ไมโครเวีย HDI PCB: การวิเคราะห์ต้นทุน-ผลประโยชน์ของการออกแบบแบบซ้อนและแบบสลับ

High-Density Interconnect (HDI) PCBs ได้กลายเป็นกระดูกสันหลังของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ทำให้สามารถย่อขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ 5G, อุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ และเซ็นเซอร์ IoT หัวใจสำคัญของเทคโนโลยี HDI คือ microvias ซึ่งเป็นเส้นทางนำไฟฟ้าขนาดเล็ก (≤0.15 มม.) ที่เชื่อมต่อเลเยอร์โดยไม่กินพื้นที่ผิวที่มีค่า การกำหนดค่า microvia หลักสองแบบครอบงำการออกแบบ HDI: แบบซ้อนและแบบสลับ แม้ว่าทั้งคู่จะช่วยให้มีความหนาแน่นของส่วนประกอบสูงกว่า vias แบบทะลุรูแบบดั้งเดิม แต่ต้นทุน ลักษณะการทำงาน และความเหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะนั้นแตกต่างกันอย่างมาก คู่มือนี้ให้การวิเคราะห์ต้นทุนและผลประโยชน์โดยละเอียดของ microvias แบบซ้อนเทียบกับแบบสลับ ช่วยให้นักวิศวกรและทีมจัดซื้อจัดจ้างตัดสินใจอย่างรอบรู้ซึ่งสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และงบประมาณ

ทำความเข้าใจ HDI Microvias: แบบซ้อนเทียบกับแบบสลับ
Microvias เป็นรูที่เจาะด้วยเลเซอร์หรือเจาะด้วยเครื่องจักรที่เคลือบด้วยทองแดง ออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อเลเยอร์ใน HDI PCBs ขนาดเล็ก (โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1–0.15 มม.) และความลึกตื้น (≤0.2 มม.) ทำให้สามารถเว้นระยะห่างของร่องรอยให้แคบลงและความหนาแน่นของส่วนประกอบสูงกว่า vias มาตรฐาน

Stacked Microvias
Stacked microvias ถูกจัดแนวตั้ง โดยแต่ละ via ในเลเยอร์บนจะเชื่อมต่อโดยตรงกับ via ในเลเยอร์ล่าง สร้างคอลัมน์นำไฟฟ้าต่อเนื่องผ่านหลายเลเยอร์ ตัวอย่างเช่น stacked microvia อาจเชื่อมต่อเลเยอร์ 1 กับเลเยอร์ 2, เลเยอร์ 2 กับเลเยอร์ 3 และอื่นๆ สร้างเส้นทางจากเลเยอร์บนสุดไปยังเลเยอร์ 4 โดยไม่เจาะเลเยอร์กลาง

คุณสมบัติหลัก: ขจัดความจำเป็นสำหรับ “skip vias” ที่ข้ามเลเยอร์ ทำให้ประหยัดพื้นที่สูงสุด

การกำหนดค่าทั่วไป: ใช้ใน HDI PCBs 6+ เลเยอร์ที่พื้นที่แนวตั้งมีความสำคัญ

Staggered Microvias
Staggered microvias ถูกชดเชยในแนวนอน โดยไม่มีการจัดแนวตั้งระหว่าง vias ในเลเยอร์ที่อยู่ติดกัน via ที่เชื่อมต่อเลเยอร์ 1 กับเลเยอร์ 2 จะอยู่ในตำแหน่งระหว่าง vias ที่เชื่อมต่อเลเยอร์ 2 กับเลเยอร์ 3 หลีกเลี่ยงการซ้อนแนวตั้งโดยตรง
คุณสมบัติหลัก: ลดความเครียดทางกลที่รอยต่อ via เนื่องจากไม่มีมวลทองแดงเข้มข้นในแนวตั้งเดียว
การกำหนดค่าทั่วไป: ทั่วไปใน HDI PCBs 4–6 เลเยอร์ที่ให้ความสำคัญกับการผลิตและต้นทุน

การเปรียบเทียบต้นทุน: Stacked เทียบกับ Staggered Microvias
ความแตกต่างของต้นทุนระหว่าง stacked และ staggered microvias มาจากความซับซ้อนในการผลิต การใช้วัสดุ และอัตราผลตอบแทน นี่คือรายละเอียด:
1. ต้นทุนการผลิต

ต้นทุนการผลิตทั้งหมด: Stacked microvias โดยทั่วไปมีราคาแพงกว่า staggered microvias 30–50% สำหรับจำนวนเลเยอร์ที่เทียบเท่ากัน

2. ต้นทุนวัสดุ
   Substrate: Stacked microvias ต้องการลามิเนตที่มีการสูญเสียน้อยและมี Tg สูง (เช่น Rogers RO4830) เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณผ่านเส้นทางแนวตั้ง เพิ่มต้นทุนวัสดุ 15–20% เมื่อเทียบกับ FR-4 มาตรฐานที่ใช้กับ staggered vias
   ทองแดง: การออกแบบแบบซ้อนต้องใช้ทองแดงมากกว่า 20–30% เพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ผ่านหลายเลเยอร์ ซึ่งเพิ่มค่าใช้จ่ายด้านวัสดุ

3. อัตราผลตอบแทน
   Stacked Microvias: ผลตอบแทนโดยเฉลี่ย 75–85% เนื่องจากข้อกำหนดด้านการจัดตำแหน่งและความต่อเนื่องที่เข้มงวด via ที่ไม่ตรงแนวเพียงตัวเดียวอาจทำให้ PCB ทั้งหมดมีข้อบกพร่อง
   Staggered Microvias: ผลตอบแทนสูงกว่า (85–95%) เนื่องจากข้อผิดพลาดในการจัดตำแหน่งมีผลกระทบน้อยกว่าต่อการทำงาน
ผลกระทบด้านต้นทุนของผลตอบแทน: สำหรับการผลิต 10,000 หน่วย stacked microvias จะต้องใช้ PCB เพิ่มเติม ~1,500 แผ่นเพื่อชดเชยผลตอบแทนที่ต่ำกว่า ซึ่งเพิ่มต้นทุนรวม 15–20%

ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพ: เมื่อ Stacked Microvias ให้เหตุผลสำหรับต้นทุน
แม้จะมีต้นทุนที่สูงกว่า stacked microvias ให้ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่ทำให้ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานบางอย่าง:

1. ความหนาแน่นของส่วนประกอบที่สูงขึ้น
Stacked microvias ลดพื้นที่แนวนอนที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนเลเยอร์ลง 40–60% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบสลับ ทำให้สามารถ:
    รอยเท้า PCB ที่เล็กลง (สำคัญสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ เครื่องช่วยฟัง และเซ็นเซอร์โดรน)
    จำนวนส่วนประกอบต่อตารางนิ้วที่สูงขึ้น (สูงสุด 2,000 ส่วนประกอบเทียบกับ 1,200 ด้วย staggered vias)
ตัวอย่าง: PCB สมาร์ทโฟน 5G ที่ใช้ stacked microvias ใส่ส่วนประกอบ RF ได้มากกว่า 25% ในพื้นที่ 100cm² เท่ากันกว่าการออกแบบแบบสลับ ทำให้ประมวลผลข้อมูลได้เร็วขึ้น

2. ปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ
ในการออกแบบความถี่สูง (28GHz+) stacked microvias ลดการสูญเสียสัญญาณโดย:
    ลดเส้นทางสัญญาณ (สั้นกว่า staggered vias 30–40%)
    ลดการหยุดชะงักของอิมพีแดนซ์ (staggered vias สร้าง “stubs” ที่สะท้อนสัญญาณความถี่สูง)
การทดสอบแสดงให้เห็นว่า stacked microvias ลดการสูญเสียการแทรก 0.5–1.0dB/นิ้ว ที่ 60GHz เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบสลับ ซึ่งมีความสำคัญสำหรับการใช้งาน 5G mmWave

3. การจัดการความร้อนที่ดีขึ้น
คอลัมน์ทองแดงแนวตั้งใน stacked microvias ทำหน้าที่เป็นท่อความร้อน กระจายความร้อนจากส่วนประกอบที่ร้อน (เช่น โปรเซสเซอร์) ไปยังระนาบระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า staggered vias 20–30% ซึ่งช่วยลดฮอตสปอตลง 10–15°C ใน PCBs ที่บรรจุแน่นหนา ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ

ข้อดีในทางปฏิบัติของ Staggered Microvias
Staggered microvias เก่งในการใช้งานที่ต้นทุน การผลิต และความน่าเชื่อถือมีความสำคัญเหนือกว่าความหนาแน่นที่มากเกินไป:
1. ความเสี่ยงที่ต่ำกว่าของความล้มเหลวทางกล
Staggered vias กระจายความเครียดอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้ง PCB ทำให้ทนทานต่อ:
    การหมุนเวียนความร้อน (staggered vias ทนต่อรอบการทำงาน 1,500+ รอบเทียบกับ 1,000+ สำหรับ stacked vias)
    การดัดงอทางกล (สำคัญสำหรับ flex-rigid PCBs ในยานยนต์และอุปกรณ์ทางการแพทย์)
กรณีศึกษา: ผู้ผลิต PCBs ADAS ในรถยนต์เปลี่ยนจาก stacked เป็น staggered microvias ลดความล้มเหลวในภาคสนามเนื่องจากการสั่นสะเทือนลง 40%

2. การผลิตและการทำงานใหม่ที่ง่ายขึ้น
ข้อกำหนดการจัดตำแหน่งที่ผ่อนคลายของ Staggered microvias ทำให้ง่ายขึ้น:
    การเคลือบ (ปฏิเสธน้อยลงเนื่องจากการเปลี่ยนเลเยอร์)
    การทำงานใหม่ (vias ที่มีข้อบกพร่องซ่อมแซมได้ง่ายขึ้นโดยไม่ส่งผลกระทบต่อเลเยอร์ที่อยู่ติดกัน)
สิ่งนี้ทำให้การออกแบบแบบสลับเหมาะสำหรับการผลิตปริมาณน้อยหรือการสร้างต้นแบบ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนั้นมีความสำคัญ

3. ความคุ้มค่าสำหรับความหนาแน่นระดับกลาง
สำหรับ PCBs ที่ไม่ต้องการการย่อขนาดมากเกินไป (เช่น เซ็นเซอร์อุตสาหกรรม เครื่องใช้ในบ้าน) staggered microvias ให้ความสมดุลระหว่างความหนาแน่นและต้นทุน:
    ความหนาแน่นสูงกว่า vias แบบทะลุรู 30–40%
    ต้นทุนต่ำกว่า stacked microvias 30–50%

คำแนะนำเฉพาะแอปพลิเคชัน
การเลือกระหว่าง stacked และ staggered microvias ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน นี่คือวิธีตัดสินใจ:
1. เลือก Stacked Microvias เมื่อ:
    ความหนาแน่นมีความสำคัญ: อุปกรณ์สวมใส่ เครื่องช่วยฟัง และโมดูล 5G ที่ขนาดเป็นข้อจำกัดหลัก
    ประสิทธิภาพความถี่สูงมีความสำคัญ: 28GHz+ 5G, เรดาร์ และ PCBs การสื่อสารผ่านดาวเทียม
    การจัดการความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ: อุปกรณ์กำลังสูง (เช่น โมดูลการประมวลผลขอบ AI) ที่มีเค้าโครงส่วนประกอบหนาแน่น

2. เลือก Staggered Microvias เมื่อ:
    ต้นทุนเป็นสิ่งสำคัญ: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (เช่น สมาร์ททีวี, ฮับ IoT) ที่มีความต้องการความหนาแน่นปานกลาง
    ความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: ยานยนต์ การบินและอวกาศ และ PCBs อุตสาหกรรมที่ต้องเผชิญกับการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
    การผลิตปริมาณน้อย: ต้นแบบหรือ PCBs แบบกำหนดเองที่ผลตอบแทนและความสามารถในการทำงานใหม่มีความสำคัญ

แนวทางแบบไฮบริด: การสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ
การออกแบบ HDI จำนวนมากใช้ไฮบริดของ stacked และ staggered microvias เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุนและประสิทธิภาพ:
    เส้นทางวิกฤต: Stacked microvias ในพื้นที่ความถี่สูงหรือความหนาแน่นสูง (เช่น แผ่น BGA)
    พื้นที่ไม่สำคัญ: Staggered microvias ในบริเวณสัญญาณไฟหรือความเร็วต่ำ
แนวทางนี้ช่วยลดต้นทุนลง 15–20% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบ stacked เต็มรูปแบบ ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพในส่วนที่สำคัญ

กรณีศึกษา: ต้นทุนและผลประโยชน์ใน PCBs สถานีฐาน 5G
ผู้ผลิตโทรคมนาคมประเมิน stacked เทียบกับ staggered microvias สำหรับ PCB สถานีฐาน 5G 12 เลเยอร์:

การตัดสินใจ: ผู้ผลิตเลือกการออกแบบแบบไฮบริด—stacked microvias ในเส้นทางสัญญาณ 28GHz, staggered ที่อื่น—บรรลุผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพ 80% ในราคา 90% ของ vias แบบ stacked เต็มรูปแบบ

แนวโน้มในอนาคตใน HDI Microvias
    ความก้าวหน้าในการผลิตกำลังเบลอเส้นแบ่งระหว่าง stacked และ staggered microvias:
การเจาะด้วยเลเซอร์ขั้นสูง: เลเซอร์รุ่นถัดไปที่มีความแม่นยำ ±1μm กำลังลดต้นทุนการจัดตำแหน่งสำหรับ vias แบบซ้อน
    การออกแบบที่ขับเคลื่อนด้วย AI: เครื่องมือการเรียนรู้ของเครื่องเพิ่มประสิทธิภาพการวาง microvia ลดความจำเป็นในการกำหนดค่าแบบ stacked หรือ staggered แบบบริสุทธิ์
    นวัตกรรมวัสดุ: ลามิเนตใหม่ที่มีการนำความร้อนที่ดีกว่ากำลังปรับปรุงประสิทธิภาพของ staggered vias ในการใช้งานกำลังสูง

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: สามารถใช้ stacked และ staggered microvias ใน PCB เดียวกันได้หรือไม่
ตอบ: ใช่ การออกแบบแบบไฮบริดเป็นเรื่องปกติ โดยใช้ vias แบบซ้อนในพื้นที่ความหนาแน่นสูง/ความถี่สูง และ staggered vias ที่อื่นเพื่อสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ

ถาม: เส้นผ่านศูนย์กลาง microvia ที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้คืออะไรด้วยการออกแบบแบบ stacked และ staggered
ตอบ: Stacked microvias สามารถมีขนาดเล็กถึง 0.05 มม. (50μm) ด้วยการเจาะด้วยเลเซอร์ขั้นสูง ในขณะที่ staggered microvias โดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0.1–0.15 มม.

ถาม: Staggered microvias เหมาะสำหรับ flex PCBs หรือไม่
ตอบ: ใช่ Staggered microvias เป็นที่ต้องการสำหรับ flex PCBs เนื่องจากมีการออกแบบแบบออฟเซ็ต ซึ่งช่วยลดความเข้มข้นของความเครียดในระหว่างการดัดงอ ลดความเสี่ยงในการแตกร้าว

ถาม: จำนวนเลเยอร์ส่งผลกระทบต่อความแตกต่างของต้นทุนระหว่าง stacked และ staggered microvias อย่างไร
ตอบ: ช่องว่างด้านต้นทุนกว้างขึ้นตามจำนวนเลเยอร์ ใน PCBs 4 เลเยอร์ vias แบบซ้อนมีราคาแพงกว่า ~30%; ใน PCBs 12 เลเยอร์ ความแตกต่างอาจสูงถึง 50% เนื่องจากข้อกำหนดในการจัดตำแหน่งและการตรวจสอบที่เพิ่มขึ้น

บทสรุป
การเลือกระหว่าง stacked และ staggered microvias ใน HDI PCBs ขึ้นอยู่กับการสร้างสมดุลระหว่างต้นทุน ความหนาแน่น และประสิทธิภาพ Stacked microvias ให้เหตุผลสำหรับต้นทุนที่สูงกว่า 30–50% ในการใช้งานที่ต้องการการย่อขนาดมาก ประสิทธิภาพความถี่สูง และประสิทธิภาพเชิงความร้อน เช่น อุปกรณ์ 5G และอุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ ในขณะเดียวกัน staggered microvias นำเสนอโซลูชันที่คุ้มค่าสำหรับความต้องการความหนาแน่นระดับกลาง พร้อมความน่าเชื่อถือที่ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
สำหรับการออกแบบจำนวนมาก แนวทางแบบไฮบริดให้สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก โดยใช้ vias แบบซ้อนในพื้นที่สำคัญและ staggered vias ที่อื่น ด้วยการจัดแนวการกำหนดค่า microvia ให้สอดคล้องกับข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน วิศวกรสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ HDI PCBs ได้ทั้งประสิทธิภาพและต้นทุน
ประเด็นสำคัญ: Stacked และ staggered microvias ไม่ใช่เทคโนโลยีคู่แข่ง แต่เป็นโซลูชันเสริม ทางเลือกที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับว่าสิ่งที่คุณให้ความสำคัญคือความหนาแน่นและประสิทธิภาพสูงสุด หรือต้นทุน ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการผลิต