โครงสร้างวัสดุและการประกอบสร้างของแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง

เพื่อให้สามารถใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้หลากหลายฟังก์ชันมากขึ้น การเดินลายบนแผ่น PCB (printed circuit board) มีความหนาแน่นมากขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของขา I/O ของชิ้นส่วน ส่งผลให้จำนวนชั้น build-up ของ PCB เพิ่มจากหนึ่งชั้น สองชั้น เป็นสามชั้นหรือมากกว่านั้น ซึ่งเป็นผลมาจากความหนาแน่นของการเชื่อมต่อที่สูงขึ้นและระยะห่าง (pitch) ที่เล็กลง เพื่อขจัดลายวงจรและระยะห่างที่ละเอียด จึงได้มีการพัฒนาเทคโนโลยี stacked via โดยใช้ microvia แบบอุดด้วยการชุบโลหะ (plated filled microvia) เทคโนโลยี stacked via ทั้งหมดทำให้นักออกแบบ PCB มีอิสระมากขึ้นในการจัดวางชิ้นส่วนที่มี pitch ละเอียดและการออกแบบจำนวนชั้น build-up ที่เหมาะสม เพื่อให้ได้สมรรถนะการผลิตที่ดีที่สุด เทคโนโลยี stacked via จึงสามารถรองรับการกำหนดค่าลายวงจร/ระยะห่างที่เหมาะสมได้ อย่างไรก็ตาม PCB แบบ build-up ประเภทนี้ไม่เพียงแต่มีประเด็นด้านขนาดและสมรรถนะเท่านั้น แต่ต้นทุนการผลิตยังยากที่จะตอบสนองความต้องการของลูกค้าอีกด้วย

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเชื่อมต่อยังส่งผลต่อความต้องการด้านคุณลักษณะของวัสดุด้วย ในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) วัสดุไดอิเล็กทริกต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านการผลิต และคุณลักษณะของวัสดุทั้งหมดต้องมีค่าความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวด ความเสถียรเชิงมิติของวัสดุฐานที่ใช้สำหรับการผลิตและการประกอบ PCB เป็นคุณสมบัติที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อให้วัสดุไดอิเล็กทริกชนิดต่าง ๆ สามารถประยุกต์ใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตแบบ Build-up จึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องตอบสนองความต้องการของทั้งผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEMs) และผู้ออกแบบ ก่อนที่จะตัดสินใจเลือกใช้วัสดุพิเศษประเภทใด

ภูมิหลังของตลาด

ความต้องการใช้ทั้งแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (Flexible PCB) และแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง (Flex-Rigid PCB) เพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วควบคู่ไปกับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายประเภท เช่น โทรศัพท์มือถือ กล้องดิจิทัล แท็บเล็ต จอพลาสมา เป็นต้น วงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่นมีข้อได้เปรียบอย่างมาก: ไม่มีคอนเน็กเตอร์และสายเคเบิล และช่วยลดขั้นตอนการประกอบ; มีน้ำหนักเบา ความยืดหยุ่นยอดเยี่ยม และรองรับการประกอบแบบสามมิติ ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่แผงวงจรแข็งไม่สามารถทำได้ อย่างไรก็ตาม ทุกเหรียญย่อมมีสองด้าน เมื่อเปรียบเทียบกับแผงวงจรแข็งแล้ววงจรยืดหยุ่นมีความทนทานทางกลต่ำและความน่าเชื่อถือน้อยนอกจากนี้ การบริหารจัดการและการผลิตวงจรยืดหยุ่นที่บางและเบาเช่นนี้เป็นเรื่องยากและซับซ้อน อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน คุณประโยชน์ที่สำคัญของแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง (flex-rigid PCB) สามารถคาดการณ์ได้ว่า มีความได้เปรียบในด้านต้นทุน คุณภาพ และความเชื่อถือได้

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการขยายตัวอย่างชัดเจนของขอบเขตการประยุกต์ใช้วงจรยืดหยุ่น และโซลูชันทางเทคนิคที่มีนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องสามารถตอบสนองความต้องการด้านความท้าทายด้านต้นทุนได้ แม้ว่าต้นทุนการผลิตของแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งจะไม่มีวันต่ำกว่าของแผงวงจรแข็งและสายเคเบิล แต่ก็จะมอบข้อได้เปรียบมากยิ่งขึ้นให้กับ EMS (บริการผลิตอิเล็กทรอนิกส์) และ OEM ในด้านเทคโนโลยีและศักยภาพ เมื่อมองในมุมของห่วงโซ่อุปทานทั้งหมดแล้วข้อดีของแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งนำเสนอสิ่งที่มีคุณค่าเพิ่มมากขึ้นตามข้อกำหนดที่กำหนดโดยซัพพลายเออร์วัสดุและผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM)

โซลูชันใหม่ของแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง

วิธีการทั่วไปในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง เริ่มต้นจากการใช้วัสดุยืดหยุ่นที่ถูกปิดทับบนบอร์ดแข็ง เทคโนโลยีนี้ต้องการให้อุปกรณ์ทั้งหมดสามารถควบคุมวัสดุยืดหยุ่นได้ รวมถึงการปฏิบัติงานด้วยมือจำนวนมากหรือการทำงานแบบม้วนต่อม้วน กระบวนการผลิตที่ซับซ้อนย่อมนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของต้นทุน เนื่องจากวัสดุยืดหยุ่นมีลักษณะไม่คงตัวด้านมิติในกระบวนการสร้างชั้น (build-up) ความหนาแน่นของการเชื่อมต่อจึงถูกจำกัดตามข้อกำหนดด้านการออกแบบ ชั้น build-up แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ยึดเกาะกันด้วยแผ่นกาว (adhesive bondply) ที่ไม่มีตัวรองรับ ดังนั้นวิอาที่มีชั้นกาวอยู่ภายในจึงต้องตัดขั้นตอนการกำจัดคราบสกปรกด้วยพลาสมาออกไป เนื่องจากกาวมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) สูง เพื่อให้ได้ความเชื่อถือได้ของรูชุบทะลุ (PTH – plated through hole) และรูเลเซอร์ทะลุ ความหนาของทองแดงชุบจึงต้องสูงมากเช่นกัน เป็นที่ทราบกันดีว่าเนื่องจากแผ่นกาวที่ไม่มีตัวรองรับมีค่า CTE สูง การเสียรูปจะเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า และท้ายที่สุดจะนำไปสู่การเกิดรอยร้าวภายในรูชุบทองแดง โดยเฉพาะบริเวณมุมของวิอา

จนถึงปัจจุบัน โทรศัพท์มือถือ กล้องดิจิทัล จอแสดงผลแบบ LCD และพลาสม่าเกือบทั้งหมดต่างก็ใช้ประโยชน์จากแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น HDI (high density interconnect) ที่มีโครงสร้างเลเยอร์แบบ HDI build-up เทคโนโลยีใหม่ทั้งหมดต้องการเทคโนโลยีที่มีความซับซ้อนต่ำ และควรสามารถผลิตได้ด้วยอุปกรณ์ทั่วไปที่ใช้ในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง

แผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งชนิดหักแยกได้

การผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดชนิดหักแยกได้ (Snap-off flex-rigid PCB) เริ่มต้นจากการผลิตชั้นแกนแข็ง (rigid core layer) โดยชั้นแกนแข็งมีตั้งแต่ 2 ถึง 12 ชั้น ซึ่งประกอบด้วยรูทะลุชุบโลหะ (PTH) และวิอาอื่น ๆ ชั้นเฟล็กซ์ที่ประกอบด้วยพรีเพรกโพลีอิไมด์ (PI) แบบยืดหยุ่นหรือเรซินอีพ็อกซีควรถูกยึดติดกับชั้นแกนแข็ง และบริเวณที่เป็นเฟล็กซ์ล้วน ๆ ไม่ควรถูกยึดติด ดังนั้นพรีเพรกจึงต้องสอดคล้องกับลายวงจรและผ่านกระบวนการมิลลิง การยึดติดทำโดยการลามิเนตแบบปกติ และการถ่ายลาย (lithography) จะทำหลังจากการสร้างโครงสร้างบิลด์อัปเสร็จแล้ว และเนื่องจากชั้นแกนแข็งมีความเสถียรสูง ความเสถียรมิติของวัสดุเฟล็กซ์จึงไม่ก่อให้เกิดปัญหาส่วนที่ยื่น ทำให้สามารถใช้การเจาะรูแบบปกติหรือการเจาะด้วยเลเซอร์ได้ เนื่องจากการลามิเนตพรีเพรกเรซินอีพ็อกซีไม่ได้เกี่ยวข้องกับการใช้กาว จึงสามารถใช้กระบวนการกำจัดคราบสเมียร์แบบปกติและเทคโนโลยีการชุบทองแดงได้ และด้วยการใช้เทคโนโลยีที่ไม่ต้องใช้กาว แผ่น PCB ที่ไม่มีการชุบทองแดงหนาจึงยังคงมีความน่าเชื่อถือสูงเช่นกัน

ควรใช้ชั้นปกป้องแบบเลือกเฉพาะบริเวณก่อนการเคลือบซอลเดอร์มาสก์ ซึ่งสามารถทำได้ด้วยกระบวนการอัดซ้อนหลายชั้นแบบปกติ เหมาะสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่นแบบไดนามิก

การเลือกวัสดุ

แตกต่างจากวัสดุยืดหยุ่นที่ต้องการความยืดหยุ่นแบบไดนามิก แผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิดซึ่งต้องการความยืดหยุ่นแบบสถิตควรใช้คำศัพท์ใหม่

PCB แบบกึ่งยืดหยุ่นชนิดแข็ง-ยืดหยุ่น (Semi-flex flex-rigid PCB) หมายถึงแผงวงจรแข็ง-ยืดหยุ่นประเภทหนึ่งที่จำเป็นต้องดัดงอเฉพาะในระหว่างการประกอบหรือสำหรับการใช้งานแบบคงที่เท่านั้น ซึ่งความยืดหยุ่นจำเป็นต้องถูกใช้งานเพียงไม่กี่ครั้ง ส่วน PCB แบบยืดหยุ่น-แข็ง (Flex-rigid PCB) หมายถึงแผงวงจรที่ต้องการความยืดหยุ่นแบบไดนามิก

เมื่อพูดถึงการใช้งานแบบกึ่งยืดหยุ่น (semi-flex) ไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุแผ่นรอง (substrate) แบบยืดหยุ่นก็สามารถทำให้บอร์ดโค้งงอได้ ข้อจำกัดของบอร์ดกึ่งยืดหยุ่นอยู่ที่จำนวนรอบของการโค้งงอและรัศมีการโค้งงอ การเลือกใช้วัสดุที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสภาพการใช้งานของแต่ละแบบ วัสดุ FR4 เหมาะสมสำหรับใช้ทำบอร์ดกึ่งยืดหยุ่น แต่จำนวนรอบการโค้งงอและรัศมีการโค้งงอจะมีข้อจำกัด โดยทั่วไปแล้ว FR4 แบบยืดหยุ่นจะขึ้นอยู่กับใยแก้วบาง (1080) หรือวัสดุพิเศษที่อยู่ในระบบเรซินดัดแปลง

วัสดุอะรามิดมีความยืดหยุ่นดีกว่าวัสดุ FR4 และการใช้งานของมันขึ้นอยู่กับจำนวนครั้งที่สามารถโค้งงอได้ เมื่อเปรียบเทียบกับ PI อะรามิดมีค่า CTE ที่ดีกว่า จึงทำให้มีช่วงกระบวนการผลิตที่ดีกว่า วัสดุอะรามิดจำเป็นต้องถูกใช้งานอย่างคงที่สำหรับการใช้งานที่ไม่มีความต้องการด้านความยืดหยุ่นแบบไดนามิก

ความหนาและคุณภาพของทองแดงจะส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของการทดสอบความยืดหยุ่นและการใช้งาน โดยทั่วไปแล้ว ฟอยล์ทองแดงที่ใช้สำหรับความต้องการความยืดหยุ่นหลายครั้งควรเลือกใช้ฟอยล์ทองแดงแบบ RA

ปล่อยให้มืออาชีพทำหน้าที่ของพวกเขา

PCBCart มีประสบการณ์อันยาวนานในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบเฟล็กซ์-ริจิด หากคุณมีการออกแบบ PCB แบบเฟล็กซ์-ริจิดใหม่ที่พร้อมสำหรับการสร้างต้นแบบหรือการผลิต โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเราเพื่อพูดคุยเกี่ยวกับโปรเจกต์ของคุณ! เราจะจัดหาวิธีแก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริงและคุ้มค่าให้โดยเร็วที่สุด

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•ความสามารถในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูง
•ปรับปรุงความคล่องตัวในการประกอบและเพิ่มความเชื่อถือได้ด้วยแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นและแบบยืดหยุ่น-แข็ง