PCB คืออะไร และแผงวงจรทำงานอย่างไร

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าการทำงานภายในที่ซับซ้อนของสมาร์ทโฟนของคุณเป็นอย่างไร หรือเคยสงสัยไหมว่าระบบดาวเทียมที่ซับซ้อนสามารถพอดีในแพ็คเกจขนาดเล็กเช่นนี้ คำตอบอยู่ในสิ่งประดิษฐ์ที่น่าทึ่งซึ่งได้ปฏิวัติวงการอิเล็กทรอนิกส์: แผ่นวงจรพิมพ์ ส่วนประกอบเหล่านี้ที่ดูเรียบง่ายแต่ชาญฉลาดเป็นเสาหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิดที่เราใช้ในปัจจุบัน ตั้งแต่เครื่องคิดเลขง่ายๆ ไปจนถึงซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ล้ำสมัยที่สุด

เราจะสำรวจส่วนประกอบ โครงสร้าง กระบวนการผลิต และบทบาทสำคัญของพวกมันในเทคโนโลยีสมัยใหม่ ไม่ว่าคุณจะเป็นวิศวกรที่มีประสบการณ์หรือแค่สนใจภายในของอุปกรณ์ที่คุณชื่นชอบ บทความนี้จะให้ความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นเหล่านี้

แผงวงจรพิมพ์คืออะไร

แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) คือแผ่นเรียบที่ทำจากวัสดุที่ไม่สามารถนำไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มสำหรับเชื่อมต่อและรองรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เป็นแกนกลาง แต่คำจำกัดความง่ายๆ นี้แทบจะไม่สามารถอธิบายความซับซ้อนและความสำคัญที่แท้จริงของพวกมันได้

ลองจินตนาการถึงเมืองขนาดจิ๋วที่ถนนทำจากทองแดง และอาคารเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เมืองนี้ซึ่งตั้งอยู่บนฐานที่แข็งแรงและเป็นฉนวน คือสิ่งที่แสดงถึง PCB ในโลกของอิเล็กทรอนิกส์ “ถนน” ในอุปมาเราคือเส้นทางทองแดงบางๆ ที่เรียกว่าร่องรอย ซึ่งถูกแกะสลักหรือพิมพ์บนพื้นผิวของแผ่น ตัวร่องรอยทำหน้าที่เป็นสายไฟที่เชื่อมต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ให้สามารถไหลของไฟฟ้าในวิธีที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ

ฐานของเมืองอิเล็กทรอนิกส์นี้มักทำจากวัสดุที่เรียกว่า FR4 ซึ่งเป็นชนิดของไฟเบอร์กลาสเสริมด้วยเรซินอีพ็อกซี่ FR4 มีชื่อเสียงในด้านคุณสมบัติฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม ความแข็งแรงทางกล และความต้านทานต่อความร้อนและความชื้น อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ วัสดุอื่นๆ เช่น อีพ็อกซี่หรือฟีนอลิก อาจถูกนำมาใช้ โดยเฉพาะในงานที่ไม่ต้องการความทนทานสูงหรือเน้นต้นทุนต่ำ

PCB ได้ปฏิวัติการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ ก่อนที่จะมี PCB อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้เทคนิคการเดินสายแบบจุดต่อจุดหรือการพันสายไฟ วิธีเหล่านี้ไม่เพียงแต่ใช้แรงงานและเวลามากเท่านั้น แต่ยังมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดและปัญหาเรื่องความน่าเชื่อถือ PCB ให้ทางเลือกที่เป็นระบบมากขึ้น เชื่อถือได้มากขึ้น และคุ้มค่ามากขึ้นในการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน

ชั้นและวัสดุของ PCB

เพื่อเข้าใจ PCB อย่างแท้จริง เราต้องเปิดเผยชั้นของมัน — อย่างแท้จริงเลยทีเดียว PCB ไม่ใช่แค่แผ่นเดียวที่เรียบง่าย แต่เป็นแซนด์วิชที่ออกแบบอย่างระมัดระวังของวัสดุต่างๆ ซึ่งแต่ละชั้นมีวัตถุประสงค์เฉพาะ มาดูรายละเอียดของชั้นเหล่านี้กัน:

ชั้นฐาน

ชั้นฐานอยู่ที่หัวใจของทุก PCB ซึ่งเป็นรากฐานที่ทุกอย่างอื่นสร้างขึ้น และคุณสมบัติของมันมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมของแผ่น ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ วัสดุที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับฐาน PCB คือ FR4 แต่ทำไมวัสดุนี้จึงเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรม?

ความนิยมของ FR4 มาจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของมัน มันให้ฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการระหว่างส่วนต่างๆ ของวงจร แต่คุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นเพียงจุดเริ่มต้น FR4 ยังมีความแข็งแรงทางกลที่น่าประทับใจ ทำให้สามารถทนต่อความท้าทายในการผลิตและการใช้งานโดยไม่บิดงอหรือแตกหัก

พารามิเตอร์สำคัญอย่างหนึ่งของวัสดุฐานคืออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงของแก้ว (Tg) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่วัสดุเริ่มอ่อนตัวและสูญเสียโครงสร้างแข็งแรง สำหรับ FR4 อุณหภูมินี้โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 130-140°C ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม สำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงหรืออุณหภูมิสูง วัสดุที่มีค่า Tg สูงกว่านี้อาจจำเป็น

คุณสมบัติสำคัญอื่นๆ ของวัสดุฐานรวมถึงความแข็งแรงในการดึงดูด ค่าความเป็นฉนวน การดูดซึมน้ำ และการขยายตัวทางความร้อน ความแข็งแรงในการดึงดูดกำหนดว่าบอร์ดสามารถทนต่อแรงกดดันได้มากแค่ไหนก่อนจะเสียหาย ค่าความเป็นฉนวนส่งผลต่อประสิทธิภาพไฟฟ้าของบอร์ด โดยเฉพาะในความถี่สูง การดูดซึมน้ำเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องสังเกต เนื่องจากอัตราการดูดซึมที่ต่ำกว่ามักจะเป็นที่ต้องการเพื่อรักษาคุณสมบัติไฟฟ้าและกลไกของบอร์ดในระยะยาว การขยายตัวทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะสำหรับบอร์ดที่จะต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมากในระหว่างการใช้งาน

FR4 เป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ แต่วัสดุอื่นๆ ก็สามารถนำมาใช้ได้เมื่อจำเป็นต้องมีคุณสมบัติเฉพาะ เช่น อาจใช้วัสดุฐานอลูมิเนียมในงานที่ต้องการการระบายความร้อนเป็นหลัก

ชั้นทองแดง

เราพบว่าส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของ PCB อยู่บนชั้นฐาน: ชั้นทองแดง ชั้นทองแดงบางๆ นี้ถูกแปะบนฐานและสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าที่ให้กระแสไฟไหลผ่านวงจร

ความหนาของชั้นทองแดงนี้มักจะระบุเป็นหน่วยออนซ์ต่อพื้นที่ตารางฟุต (oz/ft²) โดย 1 oz/ft² เป็นมาตรฐานทั่วไป อาจดูเหมือนหน่วยวัดที่แปลก แต่มีรากฐานลึกซึ้งในประวัติศาสตร์การผลิต PCB ในเชิงปฏิบัติ 1 oz/ft² เท่ากับความหนาประมาณ 35 ไมครอน (µm)

ทำไมความหนาของทองแดงถึงสำคัญ? ก็เพราะเกี่ยวข้องกับความสามารถในการนำกระแสไฟและการระบายความร้อน ทองแดงที่หนากว่าจะสามารถรองรับกระแสไฟที่สูงขึ้นและระบายความร้อนได้ดีขึ้น ด้วยเหตุนี้ คุณอาจพบ PCB ที่มีทองแดง 2 oz/ft² หรือแม้แต่ 3 oz/ft² ในงานที่ใช้พลังงานสูง

ชั้นทองแดงไม่ได้คลุมทั้งบอร์ดเป็นแผ่นเดียว แต่จะถูกแกะสลักเป็นรูปแบบเฉพาะเพื่อสร้างเส้นทางที่เป็นวงจร ความกว้างและระยะห่างของเส้นทางเหล่านี้เป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญ ซึ่งส่งผลต่อสมรรถนะไฟฟ้าและผลผลิตในการผลิตของบอร์ด

ชั้นเคลือบบัดกรี

ถ้าคุณเคยดูใกล้ๆ PCB คุณอาจสังเกตเห็นสีที่เป็นเอกลักษณ์ — มักเป็นสีเขียว แต่ก็สามารถเป็นสีอื่นได้ สีนี้มาจากชั้นเคลือบบัดกรี ซึ่งถูกทาบนชั้นทองแดง

ชั้นเคลือบบัดกรีมีหน้าที่สำคัญหลายประการ มันป้องกันไม่ให้ทองแดงเกิดออกซิเดชันและลัดวงจร นอกจากนี้ยังป้องกันไม่ให้บัดกรีเชื่อมต่อกันระหว่างแผ่นบัดกรีที่อยู่ใกล้กันในกระบวนการประกอบ และยังเป็นพื้นหลังที่มีความคอนทราสต์สูงสำหรับชั้นสกรีน ทำให้การวางตำแหน่งส่วนประกอบง่ายขึ้น

สีเขียวเป็นสีที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับชั้นเคลือบบัดกรี (เป็นประเพณีที่มีมาตั้งแต่ต้นกำเนิดทางทหาร) สีอื่นๆ เช่น สีแดง น้ำเงิน ดำ และใส ก็มีให้เลือก สีที่เลือกมักขึ้นอยู่กับความสวยงามหรือแนวปฏิบัติในอุตสาหกรรมมากกว่าฟังก์ชัน แต่บางสีอาจให้ความคอนทราสต์ที่ดีกว่าสำหรับการตรวจสอบด้วยสายตา

ชั้นสกรีน

ชั้นสุดท้ายที่เรามักเห็นบน PCB คือชั้นสกรีน ซึ่งโดยทั่วไปเป็นสีขาว (แต่ก็สามารถเป็นสีอื่นได้) และประกอบด้วยข้อความและสัญลักษณ์ที่ช่วยในการประกอบ ทดสอบ และใช้งานบอร์ด

ชั้นสกรีนอาจรวมถึงตัวระบุส่วนประกอบ (เช่น R1 สำหรับตัวต้านทานตัวแรก C3 สำหรับตัวเก็บประจุตัวที่สาม) ตัวบ่งชี้ขั้วสำหรับส่วนประกอบที่มีขั้ว และตัวบ่งชี้ Pin 1 สำหรับวงจรรวม นอกจากนี้ยังอาจมีโลโก้ของผู้ผลิตหรือหมายเลขรุ่นของบอร์ด รวมถึงสัญลักษณ์เตือนหรือประกาศสำคัญอื่นๆ

ชั้นสกรีนไม่ได้ส่งผลโดยตรงต่อฟังก์ชันไฟฟ้าของบอร์ด แต่ความสำคัญของมันไม่ควรถูกมองข้าม การออกแบบสกรีนที่ดีสามารถเร่งกระบวนการประกอบและการแก้ไขปัญหาได้อย่างมาก ซึ่งอาจช่วยประหยัดเวลาได้มากมายตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

วัสดุอื่นๆ และข้อควรพิจารณา

ตัวอย่างเช่น แผงหลายชั้นใช้แผ่นเรซินอีพ็อกซี่ที่ผ่านการบ่มบางส่วนเรียกว่าพรีเพร็กระหว่างชั้นนำไฟฟ้า เมื่อให้ความร้อนและกด แผ่นพรีเพร็กจะไหลและจากนั้นก็แข็งตัว เชื่อมชั้นเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างที่แข็งแรง

นอกจากนี้ ในขณะที่ FR4 เป็นวัสดุพื้นฐานที่พบมากที่สุด แต่ก็ไม่ใช่ตัวเลือกเดียว ขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของการใช้งาน อาจใช้วัสดุอื่น แผงวงจรพิมพ์อะลูมิเนียมสามารถใช้เพื่อการระบายความร้อนที่ดีขึ้น ในขณะที่วัสดุพื้นฐานที่ยืดหยุ่นเช่น Kapton หรือ Pyralux ใช้สำหรับการใช้งานที่แผงวงจรพิมพ์ต้องงอหรือยืดหยุ่น วัสดุเซรามิกใช้สำหรับการใช้งานความถี่สูงมาก

เมื่อเลือกวัสดุสำหรับแผงวงจรพิมพ์ วิศวกรต้องพิจารณาคุณสมบัติหลากหลายมากกว่าข้อมูลพื้นฐานที่เราได้กล่าวถึง ซึ่งอาจรวมถึงค่าความเป็นฉนวน (Dk), ตัวแปรการสูญเสีย (Df), และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ค่าความเป็นฉนวน (Dk) ส่งผลต่อประสิทธิภาพไฟฟ้าของแผง โดยเฉพาะในความถี่สูง ตัวแปรการสูญเสีย (Df) เกี่ยวข้องกับการสูญเสียพลังงานเป็นความร้อนในวัสดุฉนวน สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแผงที่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมากในระหว่างการใช้งาน

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์บน PCB

แผงวงจรพิมพ์ทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก ซึ่งแต่ละชิ้นมีบทบาทเฉพาะในหน้าที่โดยรวมของวงจร

ตัวต้านทาน

คุณเคยสงสัยไหมว่ากระแสไฟฟ้าถูกควบคุมภายในวงจรอย่างไร? นั่นคือหน้าที่ของตัวต้านทาน ส่วนประกอบที่พบได้ทั่วไปเหล่านี้เป็นหัวใจของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ควบคุมการไหลของกระแสและแบ่งแรงดันไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุ

ถ้าตัวต้านทานควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า แล้วส่วนประกอบใดที่เก็บพลังงานไฟฟ้า? นั่นคือหน้าที่ของตัวเก็บประจุ ส่วนประกอบเหล่านี้สามารถเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ทำให้มีความสำคัญสำหรับงานเช่นการทำให้พลังงานไฟฟ้าสม่ำเสมอหรือการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างขั้นตอนของวงจร

ตัวเหนี่ยวนำ

แม้น้อยกว่าตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ แต่ตัวเหนี่ยวนำก็มีบทบาทสำคัญในวงจรหลายวงจร ส่วนประกอบเหล่านี้เก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กและสามารถบล็อกสัญญาณความถี่สูง ในขณะที่อนุญาตให้ผ่านสัญญาณ DC และความถี่ต่ำ

ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ อุปกรณ์สามขาเหล่านี้สามารถขยายสัญญาณหรือทำหน้าที่เป็นสวิตช์ ซึ่งเป็นรากฐานของตรรกดิจิทัลทั้งหมด

ไดโอด

ถ้าคุณต้องการให้กระแสไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น นั่นคือหน้าที่ของไดโอด อุปกรณ์สองขานี้อนุญาตให้กระแสไหลในทิศทางเดียวในขณะที่บล็อกในอีกทิศทางหนึ่ง

วงจรรวม (ICs)

วงจรรวมเป็นจุดสูงสุดของการทำให้อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง ส่วนประกอบเหล่านี้บรรจุวงจรทั้งวงจร — บางครั้งมีพันล้านทรานซิสเตอร์ — ลงในชิปเดียว

ตัวเชื่อมต่อ

สัญญาณและพลังงานเข้าออกจากแผงวงจรพิมพ์อย่างไร? ผ่านทางตัวเชื่อมต่อ ส่วนประกอบเหล่านี้ให้เป็นตัวเชื่อมระหว่างแผงวงจรพิมพ์กับโลกภายนอก

สวิตช์

สวิตช์ให้วิธีควบคุมวงจรด้วยมือ

หม้อแปลง

หม้อแปลงเป็นส่วนประกอบสำคัญในแหล่งจ่ายไฟและวงจรเสียง ใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าระหว่างวงจร โดยมักเปลี่ยนระดับแรงดันในกระบวนการ

เซ็นเซอร์

ในโลกที่ฉลาดและเชื่อมต่อกันมากขึ้นเรื่อย ๆ อุปกรณ์เซ็นเซอร์มีบทบาทสำคัญ อุปกรณ์เหล่านี้แปลงปรากฏการณ์ทางกายภาพ – เช่น อุณหภูมิ ความกดดัน หรือแสง – เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถประมวลผลโดยวงจรได้

ฟิวส์และเบรกเกอร์วงจร

ความปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญสูงสุดในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ และนั่นคือจุดที่ฟิวส์และเบรกเกอร์วงจรเข้ามามีบทบาท อุปกรณ์เหล่านี้ปกป้องวงจรจากสภาวะกระแสเกิน โดยจะตัดวงจรหากกระแสไฟฟ้าเกินระดับที่ปลอดภัย

ตัวปรับความต้านทาน (Potentiometers)

ต้องการปรับพฤติกรรมของวงจรด้วยตนเองไหม? ตัวปรับความต้านทาน หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า “pots” เป็นตัวต้านทานปรับค่าได้ที่อนุญาตให้ทำการปรับแต่งดังกล่าว

ตัวสั่นคริสตัล

การจับเวลาเป็นสิ่งสำคัญในวงจรอิเล็กทรอนิกส์หลายแบบ และตัวสั่นคริสตัลให้ฐานเวลาที่มีความเสถียรสูงมาก

การออกแบบและการผลิต PCB

การเดินทางจากแนวคิดวงจรไปสู่ PCB ที่เสร็จสมบูรณ์เป็นกระบวนการที่น่าทึ่ง ซึ่งรวมวิศวกรรมไฟฟ้า วิทยาศาสตร์วัสดุ และการผลิตที่แม่นยำ มาดูขั้นตอนหลักของการสร้าง PCB กัน:

ระยะการออกแบบ

การจับภาพแผนภาพ

ขั้นตอนแรกในการสร้าง PCB คือการจับภาพการออกแบบวงจรในรูปแบบแผนผัง นี่คือจุดที่วิศวกรกำหนดการเชื่อมต่อเชิงตรรกะระหว่างส่วนประกอบ ซึ่งเป็นการสร้างแผนที่ว่าวงจรควรทำงานอย่างไร ซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB สมัยใหม่ทำให้กระบวนการนี้ง่ายขึ้นมาก แต่ก็ยังต้องการความเข้าใจลึกซึ้งเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์และทฤษฎีวงจร

ในระหว่างการจับภาพแผนผัง วิศวกรต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น การเลือกส่วนประกอบ การไหลของสัญญาณ การแจกจ่ายพลังงาน และกฎการออกแบบ การเลือกส่วนประกอบเกี่ยวข้องกับการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมด้วยค่าความต้านทานและค่าระดับที่ถูกต้อง การไหลของสัญญาณทำให้แน่ใจว่าสัญญาณเคลื่อนที่ผ่านวงจรในลักษณะที่ตั้งใจไว้ การแจกจ่ายพลังงานเกี่ยวข้องกับการวางแผนว่าจะจ่ายพลังงานให้กับส่วนต่าง ๆ ของวงจรอย่างไร กฎการออกแบบต้องปฏิบัติตามแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดและข้อกำหนดเฉพาะของโครงการ

การวางผัง PCB

ขั้นตอนถัดไปคือการแปลภาพเชิงตรรกะนั้นเป็นการวางผังทางกายภาพเมื่อแผนผังเสร็จสมบูรณ์ นี่คือจุดที่การออกแบบ PCB ต้องการทั้งศิลปะและวิทยาศาสตร์

ในระหว่างกระบวนการวางผัง นักออกแบบต้องพิจารณาการวางตำแหน่งส่วนประกอบ การวางเส้นทางของร่อง การจัดชั้นของแผ่นวงจร การรักษาคุณภาพสัญญาณ ความสมบูรณ์ของพลังงาน และความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) การวางตำแหน่งส่วนประกอบเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงส่วนประกอบเพื่อให้เกิดการไหลของสัญญาณที่ดีที่สุด การจัดเส้นทางของร่องเป็นกระบวนการสร้างเส้นทางทองแดงที่จะเชื่อมต่อส่วนประกอบตามแผนผัง การจัดชั้นของแผ่นวงจรต้องตัดสินใจว่าจะมีชั้นกี่ชั้นและจะจัดเรียงอย่างไร การรักษาคุณภาพสัญญาณทำให้แน่ใจว่าสัญญาณความเร็วสูงสามารถแพร่กระจายโดยไม่มีการบิดเบือนหรือรบกวน ความสมบูรณ์ของพลังงานเกี่ยวข้องกับการออกแบบแผนพลังงานและการแยกตัวเพื่อให้พลังงานสะอาดและเสถียรแก่ส่วนประกอบทั้งหมด ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ต้องลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งจากและไปยังบอร์ด

ซอฟต์แวร์วางผัง PCB สมัยใหม่ให้เครื่องมือที่ทรงพลังเพื่อช่วยเหลืองานเหล่านี้ รวมถึงตัวออกรูทอัตโนมัติและเครื่องมือตรวจสอบกฎการออกแบบ อย่างไรก็ตาม บอร์ดที่ซับซ้อนมักต้องการการแทรกแซงด้วยมืออย่างมากเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

เฟสการผลิต

การสร้างภาพและการกัดกร่อน

กระบวนการผลิตเริ่มต้นเมื่อการออกแบบเสร็จสมบูรณ์ ขั้นตอนแรกคือการถ่ายโอนการออกแบบไปยังบอร์ดเคลือบทองแดง ซึ่งโดยทั่วไปทำโดยใช้กระบวนการโฟโตลิธกราฟิก แผ่นบอร์ดจะถูกเคลือบด้วยฟิล์มไวแสงที่เรียกว่าฟีล์มโฟโตเรซิสต์ การพิมพ์การออกแบบ PCB ลงบนฟิล์มใสเพื่อสร้างมาสก์ภาพ มาสก์ภาพจะถูกจัดแนวกับบอร์ด และการประกอบจะถูกเปิดเผยต่อแสง UV พื้นที่ที่เปิดเผยของฟีล์มโฟโตเรซิสต์จะแข็งตัว ในขณะที่พื้นที่ที่ไม่เปิดเผยจะยังคงอ่อนนุ่ม บอร์ดจะถูกพัฒนาเพื่อเอาฟีล์มโฟโตเรซิสต์ที่อ่อนนุ่มออก และเหลือรูปแบบที่ตรงกับการออกแบบ PCB

บอร์ดจะผ่านกระบวนการกัดกร่อนหลังจากการสร้างภาพ ซึ่งใช้สารเคมีในการลบทองแดงที่เปิดเผยออก เหลือเพียงร่องรอยทองแดงที่เป็นวงจรอยู่เท่านั้น จากนั้นจะลอกฟีล์มโฟโตเรซิสต์ที่เหลือออก เพื่อเผยให้เห็นรูปแบบทองแดงที่เสร็จสมบูรณ์

การเจาะและการชุบ

ต่อไปจะเจาะรูในบอร์ดสำหรับขาอุปกรณ์และ vias (การเชื่อมต่อระหว่างชั้น) ในการผลิตสมัยใหม่ กระบวนการนี้มักทำด้วยเครื่องเจาะควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อความแม่นยำ

บอร์ดจะผ่านกระบวนการชุบหลังจากการเจาะ ซึ่งจะนำทองแดงบางๆ ไปเคลือบตามผนังของรูที่เจาะไว้ เพื่อสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้น สำหรับบอร์ดหลายชั้น กระบวนการนี้อาจทำซ้ำหลายครั้งตามจำนวนชั้นที่สร้างขึ้น

การใช้งานแผ่นปิดและการพิมพ์ซิลค์สกรีน

การทาแผ่นป้องกันบัดกรีจะตามมา ซึ่งโดยทั่วไปเป็นชั้นบางของโพลิเมอร์ที่ทาบนทั้งสองด้านของบอร์ด เหลือทองแดงเปิดเผยเฉพาะบริเวณที่จะบัดกรีอุปกรณ์ จากนั้นบอร์ดจะถูกทำให้แข็งตัว โดยปกติใช้ความร้อนหรือแสง UV เพื่อให้แผ่นป้องกันบัดกรีแข็งตัว

สุดท้าย การพิมพ์ซิลค์สกรีนจะถูกนำมาใช้ ซึ่งโดยปกติทำโดยกระบวนการพิมพ์ด้วยหน้าจอ แม้ว่าแผ่นบอร์ดระดับสูงบางรุ่นอาจใช้การพิมพ์ด้วยหมึกพิมพ์อิงค์เจ็ทเพื่อรายละเอียดที่ละเอียดขึ้น

เฟสการประกอบ

การวางตำแหน่งส่วนประกอบ

ถึงเวลาที่จะใส่ชิ้นส่วนเมื่อบอร์ดเปล่าเสร็จสมบูรณ์ สำหรับบอร์ดง่ายๆ หรือการผลิตจำนวนไม่มาก อาจทำด้วยมือ แต่การประกอบ PCB สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้เครื่องอัตโนมัติที่สามารถวางชิ้นส่วนด้วยความเร็วและความแม่นยำที่น่าทึ่ง

การบัดกรี

พวกเขาต้องติดแน่นถาวรกับบอร์ดเมื่อชิ้นส่วนอยู่ในตำแหน่ง ซึ่งโดยทั่วไปทำโดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งดังนี้:

การบัดกรีด้วยคลื่น: บอร์ดจะถูกผ่านคลื่นของบัดกรีเหลว ซึ่งจะติดกับพื้นผิวโลหะที่เปิดเผย ทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่จำเป็น วิธีนี้มักใช้สำหรับชิ้นส่วนแบบผ่านรู

การบัดกรีแบบ Reflow: แผ่นบัดกรีจะถูกทาบนบอร์ดก่อนการวางชิ้นส่วน จากนั้นประกอบทั้งหมดจะถูกให้ความร้อนในเตา Reflow เพื่อหลอมบัดกรีและสร้างการเชื่อมต่อ วิธีนี้ใช้สำหรับชิ้นส่วนแบบติดบนพื้นผิว

การทดสอบและการตรวจสอบ

ขั้นตอนสุดท้ายในการผลิต PCB คือการทดสอบและการตรวจสอบ ซึ่งอาจรวมถึงการตรวจสอบด้วยสายตา การตรวจสอบด้วยแสงออปติคัลอัตโนมัติ (AOI) การทดสอบในวงจร และการทดสอบการทำงาน การตรวจสอบด้วยสายตาเกี่ยวข้องกับการตรวจหา defect ที่ชัดเจน เช่น ชิ้นส่วนวางผิดตำแหน่งหรือสะพานบัดกรี การตรวจสอบด้วยแสงออปติคัลอัตโนมัติ (AOI) ใช้กล้องและการประมวลผลภาพเพื่อค้นหา defect การทดสอบในวงจรเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบจุดต่างๆ บนบอร์ดเพื่อยืนยันการประกอบที่ถูกต้อง การทดสอบการทำงานต้องเปิดใช้งานบอร์ดและตรวจสอบว่ามันทำงานตามที่ตั้งใจไว้

แผ่นบอร์ดใดที่ล้มเหลวในการทดสอบเหล่านี้ จะได้รับการปรับปรุงใหม่ถ้าเป็นไปได้ หรือถูกทิ้งถ้าความบกพร่องรุนแรงเกินไป

วงจรบอร์ดทำงานอย่างไร

ตอนนี้หลังจากที่เราได้สำรวจองค์ประกอบและการผลิตของ PCB แล้ว มาเจาะลึกว่ามันทำงานอย่างไรในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จริง ๆ กันเถอะ PCB ทำหน้าที่เป็นทั้งโครงสร้างสนับสนุนทางกายภาพสำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และเป็นเครือข่ายซับซ้อนของการเชื่อมต่อไฟฟ้าในแกนกลาง แต่บอร์ดที่ดูเหมือนง่ายนี้ทำให้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ทำงานได้อย่างซับซ้อนอย่างไร?

แพลตฟอร์มเชื่อมต่อ PCB

นึกถึง PCB เป็นเมืองขนาดย่อม ที่อาคารคือส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ และถนนคือรอยต่อทองแดง เช่นเดียวกับโครงสร้างพื้นฐานของเมืองที่ช่วยให้ผู้คนและสินค้าเคลื่อนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างอาคาร รอยต่อบน PCB ก็ช่วยให้สัญญาณไฟฟ้าและพลังงานไหลผ่านระหว่างส่วนประกอบได้

บทบาทของรอยต่อเป็นสิ่งสำคัญ หากไม่มี PCB เราจะต้องเชื่อมต่อแต่ละส่วนประกอบด้วยสายไฟทีละเส้น ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานาน มีความผิดพลาด และทำให้อุปกรณ์มีขนาดใหญ่และไม่น่าเชื่อถือ PCB จัดการปัญหานี้โดยการให้แพลตฟอร์มที่เป็นมาตรฐาน กะทัดรัด และเชื่อถือได้สำหรับการเชื่อมต่อส่วนประกอบ

บทบาทของรอยต่อ

รอยต่อทองแดงบน PCB เป็นเส้นเลือดหลักของวงจร ทางเดินที่บางมาก มักมีความกว้างน้อยกว่าหนึ่งมิลลิเมตร ซึ่งนำสัญญาณไฟฟ้าและพลังงานไปทั่วบอร์ด การวางผังของรอยต่อนี้มีความสำคัญต่อการทำงานของวงจร

ตัวอย่างเช่น ในวงจรดิจิทัล รอยต่ออาจนำสัญญาณข้อมูลระหว่างไมโครโปรเซสเซอร์และชิปหน่วยความจำ ในวงจรอนาล็อก รอยต่ออาจนำสัญญาณเสียงระหว่างขั้นตอนการขยายเสียงต่าง ๆ ความกว้าง ความยาว และการวางเส้นทางของรอยต่อนี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของวงจร โดยเฉพาะในงานความถี่สูงที่ปัจจัยเช่น อินพีแดนซ์และการสะท้อนของสัญญาณกลายเป็นสิ่งสำคัญ

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบ

ในขณะที่รอยต่อให้เส้นทาง แต่เป็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบต่างหากที่ทำให้วงจรทำงานได้ ส่วนประกอบแต่ละชิ้นบนบอร์ดมีบทบาทเฉพาะ: ตัวต้านทานควบคุมการไหลของกระแสและแบ่งแรงดัน; ตัวเก็บประจุเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า ทำให้แหล่งจ่ายไฟเรียบเนียนและเชื่อมต่อสัญญาณ AC; ตัวเหนี่ยวนำเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็ก ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการกรองและการแปลงพลังงาน; และทรานซิสเตอร์และวงจรรวมประมวลผลและขยายสัญญาณ ซึ่งเป็นฐานของการประมวลผลดิจิทัลและอนาล็อกทั้งหมด

การจัดวางเฉพาะของส่วนประกอบเหล่านี้ ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยรอยต่อบน PCB กำหนดหน้าที่โดยรวมของวงจร อาจเป็นเพียงวงจรไฟ LED กระพริบง่าย ๆ หรือซับซ้อนเท่ากับบอร์ดหลักของสมาร์ทโฟน

การวางเส้นทางสัญญาณและการแจกจ่ายพลังงาน

PCB สามารถวางเส้นทางสัญญาณและแจกจ่ายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ใน PCB หลายชั้น ชั้นทั้งหมดอาจถูกอุทิศให้กับการแจกจ่ายพลังงานและการต่อกราวด์ ซึ่งช่วยให้การส่งพลังงานมีประสิทธิภาพมากขึ้นและลดเสียงรบกวนได้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับวิธีการเดินสายแบบดั้งเดิม

การวางเส้นทางสัญญาณใน PCB อาจซับซ้อนอย่างมาก โดยเฉพาะในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง นักออกแบบต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น การจับคู่ความยาวรอยต่อ การควบคุมอินพีแดนซ์ และการลดการรบกวนข้ามสาย การจับคู่ความยาวรอยต่อช่วยให้สัญญาณคู่ขนาน (เช่น สายข้อมูล) มีความยาวไฟฟ้าเท่ากันเพื่อมาถึงพร้อมกัน การควบคุมอินพีแดนซ์ต้องรักษาอินพีแดนซ์ให้คงที่ตามรอยต่อเพื่อป้องกันการสะท้อนของสัญญาณ การลดการรบกวนข้ามสายช่วยป้องกันไม่ให้สัญญาณบนรอยต่อหนึ่งรบกวนรอยต่อข้างเคียง

ซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB สมัยใหม่มีเครื่องมือช่วยจัดการความซับซ้อนเหล่านี้ แต่ก็ยังต้องการความเชี่ยวชาญอย่างมากในการปรับแต่งการวางผังบอร์ดให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

PCB ในฐานะระบบหนึ่ง

PCB มากกว่าผลรวมของชิ้นส่วนของมันเอง แผ่นบอร์ดเอง ด้วยคุณสมบัติของวัสดุและการวางผังเฉพาะตัว กลายเป็นส่วนสำคัญของวงจร ตัวอย่างเช่น:

• คุณสมบัติฉนวนของวัสดุพื้นฐานส่งผลต่อความจุระหว่างเส้นทาง ซึ่งอาจมีผลต่อการส่งสัญญาณความถี่สูง
• คุณสมบัติด้านความร้อนของบอร์ดมีผลต่อการระบายความร้อนจากส่วนประกอบที่ใช้พลังงานสูง
• การจัดวางทางกายภาพของส่วนประกอบและเส้นทางสามารถส่งผลต่อการปล่อยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและความไวต่อการรบกวนของวงจร

โดยสรุปแล้ว PCB ไม่ได้เป็นเพียงที่รองรับวงจรเท่านั้น แต่กลายเป็นส่วนหนึ่งของวงจร นี่คือเหตุผลที่การออกแบบ PCB เป็นส่วนสำคัญของการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบ PCB ที่ดีสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการผลิตของผลิตภัณฑ์ ในขณะที่การออกแบบที่ไม่ดีอาจนำไปสู่ปัญหาเกี่ยวกับการทำงาน ความเข้ากันได้แม่เหล็กไฟฟ้า หรือการจัดการความร้อน