ความยากหลักและเคล็ดลับในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบ็คเพลน

แผงวงจรพิมพ์แบ็คเพลน (Backplane PCB) หรือที่เรียกว่าบอร์ดเมน (motherboard) เป็นบอร์ดฐานชนิดหนึ่งที่ทำหน้าที่รองรับบอร์ดฟังก์ชันต่าง ๆ รวมถึงดอเตอร์บอร์ดหรือไลน์การ์ด หน้าที่หลักของบอร์ดแบ็คเพลนคือรองรับดอเตอร์บอร์ดและจ่ายพลังงานให้กับบอร์ดฟังก์ชัน เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและส่งสัญญาณได้ ดังนั้น ฟังก์ชันของระบบจึงสามารถทำงานได้ผ่านความร่วมมือระหว่างแบ็คเพลนและดอเตอร์บอร์ดของมัน

เมื่อคุณลักษณะของชิ้นส่วน IC (Integrated Circuit) มีความหนาแน่นสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องและจำนวนขา I/O เพิ่มมากขึ้น ประกอบกับความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ความถี่สูงของการส่งสัญญาณ และการพัฒนาด้านดิจิทัลความเร็วสูง ทำให้ฟังก์ชันของแผงแบ็คเพลนค่อย ๆ ครอบคลุมทั้งการรองรับบอร์ดฟังก์ชัน การส่งผ่านสัญญาณ และการกระจายกำลังไฟฟ้า เพื่อให้สามารถรองรับฟังก์ชันเหล่านี้ได้ แผงแบ็คเพลนจึงต้องมีคุณสมบัติตามข้อกำหนดที่สูงขึ้น ทั้งในด้านจำนวนชั้น (20 ถึง 60 ชั้น) ความหนาของบอร์ด (4 มม. ถึง 12 มม.) จำนวนรู via (30,000 ถึง 100,000 รู) ความเชื่อถือได้ ความถี่ และคุณภาพการส่งผ่านสัญญาณ

ดังนั้น เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพตามข้อกำหนดที่สูงเช่นนี้ การผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบแบ็คเพลน (backplane PCB) จำเป็นต้องเผชิญกับความท้าทายอย่างเข้มงวดในด้านความหนาของบอร์ด ขนาดบอร์ด จำนวนชั้น การควบคุมความแม่นยำของการจัดแนว ความลึกของการเจาะย้อนกลับ (back drilling) และสตับ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ประเด็นทั้งหมดที่กล่าวมานั้นล้วนเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งเมื่อกล่าวถึงการผลิตแบ็คเพลน บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อแสดงให้เห็นถึงความยากลำบากหลักที่พบในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบแบ็คเพลน และอภิปรายเคล็ดลับที่เป็นประโยชน์บางประการโดยอ้างอิงจากประสบการณ์การผลิตกว่า 20 ปีของ PCBCart

การควบคุมการจัดแนว

การควบคุมความตรงแนวเป็นความยากลำบากหลักในกระบวนการผลิตเมื่อกล่าวถึงการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบหลายชั้นระดับอัลตร้า เนื่องจากการควบคุมความตรงแนวที่ไม่ดีอาจทำให้เกิดการลัดวงจรได้

การควบคุมความสอดคล้องของเลเยอร์ได้รับผลกระทบจากกระบวนการและปัจจัยมากมาย ซึ่งในนั้นการจัดเรียงซ้อนของเลเยอร์มีความสำคัญที่สุด โดยทั่วไปแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น (Multi-layer PCB) มักมีองค์ประกอบอยู่สามประเภท ได้แก่ การลามิเนตแบบมวล (mass-lam), การลามิเนตแบบใช้พิน (pin-lam) และการให้ความร้อนด้วยเทอร์โมคัปเปิล (thermocouple heating)

เคล็ดลับ

• วิธีการประกอบที่เหมาะสมที่สุดคือการใช้เดือยไม้ประกบ เนื่องจากจะไม่ทำให้แผ่นแกนกลางเกิดแรงกระแทก

• เมื่อไม่สามารถใช้พินแลมได้เนื่องจากข้อจำกัดบางประการ การใช้หมุดย้ำทองแดง-เหล็กพร้อมเดือยสั้นจะเป็นตัวเลือกที่ดี

• เนื่องจากมีการใช้โครงสร้างซ้อนแบบพิน-แลม การเลือกใช้หมวดหมู่ของพินจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตัวอย่างเช่น เราพบว่าการใช้พินสี่ตัวให้ประสิทธิภาพดีกว่าการใช้พินทรงกระบอกแปดตัว และยังสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านการควบคุมการจัดแนวอีกด้วย

เทคโนโลยีการขุดเจาะ

เนื่องจากความหนาที่มากของแผงวงจรด้านหลัง ทำให้ความยาวของดอกสว่านอาจไม่เพียงพอที่จะเจาะทะลุบอร์ดได้ อย่างไรก็ตาม หากใช้ดอกสว่านที่ยาวเกินไปก็มักจะเกิดการหักระหว่างกระบวนการเจาะ นอกจากนี้ ฝุ่นที่มากเกินไปอาจอุดตันรูเจาะและทำให้เกิดครีบโลหะ ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพของแผงวงจรพิมพ์แบบแบ็คเพลนลดลงอย่างมาก

เคล็ดลับ

• ควรใช้วิธี CCD ในการเจาะแผ่นแบ็คเพลน และมาร์กเกอร์ CCD จะขึ้นอยู่กับรูที่เจาะผ่านด้วยการเจาะเอ็กซเรย์

• ความลึกของการเจาะสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำผ่านการใช้การควบคุมความลึกในลักษณะที่นำไฟฟ้า

ความสามารถด้านการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า

เนื่องจากความหนาที่มากของแผ่นแบ็คเพลน อัตราส่วนความหนาจะสูงตามไปด้วย เพื่อให้มั่นใจว่ามีทองแดงเพียงพอภายในรู หากการชุบไฟฟ้าไม่สามารถชุบได้ลึกเพียงพอ ทองแดงจะมีปริมาณเพียงพอภายในรู แต่จะมีทองแดงสะสมมากเกินไปที่ปากรู ส่งผลกระทบต่อขนาดรู ทำให้ขนาดรูของวิอาและความหนาทองแดงที่ผนังรูไม่สอดคล้องกัน

เคล็ดลับ

• ควรเปรียบเทียบสารละลายชุบแบบพัลส์กับสารละลายชุบแบบกระแสตรงในด้านความสามารถในการชุบ ความน่าเชื่อถือ และความเสถียรของสารละลาย

• ควรใช้สารละลายชุบ DC แบบใหม่ เช่น EP.

การวิเคราะห์ ICD

ICD มักเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิตวัสดุความถี่สูง ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างมากต่อคุณภาพของการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและความน่าเชื่อถือในระยะยาว สาเหตุของการเกิด ICD และแนวทางการแก้ไขควรถูกสรุปไว้เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าวในกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบแบ็คเพลน สาเหตุของปัญหา ICD อยู่ที่คราบเรซินเจลที่ตกค้างบนชั้นทองแดงด้านในและการทำความสะอาดที่ไม่เพียงพอ

เคล็ดลับ

• ควรวิเคราะห์ระดับความเสื่อมสภาพของวัสดุบอร์ดเพื่อป้องกันไม่ให้เรซินที่ยังผ่านกระบวนการเสื่อมสภาพไม่เพียงพอคงเหลืออยู่บนชั้นทองแดงด้านใน

• ควรปรับให้เหมาะสมการควบคุมพารามิเตอร์การเจาะเพื่อยืนยันว่าคราบเจลถูกกำจัดออกไปแล้ว

การเจาะย้อนเพื่อลบสตับ

สำหรับการส่งสัญญาณความเร็วสูงนั้น สตับจะทำให้สัญญาณเกิดความเพี้ยนหรือแม้กระทั่งทำให้การส่งสัญญาณล้มเหลว ดังนั้นควรชี้แจงให้ชัดเจนถึงผลกระทบด้านลบที่เกิดจากสตับต่อการส่งสัญญาณความเร็วสูง จนถึงปัจจุบันสามารถสรุปได้ว่า เมื่อความยาวของสตับน้อยกว่า 0.25 มม. ผลกระทบต่อสัญญาณจะค่อนข้างต่ำและสามารถมองข้ามได้ ดังนั้นจึงควรควบคุมความยาวของสตับให้อยู่ภายใน 0.25 มม.

เคล็ดลับ

• ควรควบคุมความยาวของสตับให้อยู่ภายใน 0.25 มม. เพื่อลดผลกระทบต่อคุณภาพการส่งสัญญาณ