การผลิต PCB HDI: การพิจารณาการออกแบบที่สําคัญสําหรับอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง

ภาพลักษณ์ที่ได้รับอนุญาตจากลูกค้า

แผงวงจรพิมพ์ความหนาแน่นสูง (HDI) ได้กลายเป็นกระดูกสันหลังของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ทำให้สามารถย่อขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ 5G, อุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ และระบบยานยนต์ขั้นสูง ซึ่งแตกต่างจาก PCB แบบดั้งเดิม การออกแบบ HDI จะบรรจุส่วนประกอบมากขึ้น, ร่องรอยที่ละเอียดกว่า และ vias ที่เล็กกว่าในพื้นที่ที่แคบกว่า—ซึ่งต้องการการออกแบบและการผลิตที่แม่นยำ ตั้งแต่การวาง microvia ไปจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพเลเยอร์สแต็ก ทุกการตัดสินใจส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ ความน่าเชื่อถือ และต้นทุน คู่มือนี้สรุปข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่จำเป็นสำหรับการผลิต HDI PCB ช่วยให้นักออกแบบสามารถจัดการกับความซับซ้อนของการออกแบบความหนาแน่นสูง

ประเด็นสำคัญ
  1.HDI PCB ต้องปฏิบัติตามกฎการออกแบบอย่างเคร่งครัด: microvias (50–150μm), ร่องรอยละเอียด (25–50μm) และอิมพีแดนซ์ควบคุม (±5%) เพื่อรองรับสัญญาณ 100Gbps+
  2.การออกแบบเลเยอร์สแต็ก—โดยเฉพาะการเคลือบแบบต่อเนื่อง—ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณลง 40% เมื่อเทียบกับการเคลือบแบบแบทช์แบบดั้งเดิม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชัน 5G และ AI
  3.การเลือกใช้วัสดุ (ลามิเนตที่มีการสูญเสียน้อย, ทองแดงบาง) และการตรวจสอบ DFM (การออกแบบเพื่อการผลิต) ช่วยลดข้อบกพร่องในการผลิตลง 60% ในการผลิตปริมาณมาก
  4.การสร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่นและการผลิตเป็นสิ่งสำคัญ: การออกแบบที่ซับซ้อนเกินไปจะเพิ่มต้นทุน 30–50% โดยไม่มีการเพิ่มประสิทธิภาพตามสัดส่วน

อะไรที่ทำให้ HDI PCB มีเอกลักษณ์?
HDI PCB ถูกกำหนดโดยความสามารถในการบรรลุความหนาแน่นของส่วนประกอบที่สูงขึ้นและความเร็วสัญญาณที่เร็วกว่า PCB แบบดั้งเดิม ด้วยคุณสมบัติหลักสามประการ:

  ก.Microvias: รูขนาดเล็กเคลือบ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 50–150μm) ที่เชื่อมต่อเลเยอร์โดยไม่เจาะทะลุทั้งบอร์ด ลดการใช้พื้นที่ลง 70% เมื่อเทียบกับ through-hole vias
  ข.ร่องรอยละเอียด: เส้นทองแดงแคบ (ความกว้าง 25–50μm) ที่ช่วยให้สามารถกำหนดเส้นทางได้หนาแน่น รองรับส่วนประกอบมากกว่า 1,000 ชิ้นต่อตารางนิ้ว
  ค.การเพิ่มประสิทธิภาพเลเยอร์สแต็ก: 4–16 เลเยอร์บาง (เทียบกับ 2–8 เลเยอร์หนาใน PCB แบบดั้งเดิม) พร้อมการเคลือบแบบต่อเนื่องเพื่อการจัดตำแหน่งที่แม่นยำ

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ HDI PCB ขาดไม่ได้สำหรับอุปกรณ์ที่ขนาดและความเร็วมีความสำคัญ—ตั้งแต่สถานีฐาน 5G ไปจนถึงเครื่องวัดสุขภาพแบบสวมใส่

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบหลักสำหรับ HDI PCB
การออกแบบ HDI PCB ต้องสร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่น ประสิทธิภาพ และการผลิต ด้านล่างนี้คือปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา:
1. การออกแบบและการวาง Microvia
Microvias เป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบ HDI แต่ความสำเร็จขึ้นอยู่กับการวางแผนอย่างรอบคอบ:

ประเภท Microvia:
   Blind vias: เชื่อมต่อเลเยอร์ด้านนอกกับเลเยอร์ด้านใน (เช่น เลเยอร์ 1 ถึงเลเยอร์ 2) โดยไม่ถึงด้านตรงข้าม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการลดความยาวเส้นทางสัญญาณ
   Buried vias: เชื่อมโยงเลเยอร์ด้านใน (เช่น เลเยอร์ 3 ถึงเลเยอร์ 4) ทำให้เลเยอร์ด้านนอกว่างสำหรับส่วนประกอบ
   Stacked vias: Microvias หลายตัววางซ้อนกันในแนวตั้ง (เช่น เลเยอร์ 1→2→3) เพื่อเชื่อมต่อ 3+ เลเยอร์ ประหยัดพื้นที่ 40% เมื่อเทียบกับการออกแบบที่ไม่ซ้อนกัน

ขนาดและอัตราส่วนภาพ:
เส้นผ่านศูนย์กลาง: 50–150μm (vias ที่เล็กกว่า = ความหนาแน่นสูงกว่า แต่ผลิตยากกว่า)
อัตราส่วนภาพ (ความลึก:เส้นผ่านศูนย์กลาง): ≤1:1 เพื่อความน่าเชื่อถือ Microvia ลึก 100μm ควรมีเส้นผ่านศูนย์กลาง ≥100μm เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการเคลือบ

กฎการเว้นระยะ:
Microvias ต้องเว้นระยะห่าง ≥2x เส้นผ่านศูนย์กลาง (เช่น การเว้นระยะห่าง 200μm สำหรับ vias 100μm) เพื่อป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรและการรบกวนสัญญาณ
เว้นระยะ microvias ≥100μm จากขอบร่องรอยเพื่อหลีกเลี่ยงการบางตัวของทองแดงในระหว่างการกัด

2. ความกว้างของร่องรอย การเว้นระยะ และการควบคุมอิมพีแดนซ์
ร่องรอยละเอียดช่วยให้มีความหนาแน่น แต่ทำให้เกิดความท้าทายด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณ:

ขนาดร่องรอย:
   ความกว้าง: 25–50μm สำหรับร่องรอยสัญญาณ; 100–200μm สำหรับร่องรอยพลังงาน (เพื่อจัดการกระแสไฟที่สูงขึ้น)
   การเว้นระยะ: ≥25μm ระหว่างร่องรอยเพื่อลดการรบกวน (การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า) สำหรับสัญญาณความถี่สูง (28GHz+) เพิ่มระยะห่างเป็น ≥50μm

การควบคุมอิมพีแดนซ์:
HDI PCB มักต้องการอิมพีแดนซ์ควบคุม (เช่น 50Ω สำหรับร่องรอยแบบปลายเดียว, 100Ω สำหรับคู่ดิฟเฟอเรนเชียล) เพื่อป้องกันการสะท้อนของสัญญาณ
อิมพีแดนซ์ขึ้นอยู่กับความกว้างของร่องรอย ความหนาของทองแดง และวัสดุไดอิเล็กทริก ใช้เครื่องมือเช่น Polar Si8000 เพื่อคำนวณขนาด—แม้แต่ความแตกต่าง 5μm ในความกว้างของร่องรอยก็สามารถเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ได้ 10%

3. การออกแบบเลเยอร์สแต็ก
เลเยอร์สแต็ก HDI มีความซับซ้อนกว่า PCB แบบดั้งเดิม โดยมีการเคลือบแบบต่อเนื่อง (การสร้างเลเยอร์ทีละชั้น) เพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำ:

จำนวนเลเยอร์:
   4–8 เลเยอร์: ทั่วไปสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (เช่น สมาร์ทโฟน) ที่มีความหนาแน่นปานกลาง
   10–16 เลเยอร์: ใช้ในระบบอุตสาหกรรมและอวกาศที่ต้องการเลเยอร์พลังงาน กราวด์ และสัญญาณจำนวนมาก

การเคลือบแบบต่อเนื่อง:
   การเคลือบแบบแบทช์แบบดั้งเดิม (การกดเลเยอร์ทั้งหมดพร้อมกัน) เสี่ยงต่อการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง (±25μm) การเคลือบแบบต่อเนื่องจะจัดตำแหน่งได้ ±5μm ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ microvias ที่ซ้อนกัน
   แต่ละเลเยอร์ใหม่จะถูกยึดติดกับสแต็กที่มีอยู่โดยใช้เครื่องหมายการจัดตำแหน่งด้วยเลเซอร์ ลดไฟฟ้าลัดวงจรจาก vias ที่จัดตำแหน่งไม่ถูกต้องลง 80%

ระนาบพลังงานและกราวด์:
   รวมพลังงานเฉพาะ (VCC) และระนาบกราวด์เพื่อลดสัญญาณรบกวนและจัดเตรียมเส้นทางส่งกลับอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับสัญญาณความเร็วสูง
   วางระนาบกราวด์ติดกับเลเยอร์สัญญาณเพื่อป้องกัน EMI—ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบ 5G mmWave (28GHz+)

4. การเลือกใช้วัสดุ
HDI PCB ต้องการวัสดุที่รองรับคุณสมบัติที่ดีและประสิทธิภาพความถี่สูง:

ซับสเตรต:
   FR4 ที่มีการสูญเสียน้อย: คุ้มค่าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (เช่น แท็บเล็ต) ที่มีสัญญาณ ≤10Gbps Dk (ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก) = 3.8–4.2
   Rogers RO4350: เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ 5G และเรดาร์ (28–60GHz) ที่มี Dk ต่ำ (3.48) และการสูญเสียน้อย (Df = 0.0037) ลดการลดทอนสัญญาณลง 50% เมื่อเทียบกับ FR4
   PTFE (Teflon): ใช้ในอวกาศสำหรับสัญญาณ 60GHz+ โดยมี Dk = 2.1 และความเสถียรของอุณหภูมิที่ดีเยี่ยม (-200°C ถึง 260°C)

ฟอยล์ทองแดง:
  ทองแดงบาง (½–1oz): ช่วยให้มีร่องรอยที่ดี (25μm) โดยไม่ต้องกัดมากเกินไป
   ทองแดงรีด: เหนียวกว่าทองแดงที่ผ่านการชุบด้วยไฟฟ้า ทนทานต่อการแตกร้าวในการออกแบบ flex-HDI (เช่น โทรศัพท์พับได้)

ไดอิเล็กทริก:
ไดอิเล็กทริกบาง (50–100μm) ระหว่างเลเยอร์ช่วยลดความล่าช้าของสัญญาณ แต่รักษาความหนา ≥50μm เพื่อความแข็งแรงทางกล

5. การออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)
การออกแบบ HDI มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องในการผลิต (เช่น ช่องว่าง microvia, การกัดร่องรอย) หากไม่มีการเพิ่มประสิทธิภาพ DFM:

ทำให้ง่ายขึ้นเมื่อเป็นไปได้:
   หลีกเลี่ยงเลเยอร์ที่ไม่จำเป็นหรือ microvias ที่ซ้อนกัน—ความซับซ้อนที่เพิ่มเข้ามาแต่ละอย่างจะเพิ่มต้นทุนและความเสี่ยงของข้อบกพร่อง การออกแบบ 10 เลเยอร์อาจมีค่าใช้จ่ายมากกว่าการออกแบบ 8 เลเยอร์ 30% โดยมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน
   ใช้ขนาด microvia มาตรฐาน (100μm) แทนขนาดที่เล็กกว่า (50μm) เพื่อปรับปรุงผลผลิต (95% เทียบกับ 85% ในการผลิตปริมาณมาก)

ข้อควรพิจารณาในการกัดและเคลือบ:
   ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนร่องรอยไปยังแผ่นรองมีความราบรื่น (มุม 45°) เพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวของกระแสไฟและช่องว่างในการเคลือบ
   ระบุความหนาของการเคลือบทองแดงขั้นต่ำ (15μm) ใน microvias เพื่อป้องกันความต้านทานสูงและความล้มเหลวทางความร้อน

ความสามารถในการทดสอบ:
รวมจุดทดสอบ (≥0.2mm เส้นผ่านศูนย์กลาง) สำหรับการทดสอบโพรบแบบบินหรือการทดสอบในวงจร—ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับการเปิด/ลัดวงจรในการออกแบบที่หนาแน่น

ความท้าทายในการผลิตในการผลิต HDI PCB
แม้แต่ HDI PCB ที่ออกแบบมาอย่างดีก็ต้องเผชิญกับอุปสรรคในการผลิตที่ต้องการกระบวนการพิเศษ:

1. การเจาะด้วยเลเซอร์สำหรับ Microvias
สว่านกลไกไม่สามารถสร้างรูขนาด 50–150μm ได้อย่างน่าเชื่อถือ ดังนั้น HDI จึงต้องพึ่งพาการเจาะด้วยเลเซอร์:

  เลเซอร์ UV: สร้างรูที่สะอาดและแม่นยำ (ความคลาดเคลื่อน ±5μm) โดยมีรอยเปื้อนเรซินน้อยที่สุด—เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ microvias ขนาด 50–100μm
  เลเซอร์ CO₂: ใช้สำหรับ microvias ที่ใหญ่กว่า (100–150μm) แต่เสี่ยงต่อการเปื้อนเรซิน ซึ่งต้องทำความสะอาดหลังการเจาะ

ความท้าทาย: การจัดตำแหน่งด้วยเลเซอร์ต้องตรงกับข้อมูลการออกแบบภายใน ±5μm การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องทำให้เกิดข้อบกพร่อง HDI 30%

2. การควบคุมการเคลือบแบบต่อเนื่อง
แต่ละขั้นตอนการเคลือบต้องใช้อุณหภูมิที่แม่นยำ (180–200°C) และแรงดัน (300–400 psi) เพื่อเชื่อมเลเยอร์โดยไม่เกิดการแยกชั้น:

   การเคลือบแบบสุญญากาศ: กำจัดฟองอากาศ ลดช่องว่างใน microvias ลง 70%
   การสร้างโปรไฟล์ความร้อน: ทำให้มั่นใจได้ถึงการบ่มที่สม่ำเสมอ—แม้แต่ความแตกต่าง 10°C ก็อาจทำให้เรซินขาดแคลนในเลเยอร์ด้านใน

3. การตรวจสอบและการทดสอบ
ข้อบกพร่อง HDI มักจะมีขนาดเล็กเกินกว่าที่จะตรวจสอบด้วยสายตา ซึ่งต้องใช้เครื่องมือขั้นสูง:

  การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์: ตรวจจับปัญหาที่ซ่อนอยู่ (เช่น การจัดตำแหน่ง microvia ที่ซ้อนกัน ช่องว่างในการเคลือบ)
  AOI (การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ): ตรวจสอบข้อบกพร่องของร่องรอย (เช่น รอยแตก การกัดร่อง) ด้วยความละเอียด 5μm
  TDR (Time Domain Reflectometry): ตรวจสอบความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับสัญญาณความเร็วสูง

แอปพลิเคชันและการแลกเปลี่ยนการออกแบบ
ลำดับความสำคัญในการออกแบบ HDI แตกต่างกันไปตามแอปพลิเคชัน ซึ่งต้องใช้วิธีการที่ปรับแต่ง:
1. อุปกรณ์ 5G (สมาร์ทโฟน, สถานีฐาน)
   ความต้องการ: สัญญาณ 28GHz+, การย่อขนาด, การสูญเสียน้อย
   การออกแบบเน้น: ซับสเตรต Rogers, คู่ดิฟเฟอเรนเชียล 100Ω, microvias ที่ซ้อนกัน
   การแลกเปลี่ยน: ต้นทุนวัสดุที่สูงขึ้น (Rogers สูงกว่า FR4 3 เท่า) แต่จำเป็นสำหรับอัตราข้อมูล 10Gbps+

2. อุปกรณ์ฝังทางการแพทย์
   ความต้องการ: ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ความน่าเชื่อถือ ขนาดเล็ก
   การออกแบบเน้น: 4–6 เลเยอร์, ซับสเตรต PEEK, microvias น้อยที่สุดเพื่อลดจุดบกพร่อง
   การแลกเปลี่ยน: ความหนาแน่นต่ำกว่า แต่มีความสำคัญสำหรับอายุการใช้งาน 10+ ปี

3. ADAS ยานยนต์
   ความต้องการ: ทนต่ออุณหภูมิ (-40°C ถึง 125°C), ทนต่อการสั่นสะเทือน
   การออกแบบเน้น: High-Tg FR4 (Tg ≥170°C), ทองแดงหนา (2oz) สำหรับร่องรอยพลังงาน
   การแลกเปลี่ยน: vias ที่ใหญ่ขึ้นเล็กน้อย (100–150μm) เพื่อการผลิตในการผลิตปริมาณมาก

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: ขนาด microvia ที่เล็กที่สุดสำหรับการผลิต HDI PCB จำนวนมากคืออะไร?
ตอบ: 50μm สามารถทำได้ด้วยการเจาะด้วยเลเซอร์ UV แต่ 75–100μm เป็นเรื่องปกติมากขึ้นสำหรับการผลิตปริมาณมากที่คุ้มค่า (ผลผลิต >95% เทียบกับ 85% สำหรับ 50μm)

ถาม: การเคลือบแบบต่อเนื่องส่งผลต่อต้นทุนอย่างไร?
ตอบ: การเคลือบแบบต่อเนื่องเพิ่ม 20–30% ให้กับต้นทุนการผลิตเมื่อเทียบกับการเคลือบแบบแบทช์ แต่ช่วยลดอัตราข้อบกพร่องลง 60% ลดต้นทุนการเป็นเจ้าของทั้งหมด

ถาม: HDI PCB สามารถเป็นแบบแข็ง-ยืดหยุ่นได้หรือไม่?
ตอบ: ได้—HDI แบบแข็ง-ยืดหยุ่นรวมส่วนที่แข็ง (สำหรับส่วนประกอบ) กับเลเยอร์โพลีอิไมด์แบบยืดหยุ่น (สำหรับการดัด) โดยใช้ microvias เพื่อเชื่อมต่อ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโทรศัพท์พับได้และเอนโดสโคปทางการแพทย์

ถาม: จำนวนเลเยอร์สูงสุดสำหรับ HDI PCB คืออะไร?
ตอบ: ผู้ผลิตเชิงพาณิชย์ผลิตได้ถึง 16 เลเยอร์ ในขณะที่ต้นแบบด้านการบินและอวกาศ/การป้องกันประเทศใช้ 20+ เลเยอร์พร้อมการเคลือบแบบพิเศษ

ถาม: ฉันจะสร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่นและความน่าเชื่อถือได้อย่างไร?
ตอบ: เน้นที่พื้นที่สำคัญ (เช่น BGAs 0.4 มม.) สำหรับคุณสมบัติที่ดี และใช้ร่องรอย/vias ที่ใหญ่กว่าในบริเวณที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า การตรวจสอบ DFM กับผู้ผลิตของคุณสามารถระบุการออกแบบที่มากเกินไปได้

บทสรุป
การผลิต HDI PCB ต้องการการผสมผสานที่พิถีพิถันระหว่างความแม่นยำในการออกแบบและความเชี่ยวชาญในการผลิต ตั้งแต่การวาง microvia ไปจนถึงการเลือกใช้วัสดุ ทุกการตัดสินใจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ ต้นทุน และความน่าเชื่อถือ ด้วยการจัดลำดับความสำคัญของ DFM การใช้ประโยชน์จากการเคลือบแบบต่อเนื่อง และการจัดแนวการออกแบบให้สอดคล้องกับความต้องการของแอปพลิเคชัน วิศวกรสามารถปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของเทคโนโลยี HDI—ส่งมอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กกว่า เร็วกว่า และน่าเชื่อถือกว่า

เนื่องจาก 5G, AI และ IoT ยังคงผลักดันขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ HDI PCB จะยังคงมีความสำคัญ กุญแจสำคัญคือการสร้างสมดุลระหว่างนวัตกรรมและการใช้งานจริง: หนาแน่นพอที่จะบรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ แต่สามารถผลิตได้เพียงพอที่จะปรับขนาดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่เหมาะสม HDI PCB จะยังคงขับเคลื่อนการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป