HDI PCB การเจาะเลเซอร์และ Via Filling: คู่มือครบถ้วนสําหรับการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง

PCB แบบ High-Density Interconnect (HDI) ได้ปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์ด้วยการเปิดทางให้มีอุปกรณ์ขนาดเล็กลงแต่ทรงพลังมากขึ้น ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงอุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ หัวใจสำคัญของเทคโนโลยี HDI คือการเจาะด้วยเลเซอร์และการเติมผ่าน—กระบวนการที่แม่นยำซึ่งสร้างการเชื่อมต่อขนาดเล็กและเชื่อถือได้ระหว่างชั้นต่างๆ ซึ่งแตกต่างจากการเจาะแบบกลไกทั่วไป การเจาะด้วยเลเซอร์สร้างไมโครเวีย (เส้นผ่านศูนย์กลาง ≤150μm) ซึ่งช่วยให้วางส่วนประกอบได้หนาแน่นขึ้น เส้นทางสัญญาณสั้นลง และประสิทธิภาพดีขึ้น เมื่อรวมกับการเติมผ่าน—โดยใช้วัสดุนำไฟฟ้าเพื่อปิดผนึกไมโครเวียเหล่านี้—PCB แบบ HDI จะได้ความสมบูรณ์ทางไฟฟ้า การจัดการความร้อน และความเสถียรทางกลไกที่เหนือกว่า

คู่มือนี้อธิบายวิธีการทำงานของการเจาะด้วยเลเซอร์และการเติมผ่านของ HDI ประโยชน์หลัก และเหตุใดจึงขาดไม่ได้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ไม่ว่าคุณจะออกแบบอุปกรณ์ 5G หรือเทคโนโลยีสวมใส่ได้ การทำความเข้าใจกระบวนการเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญในการปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของ PCB ความหนาแน่นสูง

PCB แบบ HDI และ Microvias คืออะไร
PCB แบบ HDI เป็นแผงวงจรขั้นสูงที่ออกแบบมาเพื่อรองรับความหนาแน่นของส่วนประกอบสูงและความเร็วสัญญาณที่รวดเร็ว ทำได้โดยใช้ไมโครเวีย—รูเล็กๆ ที่เชื่อมต่อชั้นต่างๆ โดยไม่ใช้พื้นที่มากเกินไป ซึ่งแตกต่างจากเวียมาตรฐาน (เส้นผ่านศูนย์กลาง ≥200μm เจาะด้วยกลไก) ไมโครเวีย:

    วัดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50–150μm
    เชื่อมต่อชั้นที่อยู่ติดกัน (บลิงด์เวีย) หรือหลายชั้น (สแต็กเวีย)
    กำจัด “ตอ” (ส่วนเวียที่ไม่ได้ใช้) ที่ทำให้เกิดการสะท้อนสัญญาณในการออกแบบความถี่สูง

การเจาะด้วยเลเซอร์เป็นวิธีเดียวที่ใช้ได้จริงในการสร้างไมโครเวียเหล่านี้ เนื่องจากสว่านแบบกลไกไม่สามารถทำความแม่นยำหรือขนาดเล็กที่ต้องการได้ การเติมผ่าน—โดยใช้ทองแดงหรือเรซินเพื่อเติมไมโครเวียเหล่านี้—จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าสามารถส่งสัญญาณ กระจายความร้อน และรองรับการติดตั้งส่วนประกอบได้

การเจาะด้วยเลเซอร์ทำงานอย่างไรสำหรับ HDI Microvias

การเจาะด้วยเลเซอร์แทนที่สว่านแบบกลไกด้วยเลเซอร์พลังงานสูงเพื่อสร้างไมโครเวีย โดยให้ความแม่นยำและการควบคุมที่เหนือกว่า:
1. ประเภทเลเซอร์และการใช้งาน

2. ขั้นตอนการเจาะ
การเตรียมพื้นผิว: แผง PCB (โดยทั่วไปคือ FR-4, Rogers หรือ LCP) จะถูกทำความสะอาดเพื่อขจัดฝุ่นและน้ำมัน เพื่อให้มั่นใจถึงการดูดซับเลเซอร์ที่สม่ำเสมอ
การกำจัดวัสดุด้วยเลเซอร์: เลเซอร์จะยิงพัลส์สั้นๆ (นาโนวินาทีถึงพิโกวินาที) เพื่อทำให้วัสดุพื้นผิวกลายเป็นไอ สร้างรูที่มีผนังเรียบ พลังงานและระยะเวลาของพัลส์ได้รับการปรับเทียบเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อชั้นที่อยู่ติดกัน
การกำจัดเศษซาก: ระบบอัดอากาศหรือสุญญากาศจะกำจัดเศษซากออกจากรู ป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรในระหว่างขั้นตอนต่อๆ ไป
การตรวจสอบ: การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) จะตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลาง ความลึก และตำแหน่งของรู (ความคลาดเคลื่อนแน่นถึง ±5μm)

3. ทำไมการเจาะด้วยเลเซอร์จึงเหนือกว่าการเจาะด้วยกลไก

ความแม่นยำของการเจาะด้วยเลเซอร์ช่วยให้มีเวียได้มากกว่าวิธีการทางกลไก 3–5 เท่าต่อตารางนิ้ว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคำมั่นสัญญาความหนาแน่นสูงของ HDI

การเติมผ่าน: การปิดผนึก Microvias เพื่อประสิทธิภาพ
การสร้างไมโครเวียเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของกระบวนการ—การเติมจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่เชื่อถือได้:
1. วัสดุและวิธีการเติม

การเติมทองแดงเป็นเรื่องปกติที่สุดสำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า ในขณะที่การเติมเรซินใช้เพื่อสร้างพื้นผิวเรียบสำหรับการติดตั้งส่วนประกอบ (การออกแบบ via-in-pad)

2. ขั้นตอนการเติมผ่านทีละขั้นตอน
การกำจัดคราบ: การบำบัดทางเคมีหรือพลาสมาจะขจัดเรซินที่เหลือออกจากผนังเวีย ทำให้มั่นใจได้ถึงการยึดเกาะที่แข็งแรงกับวัสดุเติม
การสะสมชั้นเมล็ด: ใช้ชั้นทองแดงบางๆ (1–2μm) กับผนังเวียโดยใช้การชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า ทำให้สามารถชุบด้วยไฟฟ้าในภายหลังได้
การเติม: สำหรับการเติมทองแดง การชุบด้วยไฟฟ้าจะสร้างทองแดงภายในเวียจนกว่าจะเต็ม สำหรับการเติมเรซิน จะมีการฉีดอีพ็อกซีภายใต้สุญญากาศเพื่อกำจัดฟองอากาศ
การปรับระนาบ: วัสดุส่วนเกินจะถูกกำจัดออกโดยการเจียรแบบกลไกหรือการกัดทางเคมี ทำให้พื้นผิวเรียบเสมอกับ PCB
การตรวจสอบ: การวิเคราะห์ด้วยรังสีเอกซ์และการวิเคราะห์ตามส่วนตัดขวางจะตรวจสอบการเติมที่สมบูรณ์ (ไม่มีช่องว่าง >5% ของปริมาตรเวีย)

3. ตัวชี้วัดคุณภาพที่สำคัญ
การเติมแบบไม่มีช่องว่าง: ช่องว่าง (กระเป๋าอากาศ) ในเวียที่เติมทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณและจุดร้อน กระบวนการขั้นสูงทำให้ได้อัตราการปราศจากช่องว่าง >99%
ความเรียบ: ความเรียบของพื้นผิว (ความแปรปรวน ≤5μm) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการบัดกรีส่วนประกอบที่เชื่อถือได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ BGAs ระยะละเอียด
การยึดเกาะ: เวียที่เติมจะต้องทนต่อการหมุนเวียนความร้อน (-40°C ถึง 125°C) โดยไม่เกิดการหลุดลอก ทดสอบผ่าน IPC-TM-650 2.6.27A

ประโยชน์ของการเจาะด้วยเลเซอร์และการเติมผ่านใน PCB แบบ HDI
กระบวนการเหล่านี้ให้ข้อได้เปรียบที่เปลี่ยนแปลงไปมากกว่าการผลิต PCB แบบดั้งเดิม:
1. ปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ
 a. เส้นทางที่สั้นกว่า: ไมโครเวียช่วยลดระยะการเดินทางของสัญญาณลง 30–50% ลดความล่าช้าและการลดทอนในการออกแบบความเร็วสูง (≥10Gbps)
 b. ลด EMI: เวียขนาดเล็กทำหน้าที่เป็นเสาอากาศขนาดเล็ก ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าลง 20–30% เมื่อเทียบกับเวียมาตรฐาน
 c. อิมพีแดนซ์ควบคุม: เวียที่เจาะด้วยเลเซอร์พร้อมขนาดที่สม่ำเสมอรักษาอิมพีแดนซ์ (ความคลาดเคลื่อน ±5%) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน 5G และ mmWave

2. ปรับปรุงการจัดการความร้อน
 a. การกระจายความร้อน: เวียที่เติมทองแดงสร้างเส้นทางความร้อนระหว่างชั้น ลดจุดร้อนลง 15–25°C ในส่วนประกอบกำลังสูง (เช่น โปรเซสเซอร์)
 b. ไม่มีค่าเหนี่ยวนำตอ: เวียที่เติมจะกำจัดตอ ซึ่งทำหน้าที่เป็นกับดักความร้อนในเวียแบบดั้งเดิม

3. การประหยัดพื้นที่และการย่อขนาด
 a. การวางส่วนประกอบที่หนาแน่นขึ้น: ไมโครเวียช่วยให้มีส่วนประกอบได้มากขึ้น 2–3 เท่าต่อตารางนิ้ว ลดขนาด PCB ลง 40–60% (เช่น จาก 100cm² เป็น 40cm² ในสมาร์ทโฟน)
 b. การออกแบบ Via-in-Pad: เวียที่เติมภายใต้แผ่น BGA ไม่จำเป็นต้องใช้ร่องรอย “dogbone” ประหยัดพื้นที่เพิ่มเติม

4. ความน่าเชื่อถือทางกลไก
 a. พันธะชั้นที่แข็งแกร่งขึ้น: เวียที่เติมจะกระจายความเครียดทั่วทั้งชั้น ปรับปรุงความทนทานในสภาพแวดล้อมที่เกิดการสั่นสะเทือน (เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์)
 b. ความต้านทานต่อน้ำ: เวียที่ปิดผนึกป้องกันการซึมของน้ำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ภายนอกอาคาร (เช่น เซ็นเซอร์ IoT)

แอปพลิเคชัน: ที่ซึ่งการเติมเวียด้วยเลเซอร์ HDI ส่องประกาย
PCB แบบ HDI พร้อมเวียที่เจาะด้วยเลเซอร์และเติมเต็มนั้นขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมที่ต้องการการย่อขนาดและประสิทธิภาพ:
1. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
 a. สมาร์ทโฟนและอุปกรณ์สวมใส่: เปิดใช้งานโมเด็ม 5G, กล้องหลายตัว และแบตเตอรี่ในการออกแบบที่บางเฉียบ ตัวอย่างเช่น PCB สมาร์ทโฟนสมัยใหม่ใช้ไมโครเวียมากกว่า 10,000 ตัวเพื่อเชื่อมต่อ 8–12 ชั้น
 b. แล็ปท็อปและแท็บเล็ต: รองรับอินเทอร์เฟซความเร็วสูง (Thunderbolt 4, Wi-Fi 6E) โดยมีการสูญเสียสัญญาณน้อยที่สุด

2. ยานยนต์และการบินและอวกาศ
 a. ADAS และ Infotainment: PCB แบบ HDI พร้อมเวียที่เติมทนต่ออุณหภูมิ -40°C ถึง 125°C ในระบบเรดาร์และ GPS ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เชื่อถือได้
 b. เซ็นเซอร์การบินและอวกาศ: ไมโครเวียช่วยลดน้ำหนักในระบบการบิน ทำให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีขึ้นในขณะที่จัดการอัตราข้อมูล 100+ Gbps

3. อุปกรณ์ทางการแพทย์
 a. อุปกรณ์ฝัง: PCB แบบ HDI ขนาดเล็กที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ (เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ) ใช้ไมโครเวียเพื่อให้วงจรที่ซับซ้อนพอดีกับปริมาตร 1cm³
 b. อุปกรณ์วินิจฉัย: ข้อมูลความเร็วสูงจากเครื่อง MRI และเครื่องอัลตราซาวนด์อาศัยความสมบูรณ์ของสัญญาณของ HDI

4. Industrial IoT
  a. เซ็นเซอร์และคอนโทรลเลอร์: PCB แบบ HDI ขนาดกะทัดรัดพร้อมเวียที่เติมทำงานในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรง รองรับการประมวลผลแบบขอบและข้อมูลแบบเรียลไทม์

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: HDI เทียบกับ PCB แบบดั้งเดิม

ในขณะที่ PCB แบบ HDI มีค่าใช้จ่ายมากกว่า แต่ประโยชน์ด้านขนาดและประสิทธิภาพทำให้การลงทุนในการใช้งานที่มีมูลค่าสูงมีความสมเหตุสมผล

แนวโน้มในอนาคตในการเจาะด้วยเลเซอร์ HDI และการเติมผ่าน
ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเลเซอร์และวัสดุกำลังผลักดันความสามารถของ HDI ให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น:

1. เลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ: เลเซอร์เฟมโตวินาทีช่วยลดความเสียหายจากความร้อน ทำให้สามารถใช้ไมโครเวียในวัสดุที่ละเอียดอ่อน เช่น โพลีอิไมด์ (ใช้ใน PCB แบบ HDI ที่ยืดหยุ่น)
2. การพิมพ์ 3 มิติของเวีย: กำลังมีการพัฒนาเทคนิคการผลิตแบบเติมแต่งเพื่อพิมพ์เวียนำไฟฟ้าโดยตรง ขจัดขั้นตอนการเจาะ
3. การเติมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: วางทองแดงที่ปราศจากสารตะกั่วและเรซินที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม สอดคล้องกับมาตรฐาน RoHS และ REACH
4. การตรวจสอบที่ขับเคลื่อนด้วย AI: อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องวิเคราะห์คุณภาพของเวียแบบเรียลไทม์ ลดข้อบกพร่องลง 30–40%

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: ไมโครเวียที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้ด้วยการเจาะด้วยเลเซอร์คืออะไร
ตอบ: เลเซอร์ UV สามารถเจาะไมโครเวียที่มีขนาดเล็กถึง 50μm ในเส้นผ่านศูนย์กลาง แม้ว่า 80–100μm จะเป็นเรื่องปกติมากกว่าสำหรับความสมดุลระหว่างความแม่นยำและความสามารถในการผลิต

ถาม: จำเป็นต้องเติมเวียสำหรับ PCB แบบ HDI ทั้งหมดหรือไม่
ตอบ: การเติมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเวียที่ส่งกระแสไฟฟ้าสูง รองรับส่วนประกอบ (via-in-pad) หรือต้องการการนำความร้อน เวียที่ไม่ได้เติมอาจใช้สำหรับการเชื่อมต่อที่ไม่สำคัญและใช้พลังงานต่ำ

ถาม: เวียที่เจาะด้วยเลเซอร์ทำงานอย่างไรในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง
ตอบ: เวียที่เติมทองแดงรักษาความสมบูรณ์ในการหมุนเวียนความร้อน -40°C ถึง 125°C (1,000+ รอบ) ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในยานยนต์และอุตสาหกรรม

ถาม: สามารถซ่อมแซม PCB แบบ HDI พร้อมไมโครเวียได้หรือไม่
ตอบ: สามารถซ่อมแซมได้ในขอบเขตจำกัด (เช่น การปรับปรุงข้อต่อบัดกรี) แต่ไมโครเวียนั้นยากต่อการซ่อมแซมเนื่องจากขนาด ทำให้การควบคุมคุณภาพระหว่างการผลิตเป็นสิ่งสำคัญ

ถาม: วัสดุใดบ้างที่เข้ากันได้กับการเจาะด้วยเลเซอร์
ตอบ: พื้นผิว PCB ส่วนใหญ่ใช้งานได้ รวมถึง FR-4, Rogers (ลามิเนตความถี่สูง), โพลีอิไมด์ (ยืดหยุ่น) และ LCP (โพลิเมอร์คริสตัลเหลวสำหรับ mmWave)

บทสรุป
การเจาะด้วยเลเซอร์และการเติมผ่านเป็นกระดูกสันหลังของเทคโนโลยี PCB แบบ HDI ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กและทรงพลังที่กำหนดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ได้ ด้วยการสร้างไมโครเวียที่แม่นยำและปิดผนึกด้วยวัสดุนำไฟฟ้า กระบวนการเหล่านี้ให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณ การจัดการความร้อน และประสิทธิภาพด้านพื้นที่ที่เหนือกว่า—ข้อได้เปรียบที่ไม่สามารถต่อรองได้สำหรับ 5G, IoT และเทคโนโลยีทางการแพทย์

เนื่องจากอุปกรณ์ยังคงหดตัวลงและต้องการความเร็วที่เร็วขึ้น PCB แบบ HDI จะเติบโตขึ้นเรื่อยๆ การทำความเข้าใจความแตกต่างของการเจาะด้วยเลเซอร์และการเติมผ่านช่วยให้นักออกแบบ วิศวกร และผู้ผลิตใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีเหล่านี้เพื่อรักษาความสามารถในการแข่งขันในตลาดที่นวัตกรรมวัดเป็นไมโครเมตร

ประเด็นสำคัญ: การเจาะด้วยเลเซอร์ HDI และการเติมผ่านไม่ใช่แค่ขั้นตอนการผลิต—แต่เป็นตัวเปิดใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป ซึ่งขนาด ความเร็ว และความน่าเชื่อถือเป็นตัวกำหนดความสำเร็จ