ความต้องการอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงที่มีฟังก์ชั่นการขยายตัวเพิ่มขึ้นในสนามอิเล็กทรอนิกส์ที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ความต้องการเทคโนโลยีแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าที่โดดเด่นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในโดเมนของแอพพลิเคชั่นความถี่สูง การใช้ประโยชน์จากการออกแบบ PCB แบบหลายชั้นได้กลายเป็นโซลูชันที่สำคัญเพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของแอปพลิเคชันเหล่านี้

การถือกำเนิดของ PCBs หลายชั้น

ในอดีตแผงวงจรพิมพ์มีลักษณะเป็นหลักโดยโครงสร้างเดี่ยวหรือสองชั้นซึ่งกำหนดข้อ จำกัด เกี่ยวกับความเหมาะสมสำหรับการใช้งานความถี่สูงเนื่องจากสัญญาณการเสื่อมสภาพและสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) อย่างไรก็ตามการเปิดตัวแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าที่โดดเด่นในความสมบูรณ์ของสัญญาณการลดการรบกวนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และประสิทธิภาพโดยรวม
แผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCBs) มีความแตกต่างจากคู่เดี่ยวหรือสองชั้นของพวกเขาโดยการปรากฏตัวของชั้นนำไฟฟ้าสามชั้นขึ้นไปซึ่งแยกจากกันโดยวัสดุฉนวนซึ่งรู้จักกันทั่วไปว่าเป็นชั้นอิเล็กทริก การเชื่อมต่อระหว่างกันของเลเยอร์เหล่านี้ได้รับการอำนวยความสะดวกโดย Vias ซึ่งเป็นทางเดินนำไฟฟ้าขนาดเล็กที่อำนวยความสะดวกในการสื่อสารระหว่างเลเยอร์ที่แตกต่างกัน การออกแบบที่ซับซ้อนของ PCB แบบหลายชั้นช่วยให้ส่วนประกอบและวงจรที่ซับซ้อนมีความเข้มข้นมากขึ้นทำให้มีความจำเป็นสำหรับเทคโนโลยีที่ทันสมัย
PCB หลายชั้นมักจะแสดงความแข็งแกร่งในระดับสูงเนื่องจากความท้าทายโดยธรรมชาติของการบรรลุหลายชั้นภายในโครงสร้าง PCB ที่ยืดหยุ่น การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างเลเยอร์ถูกสร้างขึ้นผ่านการใช้ประโยชน์จาก Vias หลายประเภทรวมถึง Vind และ Buried Vias
การกำหนดค่าเกี่ยวข้องกับการวางตำแหน่งของสองชั้นบนพื้นผิวเพื่อสร้างการเชื่อมต่อระหว่างแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และสภาพแวดล้อมภายนอก โดยทั่วไปความหนาแน่นของเลเยอร์ในแผงวงจรพิมพ์ (PCBs) นั้นยิ่งขึ้น นี่คือสาเหตุหลักมาจากความอ่อนแอของตัวเลขคี่ต่อปัญหาเช่นการแปรปรวน
จำนวนเลเยอร์มักจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเฉพาะโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงสี่ถึงสิบสองเลเยอร์
โดยทั่วไปแล้วแอปพลิเคชันส่วนใหญ่จำเป็นต้องใช้อย่างน้อยสี่และสูงสุดแปดชั้น ในทางตรงกันข้ามแอพเช่นสมาร์ทโฟนส่วนใหญ่ใช้ทั้งหมดสิบสองชั้น

แอปพลิเคชันหลัก

PCB หลายชั้นใช้ในแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายรวมถึง:
●อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่ PCB หลายชั้นมีบทบาทพื้นฐานที่ให้พลังงานและสัญญาณที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายเช่นสมาร์ทโฟน, แท็บเล็ต, คอนโซลเกมและอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพรียวบางและพกพาที่เราพึ่งพาทุกวันมีสาเหตุมาจากการออกแบบขนาดกะทัดรัดและความหนาแน่นของส่วนประกอบสูง
●ในด้านการสื่อสารโทรคมนาคมการใช้ประโยชน์จาก PCB หลายชั้นช่วยอำนวยความสะดวกในการส่งสัญญาณเสียงข้อมูลและวิดีโอที่ราบรื่นทั่วทั้งเครือข่ายจึงรับประกันการสื่อสารที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ
●ระบบควบคุมอุตสาหกรรมขึ้นอยู่กับแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCBs) เนื่องจากความสามารถในการจัดการระบบควบคุมที่ซับซ้อนกลไกการตรวจสอบและขั้นตอนการทำงานอัตโนมัติได้อย่างมีประสิทธิภาพ แผงควบคุมเครื่องจักรหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมพึ่งพาพวกเขาเป็นระบบสนับสนุนพื้นฐานของพวกเขา
● PCB หลายชั้นยังเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์การแพทย์เนื่องจากมีความสำคัญต่อการรับรองความแม่นยำความน่าเชื่อถือและความกะทัดรัด อุปกรณ์วินิจฉัยระบบตรวจสอบผู้ป่วยและอุปกรณ์การแพทย์ช่วยชีวิตได้รับอิทธิพลอย่างมากจากบทบาทสำคัญของพวกเขา

ประโยชน์และข้อดี

PCB หลายชั้นให้ประโยชน์และข้อดีหลายประการในแอปพลิเคชันความถี่สูงรวมถึง:
●ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ได้รับการปรับปรุง: PCB หลายชั้นช่วยให้การกำหนดเส้นทางอิมพีแดนซ์ควบคุมการควบคุมลดการบิดเบือนสัญญาณและทำให้มั่นใจได้ว่าการส่งสัญญาณความถี่สูงที่เชื่อถือได้ สัญญาณรบกวนสัญญาณที่ต่ำกว่าของแผงวงจรที่พิมพ์หลายชั้นส่งผลให้ประสิทธิภาพการปรับปรุงประสิทธิภาพความเร็วและความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น
● EMI ที่ลดลง: โดยการใช้ประโยชน์จากพื้นดินและเครื่องบินโดยเฉพาะ PCBs หลายชั้นจะยับยั้ง EMI ได้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบและลดการรบกวนด้วยวงจรใกล้เคียง
●การออกแบบขนาดกะทัดรัด: ด้วยความสามารถในการรองรับส่วนประกอบและแผนการกำหนดเส้นทางที่ซับซ้อนมากขึ้น PCBs หลายชั้นเปิดใช้งานการออกแบบขนาดกะทัดรัดซึ่งสำคัญสำหรับแอพพลิเคชั่นที่ จำกัด พื้นที่เช่นอุปกรณ์มือถือและระบบการบินและอวกาศ
●การจัดการความร้อนที่ดีขึ้น: PCB หลายชั้นนำเสนอการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพผ่านการบูรณาการของความร้อน vias และชั้นทองแดงที่วางไว้อย่างมีกลยุทธ์เพิ่มความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของส่วนประกอบพลังงานสูง
●ความยืดหยุ่นในการออกแบบ: ความหลากหลายของ PCB หลายชั้นช่วยให้มีความยืดหยุ่นในการออกแบบที่มากขึ้นช่วยให้วิศวกรสามารถเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ประสิทธิภาพเช่นการจับคู่ความต้านทานการหน่วงเวลาการแพร่กระจายของสัญญาณและการกระจายพลังงาน

ข้อเสีย

หนึ่งในข้อเสียเปรียบหลักที่เกี่ยวข้องกับแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นคือค่าใช้จ่ายที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับ PCBs เดี่ยวและสองชั้นตลอดทุกขั้นตอนของกระบวนการผลิต ต้นทุนที่สูงขึ้นส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์พิเศษที่จำเป็นสำหรับการผลิต
การผลิตยังมีความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากการผลิต PCB หลายชั้นจำเป็นต้องมีระยะเวลาการออกแบบที่ยาวนานขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและวิธีการผลิตที่พิถีพิถันเมื่อเทียบกับ PCB ประเภทอื่น ๆ ความซับซ้อนในการผลิต: การผลิต PCB หลายชั้นต้องการกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนรวมถึงการจัดตำแหน่งเลเยอร์ที่แม่นยำการกำหนดเส้นทางอิมพีแดนซ์ควบคุมและมาตรการควบคุมคุณภาพที่เข้มงวดซึ่งนำไปสู่ต้นทุนการผลิตที่เพิ่มขึ้นและเวลานำที่ยาวนานขึ้น
PCB หลายชั้นจำเป็นต้องมีการออกแบบล่วงหน้าอย่างละเอียดดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีวิศวกรที่มีความเชี่ยวชาญสำหรับการพัฒนา การผลิตของแต่ละคณะกรรมการจำเป็นต้องใช้เวลาเป็นจำนวนมากนำไปสู่ค่าใช้จ่ายแรงงานที่เพิ่มขึ้น ยิ่งไปกว่านั้นมันอาจส่งผลให้ช่วงเวลาที่ยาวนานระหว่างการจัดวางคำสั่งซื้อและการรับผลิตภัณฑ์ซึ่งอาจเป็นสิ่งที่ท้าทายในบางสถานการณ์
อย่างไรก็ตามข้อกังวลเหล่านี้ไม่ได้บ่อนทำลายประสิทธิภาพของแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCBs) แม้ว่า PCB หลายชั้นมักจะมีราคาแพงกว่า PCB ชั้นเดียว แต่ก็มีข้อได้เปรียบมากมายเมื่อเทียบกับแผงวงจรพิมพ์ในรูปแบบนี้โดยเฉพาะ
ในขณะที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงลดขนาดและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพจะกลายเป็นสิ่งสำคัญใน PCB หลายชั้นซึ่งจำเป็นต้องใช้โซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรมเพื่อลดฮอตสปอตความร้อนและมั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพที่ดีที่สุด นอกจากนี้การตรวจสอบประสิทธิภาพของการออกแบบ PCB หลายชั้นต้องใช้วิธีการทดสอบที่ครอบคลุมรวมถึงการจำลองการสร้างต้นแบบและการทดสอบการปฏิบัติตามเพื่อให้แน่ใจว่าสอดคล้องกับมาตรฐานอุตสาหกรรมและข้อกำหนด

เคล็ดลับการออกแบบ PCB หลายชั้น

เมื่อสร้างแผงวงจรพิมพ์หลายชั้น (PCB) สำหรับแอปพลิเคชันความถี่สูงคำแนะนำที่เป็นประโยชน์หลายประการมักจะมีประโยชน์
เพื่อลดปัญหาในการออกแบบ PCB หลายชั้นพื้นที่หลักของการเน้นโดยทั่วไปจะหมุนรอบ stackup เมื่อทำการตัดสินเกี่ยวกับเลเยอร์ stackup สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงปัจจัยต่าง ๆ เช่นฟังก์ชั่นการผลิตและการปรับใช้
เริ่มต้นด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพมิติของคณะกรรมการเนื่องจากจะมีผลต่อการตัดสินใจเกี่ยวกับลักษณะอื่น ๆ เมื่อพิจารณาขนาดบอร์ดในอุดมคติให้คำนึงถึงปัจจัยต่อไปนี้:
●จำนวนส่วนประกอบที่จะอยู่บนกระดาน
●ขนาดของส่วนประกอบเหล่านี้
●ที่จะติดตั้งบอร์ด
●เบี้ยเลี้ยงของพันธมิตรการผลิตสำหรับระยะห่างการฝึกปรือและหลุมเจาะ
เมื่อจำนวนเลเยอร์ได้รับการตัดสินใจการเลือก Vias ไม่ว่าจะเป็นคนตาบอดผ่านหลุมฝังหรือผ่านในแผ่น PAD แง่มุมนี้มีผลต่อความซับซ้อนของการผลิตดังนั้นคุณภาพของ PCB
ในส่วนการออกแบบ PCB หลายชั้นซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB เป็นส่วนสำคัญของกระบวนการออกแบบ ช่วยให้นักออกแบบสร้างโครงสร้างของการเชื่อมต่อเชิงกลและการเดินสายของ PCB จาก NetList และเพื่อวางโครงสร้างการเชื่อมต่อนี้บนหลายชั้นและเพื่อสร้างไฟล์ออกแบบคอมพิวเตอร์ช่วย CAD นี้มีความสำคัญในการผลิต PCB มีตัวเลือกซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB หลายตัวที่คุณสามารถใช้ในการออกแบบ PCB หลายชั้นของคุณ อย่างไรก็ตามมีบางคนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากกว่าคนอื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากอินเทอร์เฟซที่ง่ายกว่าด้วยเหตุผลอื่น ๆ
DFM ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างชิ้นส่วนผลิตภัณฑ์และส่วนประกอบที่อำนวยความสะดวกในการผลิตจะต้องได้รับการพิจารณา วัตถุประสงค์คือเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงที่ลดค่าใช้จ่าย ดังนั้นจึงมีความคล่องตัวเพิ่มขึ้นและปรับปรุงการออกแบบของผลิตภัณฑ์ให้สมบูรณ์แบบ DFM ควรดำเนินการในเวลาที่เหมาะสมก่อนที่จะเริ่มเครื่องมือ มีความจำเป็นที่จะต้องเกี่ยวข้องกับผู้มีส่วนได้ส่วนเสียทั้งหมดใน DFM การมีส่วนร่วมของผู้มีส่วนได้ส่วนเสียหลายคนรวมถึงนักออกแบบวิศวกรผู้ผลิตสัญญาซัพพลายเออร์วัสดุและผู้สร้างแม่พิมพ์เป็นสิ่งสำคัญ ด้วยการทำเช่นนั้นปัญหาที่เป็นไปได้เกี่ยวกับการออกแบบสามารถบรรเทาได้

ความสามารถในการผลิต

การผลิต PCB หลายชั้นสำหรับแอปพลิเคชันความถี่สูงนั้นเกี่ยวข้องกับขั้นตอนสำคัญหลายประการ:
●การออกแบบและเลย์เอาต์: วิศวกรใช้ซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB พิเศษเพื่อสร้างเค้าโครงโดยพิจารณาจากปัจจัยต่าง ๆ เช่นความสมบูรณ์ของสัญญาณการจัดการความร้อนและการบรรเทา EMI
●การเลือกวัสดุ: วัสดุคุณภาพสูงที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำและการสูญเสียแทนเจนต์จะถูกเลือกเพื่อลดการสูญเสียสัญญาณและรักษาประสิทธิภาพความถี่สูง
●การวางแผนแบบเลเยอร์สแต็กอัพ: เลเยอร์ stackup ได้รับการวางแผนอย่างรอบคอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกำหนดเส้นทางสัญญาณการจับคู่ความต้านทานและการกระจายความร้อนโดยพิจารณาจากปัจจัยต่าง ๆ เช่นความถี่สัญญาณความหนาของบอร์ดและความหนาของทองแดง
●การประดิษฐ์และการประกอบ: เทคนิคการผลิตขั้นสูงเช่นการขุดด้วยเลเซอร์การเคลือบตามลำดับและการแกะสลักอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้ถูกนำมาใช้เพื่อผลิต PCB หลายชั้นที่มีความแม่นยำและความน่าเชื่อถือ
●การทดสอบและการประกันคุณภาพ: ขั้นตอนการทดสอบอย่างเข้มงวดรวมถึงการวิเคราะห์ความสมบูรณ์ของสัญญาณการวัดความต้านทานการถ่ายภาพความร้อนและการทดสอบ EMI ได้ดำเนินการเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือและการปฏิบัติตาม PCB หลายชั้นที่มีมาตรฐานอุตสาหกรรมและข้อมูลจำเพาะ

บทสรุป

วิวัฒนาการของการออกแบบ PCB หลายชั้นได้ปฏิวัติสาขาอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงทำให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนด้วยประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือและการทำงานที่เพิ่มขึ้น แม้จะมีความท้าทายในความสมบูรณ์ของสัญญาณความซับซ้อนในการผลิตและการจัดการความร้อน แต่ประโยชน์ของ PCB หลายชั้นมีค่ามากกว่าความท้าทายทำให้พวกเขาขาดไม่ได้ในการใช้งานที่มีความถี่สูงมากมายรวมถึงการสื่อสารโทรคมนาคมการบินยานยนต์และอุปกรณ์การแพทย์ ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในวัสดุเทคนิคการผลิตและวิธีการออกแบบ PCB หลายชั้นจะพร้อมที่จะขับเคลื่อนนวัตกรรมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงต่อไปอีกหลายปี