2025-09-16
High-Density Interconnect (HDI) PCBs เป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ช่วยให้เกิดการย่อขนาด ความเร็ว และความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ต่างๆ เช่น สมาร์ทโฟน 5G, เซ็นเซอร์ ADAS ในรถยนต์ และอุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ ต่างจาก PCB มาตรฐาน การออกแบบ HDI อาศัยวัสดุขั้นสูงเพื่อรองรับ microvias (≤150μm), ร่องรอยแบบละเอียด (3/3 mil) และสัญญาณความถี่สูง (สูงสุด 100GHz) การเลือกวัสดุที่เหมาะสมส่งผลโดยตรงต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ การจัดการความร้อน และความทนทาน ซึ่งทำให้วิศวกรต้องทำความเข้าใจจุดแข็งและข้อดีข้อเสียของแต่ละตัวเลือก
คู่มือนี้จะอธิบายวัสดุขั้นสูงที่จำเป็นที่สุดสำหรับการผลิต HDI PCB เปรียบเทียบคุณสมบัติหลัก และนำไปใช้กับแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง ไม่ว่าคุณจะออกแบบการเชื่อมต่อข้อมูล 10Gbps หรือเครื่องตรวจสอบสุขภาพแบบยืดหยุ่น การวิเคราะห์นี้จะช่วยให้คุณเลือกวัสดุที่สมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ต้นทุน และความสามารถในการผลิต
ประเด็นสำคัญ
1. ปัจจัยขับเคลื่อนประสิทธิภาพของวัสดุ: ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk), แฟกเตอร์การกระจาย (Df), อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) และการนำความร้อนเป็นสิ่งที่ไม่สามารถต่อรองได้สำหรับความสำเร็จของ HDI วัสดุ Dk/Df ต่ำมีความโดดเด่นในการออกแบบความถี่สูง (＞10GHz)
2. หมวดหมู่ของวัสดุหลัก: Advanced FR4, polyimide, BT-epoxy, PTFE และ ABF (Ajinomoto Build-up Film) ครอบงำการผลิต HDI โดยแต่ละชนิดแก้ปัญหาที่ไม่เหมือนใคร (เช่น ความยืดหยุ่น ทนความร้อนสูง)
3. นวัตกรรมทองแดง: แผ่นทองแดงที่เรียบเป็นพิเศษและบางช่วยให้เกิดร่องรอยที่ละเอียดขึ้น (50μm) และลดการสูญเสียสัญญาณในแอปพลิเคชัน 5G/mmWave
4. การจัดตำแหน่งแอปพลิเคชัน: Polyimide เป็นผู้นำใน HDI แบบยืดหยุ่น BT-epoxy โดดเด่นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ PTFE ครอบงำเรดาร์ mmWave Advanced FR4 สร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพสำหรับอุปกรณ์ผู้บริโภค
5. การทำงานร่วมกันในการผลิต: วัสดุต้องผสานรวมกับกระบวนการ HDI (การเจาะด้วยเลเซอร์ การเคลือบแบบต่อเนื่อง) เช่น การเสริมแรงด้วยกระจกที่เจาะด้วยเลเซอร์ช่วยลดความซับซ้อนในการสร้าง microvia
วัสดุสำคัญสำหรับ HDI PCB ขั้นสูง
HDI PCB ขึ้นอยู่กับชุดวัสดุที่คัดสรรมาอย่างดี โดยแต่ละชนิดได้รับการปรับแต่งเพื่อตอบสนองความต้องการทางไฟฟ้า ความร้อน และกลไกเฉพาะด้าน ด้านล่างนี้คือรายละเอียดโดยละเอียดของหมวดหมู่ที่มีผลกระทบมากที่สุด:
1. ไดอิเล็กทริกซับสเตรต: รากฐานของความสมบูรณ์ของสัญญาณ
วัสดุไดอิเล็กทริกแยกชั้นนำไฟฟ้า ควบคุมความเร็วสัญญาณ การสูญเสีย และอิมพีแดนซ์ การออกแบบ HDI ต้องใช้ซับสเตรตที่มีความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพของสัญญาณในเลย์เอาต์ความหนาแน่นสูง ความถี่สูง
| ประเภทวัสดุ | Dk (10GHz) | Df (10GHz) | Tg (°C) | การนำความร้อน (W/m·K) | ข้อดีหลัก | แอปพลิเคชันในอุดมคติ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Advanced FR4 (เช่น Isola FR408HR) | 4.2–4.8 | 0.015–0.025 | 170–180 | 0.3–0.5 | ต้นทุนต่ำ ผลิตง่าย สมดุลด้านประสิทธิภาพที่ดี | อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต) เซ็นเซอร์ IoT |
| Polyimide (เช่น DuPont Kapton) | 3.0–3.5 | 0.008–0.012 | 250–300 | 0.3–0.5 | ยืดหยุ่น ทนต่ออุณหภูมิสูง ดูดซับความชื้นต่ำ | อุปกรณ์สวมใส่ เซ็นเซอร์ยานยนต์ จอแสดงผลแบบพับได้ |
| BT-Epoxy (Bismaleimide-Triazine) | 3.8–4.2 | 0.008–0.010 | 180–200 | 0.6–0.8 | ความเสถียรของมิติ การบัดกรีที่ดีเยี่ยม | Automotive ADAS, สถานีฐาน 5G, โมดูลพลังงาน |
| PTFE (เช่น Rogers RT/duroid 5880) | 2.2–2.5 | 0.0009–0.002 | ＞260 | 0.29–0.35 | การสูญเสียสัญญาณต่ำเป็นพิเศษ ประสิทธิภาพความถี่สูง | เรดาร์ mmWave, การสื่อสารผ่านดาวเทียม, 5G mmWave |
| ABF (Ajinomoto Build-up Film) | 3.0–3.3 | 0.006–0.008 | ＞210 | 0.4–0.6 | ความสามารถในการสร้างเส้นที่ละเอียดเป็นพิเศษ (2/2 mil) การกระจายน้อย | เซิร์ฟเวอร์ความเร็วสูง ตัวเร่ง AI ซับสเตรต IC |
ประสิทธิภาพโดยย่อ: การสูญเสียสัญญาณความถี่สูง
ที่ 60GHz (สำคัญสำหรับ 5G mmWave) การเลือกวัสดุส่งผลโดยตรงต่อการลดทอนสัญญาณ:
a. PTFE: 0.3dB/นิ้ว (การสูญเสียน้อยที่สุด เหมาะสำหรับลิงก์ระยะไกล)
b. Polyimide: 0.8dB/นิ้ว (สมดุลสำหรับอุปกรณ์ 5G แบบยืดหยุ่น)
c. Advanced FR4: 2.0dB/นิ้ว (สูงเกินไปสำหรับแอปพลิเคชัน ＞30GHz)
2. แผ่นทองแดง: ช่วยให้เกิดร่องรอยที่ละเอียดและการสูญเสียน้อย
แผ่นทองแดงสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าใน HDI PCB และคุณภาพของแผ่นทองแดงเป็นตัวกำหนดความสมบูรณ์ของสัญญาณความถี่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากผลกระทบจากผิวหนัง (กระแสไหลใกล้พื้นผิวทองแดงที่ความถี่สูง)
| ประเภทแผ่นทองแดง | ช่วงความหนา | ความหยาบของพื้นผิว (μm) | ประโยชน์หลัก | แอปพลิเคชันเป้าหมาย |
|---|---|---|---|---|
| ทองแดง Electrodeposited (ED) บาง | 9–18μm (0.25–0.5oz) | 0.5–1.0 | ช่วยให้เกิดร่องรอย/ช่องว่าง 50μm สำหรับเลย์เอาต์หนาแน่น | สมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ เซ็นเซอร์ IoT |
| ทองแดง ED ที่เรียบเป็นพิเศษ | 12–35μm (0.35–1oz) | ＜0.1 | ลดการสูญเสียจากผลกระทบจากผิวหนังในการออกแบบ ＞28GHz | โมดูล 5G mmWave, ระบบเรดาร์ |
| ทองแดง Rolled Annealed (RA) | 18–70μm (0.5–2oz) | 0.3–0.5 | เพิ่มความยืดหยุ่นสำหรับ HDI แบบแข็ง-ยืดหยุ่น | เซ็นเซอร์ยานยนต์ จอแสดงผลแบบพับได้ |
เหตุใดความหยาบของพื้นผิวจึงมีความสำคัญ: พื้นผิวทองแดงที่หยาบ 1μm เพิ่มการสูญเสียสัญญาณ 0.5dB/นิ้ว ที่ 60GHz เมื่อเทียบกับทองแดงที่เรียบเป็นพิเศษ (0.1μm) ซึ่งเพียงพอที่จะลดระยะของสถานีฐาน 5G ลง 20%
3. วัสดุเสริมแรง: ความแข็งแรงและความเข้ากันได้ของกระบวนการ
การเสริมแรง (โดยทั่วไปเป็นกระจก) เพิ่มความแข็งแกร่งทางกลให้กับไดอิเล็กทริกซับสเตรต และรับประกันความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต HDI เช่น การเจาะด้วยเลเซอร์และการเคลือบแบบต่อเนื่อง
| ประเภทการเสริมแรง | องค์ประกอบของวัสดุ | คุณสมบัติหลัก | ประโยชน์การผลิต HDI |
|---|---|---|---|
| กระจกเจาะด้วยเลเซอร์ | เส้นด้าย E-glass แบบกระจาย | การทอแบบสม่ำเสมอ การป้ายเรซินน้อยที่สุดระหว่างการเจาะ | ลดความซับซ้อนในการสร้าง microvia (เส้นผ่านศูนย์กลาง 50–100μm) |
| กระจก Low-CTE | S-glass หรือควอตซ์ | ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE): 3–5 ppm/°C | ลดการบิดงอของบอร์ดใน HDI หลายชั้น (10+ ชั้น) |
| กระจก Low-Dk | กระจก Borosilicate | Dk: 3.8–4.0 (เทียบกับ 4.8 สำหรับ E-glass มาตรฐาน) | ลดการสูญเสียสัญญาณในการออกแบบความถี่สูง (＞10GHz) |
4. พื้นผิวสำเร็จรูปและมาสก์บัดกรี: การป้องกันและการเชื่อมต่อ
พื้นผิวสำเร็จรูปป้องกันการเกิดออกซิเดชันของทองแดงและรับประกันการบัดกรีที่เชื่อถือได้ ในขณะที่มาสก์บัดกรีฉนวนร่องรอยและป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร ซึ่งมีความสำคัญสำหรับเลย์เอาต์หนาแน่นของ HDI
| พื้นผิวสำเร็จรูป | ข้อได้เปรียบหลัก | ผลกระทบ Df (10GHz) | แอปพลิเคชันในอุดมคติ |
|---|---|---|---|
| ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) | พื้นผิวเรียบ ทนต่อการกัดกร่อน อายุการเก็บรักษานาน | เพิ่มขึ้น 0.001–0.002 | BGA แบบละเอียด (0.4 มม.) ยานยนต์ที่มีความน่าเชื่อถือสูง |
| Immersion Silver | พื้นผิวเรียบ การสูญเสียสัญญาณน้อยที่สุด | เพิ่มขึ้น ＜0.001 | โมดูล 5G RF, ระบบเรดาร์ |
| ENEPIG (Electroless Nickel-Palladium-Immersion Gold) | การยึดเกาะที่แข็งแรง ความเข้ากันได้แบบไร้สารตะกั่ว | เพิ่มขึ้น 0.001–0.003 | การบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางการแพทย์ |
| ประเภทมาสก์บัดกรี | ความละเอียด (ร่องรอย/ช่องว่างขั้นต่ำ) | ความต้านทานความร้อน | ดีที่สุดสำหรับ |
|---|---|---|---|
| LPI (Liquid Photo-Imaginable) | 50μm/50μm | สูงถึง 150°C | ส่วนประกอบแบบละเอียด microvia |
| Laser Direct Imaging (LDI) | 30μm/30μm | สูงถึง 180°C | HDI ที่หนาแน่นเป็นพิเศษ (ร่องรอย/ช่องว่าง 2/2 mil) |
การเลือกวัสดุตามแอปพลิเคชัน HDI
วัสดุที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับความถี่ สภาพแวดล้อม และข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือของแอปพลิเคชัน ด้านล่างนี้คือกรณีการใช้งานทั่วไปและการจับคู่วัสดุที่เหมาะสมที่สุด:
1. โครงสร้างพื้นฐานและอุปกรณ์ 5G
ความท้าทาย: ความถี่สูง (28–60GHz) ต้องการการสูญเสียน้อยเป็นพิเศษและ Dk ที่เสถียร
วิธีแก้ปัญหา: ซับสเตรต PTFE + ทองแดงเรียบเป็นพิเศษ + พื้นผิวเงินแบบจุ่ม
ตัวอย่าง: เซลล์ขนาดเล็ก 5G ใช้ Rogers RT/duroid 5880 (PTFE) พร้อมทองแดงเรียบเป็นพิเศษ 12μm ทำให้ได้อัตราข้อมูล 10Gbps โดยใช้พลังงานน้อยกว่าการออกแบบ Advanced FR4 25%
2. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ ADAS และ EV
ความท้าทาย: อุณหภูมิสูง (-40°C ถึง 125°C) การสั่นสะเทือน และความชื้น
วิธีแก้ปัญหา: ซับสเตรต BT-epoxy + กระจกเจาะด้วยเลเซอร์ + พื้นผิว ENEPIG
ตัวอย่าง: โมดูลเรดาร์ 77GHz ใช้ BT-epoxy HDI รักษาความแม่นยำในการตรวจจับ ±5 ซม. ที่ระยะทางกว่า 100,000+ ไมล์ ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการหลีกเลี่ยงการชน
3. อุปกรณ์สวมใส่แบบยืดหยุ่นและเซ็นเซอร์ทางการแพทย์
ความท้าทาย: ความสามารถในการโค้งงอ (รัศมี 1 มม.) ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และความทนทานในระยะยาว
วิธีแก้ปัญหา: ซับสเตรต Polyimide + ทองแดง RA + มาสก์บัดกรี LPI
ตัวอย่าง: เครื่องติดตามการออกกำลังกายใช้ polyimide HDI พร้อมทองแดง RA 18μm ซึ่งสามารถทนต่อการโค้งงอได้มากกว่า 100,000 ครั้งโดยไม่เกิดรอยร้าวในขณะที่ติดตั้งเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ GPS และแบตเตอรี่ในเคสขนาด 40 มม.
4. ข้อมูลความเร็วสูง (เซิร์ฟเวอร์และ AI)
ความท้าทาย: สัญญาณ PAM4 112Gbps ต้องมีการกระจายน้อยที่สุดและการควบคุมอิมพีแดนซ์
วิธีแก้ปัญหา: ฟิล์ม ABF + ทองแดงเรียบเป็นพิเศษ + พื้นผิว ENIG
ตัวอย่าง: สวิตช์ศูนย์ข้อมูลใช้ ABF HDI พร้อมร่องรอย 2/2 mil รองรับปริมาณงาน 800Gbps โดยมีความหน่วงต่ำกว่าการออกแบบ FR4 มาตรฐาน 30%
แนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่ในวัสดุ HDI
อุตสาหกรรม HDI กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองความต้องการของระบบ 6G, AI และระบบยานยนต์รุ่นต่อไป นวัตกรรมที่สำคัญ ได้แก่:
1. Nanocomposites Low-Dk: วัสดุใหม่ (เช่น PTFE ที่เติมเซรามิก) ที่มี Dk <2.0 กำหนดเป้าหมายแอปพลิเคชัน 100GHz+ ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการวิจัย 6G
2. ส่วนประกอบแบบฝัง: ไดอิเล็กทริกที่มีตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุแบบฝังช่วยลดขนาดบอร์ดลง 40% ในอุปกรณ์ IoT และอุปกรณ์สวมใส่
3. ตัวเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: Advanced FR4 ที่ปราศจากฮาโลเจนและแผ่นทองแดงรีไซเคิลได้สอดคล้องกับข้อบังคับด้านความยั่งยืนของ EU RoHS และ US EPA
4. การเลือกวัสดุที่ขับเคลื่อนด้วย AI: เครื่องมือต่างๆ เช่น Ansys Granta เลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุดตามพารามิเตอร์แอปพลิเคชัน (ความถี่ อุณหภูมิ) ลดรอบการออกแบบลง 20%
คำถามที่พบบ่อย
ถาม: วัสดุ HDI แตกต่างจากวัสดุ PCB มาตรฐานอย่างไร
ตอบ: วัสดุ HDI มีความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดกว่า (เช่น Dk ±0.05 เทียบกับ ±0.3 สำหรับ FR4 มาตรฐาน) Tg ที่สูงกว่า (180°C+ เทียบกับ 130°C สำหรับ FR4 มาตรฐาน) และความเข้ากันได้กับการเจาะด้วยเลเซอร์ ซึ่งจำเป็นสำหรับ microvia และร่องรอยละเอียด วัสดุมาตรฐานล้มเหลวที่ความถี่สูง (＞10GHz) เนื่องจาก Df สูง
ถาม: ฉันควรเลือก polyimide แทน BT-epoxy เมื่อใด
ตอบ: Polyimide เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบที่ยืดหยุ่น (อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์พับได้) หรือสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง (＞200°C) BT-epoxy เหมาะกว่าสำหรับแอปพลิเคชันแบบแข็ง (ยานยนต์ ADAS, สถานีฐาน 5G) ที่ต้องการการดูดซับความชื้นต่ำและความเสถียรของมิติ
ถาม: ทองแดงที่เรียบเป็นพิเศษคุ้มค่ากับ HDI หรือไม่
ตอบ: ใช่ สำหรับการออกแบบ ＞28GHz (5G mmWave, เรดาร์) ทองแดงที่เรียบเป็นพิเศษช่วยลดการสูญเสียสัญญาณลง 30% ซึ่งช่วยเพิ่มระยะและลดความต้องการพลังงาน สำหรับแอปพลิเคชัน ＜10GHz (Wi-Fi 6) ทองแดง ED มาตรฐานก็เพียงพอแล้ว
ถาม: ความแตกต่างของต้นทุนระหว่าง PTFE และ Advanced FR4 คืออะไร
ตอบ: PTFE มีราคาแพงกว่า Advanced FR4 5–10 เท่า แต่ก็สมเหตุสมผลสำหรับแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูง (การสื่อสารผ่านดาวเทียม เรดาร์ mmWave) สำหรับอุปกรณ์ผู้บริโภค Advanced FR4 สร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ
ถาม: ฉันจะมั่นใจได้อย่างไรว่าวัสดุเข้ากันได้กับกระบวนการ HDI
ตอบ: ทำงานร่วมกับผู้ผลิตเช่น LT CIRCUIT ตั้งแต่เนิ่นๆ พวกเขาสามารถตรวจสอบได้ว่าวัสดุ (เช่น กระจกเจาะด้วยเลเซอร์) ผสานรวมกับการเจาะด้วยเลเซอร์ การเคลือบแบบต่อเนื่อง และการตรวจสอบ AOI หลีกเลี่ยงการทำงานซ้ำที่มีค่าใช้จ่ายสูง
บทสรุป
วัสดุขั้นสูงคือฮีโร่ที่ไม่ได้รับการยกย่องของนวัตกรรม HDI PCB ช่วยให้อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงซึ่งกำหนดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ตั้งแต่การสูญเสียน้อยเป็นพิเศษของ PTFE สำหรับ 5G mmWave ไปจนถึงความยืดหยุ่นของ polyimide สำหรับอุปกรณ์สวมใส่ วัสดุแต่ละชนิดแก้ปัญหาที่ไม่เหมือนใคร แต่ความสำเร็จขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งคุณสมบัติของวัสดุให้สอดคล้องกับความต้องการของแอปพลิเคชัน
ด้วยการจัดลำดับความสำคัญของตัวชี้วัดหลัก (Dk, Df, Tg) และการทำงานร่วมกับผู้ผลิตที่มีประสบการณ์ วิศวกรสามารถปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของเทคโนโลยี HDI ได้ ในขณะที่ 6G, AI และรถยนต์ไฟฟ้าผลักดันขอบเขตของประสิทธิภาพ นวัตกรรมด้านวัสดุจะยังคงเป็นรากฐานสำคัญ เพื่อให้มั่นใจว่า HDI PCB ยังคงขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป
สำหรับผู้ผลิตเช่น LT CIRCUIT การใช้ประโยชน์จากวัสดุขั้นสูงเหล่านี้ ควบคู่ไปกับกระบวนการที่แม่นยำ เช่น การเจาะด้วยเลเซอร์และ LDI ทำให้มั่นใจได้ว่า HDI PCB จะตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของแอปพลิเคชันที่สำคัญที่สุดในปัจจุบัน ตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ช่วยชีวิตไปจนถึงเครือข่าย 5G ทั่วโลก
ส่งข้อสอบของคุณตรงมาหาเรา
