิไมด์เหมาะสำหรับการออกแบบที่ยืดหยุ่น (เช่น อุปกรณ์สวมใส่) หรือสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง (＞200°C) BT-epoxy เหมาะสำหรับยานยนต์แบบแข็งหรือแอปพลิเคชัน 5G ที่ต้องการการดูดซึมความชื้นต่ำ
ถาม: ผลกระทบของความขรุขระของพื้นผิวทองแดงต่อสัญญาณความถี่สูงคืออะไร
ตอบ: ที่ 60GHz ทองแดงที่ขรุขระ (1μm) เพิ่มการสูญเสียสัญญาณ 0.5dB/นิ้ว เมื่อเทียบกับทองแดงเรียบเป็นพิเศษ (0.1μm) ซึ่งเป็นความแตกต่างที่สำคัญสำหรับการเชื่อมต่อ mmWave ระยะไกล
ถาม: วัสดุ HDI ขั้นสูงมีราคาแพงกว่าหรือไม่
ตอบ: ใช่ PTFE มีราคาแพงกว่า FR4 ขั้นสูง 5–10 เท่า อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้ช่วยลดต้นทุนระบบด้วยการเปิดใช้งานการออกแบบที่เล็กลงและปรับปรุงความน่าเชื่อถือ ทำให้การลงทุนในแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูงมีความสมเหตุสมผล
ถาม: ฉันจะเลือกการตกแต่งพื้นผิวที่เหมาะสมสำหรับ HDI ได้อย่างไร
ตอบ: สำหรับ BGA แบบละเอียด ให้ใช้ ENIG เพื่อความเรียบ สำหรับความถี่สูง เงินจุ่มช่วยลดการสูญเสียสัญญาณ สำหรับยานยนต์ ENEPIG ให้ความน่าเชื่อถือที่เหนือกว่าในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
บทสรุป
วัสดุขั้นสูงเป็นกระดูกสันหลังของนวัตกรรม HDI PCB ทำให้เกิดอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงที่กำหนดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ตั้งแต่ FR4 ขั้นสูงในอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึง PTFE ในเรดาร์ mmWave วัสดุแต่ละชนิดแก้ปัญหาเฉพาะในความสมบูรณ์ของสัญญาณ การจัดการความร้อน และความสามารถในการผลิต
ด้วยการทำความเข้าใจคุณสมบัติและการใช้งานของวัสดุเหล่านี้ ควบคู่ไปกับการทำงานร่วมกันระหว่างทีมออกแบบและการผลิต วิศวกรสามารถปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของเทคโนโลยี HDI ได้ ในขณะที่ 5G, AI และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นยังคงก้าวหน้า นวัตกรรมด้านวัสดุจะยังคงเป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญ ผลักดันขีดจำกัดของสิ่งที่เป็นไปได้ในการออกแบบ PCB
สำหรับผู้ผลิตเช่น LT CIRCUIT การใช้ประโยชน์จากวัสดุเหล่านี้ ร่วมกับกระบวนการที่แม่นยำ เช่น การเจาะด้วยเลเซอร์และ LDI ทำให้มั่นใจได้ว่า HDI PCB จะเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป ตั้งแต่การเชื่อมต่อข้อมูล 100Gbps ไปจนถึงระบบยานยนต์ที่ทนทาน
ส่งข้อสอบของคุณตรงมาหาเรา
