การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ฮาร์ดแวร์ไปสู่ความหนาแน่นสูงและการย่อขนาด ทำให้พื้นที่ผิวของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB: Printed Circuit Board) หดตัวลงอย่างมาก ในขณะที่จำนวนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องประกอบลงบนแผ่นวงจรยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง โมดูลพลังงานหนึ่งชุดมีอุปกรณ์เหนี่ยวนำคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 40% ของพื้นที่เพลตพลังงาน ซึ่งเป็นข้อเสียต่อการย่อขนาดและการทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีความหนาแน่นสูง เพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่า นักออกแบบบางรายจึงพิจารณาการฝังชิ้นส่วน เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน และตัวเก็บประจุ ไว้ภายในแผ่น PCB เพื่อให้สามารถทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีความหนาแน่นสูงและมีขนาดเล็กลงได้ นอกจากนี้ PCB แบบฝังชิ้นส่วนยังช่วยให้ระยะทางของลายวงจรระหว่างชิ้นส่วนสั้นลง ปรับปรุงสมรรถนะทางไฟฟ้า เพิ่มพื้นที่บรรจุวงจรที่มีประสิทธิภาพ ลดจำนวนจุดบัดกรีบนพื้นที่แผ่น PCB ทำให้ความน่าเชื่อถือของแพ็กเกจดีขึ้นพร้อมทั้งช่วยประหยัดต้นทุน
การจำแนกประเภทของส่วนประกอบฝังตัวและหลักการออกแบบ
• ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบฝังตัว
มีเทคโนโลยีการผลิตที่หลากหลายสำหรับการฝังชิ้นส่วน เมื่อกล่าวถึงตัวต้านทานแบบฝัง จะมีการใช้วัสดุที่มีค่าความต้านทานสูงเป็นอันดับแรก จากนั้นจึงใช้วัสดุแผ่นรองที่เคลือบนิกเกิล-ฟอสฟอรัสนิกเกิล ต่อมาจะใช้วิธีการพรีเบิร์นฟิล์มหนาเซรามิกหรือเทคโนโลยี LTCC (low temperature co-fired ceramic) สุดท้ายสามารถผลิตตัวต้านทานแบบแผ่นราบชนิดต่าง ๆ ที่มีค่าความต้านทานแตกต่างกันได้
วิธีการผลิตตัวเก็บประจุฝังตัวที่ดีกว่าคือการลามิเนตโพลิเมอร์โดยตรงเข้ากับแผ่นโลหะ เทคโนโลยีการผลิตตัวเก็บประจุฝังตัวประกอบด้วยการใช้แผ่นไดอิเล็กทริก การสร้างไดอิเล็กทริกแบบฟิล์มหนาหรือฟิล์มบาง และการใช้แผ่นไดอิเล็กทริกหนาที่ผ่านการเผาที่อุณหภูมิสูงซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง
จากบทนำข้างต้นผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์โดยหลักแล้วจะวางตัวต้านทานและตัวเก็บประจุไว้บนผิวของชั้นในแผ่น PCB ด้วยกระบวนการกัดลายหรือการพิมพ์ จากนั้นฝังลงในแผ่นด้านในผ่านกระบวนการการอัดซ้อน (lamination) และเทคโนโลยีการผลิต PCB แบบหลายชั้น การฝังชิ้นส่วนช่วยทดแทนการบัดกรีชิ้นส่วนแบบพาสซีฟบนผิวแผ่น PCB ทำให้การประกอบชิ้นส่วนและความอิสระในการวางลายวงจรเพิ่มขึ้นอย่างมาก
• ตัวเหนี่ยวนำแบบฝังตัว
การฝังตัวเหนี่ยวนำคือการขึ้นรูปเป็นลักษณะเกลียวหรือการดัดโค้งผ่านกระบวนการกัดลายหรือการชุบทองแดง หรือการสร้างโครงสร้างแบบหลายชั้นทรงเกลียวผ่านรูทะลุระหว่างชั้น จนถึงปัจจุบัน โมดูลความถี่สูงเป็นแบบที่ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุด ผู้ผลิตแผ่นวงจรพิมพ์จะวางตัวเหนี่ยวนำไว้บนชั้นภายในของแผ่น PCB ผ่านการกัดลายหรือการพิมพ์ โดยอิงตามเทคโนโลยีการผลิตภายในของแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น
ในบรรดาอุปกรณ์เหนี่ยวนำ มีอุปกรณ์เหนี่ยวนำที่มีแกนแม่เหล็กอยู่ภายใน อุปกรณ์เหนี่ยวนำประเภทนี้มีแกนแม่เหล็กและขดลวดพันรอบ ซึ่งใช้เก็บพลังงานสนามแม่เหล็กสลับ (AC) ในวงจร DC/AC โดยทำงานร่วมกับฟังก์ชันกระแสที่สอดคล้องกัน แกนแม่เหล็กอาจเป็นแบบฝังราบหรือฝังลึก ในขณะที่ขดลวดสามารถออกแบบได้เฉพาะในรูปแบบผ่านรู (via) ผลิตภัณฑ์อุปกรณ์เหนี่ยวนำแบบฝังมีหลัก ๆ อยู่สองประเภท คือ อุปกรณ์เหนี่ยวนำแบบฝังทึบ และอุปกรณ์เหนี่ยวนำแบบฝังกลวง แบบแรกจะถูกยึดตรึงอยู่ในแผ่น PCB โดยมีอุปกรณ์เหนี่ยวนำแบบฝังถูกลามิเนตด้วยพรีเพรกที่ล้อมรอบ ส่วนแบบหลังจะสั่นสะเทือนตามการเคลื่อนไหวของแผ่น PCB โดยมีอุปกรณ์เหนี่ยวนำแบบฝังอยู่ภายในแผงวงจร
การเปรียบเทียบระหว่างการออกแบบโมดูลฝังตัวเหนี่ยวนำกับโมดูลพลังงานทั่วไปสรุปไว้ในตารางด้านล่าง
|
รายการ
|
โมดูลพลังงานแบบดั้งเดิม
|
โมดูลฝังตัวตัวเหนี่ยวนำ
|
| ประเภทการประกอบ |
SMT |
วางไว้ในแผงวงจรพิมพ์ภายในระหว่างการผลิตหรือการประกอบแผงวงจรพิมพ์ |
| โครงสร้างแม่เหล็ก |
วงจรแม่เหล็กตั้งฉากกับพื้นผิว PCB |
วงจรแม่เหล็กขนานกับพื้นผิว PCB |
| เลย์เอาต์การพัน |
ขดลวดขนานกับแกนแม่เหล็กโดยรอบและขนานกับพื้นผิวแผงวงจรพิมพ์ (PCB) |
ขดลวดตั้งฉากกับพื้นผิว PCB ที่เกิดขึ้นในรูผ่านและ PCB ขดลวดทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยการตัดพื้นผิว PCB |
| ภาพที่ระบุ |
|
|
• บล็อกทองแดงระบายความร้อนแบบฝังตัว
การหดตัวลงอย่างต่อเนื่องของขนาดผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และความหนาแน่นที่เพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ ทำให้การระบายความร้อนของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กลายเป็นความท้าทายอย่างยิ่งในการออกแบบเชิงอุตสาหกรรม จนถึงปัจจุบัน วิธีการระบายความร้อนชั้นนำประกอบด้วย แผ่น PCB ที่ผลิตโดยใช้โลหะเป็นวัสดุฐาน การบัดกรีฐานโลหะบนแผงวงจร และการทำรูทะลุที่อัดเติมด้วยวัสดุนำไฟฟ้า สองวิธีแรกทำให้มีการใช้วัสดุโลหะในปริมาณมากและเหมาะสำหรับการผลิต PCB แบบหน้าเดียว ส่วนวิธีการอื่น ๆ นั้นมีขั้นตอนที่ซับซ้อนมาก และประสิทธิภาพการระบายความร้อนไม่สามารถตอบสนองความต้องการตามการออกแบบได้
การฝังบล็อกทองแดงช่วยขจัดปัญหาต้นทุนสูงและสามารถแก้ปัญหาการกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประเภทชั้นนำของการกระจายความร้อนประกอบด้วย:
a. การเจาะบล็อกทองแดง ความหนาของบล็อกทองแดงฝังตัวเทียบเท่ากับความหนาของแผ่นสำเร็จ บล็อกทองแดงทะลุผ่านทั้งชั้นบนและชั้นล่าง
b. บล็อกทองแดงฝังแบบกึ่งฝัง ความหนาของบล็อกทองแดงที่ฝังมีขนาดเล็กกว่าความหนาของแผ่นวงจรสำเร็จด้านหนึ่งของบล็อกทองแดงมีความสูงเท่ากับชั้นล่างสุด ในขณะที่อีกด้านหนึ่งมีความสูงเท่ากับหนึ่งในชั้นภายใน
ความยากลำบากของเทคโนโลยีส่วนประกอบฝังตัวและแนวทางแก้ไข
• ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบฝังตัว
ผลิตภัณฑ์ฝังตัวต้านทานส่วนใหญ่ได้มาจากการฝังตัวต้านทานผ่านกระบวนการกัด ซึ่งได้รับการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลาย วัสดุนำสำหรับการฝังตัวต้านทานที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมคือโลหะผสมนิกเกิล-ฟอสฟอรัส (Ni-P) และโลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม (Ni-Cr) ซึ่งมีสมรรถนะที่แตกต่างกันและต้องใช้สารละลายสำหรับการกัดที่แตกต่างกันไป จนถึงปัจจุบัน ปัญหาหลักที่พบในระหว่างกระบวนการกัดวัสดุฝังตัวต้านทานคือวิธีการควบคุมค่าความต้านทานและค่าความคลาดเคียงที่สอดคล้องกัน กล่าวคือ การชดเชยลายเส้นตามตำแหน่งของตัวต้านทาน ซึ่งจะมีความสำคัญเป็นพิเศษเมื่อเป็นวัสดุตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานต่อสี่เหลี่ยมต่ำ เนื่องจากกระบวนการกัดจะส่งผลกระทบต่อค่าความต้านทานมากขึ้น
ตัวเก็บประจุฝังตัวเป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่มีคุณสมบัติเป็นตัวเก็บประจุซึ่งสามารถฝังลงในแผ่น PCB ได้ เนื่องจากวัสดุประเภทนี้มีความหนาแน่นของค่าคาปาซิแตนซ์สูง จึงทำหน้าที่เป็นตัวแยกและกรองสัญญาณในระบบจ่ายไฟ ซึ่งช่วยลดค่าคาปาซิแตนซ์ลอยได้เพิ่มเติม วัสดุประเภทนี้สามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และลดขนาดแผงวงจรได้ ความยากหลักของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีตัวเก็บประจุฝังตัวคือไดอิเล็กทริกของวัสดุฝังตัวมีความบางค่อนข้างมาก ดังนั้นการวางลายวงจรและการกัดลายจึงจำเป็นต้องทำบนด้านเดียว
• การฝังชิ้นส่วนแกนแม่เหล็ก
a. การควบคุมถังมิลลิ่ง หลังจากการตัดวัสดุสำหรับแผ่น PCB แล้ว ควรทำการมิลลิ่งถังทรงกลมบนแผ่นแกน
b. การลามิเนตแกนแม่เหล็กให้สมบูรณ์ด้วยเจลที่เติมเต็มอย่างทั่วถึง ก่อนการลามิเนต PCB แกนแม่เหล็กจะถูกวางในถังมิลลิ่ง ซึ่งจำเป็นต้องพิจารณาการลามิเนตแกนแม่เหล็กให้สมบูรณ์ด้วยเจลที่เติมเต็มอย่างทั่วถึง ควรมีการตรวจสอบโครงสร้างการลามิเนตและรูปแบบการจัดวาง
c. การออกแบบโครงสร้างลามิเนต มีวิธีการออกแบบโครงสร้างลามิเนตของแผ่น PCB ที่ฝังแกนแม่เหล็กอยู่ 2 วิธี ได้แก่ การใช้แกนแม่เหล็กในระหว่างกระบวนการลามิเนต และการลามิเนตด้วยแกนแม่เหล็ก
d. โหมดการจัดวางการลามิเนต เพื่อป้องกันไม่ให้แกนแม่เหล็กหลุดออก ระหว่างการจัดวางควรให้ด้านที่เป็นแกนแม่เหล็กหงายขึ้น และเพื่อป้องกันไม่ให้แกนแม่เหล็กแตกจากการเกิดความเค้นรวมตัว ควรใช้แผ่นรองกันกระแทกระหว่างการจัดวาง
e. การผลิตรูทะลุชุบโลหะรอบแกนแม่เหล็ก เพื่อให้มั่นใจว่าการเจาะจะไม่ทำลายแกนแม่เหล็กและป้องกันการลัดวงจรหลังการชุบ ระยะห่างที่ปลอดภัยระหว่างรูและแกนแม่เหล็กควรมีอย่างน้อย 0.2 มม. ในระยะการออกแบบ
• ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีบล็อกทองแดงฝังอยู่
a. สำหรับการฝังแบบเจาะทะลุบล็อกทองแดง การควบคุมขนาดถังมิลลิ่งควรเทียบเท่ากับการฝังแกนแม่เหล็ก
b. สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีบล็อกทองแดงฝังแบบกึ่งฝัง ควรให้ความสำคัญกับความลึกของถังกัด
c. เมื่อพูดถึงการเชื่อมต่อระหว่างบล็อกทองแดงและพรีเพรก ด้านหนึ่งของบล็อกทองแดงควรผ่านกระบวนการบราวไนซ์
d. การจัดวางสำหรับการลามิเนต ควรวางบล็อกทองแดงโดยให้หงายขึ้นเพื่อป้องกันไม่ให้บล็อกทองแดงหล่นลงมา ควรใช้แผ่นรองกันกระแทกระหว่างการจัดวางลามิเนตเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดข้อบกพร่องจากการขาดเจล
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีฝังชิ้นส่วนเป็นหนึ่งในโซลูชันที่สำคัญสำหรับการทำให้โมดูลพาวเวอร์มีขนาดเล็กลง และตอบสนองความต้องการด้านการพัฒนาไปสู่การย่อขนาดและการทำงานได้หลากหลายของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ พื้นที่ผิวของแผ่น PCB สามารถได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างมากด้วยการฝังตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ และตัวต้านทานไว้ภายในแผ่น PCB นอกจากนี้ ผลิตภัณฑ์ที่ฝังบล็อกทองแดงยังสามารถช่วยลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนอีกด้วย
PCBCart เชี่ยวชาญในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ฝังตัวพร้อมคอมโพเนนต์
