ขั้นตอนสำคัญในการผลิตแผ่นวงจรพีซีบีหลายชั้นมีอะไรบ้าง

การผลิตแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multilayer PCB) เป็นเทคโนโลยีชั้นนำที่สนับสนุนการพัฒนาอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง ซึ่งช่วยให้สามารถรวมอุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูงไว้ด้วยกัน โดยมีการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ และอุตสาหกรรมเครื่องมือทางการแพทย์ แม้ว่าแผ่นวงจรพิมพ์แบบชั้นเดียวหรือสองชั้นจะหมายถึงแผ่นที่มีเพียงหนึ่งหรือสองชั้นของทองแดง แต่แผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นจะประกอบด้วยสามชั้นขึ้นไปของทองแดงที่เรียงซ้อนกันและแยกจากกันด้วยวัสดุฉนวน ทำให้สามารถวางเส้นทางวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น มีความหนาแน่นของชิ้นส่วนสูงขึ้น และมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดีขึ้น การเข้าใจขั้นตอนหลักๆ ของการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นจะช่วยให้นักออกแบบ วิศวกร และผู้ซื้อมีความรู้ความเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับคุณภาพ ความน่าเชื่อถือ และขีดความสามารถในการผลิต

ตรวจสอบการออกแบบและการเตรียมงานวิศวกรรม

นอกเหนือจากการผลิตทางกายภาพ การผลิตแผ่นวงจรพีซีบีหลายชั้นโดยหลักการแล้วเป็นผลลัพธ์จากขั้นตอนการออกแบบ เมื่อได้รับไฟล์ Gerber รายละเอียดการจัดเรียงชั้น และข้อกำหนดทางเทคนิค วิศวกรจะพิจารณาตรวจสอบการออกแบบอย่างละเอียด โดยจะตรวจสอบความกว้างของเส้นนำสัญญาณ ระยะห่าง ข้อกำหนดด้านอิมพีแดนซ์ การจัดตำแหน่งของแต่ละชั้น โครงสร้างวายอา (via) และการเลือกวัสดุ

การจำลองและการวิเคราะห์เพื่อความเหมาะสมในการผลิต (DFM) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับบอร์ดที่มีความซับซ้อนมาก

ผู้ผลิตอย่าง King Field สามารถช่วยหลีกเลี่ยงการแก้ไขที่มีค่าใช้จ่ายสูง และรับประกันให้กระบวนการผลิตดำเนินไปอย่างราบรื่น โดยการให้ผลลัพธ์ DFM ซึ่งระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นแต่เนิ่นๆ เช่น ปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณ และปัญหาการเจาะรู

การถ่ายภาพและกัดกร่อนชั้นภายใน

แต่ละชั้นทองแดงด้านในจะถูกผลิตแยกกัน โดยเริ่มต้นจากการทำความสะอาดพื้นผิวของแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง จากนั้นจึงเคลือบด้วยฟอทอเรซิสต์ เมื่อใช้รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) เขียนลวดลายวงจรลงบนฟอทอเรซิสต์อย่างแม่นยำในกระบวนการที่เรียกว่า โฟโตเอนกรีฟเวอร์

ขั้นตอนการล้างออกจะขจัดเรซิสต์ที่ได้รับแสงไปแล้วออก และทองแดงที่ไม่ถูกปกคลุมด้วยเรซิสต์จะถูกกัดด้วยสารออกซิไดซ์ทางเคมี การตรวจสอบด้วยระบบออปติคอลอัตโนมัติ (AOI) จะถูกใช้ในขั้นตอนนี้เพื่อให้มั่นใจว่าความกว้างของเส้นและระยะห่างเป็นไปตามที่คาดหวัง และลวดลายยังคงสมบูรณ์ เนื่องจากข้อบกพร่องที่พบหลังจากขั้นตอนการเคลือบชั้นจะแก้ไขไม่ได้ จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าชั้นด้านในมีคุณภาพดี

การบำบัดออกไซด์ชั้นด้านใน

ก่อนการเคลือบชั้น ชั้นด้านในจะได้รับการบำบัดด้วยออกไซด์หรือพื้นผิวอื่นๆ ที่ช่วยให้ยึดติดกันได้ดี พื้นผิวของทองแดงจะถูกทำให้ขรุขระในระดับอะตอมระหว่างกระบวนการนี้ ซึ่งเชื่อว่าจะช่วยเพิ่มความสามารถในการยึดเกาะของชั้นทองแดงกับฉนวนพรีเพรกเมื่อดำเนินการเคลือบชั้นแล้ว การยึดติดระหว่างชั้นเป็นปัจจัยสำคัญมากต่อความมั่นคงทางกลและความน่าเชื่อถือในระยะยาวของแผ่นวงจรพีซีบีหลายชั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์หลายชั้นที่จะทำงานในสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงหรือการสั่นสะเทือน

การจัดเรียงชั้นและการเคลือบชั้น

การเคลือบชั้นเป็นหนึ่งในขั้นตอนที่เด่นชัดที่สุดของกระบวนการผลิตพีซีบีหลายชั้น โดยจะนำชั้นด้านในมาวางเรียงคู่กับชิ้นส่วนพรีเพรก (ไฟเบอร์กลาสที่อิ่มตัวด้วยเรซินอีพ็อกซี่) ระหว่างชั้น และเพิ่มฟอยล์ทองแดงด้านนอกทั้งด้านบนและด้านล่างตามแบบการจัดเรียงชั้นที่ได้รับอนุมัติ

จากนั้นนำชิ้นงานไปใส่ในเครื่องอัดแบบลามิเนต โดยจะถูกทำให้ร้อนและกดด้วยแรงดันตามรอบที่ควบคุมอย่างแม่นยำ เรซินพรีพเรกจะหลอมเหลว ไหลกระจาย และแข็งตัว ทำให้เกิดการยึดติดกันอย่างแน่นหนาระหว่างทุกชั้นจนกลายเป็นแผ่นวงจรเดียวกัน การควบคุมอุณหภูมิ แรงดัน และเวลาอย่างแม่นยำจึงจำเป็นเพื่อรับประกันการจัดเรียงชั้นที่ถูกต้อง และป้องกันข้อบกพร่องทั่วไป เช่น ช่องว่างหรือการแยกชั้น

การเจาะรูและการสร้างไวอา

หลังจากการลามิเนต แผงวงจรพิมพ์หลายชั้นจะถูกเจาะรูเพื่อเตรียมรูสำหรับชิ้นส่วนแบบผ่านรู (through-hole) และรูไวอา (vias) ที่ใช้เชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ เครื่องเจาะแบบ CNC จะใช้ในการเจาะรูเชิงกล ส่วนในกรณีของไมโครไวอาในออกแบบระบบเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (HDI) อาจใช้เครื่องเจาะเลเซอร์

หลังการเจาะรู ผนังด้านในของรูจะได้รับการทำความสะอาดและกระตุ้นพื้นผิว เพื่อเตรียมการเคลือบโลหะภายในรู แน่นอนว่าการเจาะรูจะต้องมีความแม่นยำสูงมาก เพราะหากเกิดการเยื้องจะทำให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชั้นเสียหาย

การเคลือบผิวโลหะและชุบทองแดงในรู

เพื่อทำให้โพสต์นำไฟฟ้าได้ เริ่มต้นด้วยการสะสมฟิล์มบางของทองแดงลงบนผนังรูโดยกระบวนการชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้า จากนั้นจะดำเนินการขั้นตอนการชุบทองแดงด้วยกระแสไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความหนาให้มีความน่าเชื่อถือทั้งทางไฟฟ้าและเชิงกล

การสร้างภาพและการกัดกร่อนชั้นภายนอก

วงจรของชั้นสุดท้ายจะถูกเปิดเผยโดยการใช้โฟโตเรซิสต์สร้างภาพบนชั้นภายนอก เช่นเดียวกับชั้นภายใน หลังจากกระบวนการโฟโตลิโธกราฟีและการพัฒนา ทองแดงส่วนเกินจะถูกกัดออกไป ทำให้เหลือเพียงวงจรที่สมบูรณ์บนชั้นภายนอก

ในขั้นตอนนี้ จะมีการกำหนดรูปร่างของแพด การวางเส้นทางเดินสาย และจุดเชื่อมต่อองค์ประกอบ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการประกอบและการทำงานทางไฟฟ้า

การเคลือบชั้นสารกันเชื่อม

มาสก์บัดกรีเป็นชั้นของพอลิเมอร์คล้ายแลกเกอร์ที่เคลือบลงบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการปนเปื้อนบนเส้นลวดทองแดง รวมถึงลดโอกาสที่บัดกรีจะลัดระหว่างแพดที่อยู่ติดกัน โดยรูเปิดสำหรับแพดและวายที่ต้องการบัดกรีจะถูกกำหนดไว้เฉพาะในชั้นมาสก์บัดกรีเท่านั้น

ความแม่นยำในการจัดแนวมาสก์บัดกรีมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อมีการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากชิ้นส่วนมีระยะขั้วแคบ ผู้ผลิตเช่น King Field จึงใช้อุปกรณ์ถ่ายภาพและอบแห้งขั้นสูงเพื่อให้ได้การเคลือบที่สม่ำเสมอและทนทานยาวนาน

ผิวสัมผัส

ความสามารถในการบัดกรีเป็นหนึ่งในประโยชน์ของผิวเคลือบพื้นผิว นอกเหนือจากการป้องกันแผ่นทองแดงที่ไม่มีการเคลือบ ตัวเลือกผิวเคลือบที่นิยมใช้มากที่สุด ได้แก่ HASL, ENIG, OSP, เงินเคลือบแบบจุ่ม และดีบุกเคลือบแบบจุ่ม การเลือกใช้ชนิดที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น อายุการเก็บรักษา วิธีการประกอบ และคุณสมบัติทางไฟฟ้า

เนื่องจากพื้นผิวเรียบและมีความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างยอดเยี่ยม ทำให้การใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงมักเลือกใช้ ENIG

การทดสอบทางไฟฟ้าและการตรวจสอบขั้นสุดท้าย

การทดสอบและการตรวจสอบเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น เพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีจุดลัดวงจรหรือจุดขาดในทุกชั้นของโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อนมาก จะมีการทดสอบทางไฟฟ้าเพื่อตรวจสอบสภาพการนำไฟฟ้าและการแยกฉนวน นอกจากนี้ยังอาจใช้การตรวจสอบด้วยสายตา การวัดขนาด (การตรวจสอบมิติ) และบางครั้งใช้รังสีเอกซ์เพื่อยืนยันการจัดแนวภายในที่ถูกต้องและคุณภาพของช่องทางเชื่อมต่อ

เฉพาะแผ่นวงจรที่เป็นไปตามข้อกำหนดทั้งหมดเท่านั้นที่จะได้รับอนุญาตให้ดำเนินการต่อไปยังขั้นตอนการบรรจุหีบห่อและการจัดส่ง

สรุป

การผลิตแผ่นวงจรพีซีบีหลายชั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่ง เนื่องจากต้องอาศัยความแม่นยำสูง ประสบการณ์อันมากล้น ตลอดจนการวางและยึดมั่นในมาตรการควบคุมคุณภาพที่เข้มงวดในทุกขั้นตอน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องที่สมเหตุสมผลว่าประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์จะขึ้นอยู่กับการดำเนินการตามขั้นตอนต่างๆ เหล่านี้อย่างถูกต้อง รวมถึงการทดสอบ โดยเฉพาะการทดสอบขั้นสุดท้าย

คิงฟิลด์สามารถนำเสนอแผ่นพีซีบีหลายชั้นที่ช่วยให้อุตสาหกรรมต่างๆ สามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยได้ โดยใช้อุปกรณ์ขั้นสูงร่วมกับการบริหารจัดการกระบวนการที่มีระเบียบวินัย การทำความเข้าใจเกี่ยวกับชั้นต่างๆ เหล่านี้เพิ่มเติมยังช่วยเปิดเผยความซับซ้อนที่อยู่เบื้องหลังการทำงานของอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ รวมถึงช่วยให้ลูกค้าสามารถตัดสินใจเลือกผู้ผลิตพีซีบีที่น่าเชื่อถือได้อย่างเหมาะสม