ผ่านเทคโนโลยีถูกฝังใน PCB หลายชั้น: การขับเคลื่อนการลดขนาดเล็กและความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ

ในการแข่งขันเพื่อบรรจุฟังก์ชันการทำงานให้มากขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ตั้งแต่สมาร์ทโฟน 5G ไปจนถึงอุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ แผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCB) อาศัยเทคโนโลยีวิธีก้าวหน้าเพื่อเพิ่มความหนาแน่นสูงสุดโดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพ ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ เทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝัง (buried via) โดดเด่นในฐานะตัวช่วยสำคัญ ช่วยให้วิศวกรเชื่อมต่อชั้นในโดยไม่ต้องใช้พื้นที่อันมีค่าบนพื้นผิวด้านนอก ด้วยการกำจัดวิธีกระเบื้องทะลุ (through-hole via) ที่เจาะทะลุทั้งแผง วิธีกระเบื้องฝังจะปลดล็อกความหนาแน่นของส่วนประกอบที่สูงขึ้น เส้นทางสัญญาณที่สั้นลง และการจัดการความร้อนที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญสำหรับอุปกรณ์ความถี่สูงและมีความน่าเชื่อถือสูงในยุคปัจจุบัน คู่มือนี้จะสำรวจว่าเทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝังทำงานอย่างไร ข้อดีใน PCB ขั้นสูง ความท้าทายในการผลิต และแนวทางแก้ไขเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพที่สม่ำเสมอ

วิธีกระเบื้องฝังคืออะไร?
วิธีกระเบื้องฝังคือเส้นทางนำไฟฟ้าที่เชื่อมต่อเฉพาะชั้นในของ PCB หลายชั้น โดยยังคงซ่อนอยู่ภายในแกนกลางของแผง (ไม่มีการเปิดเผยบนชั้นนอก) ซึ่งแตกต่างจากวิธีกระเบื้องทะลุ (ที่ครอบคลุมทุกชั้น) หรือวิธีกระเบื้องบอด (ที่เชื่อมต่อชั้นนอกกับชั้นใน) วิธีกระเบื้องฝังจะถูกห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ในระหว่างการเคลือบ ทำให้มองไม่เห็นใน PCB สุดท้าย

ลักษณะสำคัญ:
  1.ตำแหน่ง: อยู่ภายในชั้นในทั้งหมด ไม่มีการสัมผัสกับพื้นผิวทองแดงด้านนอก
  2.ขนาด: โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1–0.3 มม. (เล็กกว่าวิธีกระเบื้องทะลุ) ทำให้สามารถจัดวางที่มีความหนาแน่นสูงได้
  3.การก่อสร้าง: เจาะเข้าไปในชั้นในแต่ละชั้นก่อนการเคลือบ จากนั้นชุบด้วยทองแดงและเติมด้วยอีพ็อกซีหรือสารนำไฟฟ้าเพื่อให้มั่นใจในความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

วิธีกระเบื้องฝังเปลี่ยนการออกแบบ PCB หลายชั้นอย่างไร
เทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝังแก้ไขปัญหาสำคัญสองประการในการออกแบบ PCB สมัยใหม่: ข้อจำกัดด้านพื้นที่และการลดทอนสัญญาณ นี่คือวิธีที่เทคโนโลยีนี้ให้คุณค่า:

1. การเพิ่มความหนาแน่นของบอร์ดให้สูงสุด
ด้วยการจำกัดวิธีกระเบื้องให้อยู่ในชั้นใน วิธีกระเบื้องฝังจะทำให้ชั้นนอกว่างสำหรับส่วนประกอบที่ใช้งาน (เช่น BGAs, QFPs) และไมโครเวีย (microvia) เพิ่มความหนาแน่นของส่วนประกอบขึ้น 30–50% เมื่อเทียบกับการออกแบบที่ใช้วิธีกระเบื้องทะลุเท่านั้น

ตัวอย่าง: PCB 5G 12 ชั้นที่ใช้วิธีกระเบื้องฝังสามารถใส่ส่วนประกอบได้มากกว่า 20% ในขนาดเท่ากับการออกแบบแบบทะลุ ทำให้สามารถสร้างโมดูลสถานีฐานขนาดเล็กได้

2. การปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ
เส้นทางสัญญาณที่ยาวและคดเคี้ยวในการออกแบบแบบทะลุทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณ การรบกวน และความหน่วง ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญสำหรับสัญญาณความถี่สูง (28GHz+) วิธีกระเบื้องฝังจะทำให้เส้นทางสัญญาณสั้นลงโดยเชื่อมต่อชั้นในโดยตรง ลด:

  ก. การหน่วงเวลาการแพร่กระจาย: สัญญาณเดินทางเร็วกว่า 20–30% ระหว่างชั้นใน
  ข. การรบกวน: การจำกัดร่องรอยความเร็วสูงให้อยู่ในชั้นใน (แยกด้วยระนาบกราวด์) ช่วยลดการรบกวนได้ 40%
  ค. ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์: ตอ via ที่สั้นลงช่วยลดการสะท้อนในอินเทอร์เฟซความเร็วสูง (เช่น PCIe 6.0, USB4)

3. การปรับปรุงการจัดการความร้อน
วิธีกระเบื้องฝังทำหน้าที่เป็น “thermal vias” เมื่อเติมด้วยอีพ็อกซีนำไฟฟ้าหรือทองแดง กระจายความร้อนจากชั้นในที่ร้อน (เช่น IC การจัดการพลังงาน) ไปยังชั้นนอกหรือฮีตซิงก์ ซึ่งช่วยลดจุดร้อนลง 15–25°C ใน PCB ที่บรรจุแน่นหนา ช่วยยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ

การใช้งาน: ที่ซึ่งวิธีกระเบื้องฝังส่องประกาย
เทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝังเป็นสิ่งจำเป็นในอุตสาหกรรมที่ต้องการการย่อขนาด ความเร็ว และความน่าเชื่อถือ นี่คือกรณีการใช้งานหลัก:
1. 5G และโทรคมนาคม
สถานีฐานและเราเตอร์ 5G ต้องการ PCB ที่จัดการสัญญาณ mmWave 28–60GHz โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด วิธีกระเบื้องฝัง:

  ก. เปิดใช้งานการออกแบบ 10+ ชั้นพร้อมระยะห่างร่องรอยที่แคบ (2–3 มิล) สำหรับเส้นทางความถี่สูง
  ข. รองรับอาร์เรย์ส่วนประกอบ RF ที่หนาแน่น (เช่น เครื่องขยายเสียง ตัวกรอง) ในกล่องขนาดกะทัดรัด
  ค. ลดการสูญเสียสัญญาณในวงจร beamforming ซึ่งมีความสำคัญต่อการขยายความครอบคลุม 5G

2. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
สมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ และแท็บเล็ตอาศัยวิธีกระเบื้องฝังเพื่อบรรจุคุณสมบัติเพิ่มเติม (กล้อง โมเด็ม 5G แบตเตอรี่) ลงในการออกแบบที่บางเฉียบ:

  ก. PCB สมาร์ทโฟนรุ่นเรือธงทั่วไปใช้ 8–12 ชั้นพร้อมวิธีกระเบื้องฝังหลายร้อยตัว ลดความหนาลง 0.3–0.5 มม.
  ข. อุปกรณ์สวมใส่ (เช่น สมาร์ทวอทช์) ใช้วิธีกระเบื้องฝังเพื่อเชื่อมต่ออาร์เรย์เซ็นเซอร์โดยไม่เพิ่มขนาดอุปกรณ์

3. อุปกรณ์ทางการแพทย์
เครื่องมือทางการแพทย์ขนาดเล็ก (เช่น กล้องเอนโดสโคป เครื่องกระตุ้นหัวใจ) ต้องการ PCB ที่มีขนาดเล็ก เชื่อถือได้ และเข้ากันได้ทางชีวภาพ:

  ก. วิธีกระเบื้องฝังเปิดใช้งาน PCB 16+ ชั้นในกล้องเอนโดสโคป ใส่เซ็นเซอร์ถ่ายภาพและเครื่องส่งสัญญาณข้อมูลลงในเพลาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม.
  ข. ในเครื่องกระตุ้นหัวใจ วิธีกระเบื้องฝังช่วยลด EMI โดยแยกเส้นทางพลังงานแรงดันสูงออกจากวงจรตรวจจับที่ละเอียดอ่อน

4. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์
ADAS (ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง) และระบบจัดการพลังงาน EV ต้องการ PCB ที่แข็งแกร่งและกะทัดรัด:

  ก. วิธีกระเบื้องฝังเชื่อมต่อ 12–20 ชั้นในโมดูลเรดาร์ ADAS รองรับการทำงาน 77GHz ในพื้นที่ใต้ฝากระโปรงที่แคบ
  ข. ในระบบจัดการแบตเตอรี่ EV (BMS) วิธีกระเบื้องฝังช่วยปรับปรุงการนำความร้อน ป้องกันความร้อนสูงเกินไปในเส้นทางกระแสไฟสูง

ความท้าทายในการผลิตวิธีกระเบื้องฝัง
ในขณะที่วิธีกระเบื้องฝังมีข้อดีอย่างมาก การผลิตนั้นซับซ้อนกว่าวิธีกระเบื้องแบบดั้งเดิม ต้องใช้ความแม่นยำและกระบวนการขั้นสูง:
1. การจัดตำแหน่งชั้น
วิธีกระเบื้องฝังต้องจัดตำแหน่งให้ตรงกับแผ่นรองเป้าหมายบนชั้นในที่อยู่ติดกันภายใน ±5μm เพื่อหลีกเลี่ยงการเปิดหรือลัดวงจร แม้การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องเล็กน้อย (10μm+) ในบอร์ด 10+ ชั้นอาจทำให้ via ไร้ประโยชน์

วิธีแก้ไข: ผู้ผลิตใช้ระบบการจัดตำแหน่งด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) ในระหว่างการเคลือบ โดยมีเครื่องหมายอ้างอิงบนแต่ละชั้นเพื่อให้มั่นใจในความถูกต้อง

2. ความแม่นยำในการเจาะ
วิธีกระเบื้องฝังต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก (0.1–0.3 มม.) และอัตราส่วนภาพสูง (ความลึก/เส้นผ่านศูนย์กลาง = 3:1 หรือสูงกว่า) ทำให้การเจาะแบบกลไกทำไม่ได้เนื่องจากการสึกหรอของเครื่องมือและการดริฟท์

วิธีแก้ไข: การเจาะด้วยเลเซอร์ (เลเซอร์ UV หรือ CO₂) ให้ความแม่นยำในการวางตำแหน่ง ±2μm และรูที่สะอาด ปราศจากเสี้ยน ซึ่งมีความสำคัญสำหรับวิธีกระเบื้องขนาดเล็กใน PCB ความถี่สูง

3. ความสม่ำเสมอในการชุบ
การชุบทองแดงภายในวิธีกระเบื้องฝังต้องสม่ำเสมอ (ความหนา 25–50μm) เพื่อให้มั่นใจในการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงของโครงสร้าง การชุบที่บางอาจทำให้เกิดการเปิด การชุบที่หนาอาจปิดกั้น via

วิธีแก้ไข: การชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้าตามด้วยการชุบด้วยไฟฟ้า พร้อมการตรวจสอบความหนาแบบเรียลไทม์ผ่าน X-ray fluorescence (XRF)

4. ต้นทุนและความซับซ้อน
การผลิตวิธีกระเบื้องฝังเพิ่มขั้นตอน (การเจาะก่อนการเคลือบ การเติม การชุบ) ซึ่งเพิ่มเวลาและต้นทุนการผลิต 20–30% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบทะลุ

วิธีแก้ไข: การออกแบบแบบไฮบริด (การรวมวิธีกระเบื้องฝังสำหรับชั้นในและวิธีกระเบื้องบอดสำหรับชั้นนอก) สร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่นและต้นทุนสำหรับการใช้งานระดับกลาง

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานวิธีกระเบื้องฝัง
เพื่อให้ได้ประโยชน์จากวิธีกระเบื้องฝังอย่างมีประสิทธิภาพ ให้ปฏิบัติตามแนวทางการออกแบบและการผลิตเหล่านี้:
1. การออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)
   ก. ขนาด Via เทียบกับจำนวนชั้น: สำหรับ PCB 10+ ชั้น ให้ใช้วิธีกระเบื้องฝังขนาด 0.15–0.2 มม. เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่นและความสามารถในการผลิต วิธีกระเบื้องขนาดใหญ่ (0.2–0.3 มม.) เหมาะสำหรับบอร์ด 6–8 ชั้น
   ข. ระยะห่าง: รักษาระยะห่าง 2–3 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง via ระหว่างวิธีกระเบื้องฝังเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนสัญญาณและปัญหาการชุบ
   ค. การวางแผน Stack-Up: วางระนาบพลังงาน/กราวด์ติดกับชั้นสัญญาณที่มีวิธีกระเบื้องฝังเพื่อเพิ่มการป้องกันและการถ่ายเทความร้อน

2. การเลือกวัสดุ
   ก. สับสเตรต: ใช้ FR-4 ที่มี Tg สูง (Tg ≥170°C) หรือลามิเนตที่มีการสูญเสียน้อย (เช่น Rogers RO4830) สำหรับการออกแบบความถี่สูง เนื่องจากทนทานต่อการบิดงอในระหว่างการเคลือบ ซึ่งมีความสำคัญต่อการจัดตำแหน่ง via
   ข. วัสดุเติม: วิธีกระเบื้องฝังที่เติมด้วยอีพ็อกซีเหมาะสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ การเติมสารนำไฟฟ้าเหมาะสำหรับการจัดการความร้อนใน PCB พลังงาน

3. การควบคุมคุณภาพ
  ก. การตรวจสอบ: ใช้การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์เพื่อตรวจสอบการชุบ การจัดตำแหน่ง และการเติม via (ไม่มีช่องว่าง) การตัดส่วนขนาดเล็ก (การวิเคราะห์ภาคตัดขวาง) ตรวจสอบความสม่ำเสมอในการชุบ
  ข. การทดสอบ: ดำเนินการทดสอบความต่อเนื่องกับวิธีกระเบื้องฝัง 100% โดยใช้เครื่องทดสอบโพรบแบบบินได้เพื่อตรวจจับการเปิดหรือลัดวงจร

กรณีศึกษา: วิธีกระเบื้องฝังใน PCB 5G 16 ชั้น
ผู้ผลิตโทรคมนาคมชั้นนำต้องการ PCB 16 ชั้นสำหรับโมดูล mmWave 5G โดยมีข้อกำหนด:

  ก. เส้นทางสัญญาณ 28GHz พร้อม <1dB loss per inch.
  ข. ความหนาแน่นของส่วนประกอบ: ส่วนประกอบ 200+ ต่อตารางนิ้ว (รวมถึง BGAs ระยะพิทช์ 0.4 มม.)
  ค. ความหนา: <2.0 มม.

วิธีแก้ไข:

ก. ใช้วิธีกระเบื้องฝังขนาด 0.2 มม. เพื่อเชื่อมต่อชั้นสัญญาณภายใน (ชั้น 3–14) ลดความยาวเส้นทางสัญญาณลง 40%
ข. รวมกับวิธีกระเบื้องบอดขนาด 0.15 มม. สำหรับชั้นนอก (1–2, 15–16) เพื่อเชื่อมต่อ BGAs
ค. วิธีกระเบื้องเจาะด้วยเลเซอร์พร้อมการชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (ความหนา 30μm) และการเติมอีพ็อกซี

ผลลัพธ์:

ก. การสูญเสียสัญญาณลดลงเหลือ 0.8dB/นิ้ว ที่ 28GHz
ข. ความหนาของบอร์ดทำได้ 1.8 มม. ต่ำกว่าเป้าหมาย 10%
ค. ผลผลิตครั้งแรกดีขึ้นจาก 65% (โดยใช้วิธีกระเบื้องทะลุ) เป็น 92% ด้วยวิธีกระเบื้องฝัง

อนาคตของเทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝัง
เมื่อจำนวนชั้น PCB เพิ่มขึ้น (20+ ชั้น) และระยะพิทช์ของส่วนประกอบลดลง (<0.3 มม.) เทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝังจะพัฒนาเพื่อตอบสนองความต้องการใหม่:

  ก. วิธีกระเบื้องขนาดเล็ก: วิธีกระเบื้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.05–0.1 มม. เปิดใช้งานโดยการเจาะด้วยเลเซอร์ขั้นสูง
  ข. การรวม 3 มิติ: วิธีกระเบื้องฝังรวมกับไมโครเวียแบบซ้อนสำหรับการบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ ลดฟอร์มแฟกเตอร์ลง 50% ในอุปกรณ์ IoT
  ค. การออกแบบที่ขับเคลื่อนด้วย AI: เครื่องมือการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการวาง via ลดการรบกวนและข้อผิดพลาดในการผลิต

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: วิธีกระเบื้องฝังแตกต่างจากวิธีกระเบื้องบอดอย่างไร
ตอบ: วิธีกระเบื้องฝังเชื่อมต่อเฉพาะชั้นในและซ่อนอยู่ทั้งหมด ในขณะที่วิธีกระเบื้องบอดเชื่อมต่อชั้นนอกกับชั้นในและมองเห็นได้บางส่วนบนพื้นผิวของบอร์ด

ถาม: วิธีกระเบื้องฝังเหมาะสำหรับ PCB กำลังไฟสูงหรือไม่
ตอบ: ใช่ เมื่อเติมด้วยสารนำไฟฟ้า วิธีกระเบื้องฝังจะช่วยเพิ่มการนำความร้อนและสามารถรับกระแสไฟปานกลางได้ (สูงสุด 5A) สำหรับกำลังไฟสูง (10A+) ให้ใช้วิธีกระเบื้องฝังขนาดใหญ่ (0.3 มม.+) พร้อมการชุบทองแดงหนา

ถาม: ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับวิธีกระเบื้องฝังคืออะไร
ตอบ: วิธีกระเบื้องฝังเพิ่ม 20–30% ให้กับต้นทุน PCB เนื่องจากขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติม แต่มักจะถูกหักล้างด้วยขนาดบอร์ดที่ลดลงและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

ถาม: วิธีกระเบื้องฝังสามารถใช้ใน PCB แบบยืดหยุ่นได้หรือไม่
ตอบ: ได้ แต่ต้องใช้ความระมัดระวัง วิธีกระเบื้องฝังใน PCB แบบยืดหยุ่น (โดยใช้สับสเตรตโพลีอิไมด์) ต้องใช้การเติมอีพ็อกซีที่บางและยืดหยุ่นเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวในระหว่างการดัด

บทสรุป
เทคโนโลยีวิธีกระเบื้องฝังเป็นรากฐานสำคัญของการออกแบบ PCB หลายชั้นสมัยใหม่ ช่วยให้สามารถย่อขนาดและประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 5G อุปกรณ์ทางการแพทย์ และยานยนต์ แม้ว่าความท้าทายในการผลิตจะมีอยู่ เช่น การจัดตำแหน่ง ความแม่นยำในการเจาะ ต้นทุน แต่ก็สามารถจัดการได้ด้วยกระบวนการขั้นสูง (การเจาะด้วยเลเซอร์ การตรวจสอบอัตโนมัติ) และการออกแบบที่รอบคอบ

สำหรับวิศวกร กุญแจสำคัญคือการสร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่นและความสามารถในการผลิต โดยใช้ประโยชน์จากวิธีกระเบื้องฝังเพื่อลดเส้นทางสัญญาณและเพิ่มพื้นที่ว่างโดยไม่ทำให้การผลิตซับซ้อนเกินไป ด้วยพันธมิตรและกระบวนการที่เหมาะสม วิธีกระเบื้องฝังจะเปลี่ยนการออกแบบ PCB จากปัจจัยจำกัดไปสู่ข้อได้เปรียบในการแข่งขัน

ประเด็นสำคัญ: วิธีกระเบื้องฝังไม่ใช่แค่เทคนิคการผลิตเท่านั้น แต่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับนวัตกรรม ช่วยให้วิศวกรสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กกว่า เร็วกว่า และน่าเชื่อถือกว่าในโลกที่เชื่อมต่อถึงกันมากขึ้น