HDI PCB ทุก ชั้น: หลักการ การ ออกแบบ กระบวนการ ผลิต และ ข้อ ประโยชน์ ใน อิเล็กทรอนิกส์ ความหนาแน่นสูง

High-Density Interconnect (HDI) PCBs แบบ Any-layer เป็นสุดยอดแห่งการย่อขนาดและประสิทธิภาพในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ต่างจากบอร์ด HDI แบบดั้งเดิม—ที่การเชื่อมต่อถูกจำกัดไว้ที่เลเยอร์เฉพาะ—HDI แบบ Any-layer ช่วยให้ vias เชื่อมต่อเลเยอร์ใดก็ได้กับเลเยอร์อื่นๆ ได้ ทำให้ขจัดข้อจำกัดในการเดินสายและปลดล็อกความยืดหยุ่นในการออกแบบที่ไม่เคยมีมาก่อน นวัตกรรมนี้กำลังขับเคลื่อนความก้าวหน้าในอุปกรณ์ 5G, ตัวเร่ง AI และเทคโนโลยีสวมใส่ได้ ซึ่งพื้นที่จำกัดและความเร็วสัญญาณมีความสำคัญอย่างยิ่ง

คู่มือนี้จะสำรวจหลักการออกแบบ เทคนิคการผลิต และการใช้งานจริงของ HDI PCBs แบบ Any-layer โดยเน้นว่าพวกมันทำได้ดีกว่า PCBs ทั่วไปและแม้แต่ HDIs มาตรฐานอย่างไร ไม่ว่าคุณจะเป็นวิศวกรที่ออกแบบฮาร์ดแวร์รุ่นต่อไป หรือผู้ผลิตที่ขยายการผลิต การทำความเข้าใจ HDIs แบบ Any-layer เป็นกุญแจสำคัญในการแข่งขันในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความหนาแน่นสูง

HDI PCBs แบบ Any-Layer คืออะไร?
HDI PCBs แบบ Any-layer เป็นแผงวงจรขั้นสูงที่มีลักษณะดังนี้:
  ก. การเชื่อมต่อเลเยอร์แบบไม่จำกัด: Microvias (≤0.15 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง) เชื่อมต่อเลเยอร์ใดก็ได้กับเลเยอร์อื่นๆ ต่างจาก HDIs มาตรฐาน ซึ่งจำกัดการเชื่อมต่อกับเลเยอร์ที่อยู่ติดกันหรือสแต็กที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
  ข. คุณสมบัติที่ละเอียดมาก: ความกว้างและระยะห่างของร่องรอยเล็กเท่า 3/3 mil (0.075 มม./0.075 มม.) ทำให้สามารถวางส่วนประกอบได้อย่างหนาแน่น (เช่น BGAs ระยะพิทช์ 0.4 มม.)
  ค. วัสดุแกนกลางบาง: สับสเตรตบางเพียง 0.1 มม. ช่วยลดความหนาโดยรวมของบอร์ด ซึ่งมีความสำคัญสำหรับอุปกรณ์บางเฉียบ เช่น สมาร์ทโฟนและสมาร์ทวอทช์
การออกแบบนี้ช่วยขจัด “คอขวด” ใน PCBs แบบดั้งเดิม ซึ่งการเดินสายรอบสแต็ก vias แบบคงที่ทำให้ร่องรอยยาวขึ้น เพิ่มการสูญเสียสัญญาณและการครอสทอล์ก

HDI แบบ Any-Layer แตกต่างจาก HDIs มาตรฐานอย่างไร
ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่สถาปัตยกรรม vias HDIs มาตรฐานใช้ vias แบบ “ซ้อน” หรือ “เหลื่อม” พร้อมการเชื่อมต่อแบบคงที่ ในขณะที่ HDIs แบบ Any-layer ใช้ vias แบบ “อิสระ” ที่เชื่อมต่อเลเยอร์ใดก็ได้ ความแตกต่างนี้เปลี่ยนประสิทธิภาพ:

หลักการออกแบบสำหรับ HDI PCBs แบบ Any-Layer
การออกแบบ HDIs แบบ Any-layer ต้องเปลี่ยนจากการ 思维 PCB แบบดั้งเดิม โดยเน้นที่การเพิ่มประสิทธิภาพ microvia และความยืดหยุ่นของเลเยอร์:
1. กลยุทธ์ Microvia
เส้นผ่านศูนย์กลาง Via: ใช้ microvias ขนาด 0.1 มม. (4mil) สำหรับการเชื่อมต่อส่วนใหญ่; 0.075 มม. (3mil) สำหรับพื้นที่ที่มีความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษ (เช่น ใต้ BGAs)
อัตราส่วนภาพ: รักษาอัตราส่วนภาพ microvia (ความลึก/เส้นผ่านศูนย์กลาง) ≤1:1 เพื่อให้แน่ใจว่าการชุบมีความน่าเชื่อถือ สำหรับ via ขนาด 0.1 มม. ความลึกสูงสุดคือ 0.1 มม.
การวาง Via: จัดกลุ่ม microvias ใต้ส่วนประกอบ (เช่น แผ่น BGA) เพื่อประหยัดพื้นที่ โดยใช้เทคนิค “via-in-pad” (VIPPO) เพื่อการรวมที่ราบรื่น

2. การเพิ่มประสิทธิภาพ Layer Stackup
สแต็กแบบสมมาตร: ปรับสมดุลการกระจายทองแดงเพื่อลดการบิดงอระหว่างการเคลือบ (มีความสำคัญสำหรับแกนกลางบาง)
การจับคู่เลเยอร์คี่/คู่: จัดกลุ่มเลเยอร์สัญญาณกับระนาบกราวด์ที่อยู่ติดกันเพื่อลด EMI แม้ว่าเลเยอร์จะไม่ต่อเนื่องกัน
ไดอิเล็กทริกบาง: ใช้ prepreg ขนาด 0.05–0.1 มม. ระหว่างเลเยอร์เพื่อลดความลึกของ microvia และปรับปรุงความเร็วสัญญาณ

3. การวางส่วนประกอบ
การจัดลำดับความสำคัญของระยะพิทช์ละเอียด: วาง BGAs, QFPs และส่วนประกอบระยะพิทช์ละเอียดอื่นๆ ก่อน เนื่องจากต้องใช้ microvias มากที่สุด
การจัดการความร้อน: รวมเกาะทองแดงใต้ส่วนประกอบพลังงาน (เช่น PMICs) เชื่อมต่อกับเลเยอร์อื่นๆ ผ่าน microvias ความร้อน (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2 มม.)
หลีกเลี่ยงการแออัดข้ามเลเยอร์: ใช้ซอฟต์แวร์ออกแบบ (Altium, Cadence) เพื่อจำลองการเดินสายผ่านทุกเลเยอร์ เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีเลเยอร์ใดกลายเป็นคอขวด

กระบวนการผลิตสำหรับ HDI PCBs แบบ Any-Layer
การผลิต HDIs แบบ Any-layer ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำและเทคนิคขั้นสูงนอกเหนือจากการผลิต PCB มาตรฐาน:
1. การเจาะด้วยเลเซอร์สำหรับ Microvias
การเจาะด้วยเลเซอร์ UV: สร้าง microvias ขนาด 0.075–0.15 มม. ที่มีความแม่นยำ ±2μm ซึ่งจำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อเลเยอร์ที่ไม่ติดกัน
การเจาะความลึกที่ควบคุม: หยุดอย่างแม่นยำที่เลเยอร์เป้าหมายเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อคุณสมบัติทองแดงอื่นๆ
การกำจัดเสี้ยน: การกัดด้วยพลาสมาจะขจัดคราบเรซินและเสี้ยนออกจากผนัง microvia ทำให้มั่นใจได้ถึงการชุบที่เชื่อถือได้

2. การเคลือบลำดับ
ต่างจาก PCBs มาตรฐาน (เคลือบในขั้นตอนเดียว) HDIs แบบ Any-layer ใช้การเคลือบลำดับ:
การเตรียมแกนกลาง: เริ่มต้นด้วยแกนกลางบาง (0.1–0.2 มม.) พร้อม microvias ที่เจาะไว้ล่วงหน้า
การชุบ: แผ่นทองแดง microvias เพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเลเยอร์
เพิ่มเลเยอร์: ใช้ prepreg และเลเยอร์ทองแดงใหม่ ทำซ้ำขั้นตอนการเจาะและการชุบสำหรับแต่ละเลเยอร์ใหม่
การเคลือบขั้นสุดท้าย: ผูกมัดทุกเลเยอร์ในเครื่องกด (180–200°C, 300–500 psi) เพื่อให้แน่ใจว่ามีความสม่ำเสมอ

3. การชุบขั้นสูง
การชุบทองแดงแบบไร้ไฟฟ้า: ฝากชั้นฐานขนาด 0.5–1μm ภายใน microvias เพื่อการนำไฟฟ้า
การชุบด้วยไฟฟ้า: สร้างความหนาของทองแดงเป็น 15–20μm ทำให้มั่นใจได้ถึงความต้านทานต่ำและความแข็งแรงทางกล
ENIG Finish: การจุ่มทองคำ (0.1–0.5μm) บนนิกเกิล (5–10μm) ปกป้องแผ่นรองจากการเกิดออกซิเดชัน ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการบัดกรีระยะพิทช์ละเอียด

4. การตรวจสอบและการทดสอบ
การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์: ตรวจสอบความสมบูรณ์ของการชุบ microvia และการจัดตำแหน่งเลเยอร์ (ความคลาดเคลื่อน ±5μm)
AOI พร้อมการสร้างภาพ 3 มิติ: ตรวจสอบร่องรอยสั้นหรือเปิดในพื้นที่ระยะพิทช์ละเอียด
การทดสอบ TDR: ตรวจสอบการควบคุมอิมพีแดนซ์ (50Ω ±10%) สำหรับสัญญาณความเร็วสูง

ข้อดีของ HDI PCBs แบบ Any-Layer
HDIs แบบ Any-layer แก้ปัญหาที่สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความหนาแน่นสูง:
1. ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เหนือกว่า
ร่องรอยที่สั้นกว่า: การเชื่อมต่อเลเยอร์แบบไม่จำกัดช่วยลดความยาวของร่องรอยลง 30–50% เมื่อเทียบกับ HDIs มาตรฐาน ลดการสูญเสียสัญญาณ
ลดการครอสทอล์ก: ระยะห่างของร่องรอยละเอียด (3/3 mil) พร้อมระนาบกราวด์ที่อยู่ติดกันช่วยลด EMI ซึ่งมีความสำคัญสำหรับ 5G (28GHz+) และ PCIe 6.0 (64Gbps)
อิมพีแดนซ์ควบคุม: ไดอิเล็กทริกบาง (0.05 มม.) ช่วยให้สามารถจับคู่อิมพีแดนซ์ได้อย่างแม่นยำ ลดการสะท้อน

2. การย่อขนาด
รอยเท้าที่เล็กกว่า: เล็กกว่า HDIs มาตรฐาน 30–40% สำหรับฟังก์ชันการทำงานเดียวกัน HDI แบบ Any-layer 12 เลเยอร์มีความหนา 1.0 มม. เทียบกับ 1.6 มม. สำหรับ HDI มาตรฐาน
ส่วนประกอบเพิ่มเติม: Microvias หนาแน่นช่วยให้มีส่วนประกอบมากขึ้น 20–30% (เช่น เซ็นเซอร์, พาสซีฟ) บนพื้นที่บอร์ดเดียวกัน

3. ความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น
ประสิทธิภาพทางความร้อน: Microvias ทำหน้าที่เป็นตัวนำความร้อน ลดอุณหภูมิส่วนประกอบลง 10–15°C เมื่อเทียบกับ PCBs แบบดั้งเดิม
ความต้านทานการสั่นสะเทือน: ไม่มี through-hole vias (ซึ่งทำให้บอร์ดอ่อนแอลง) ทำให้ HDIs แบบ Any-layer เหมาะสำหรับยานยนต์และการบินและอวกาศ (เป็นไปตามมาตรฐาน MIL-STD-883)

4. ประสิทธิภาพด้านต้นทุนในปริมาณมาก
แม้ว่าต้นทุนล่วงหน้าจะสูงกว่า PCBs มาตรฐาน แต่ HDIs แบบ Any-layer ช่วยลดต้นทุนของระบบ:
ต้องใช้เลเยอร์น้อยลงสำหรับฟังก์ชันการทำงานเดียวกัน (เช่น เลเยอร์ any-layer 8 เลเยอร์เทียบกับเลเยอร์มาตรฐาน 12 เลเยอร์)
ลดขั้นตอนการประกอบ (ไม่จำเป็นต้องใช้การเชื่อมต่อสายไฟหรือขั้วต่อในพื้นที่จำกัด)

การใช้งาน HDI PCBs แบบ Any-Layer
HDIs แบบ Any-layer ทำได้ดีในอุตสาหกรรมที่ขนาด ความเร็ว และความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งที่ไม่สามารถต่อรองได้:
1. อุปกรณ์ 5G
สมาร์ทโฟน: เปิดใช้งานเสาอากาศ mmWave 5G และระบบหลายกล้องในการออกแบบที่บางเฉียบ (เช่น iPhone 15 Pro ใช้ HDIs แบบ Any-layer)
สถานีฐาน: รองรับความถี่ 28GHz/39GHz โดยมีการสูญเสียสัญญาณต่ำ ซึ่งมีความสำคัญสำหรับ 5G แบนด์สูง

2. AI และการประมวลผล
ตัวเร่ง AI: เชื่อมต่อ GPUs กับหน่วยความจำแบนด์วิธสูง (HBM) ด้วยลิงก์ 100+ Gbps
สวิตช์ศูนย์ข้อมูล: จัดการอีเทอร์เน็ต 400G/800G โดยมีความหน่วงน้อยที่สุด

3. อุปกรณ์ทางการแพทย์
อุปกรณ์สวมใส่ได้: ติดตั้งเครื่องวัดคลื่นไฟฟ้าหัวใจและเซ็นเซอร์วัดระดับน้ำตาลในเลือดในรูปแบบขนาดกะทัดรัด
อุปกรณ์ถ่ายภาพ: เปิดใช้งานโพรบอัลตราซาวนด์ความละเอียดสูงพร้อมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่หนาแน่น

4. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์
เซ็นเซอร์ ADAS: เชื่อมต่อ LiDAR, เรดาร์ และกล้องในโมดูลยานยนต์ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่
Infotainment: รองรับจอแสดงผล 4K และลิงก์ข้อมูลความเร็วสูงในแดชบอร์ด

ความท้าทายและการบรรเทา
HDIs แบบ Any-layer นำเสนอความท้าทายในการผลิตที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งสามารถจัดการได้ด้วยการวางแผนอย่างรอบคอบ:
1. ต้นทุนและความซับซ้อน
ความท้าทาย: การเจาะด้วยเลเซอร์และการเคลือบลำดับเพิ่ม 30–50% ให้กับต้นทุนการผลิตเทียบกับ HDIs มาตรฐาน
การบรรเทา: ใช้การออกแบบแบบไฮบริด (any-layer สำหรับส่วนที่สำคัญ, HDI มาตรฐานสำหรับส่วนอื่นๆ) เพื่อปรับสมดุลต้นทุนและประสิทธิภาพ

2. การบิดงอ
ความท้าทาย: แกนกลางบางและขั้นตอนการเคลือบหลายขั้นตอนเพิ่มความเสี่ยงในการบิดงอ
การบรรเทา: ใช้ stackups แบบสมมาตรและวัสดุที่มี CTE (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน) ต่ำ เช่น Rogers 4350

3. ความซับซ้อนในการออกแบบ
ความท้าทาย: การเดินสายผ่านเลเยอร์ 16+ ต้องใช้ซอฟต์แวร์และความเชี่ยวชาญขั้นสูง
การบรรเทา: ร่วมมือกับผู้ผลิตที่ให้การสนับสนุน DFM (Design for Manufacturability) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเลย์เอาต์

แนวโน้มในอนาคตในเทคโนโลยี HDI Any-Layer
ความก้าวหน้าในด้านวัสดุและการผลิตจะขยายขีดความสามารถของ HDI แบบ Any-layer:
  ก. Nano-Drilling: ระบบเลเซอร์ที่สามารถทำ microvias ขนาด 0.05 มม. จะช่วยให้สามารถออกแบบได้หนาแน่นยิ่งขึ้น
  ข. การเดินสายที่ขับเคลื่อนด้วย AI: ซอฟต์แวร์ที่ปรับการเชื่อมต่อข้ามเลเยอร์โดยอัตโนมัติ ลดเวลาในการออกแบบลง 50%
  ค. วัสดุที่ยั่งยืน: prepregs ที่ใช้ชีวภาพและทองแดงรีไซเคิลได้เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: ปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำสำหรับ HDI PCBs แบบ Any-layer คืออะไร?
ตอบ: ต้นแบบอาจมีขนาดเล็กเพียง 5–10 หน่วย แต่การผลิตปริมาณมาก (10,000+) ช่วยลดต้นทุนต่อหน่วยได้อย่างมาก

ถาม: ใช้เวลานานเท่าใดในการผลิต HDIs แบบ Any-layer?
ตอบ: 2–3 สัปดาห์สำหรับต้นแบบ; 4–6 สัปดาห์สำหรับการผลิตปริมาณมาก เนื่องจากขั้นตอนการเคลือบลำดับ

ถาม: HDI แบบ Any-layer สามารถใช้ส่วนประกอบมาตรฐานได้หรือไม่?
ตอบ: ได้ แต่ทำได้ดีกับส่วนประกอบระยะพิทช์ละเอียด (≤0.4 มม. ระยะพิทช์) ที่ต้องใช้การเชื่อมต่อ microvia ที่หนาแน่น

ถาม: HDI แบบ Any-layer เป็นไปตามมาตรฐาน RoHS หรือไม่?
ตอบ: ใช่ ผู้ผลิตใช้บัดกรีปลอดสารตะกั่ว, ลามิเนตปราศจากฮาโลเจน และการชุบที่สอดคล้องกับ RoHS (ENIG, HASL)

ถาม: ซอฟต์แวร์ออกแบบใดดีที่สุดสำหรับ HDIs แบบ Any-layer?
ตอบ: Altium Designer และ Cadence Allegro มีเครื่องมือพิเศษสำหรับการเดินสาย microvia และการจัดการ stackup ข้ามเลเยอร์

บทสรุป
HDI PCBs แบบ Any-layer กำลังปรับเปลี่ยนอุตสาหกรรมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และน่าเชื่อถือกว่าที่เคยเป็นมา ด้วยการขจัดข้อจำกัดในการเชื่อมต่อเลเยอร์ พวกเขาแก้ปัญหาคอขวดในการเดินสายที่ขัดขวาง HDIs แบบดั้งเดิม ทำให้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับ 5G, AI และเทคโนโลยีสวมใส่ได้
แม้ว่าการผลิตจะมีความซับซ้อน แต่ประโยชน์—ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เหนือกว่า การย่อขนาด และการประหยัดต้นทุนของระบบ—ก็สมเหตุสมผลกับการลงทุนสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง ในขณะที่เทคโนโลยีก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง HDIs แบบ Any-layer จะยังคงอยู่ในระดับแนวหน้าของนวัตกรรม ผลักดันขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์