Rigid PCBs

บอร์ดวงจรพิมพ์แบบแข็งคืออะไร?

PCB แบบแข็ง คือแผ่นวงจรพิมพ์ที่ผลิตจากวัสดุฉนวนแบบแข็ง เช่น วัสดุแก้วผ้าเรซินอีพอกซี FR-4 วัสดุกระดาษฟีนอลิก หรือวัสดุเซรามิกเป็นแกนหลัก มีรูปร่างคงที่ ความแข็งแรงสูง และไม่สามารถดัดโค้ง หรือพับได้ ปัจจุบันเป็นประเภทพีซีบีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด คุณสมบัติทางกายภาพมีความเสถียร และไม่มีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิห้อง สามารถให้การรองรับที่มั่นคงสำหรับชิ้นส่วนต่างๆ วัสดุหลักที่นิยมใช้คือ FR-4 ซึ่งมี กระบวนการที่มีความสุกงอมและต้นทุนที่ควบคุมได้ ในสถานการณ์ระดับไฮเอนด์ จะใช้วัสดุเซรามิกหรือโพลีไมด์ที่ปรับปรุงแล้วเป็นซับสเตรตแข็ง เพื่อตอบสนองข้อกำหนดด้านการนำความร้อนสูงและความถี่สูง โครงสร้างครอบคลุมบอร์ดแบบด้านเดียว บอร์ดสองด้านและบอร์ดหลายชั้น โดยสามารถทำให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างชั้นได้ผ่านรูแบบเมทัลไลซ์ (metallized vias) รองรับการออกแบบวงจรที่ซับซ้อน มีกระบวนการผลิตที่ได้มาตรฐาน และรองรับเทคนิคการประกอบทั่วไป โดยมีอัตราผลผลิตสูง

ประเภทของแผ่นวงจรอิเล็กทรอนิกส์แข็งสามารถจัดประเภทตามมิติต่างๆ เช่น จำนวนชั้นโครงสร้าง วัสดุซับสเตรต และลักษณะการใช้งาน ประเภทหลักมีดังนี้:

จัดประเภทตามจำนวนชั้นโครงสร้าง

· แผ่นเดี่ยว

มีเพียงด้านเดียวที่มีวงจรแผ่นฟอยล์ทองแดงนำไฟฟ้า ส่วนอีกด้านเป็นวัสดุพื้นฐาน มีโครงสร้างเรียบง่ายและต้นทุนต่ำที่สุด เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำและมีวงจรเรียบง่าย (เช่น รีโมทคอนโทรล วงจรสับของของเล่น บอร์ดอุปกรณ์ไฟฟ้า ตัวแปลงไฟฟ้า)

· แผ่นวงจรพิมพ์แบบสองด้าน (Double-Sided PCB)

ทั้งสองด้านมีวงจรแผ่นฟอยล์ทองแดง โดยการเชื่อมต่อระหว่างชั้นจะทำได้ผ่านรูแบบชุบโลหะ (metallized vias) ความซับซ้อนของวงจรสูงกว่าบอร์ดแบบด้านเดียว แต่มีต้นทุนปานกลาง นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (แผ่นชาร์จโทรศัพท์มือถือ) เซ็นเซอร์ควบคุมอุตสาหกรรม และสถานการณ์การใช้งานอื่นๆ

· บอร์ดแบบหลายชั้น

มีชั้นนำไฟฟ้า 3 ชั้นขึ้นไป (โดยทั่วไปคือ 4, 6, 8 ชั้น และสูงสุดถึง 40 ชั้นในรุ่นระดับสูง) โดยชั้นต่างๆ จะถูกยึดติดกันด้วยวัสดุฉนวน รูต่างๆ แบ่งออกเป็นรูแบบเจาะทะลุ (through holes), รูแบบบอด (blind holes) และรูแบบซ่อน (buried holes) สามารถรองรับการวางเส้นสายแบบความหนาแน่นสูง และเหมาะสำหรับวงจรที่ซับซ้อน (เช่น แม่บอร์ดคอมพิวเตอร์, ECU รถยนต์, บอร์ดควบคุมหลักของอุปกรณ์การแพทย์)

จัดประเภทตามวัสดุของฐาน

· แผ่นวงจรพิมพ์ชนิด FR-4

วัสดุฐานเป็นเรซินอีพ็อกซี่ใยแก้ว (FR-4) ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าได้ดี ทนความร้อน และมีความแข็งแรงเชิงกลสูง พร้อมต้นทุนที่ควบคุมได้ คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 90% ของตลาดแผ่นวงจรพิมพ์แบบแข็ง และเหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไปใน ด้านต่างๆ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ระบบควบคุมอุตสาหกรรม และยานยนต์

· พีซีบีชนิดกระดาษฟีนอลิก (FR-1/FR-2)

วัสดุฐานเป็นเรซินฟีนอลิกและเส้นใยกระดาษ มีต้นทุนต่ำ แต่ทนความร้อนและความแข็งแรงเชิงกลได้ไม่ดี จึงใช้ได้เฉพาะในอุปกรณ์ระดับล่าง (วิทยุรุ่นเก่า บอร์ดควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านแบบง่ายๆ)

· แผ่นวงจรพิมพ์ชนิดเซรามิก

วัสดุฐานเป็นเซรามิกอลูมิเนียมออกไซด์และไนไตรด์ ซึ่งมีคุณสมบัติในการนำความร้อนได้ดีเยี่ยม เป็นฉนวนสูง และทนต่ออุณหภูมิสูง เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟสูงและความถี่สูง (เช่น แท่นชาร์จสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ และอุปกรณ์การบินและอวกาศ) แผ่นวงจรพิมพ์ชนิดโลหะเป็นฐาน (แบบอลูมิเนียม/แบบทองแดง)

· พีซีบีฐานโลหะ (ฐานอลูมิเนียม/ฐานทองแดง)

วัสดุพื้นฐานคือแผ่นโลหะ (อลูมิเนียม/ทองแดง) + ชั้นฉนวน + ฟอยล์ทองแดง ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนสูงกว่าแผ่นวงจรพิมพ์ธรรมดา (FR-4) มาก และเป็นที่รู้จักกันในชื่อ "แผ่นวงจรพิมพ์ระบายความร้อน" ใช้ในอุปกรณ์ให้แสงสว่างแบบ LED, เครื่องขยายเสียง, และอุปกรณ์แปลงความถี่สำหรับควบคุมในอุตสาหกรรม

จัดประเภทตามความหนาของทองแดง/คุณสมบัติการใช้งาน

· แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงความหนาปกติ

ความหนาของฟอยล์ทองแดง ≤1 ออนซ์ (35 ไมโครเมตร) เหมาะสำหรับวงจรกระแสต่ำทั่วไป (อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โมดูลกำลังต่ำ)

· แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา (Heavy Copper PCB)

ความหนาของฟอยล์ทองแดง ≥2 ออนซ์ (70 ไมโครเมตร) มีความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าและระบายความร้อนได้ดี ใช้ในอุปกรณ์กำลังไฟสูง (โมดูลไฟฟ้า ระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์พลังงานใหม่)

· แผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง (High-frequency PCB)

วัสดุพื้นฐานคือพอลิเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) และวัสดุโรเจอร์ส (Rogers material) มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่เสถียร และการสูญเสียสัญญาณต่ำ เหมาะสำหรับการสื่อสาร 5G, อุปกรณ์เรดาร์ และอุปกรณ์ความถี่วิทยุ

จำแนกตามกระบวนการเคลือบผิว

· แผ่นพีซีบีเคลือบดีบุก

พื้นผิวถูกเคลือบด้วยชั้นดีบุก ซึ่งมีคุณสมบัติการบัดกรีที่ดีและต้นทุนต่ำ เหมาะสำหรับอุปกรณ์ทั่วไป

· แผ่นพีซีบีชุบนิกเกิล-ทอง

พื้นผิวเป็นชั้นนิกเกิล-ทอง ทนต่อการเกิดออกซิเดชันและมีความต้านทานการสัมผัสต่ำ เหมาะสำหรับขั้วต่อความแม่นยำสูงและแผงวงจรสำคัญ (เช่น แผงหลักของโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์ทางการแพทย์)

· แผ่นพีซีบีเคลือบ OSP

พื้นผิวถูกเคลือบด้วยฟิล์มป้องกันอินทรีย์ ซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีต้นทุนปานกลาง นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีการติดตั้งชิ้นส่วนบนพื้นผิว (SMT) ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ข้อแตกต่างสำคัญจากพีซีบีแบบยืดหยุ่น

แผ่นวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบแข็ง ด้วยรูปร่างที่คงที่ ความแข็งแรงทางกลสูง และเทคโนโลยีที่ผ่านการพัฒนามานาน จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ต่างๆ ที่ต้องการความมั่นคงของวงจรและจุดติดตั้งที่แน่นหนา

ในด้านอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ใช้ในเมนบอร์ด/การ์ดแสดงผลของคอมพิวเตอร์ เมนบอร์ดโทรศัพท์มือถือ บอร์ดจ่ายไฟทีวี บอร์ดวงจรเราเตอร์/กล่องเซ็ตท็อป และบอร์ดควบคุมเครื่องซักผ้า/ตู้เย็น เป็นต้น โดยอาศัยต้นทุนที่ต่ำและเทคโนโลยีที่ กระบวนการของซับสเตรต FR-4 ที่สุกงอม ทำให้เหมาะกับวงจรกำลังขนาดกลางและขนาดเล็ก และตอบสนองข้อกำหนดด้านความเสถียรของผลิตภัณฑ์ระดับผู้บริโภค

ด้านการควบคุมอุตสาหกรรม:

นำมาประยุกต์ใช้กับโมดูล PLC เมนบอร์ดคอมพิวเตอร์ควบคุมอุตสาหกรรม บอร์ดวงจรแปลงความถี่ บอร์ดควบคุมไดรฟ์เซอร์โว และบอร์ดสัญญาณเซนเซอร์ ด้วยคุณสมบัติทนต่อการสั่นสะเทือนและทนอุณหภูมิได้ดี การออกแบบหลายชั้นสามารถรองรับการรวมวงจรที่ซับซ้อน และเหมาะสำหรับสภาพการทำงานอุตสาหกรรมที่รุนแรง

ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์

เข้ากันได้กับหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECUs), บอร์ดควบคุมกลางในรถ, บอร์ดหลักของสถานีชาร์จ, บอร์ดควบคุมระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และบอร์ดขับเคลื่อนไฟรถ โดยมีคุณสมบัติความน่าเชื่อถือสูง (ทนต่ออุณหภูมิสูง และต่ำ รวมทั้งแรงสั่นสะเทือน) และชนิดทองแดงหนาสามารถนำกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยบนยานพาหนะ

ด้านอุปกรณ์ทางการแพทย์:

ใช้สำหรับบอร์ดควบคุมเครื่อง CT/แม่เหล็กไฟฟ้าถ่ายภาพ, บอร์ดวงจรมอนิเตอร์, โมดูลพลังงานทางการแพทย์ และบอร์ดหลักของเครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือด มีฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมและการส่งสัญญาณที่เสถียร ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือที่เข้มงวดของอุตสาหกรรมการแพทย์

สาขาอากาศ

แผ่นพีซีบีแบบแข็งระดับไฮเอนด์ที่ทำจากเซรามิกหรือซับสเตรตความถี่สูง ถูกนำมาใช้กับเมนบอร์ดอุปกรณ์ดาวเทียม แผงควบคุมเรดาร์ติดเครื่องบิน แผงจ่ายพลังงานจรวด และแผงควบคุมการบินของเครื่องบินไร้คนขับ ซึ่งสามารถ ทนต่อสภาพแวดล้อมสุดขั้ว เช่น อุณหภูมิสูงและต่ำ รวมถึงรังสีต่างๆ และมีความแข็งแรงทางกลอย่างโดดเด่น

ด้านอุปกรณ์พลังงานใหม่

แผ่นพีซีบีแบบแข็งหนาทองแดงถูกใช้ในแผงวงจรเครื่องแปลงไฟฟ้าแสงอาทิตย์ แผงควบคุมแบตเตอรี่สำรองพลังงาน และเมนบอร์ดเครื่องแปลงไฟฟ้าลม มีความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าได้สูงและระบายความร้อนได้ดี และเป็น เหมาะสำหรับข้อกำหนดด้านการส่งและแปลงพลังงานกำลังสูง

ด้านอุปกรณ์การสื่อสาร:

แผ่นพีซีบีแบบแข็งความถี่สูงที่ทำจากซับสเตรต PTFE หรือ Rogers ถูกนำมาใช้กับแผง RF สถานีฐาน 5G เมนบอร์ดสวิตช์ และแผงวงจรมอดูลแสง ซึ่งมีคุณสมบัติการสูญเสียสัญญาณต่ำ และรองรับการส่งข้อมูลความเร็วสูง