การ ผลิต PCB แข็งแรง วัสดุ กระบวนการ และ มาตรฐาน อุตสาหกรรม

แผงวงจรพิมพ์แข็ง (PCB) เป็นกระดูกสันหลังของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิด ตั้งแต่สมาร์ทโฟนและแล็ปท็อปไปจนถึงเครื่องจักรกลอุตสาหกรรมและอุปกรณ์ทางการแพทย์ ต่างจาก PCB แบบยืดหยุ่น PCB แบบแข็งจะคงรูปร่างไว้ ทำให้มีเสถียรภาพทางโครงสร้างสำหรับส่วนประกอบและรับประกันประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในการใช้งานแบบอยู่กับที่ การผลิต PCB แบบแข็งเกี่ยวข้องกับลำดับขั้นตอนที่แม่นยำ ตั้งแต่การเลือกวัสดุไปจนถึงการทดสอบขั้นสุดท้าย ซึ่งทั้งหมดนี้อยู่ภายใต้มาตรฐานอุตสาหกรรมที่เข้มงวดเพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอและคุณภาพ คู่มือนี้จะสำรวจวัสดุ กระบวนการ และมาตรฐานหลักที่กำหนดการผลิต PCB แบบแข็ง โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีที่ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ ต้นทุน และความน่าเชื่อถือ

วัสดุหลักในการผลิต PCB แบบแข็ง
ประสิทธิภาพของ PCB แบบแข็งนั้นถูกกำหนดโดยพื้นฐานจากวัสดุหลัก ซึ่งรวมถึงพื้นผิว ฟอยล์ทองแดง และชั้นป้องกัน วัสดุแต่ละชนิดถูกเลือกตามข้อกำหนดของแอปพลิเคชันสำหรับความทนทานต่อความร้อน ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า และต้นทุน

1. วัสดุพื้นผิว
พื้นผิวเป็นฐานแข็งของ PCB โดยให้การรองรับทางกลและฉนวนไฟฟ้าระหว่างชั้นทองแดง พื้นผิวที่พบได้บ่อยที่สุดคือ:

ก. การครอบงำของ FR-4: อีพ็อกซีเสริมใยแก้ว (FR-4) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม คิดเป็น ~90% ของ PCB แบบแข็ง ความสมดุลของต้นทุน ความแข็งแรง และความสามารถในการประมวลผลทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่
ข. ตัวแปร High-Tg: ใช้ในสภาพแวดล้อมที่เกิน 130°C เช่น ระบบยานยนต์ใต้ฝากระโปรงรถยนต์ ซึ่ง FR-4 มาตรฐานจะอ่อนตัวลงหรือหลุดลอก
ค. พื้นผิวพิเศษ: PCB แกนอะลูมิเนียมมีความโดดเด่นในการกระจายความร้อน ในขณะที่พื้นผิวโพลีอิไมด์สงวนไว้สำหรับสภาวะที่รุนแรง เช่น เตาอบในอวกาศหรืออุตสาหกรรม

2. ฟอยล์ทองแดง
ฟอยล์ทองแดงสร้างร่องรอยนำไฟฟ้าที่ส่งสัญญาณไฟฟ้า ความหนาและการเคลือบผิวส่งผลต่อประสิทธิภาพ:
   ก. ความหนา: มีตั้งแต่ 0.5 ออนซ์ (17μm) ถึง 6 ออนซ์ (203μm) ทองแดงที่หนากว่า (2–6 ออนซ์) ใช้ใน PCB พลังงานเพื่อจัดการกระแสไฟสูง ในขณะที่ 0.5–1 ออนซ์เป็นมาตรฐานสำหรับร่องรอยสัญญาณ
  ข. การเคลือบผิว:
      ทองแดงมาตรฐาน (STD): ผิวเคลือบด้านมีความหยาบปานกลาง (Rz = 1.5–3.0μm) สำหรับการใช้งานทั่วไป
ทองแดงโปรไฟล์ต่ำมาก (VLP): เรียบเป็นพิเศษ (Rz 1GHz)
      ทองแดงที่ผ่านการบำบัดแบบย้อนกลับ (RT): พื้นผิวเรียบที่หันหน้าเข้าหาไดอิเล็กทริกเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะ ใช้ใน PCB หลายชั้น

3. ชั้นป้องกัน
   ก. หน้ากากบัดกรี: สารเคลือบโพลิเมอร์ที่ใช้กับร่องรอยทองแดงเพื่อป้องกันสะพานบัดกรีระหว่างการประกอบ ประเภททั่วไป ได้แก่ แบบภาพถ่ายเหลว (LPI) และฟิล์มแห้ง มีให้เลือกทั้งสีเขียว (มาตรฐาน) สีดำ หรือสีขาว (สำหรับการตรวจสอบคอนทราสต์สูง)
   ข. ซิลค์สกรีน: ชั้นพิมพ์หมึกอีพ็อกซีที่ติดป้ายส่วนประกอบ จุดทดสอบ และเครื่องหมายขั้ว ช่วยในการประกอบและแก้ไขปัญหา

กระบวนการผลิต PCB แบบแข็ง
การผลิต PCB แบบแข็งเกี่ยวข้องกับมากกว่า 20 ขั้นตอน แต่กระบวนการนี้สามารถแบ่งออกเป็นหกขั้นตอนหลัก ซึ่งแต่ละขั้นตอนมีความสำคัญต่อการรับประกันคุณภาพและประสิทธิภาพ:
1. การออกแบบและการเตรียมไฟล์ Gerber
  ก. การออกแบบ CAD: วิศวกรใช้ซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB (Altium, KiCad) เพื่อสร้างเลย์เอาต์ กำหนดเส้นทางการเดินสาย ส่วนประกอบ และการวางซ้อนชั้น
  ข. ไฟล์ Gerber: ข้อมูลการออกแบบจะถูกแปลงเป็นรูปแบบ Gerber (มาตรฐานอุตสาหกรรม) สำหรับการผลิต รวมถึงรายละเอียดต่างๆ เช่น ความกว้างของร่องรอย ขนาดรูเจาะ และชั้นหน้ากากบัดกรี
  ค. การตรวจสอบ DFM: ซอฟต์แวร์ Design for Manufacturability (DFM) ระบุปัญหาต่างๆ เช่น ร่องรอยที่แคบเกินไป ระยะห่างไม่เพียงพอ หรือขนาดรูเจาะที่ไม่ได้มาตรฐาน ซึ่งช่วยลดข้อผิดพลาดในการผลิต

2. การเตรียมพื้นผิวและการหุ้มทองแดง
  ก. การตัด: แผ่นพื้นผิวขนาดใหญ่ (โดยทั่วไป 18”x24”) จะถูกตัดให้ได้ขนาด PCB ที่ต้องการโดยใช้เลื่อยที่มีความแม่นยำ
  ข. การทำความสะอาด: พื้นผิวจะถูกทำความสะอาดด้วยสารละลายด่างเพื่อขจัดน้ำมันและสิ่งปนเปื้อน เพื่อให้มั่นใจถึงการยึดเกาะของทองแดงที่แข็งแรง
  ค. การหุ้ม: ฟอยล์ทองแดงจะถูกยึดติดกับด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของพื้นผิวโดยใช้ความร้อน (180–200°C) และแรงดัน (20–30 kgf/cm²) PCB หลายชั้นต้องใช้ขั้นตอนการเคลือบเพิ่มเติมสำหรับแต่ละชั้น

3. การสร้างลวดลายและการกัด
  ก. การใช้อิเล็กโทรด: อิเล็กโทรดที่ไวต่อแสงจะถูกนำไปใช้กับพื้นผิวที่หุ้มด้วยทองแดงโดยการพ่นหรือจุ่ม
  ข. การเปิดรับแสง: พื้นผิวจะถูกเปิดรับแสง UV ผ่านโฟโตมาสก์ โดยถ่ายโอนรูปแบบร่องรอยไปยังอิเล็กโทรด
  ค. การพัฒนา: อิเล็กโทรดที่ไม่ผ่านการบ่มจะถูกล้างออก ทำให้เหลือร่องรอยทองแดงที่ได้รับการปกป้อง
  ง. การกัด: ทองแดงที่เปิดออกจะถูกละลายโดยใช้สารกัดกร่อนที่เป็นกรด (เฟอร์ริกคลอไรด์หรือคิวปริกคลอไรด์) ทำให้เหลือรูปแบบร่องรอยที่ต้องการ
  จ. การลอก: อิเล็กโทรดที่เหลือจะถูกกำจัดออกด้วยตัวทำละลาย เผยให้เห็นร่องรอยทองแดง

4. การเจาะและการชุบ
  ก. การเจาะ: รูสำหรับส่วนประกอบแบบทะลุรู วิอา และฮาร์ดแวร์สำหรับติดตั้งจะถูกเจาะโดยใช้เครื่อง CNC พร้อมดอกสว่านปลายคาร์ไบด์หรือเพชร ไมโครเวีย (<0.15 มม.) สำหรับ PCB ความหนาแน่นสูงถูกสร้างขึ้นโดยใช้เลเซอร์
  ข. การกำจัดเสี้ยน: รูจะถูกทำความสะอาดเพื่อขจัดเสี้ยนทองแดงและพื้นผิว ป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร
  ค. การชุบ: ชั้นทองแดงบางๆ (5–10μm) จะถูกชุบด้วยไฟฟ้าบนผนังรูเพื่อเชื่อมต่อชั้นต่างๆ ทางไฟฟ้า PCB หลายชั้นอาจใช้การชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเพื่อให้ครอบคลุมได้ดีขึ้น

5. การใช้หน้ากากบัดกรีและซิลค์สกรีน
  ก. การพิมพ์หน้ากากบัดกรี: หน้ากากบัดกรีจะถูกนำไปใช้และบ่มด้วยแสง UV ทำให้แผ่นทองแดงและวิอาเปิดออก
  ข. การพิมพ์ซิลค์สกรีน: ป้ายกำกับส่วนประกอบและเครื่องหมายจะถูกพิมพ์โดยใช้หมึกอีพ็อกซี จากนั้นจึงบ่มที่ 150°C เพื่อให้มั่นใจถึงความทนทาน

6. การทดสอบและการตรวจสอบขั้นสุดท้าย
  ก. การทดสอบทางไฟฟ้า:
    การทดสอบความต่อเนื่อง: ตรวจสอบว่าร่องรอยทั้งหมดนำไฟฟ้าตามที่ออกแบบไว้
    การทดสอบ Hi-Pot: ใช้แรงดันไฟฟ้าสูง (500–1000V) เพื่อตรวจสอบการพังทลายของฉนวนระหว่างร่องรอย
  ข. การตรวจสอบด้วยสายตา: ระบบการตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) ตรวจสอบข้อบกพร่อง เช่น หน้ากากบัดกรีหายไป ร่องรอยไม่ตรงแนว หรือข้อผิดพลาดในการเจาะ
  ค. การทดสอบการทำงาน: สำหรับ PCB ที่ซับซ้อน การทดสอบการทำงานจำลองการทำงานในโลกแห่งความเป็นจริงเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทำงานร่วมกันได้อย่างถูกต้อง

มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับ PCB แบบแข็ง
การผลิต PCB แบบแข็งอยู่ภายใต้มาตรฐานระดับโลกที่รับประกันความสม่ำเสมอ ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยในผู้ผลิตต่างๆ มาตรฐานหลัก ได้แก่:
1. มาตรฐาน IPC (สมาคมเชื่อมต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์)
    ก. IPC-A-600: กำหนดเกณฑ์การยอมรับสำหรับการผลิต PCB รวมถึงข้อบกพร่องที่อนุญาตในทองแดง หน้ากากบัดกรี และการเคลือบ
    ข. IPC-2221: ให้มาตรฐานการออกแบบสำหรับแผงวงจรพิมพ์ รวมถึงความกว้างของร่องรอย ระยะห่าง และแนวทางการขนาดรู
    ค. IPC-J-STD-001: ระบุข้อกำหนดสำหรับกระบวนการบัดกรี เพื่อให้มั่นใจถึงข้อต่อที่แข็งแรงและเชื่อถือได้

2. การรับรอง UL (Underwriters Laboratories)
    ก. UL 94: ทดสอบความไวไฟของวัสดุ PCB โดยมีระดับต่างๆ เช่น V-0 (ความต้านทานสูงสุด) ทำให้มั่นใจได้ว่า PCB จะไม่แพร่กระจายเปลวไฟในกรณีที่เกิดไฟไหม้
    ข. UL 796: รับรองการก่อสร้าง PCB เพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า

3. RoHS และ REACH (มาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อม)
   ก. RoHS: จำกัดสารอันตราย (ตะกั่ว ปรอท แคดเมียม) ใน PCB โดยต้องใช้บัดกรีปลอดสารตะกั่วและวัสดุที่สอดคล้องกัน
   ข. REACH: ควบคุมสารเคมีที่ใช้ในการผลิต เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุ PCB ปลอดภัยต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: PCB แบบแข็งชั้นเดียวเทียบกับ PCB แบบแข็งหลายชั้น

แนวโน้มในการผลิต PCB แบบแข็ง
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีกำลังขับเคลื่อนนวัตกรรมในการผลิต PCB แบบแข็ง:
  ก. การเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (HDI): ไมโครเวีย วิอาแบบซ้อน และความกว้างของร่องรอยที่ละเอียดกว่า (≤3 มิล) ช่วยให้ PCB มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับอุปกรณ์ 5G และตัวเร่ง AI
  ข. ระบบอัตโนมัติ: ระบบตรวจสอบที่ขับเคลื่อนด้วย AI และการประกอบหุ่นยนต์ช่วยลดข้อผิดพลาดของมนุษย์ ปรับปรุงผลผลิตและความสม่ำเสมอ
  ค. ความยั่งยืน: สารกัดกร่อนจากน้ำ ทองแดงรีไซเคิล และพื้นฐานจากชีวภาพกำลังลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิต
  ง. การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ: ร่องรอยนำไฟฟ้าที่พิมพ์แบบ 3 มิติกำลังถูกทดสอบสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ทำให้สามารถทำซ้ำการออกแบบได้เร็วขึ้น

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: ระยะเวลารอคอยโดยทั่วไปสำหรับการผลิต PCB แบบแข็งคืออะไร
ตอบ: ระยะเวลารอคอยมีตั้งแต่ 2–5 วันสำหรับ PCB ชั้นเดียวอย่างง่าย ไปจนถึง 5–10 วันสำหรับการออกแบบหลายชั้น (4–8 ชั้น) PCB HDI ที่ซับซ้อนอาจใช้เวลา 10–15 วัน

ถาม: PCB แบบแข็งมีต้นทุนในการผลิตเท่าไหร่
ตอบ: ต้นทุนแตกต่างกันไปตามขนาด จำนวนชั้น และปริมาณ: PCB ชั้นเดียวเริ่มต้นที่ (1–)5 ต่อหน่วย (ปริมาณมาก) ในขณะที่ PCB HDI 8 ชั้นอาจมีราคา (50–)100+ ต่อหน่วย (ปริมาณน้อย)

ถาม: ขนาดสูงสุดของ PCB แบบแข็งคืออะไร
ตอบ: สายการผลิตมาตรฐานรองรับ PCB สูงสุด 24”x36” แต่ผู้ผลิตแบบกำหนดเองสามารถผลิตบอร์ดขนาดใหญ่ (สูงสุด 48”x60”) สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

ถาม: สามารถรีไซเคิล PCB แบบแข็งได้หรือไม่
ตอบ: ได้ PCB แบบแข็งมีทองแดงที่มีค่า (15–20% โดยน้ำหนัก) ซึ่งสามารถนำไปรีไซเคิลได้ สิ่งอำนวยความสะดวกพิเศษยังดึงโลหะมีค่าจาก PCB ที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับไฮเอนด์

ถาม: ความแตกต่างระหว่าง FR-4 และ high-Tg FR4 ในการผลิตคืออะไร
ตอบ: High-Tg FR4 ต้องใช้อุณหภูมิการเคลือบที่สูงขึ้น (180–200°C เทียบกับ 150–170°C สำหรับ FR4 มาตรฐาน) และเวลาในการบ่มที่นานขึ้นเพื่อให้ได้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วที่สูงขึ้น ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิตเล็กน้อย

บทสรุป
การผลิต PCB แบบแข็งเป็นกระบวนการที่มีความแม่นยำ (ขับเคลื่อนด้วยความแม่นยำ) ที่สมดุลระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุ การออกแบบทางวิศวกรรม และการควบคุมคุณภาพเพื่อผลิตส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อถือได้ ตั้งแต่การเลือกพื้นผิว FR-4 สำหรับอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึงวัสดุแกนอะลูมิเนียมสำหรับการใช้งานกำลังสูง ทุกทางเลือกส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและต้นทุน ด้วยการปฏิบัติตามมาตรฐานต่างๆ เช่น IPC-A-600 และ RoHS ผู้ผลิตจึงมั่นใจได้ว่า PCB แบบแข็งเป็นไปตามข้อกำหนดระดับโลกด้านความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม
เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง—มีขนาดเล็กลง เร็วขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น—การผลิต PCB แบบแข็งจะปรับตัว โดยรวมถึงวัสดุและกระบวนการใหม่ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการที่เกิดขึ้นใหม่ ไม่ว่าจะอยู่ในสมาร์ทโฟน อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือเครื่องจักรกลอุตสาหกรรม PCB แบบแข็งยังคงมีความสำคัญต่อเทคโนโลยีสมัยใหม่ เชื่อมต่อส่วนประกอบและเปิดใช้งานนวัตกรรม
ประเด็นสำคัญ: การผลิต PCB แบบแข็งเป็นการผสมผสานระหว่างศิลปะและวิทยาศาสตร์ ซึ่งการเลือกวัสดุ กระบวนการที่แม่นยำ และการปฏิบัติตามมาตรฐานมารวมกันเพื่อสร้างรากฐานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ การทำความเข้าใจองค์ประกอบเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบและผลิต PCB ที่ตรงตามเป้าหมายด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และความน่าเชื่อถือ