บอร์ดวงจรฐานมีความต้านทานต่ำหรือไม่? การวิเคราะห์เชิงลึก

แผงวงจรพิมพ์ หรือที่รู้จักกันในชื่อแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ ให้การสนับสนุนเชิงกลและการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าสำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ แผงวงจรฐาน ซึ่งมักเรียกกันว่า substrate หรือวัสดุฉนวน เป็นชั้นฉนวนที่บนซึ่งรอยต่อของสายไฟนำไฟฟ้าถูกแกะสลักหรือพิมพ์ การเข้าใจความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุฐานนี้เป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานและความน่าเชื่อถือของวงจรอิเล็กทรอนิกส์เป็นไปอย่างถูกต้อง ในขณะที่รอยต่อสายไฟนำไฟฟ้าถูกออกแบบให้มีความต้านทานต่ำเพื่ออำนวยความสะดวกในการส่งสัญญาณ วัสดุฐานถูกออกแบบอย่างพิถีพิถันให้มีความต้านทานสูง เพื่อป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการระหว่างรอยต่อและส่วนประกอบ หลีกเลี่ยงการลัดวงจรและการรั่วไหลของสัญญาณ บทความนี้จะเจาะลึกถึงปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความต้านทานของวัสดุฐานแผงวงจร สำรวจประเภทของวัสดุฐานต่าง ๆ และอภิปรายผลกระทบของความต้านทานในการออกแบบวงจร โดยเฉพาะในงานที่มีประสิทธิภาพสูง เราจะก้าวข้ามคำอธิบายพื้นฐานและให้ความเข้าใจเชิงวิเคราะห์ลึกซึ้งเกี่ยวกับแง่มุมที่มักถูกมองข้ามนี้ของการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยอาศัยข้อมูลจากวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมไฟฟ้า

ประเภทของวัสดุฐานแผงวงจร

วัสดุหลายชนิดถูกใช้เป็นฐานแผงวงจร แต่ละชนิดมีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ การเลือกวัสดุขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความถี่ในการทำงาน อุณหภูมิ ความต้องการความแข็งแรงเชิงกล และต้นทุน มาดูประเภทที่พบได้บ่อยที่สุดกัน:

FR-4: มาตรฐานที่แพร่หลาย

นี่คือวัสดุฐาน PCB ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด เป็นวัสดุคอมโพสิตทำจากผ้ากราฟไฟเบอร์ถักที่ impregnated ด้วยเรซินอีพ็อกซี่ “FR” ย่อมาจาก “Flame Retardant” ซึ่งบ่งชี้ความสามารถในการต้านไฟไหม้

องค์ประกอบ

องค์ประกอบของ FR-4 เป็นกุญแจสำคัญต่อคุณสมบัติของมัน ผ้ากราฟไฟเบอร์ถักให้ความแข็งแรงเชิงกลและเสถียรภาพเชิงมิติ ในขณะที่เรซินอีพ็อกซี่ทำหน้าที่เป็นตัวประสานและให้ฉนวนไฟฟ้า อัตราส่วนของเรซินต่อไฟเบอร์กลาส ชนิดของเรซินที่ใช้ และการถักของไฟเบอร์กลาสสามารถส่งผลต่อความต้านทานโดยรวมได้อย่างมาก

การใช้งานทั่วไป

ด้วยคุณสมบัติที่สมดุลและต้นทุนที่คุ้มค่า FR-4 จึงถูกใช้อย่างแพร่หลาย มักใช้ในอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค คอมพิวเตอร์ อุปกรณ์โทรคมนาคม และการควบคุมอุตสาหกรรม

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

FR-4 ให้ฉนวนไฟฟ้าที่ดี พร้อมค่าความเป็นฉนวนไฟฟ้าความจุสูง (ประมาณ 4.2-4.8) และการสูญเสียความเป็นฉนวนไฟฟ้าปานกลาง ความต้านทานของมันโดยทั่วไปสูง โดยอยู่ในช่วง 10¹² ถึง 10¹⁴ Ω·m ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทั่วไปในหลายประเภท อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดในงานความถี่สูงเหนือไม่กี่ GHz เนื่องจากปัจจัยการสูญเสียสูงขึ้น ซึ่งนำไปสู่การลดทอนสัญญาณ

CEM-1: ทางเลือกที่คุ้มค่าราคา

CEM-1 เป็นทางเลือกที่ประหยัดกว่าจาก FR-4 ซึ่งมักใช้ใน PCB แบบด้านเดียว เป็นวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากแกนกระดาษเซลลูโลสพร้อมชั้นผ้าผลิตจากแก้วทอหนึ่งชั้นในแต่ละด้าน ซึ่งทั้งหมดถูกอุดด้วยเรซินอีพ็อกซี่

องค์ประกอบ

องค์ประกอบของ CEM-1 แตกต่างจาก FR-4 ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพ แกนกระดาษให้ฐานที่คุ้มค่า ในขณะที่ชั้นผ้าผลิตจากแก้วเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล การมีเซลลูโลสทำให้มันดูดซึมน้ำได้ง่ายขึ้น ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อคุณสมบัติไฟฟ้าของมัน

การใช้งานทั่วไป

ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า CEM-1 มักพบในงานที่ไม่ต้องการความทนทานสูง มันมักใช้ในอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคราคาถูก เช่น ไฟ LED เครื่องคิดเลข และของเล่นอิเล็กทรอนิกส์ง่ายๆ

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

CEM-1 มีคุณสมบัติฉนวนไฟฟ้าต่ำกว่าจาก FR-4 โดยมีค่าดีไอไฟสูงและการสูญเสียดีไอไฟสูงขึ้น ความต้านทานของมันยังคงสูงอยู่แต่ต่ำกว่า FR-4 และมันมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพจากการดูดซึมน้ำ ซึ่งอาจลดความต้านทานของมันลงอีก

PTFE (เทฟลอน): เหนือกว่าด้านการใช้งานความถี่สูง

เมื่อความสามารถในการทำงานที่ความถี่สูงเป็นสิ่งสำคัญ เทฟลอนมักเป็นวัสดุที่เลือก โพลีเทตราไอโฟทัลอีเทอร์ (PTFE) ซึ่งเป็นพลาสติกฟลูออโรคาร์บอนสังเคราะห์ที่รู้จักกันในชื่อเทฟลอน มีความทนทานต่อสารเคมีต่ำแรงเสียดทานต่ำ และคุณสมบัติฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม

องค์ประกอบ

คุณสมบัติพิเศษของ PTFE มาจากโครงสร้างโมเลกุลของมัน PTFE เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนและฟลูออรีน ซึ่งสร้างพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีนที่แข็งแรง โครงสร้างโมเลกุลนี้ทำให้มีความเข้มข้นของตัวนำไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ได้ต่ำมาก ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานสูงของมัน

การใช้งานทั่วไป

เนื่องจากคุณสมบัติความถี่สูงที่เหนือกว่า PTFE จึงเป็นวัสดุที่นิยมใช้ในงานที่ต้องการความทนทานสูง มันถูกใช้ในงานความถี่สูงและไมโครเวฟ เช่น วงจร RF เสาอากาศ และอิเล็กทรอนิกส์อวกาศ ซึ่งการสูญเสียดีไอไฟต่ำเป็นสิ่งสำคัญเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของสัญญาณ

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

PTFE มีค่าดีไอไฟต่ำมาก (ประมาณ 2.1) และการสูญเสียดีไอไฟต่ำอย่างมาก ทำให้เหมาะสำหรับงานความถี่สูง มันแสดงความต้านทานสูงมาก โดยมักเกิน 10¹⁶ Ω·m เนื่องจากพันธะ C-F ที่แข็งแรงและการไม่มีกลุ่มขั้ว ซึ่งช่วยลดการเกิดโพลาไรเซชันระหว่างผิวและการกระโดดของอิเล็กตรอน

โพลีอิมิด: ทนต่ออุณหภูมิสุดขีด

สำหรับงานที่ต้องการความเสถียรทางความร้อนสูง โพลีอิมิดมักเป็นคำตอบ ซึ่งเป็นพอลิเมอร์สมรรถนะสูงที่รู้จักกันดีในด้านความเสถียรทางความร้อน ความแข็งแรงเชิงกล และความทนทานต่อสารเคมี

องค์ประกอบ

ความแข็งแกร่งของโพลีอิมิดมาจากองค์ประกอบเฉพาะตัว โพลีอิมิดเกิดจากการโพลีเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อิมิด ซึ่งสร้างโครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแรงและเสถียร โครงสร้างนี้ช่วยให้มันทนต่ออุณหภูมิสูงและรักษาคุณสมบัติไฟฟ้าได้ดี แม้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การใช้งานทั่วไป

ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงของมันทำให้โพลีอิมิดเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง มันถูกใช้ในงานที่ต้องการความทนทานต่ออุณหภูมิสูง เช่น วงจรแบบยืดหยุ่น อิเล็กทรอนิกส์อวกาศ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

โพลีอิไมด์ให้ฉนวนไฟฟ้าที่ดีพร้อมค่าความเป็นฉนวนไฟฟ้าค่อนข้างสูง (ประมาณ 3.5) และการสูญเสียฉนวนไฟฟ้าต่ำ มันรักษาความต้านทานสูง โดยปกติจะอยู่เหนือ 10¹⁶ Ω·m แม้ในอุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ความเสถียรทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ

วัสดุใหม่ที่กำลังเกิดขึ้น: การผลักดันขอบเขต

นอกเหนือจากวัสดุที่เป็นที่ยอมรับแล้ว ตัวเลือกใหม่ ๆ ก็เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ผลักดันขอบเขตของประสิทธิภาพบอร์ดวงจร ต่อไปนี้คือตัวอย่างที่น่าสังเกตสองสามตัว:

โพลิเมอร์คริสตัลเหลว (LCPs)

สิ่งเหล่านี้ให้ความเสถียรเชิงมิติที่ยอดเยี่ยม การดูดซึมน้ำต่ำ และประสิทธิภาพความถี่สูงที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลที่มีการจัดเรียงอย่างสูง โครงสร้างนี้ช่วยลดการสูญเสียฉนวนไฟฟ้าและให้คุณสมบัติไฟฟ้าที่เสถียรในช่วงความถี่ที่กว้าง

คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติก

วัสดุเช่น โพลีเอเธอร์เอเธอร์เคทโทน (PEEK) และ โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS) ให้การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของความแข็งแรงทางกล ความต้านทานทางเคมี และคุณสมบัติไฟฟ้าที่ปรับแต่งได้ รวมถึงความต้านทานสูง ความต้านทานของพวกมันสามารถปรับแต่งได้โดยการเลือกวัสดุและกระบวนการที่ระมัดระวัง

วัสดุใหม่เหล่านี้กำลังขยายความเป็นไปได้ในการออกแบบบอร์ดวงจร โดยให้ประสิทธิภาพและฟังก์ชันที่ดีขึ้น พวกมันเป็นตัวแทนของนวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในวิทยาศาสตร์วัสดุ ซึ่งผลักดันความก้าวหน้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะในด้านการคำนวณความเร็วสูงและระบบเซ็นเซอร์ขั้นสูง

ปัจจัยที่มีผลต่อความต้านทานของวัสดุฐานบอร์ดวงจร

ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุฐานบอร์ดวงจรไม่ได้เป็นค่าคงที่ แต่ได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัยทั้งในระดับแมโครสโคปิกและไมโครสโคปิก มาดูกันว่าปัจจัยสำคัญที่สามารถเปลี่ยนแปลงความต้านทานได้มีอะไรบ้าง:

องค์ประกอบของวัสดุ: รากฐานของความต้านทาน

ส่วนประกอบพื้นฐานของวัสดุฐานมีบทบาทสำคัญในความต้านทานของมัน

โครงสร้างโมเลกุล

โครงสร้างโมเลกุลของวัสดุฐานมีบทบาทสำคัญในความต้านทาน วัสดุที่มีพันธะโควาเลนต์แข็งแรงและอิเล็กตรอนอิสระจำกัด เช่น PTFE มักมีความต้านทานสูง ตัวอย่างเช่น พันธะ C-F ที่แข็งแรงใน PTFE ช่วยจำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ในทางตรงกันข้าม วัสดุที่มีพันธะอ่อนกว่าหรือมีตัวพาไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ได้มากกว่าจะมีความต้านทานต่ำกว่า

ความบริสุทธิ์

แม้แต่ความแตกต่างเล็กน้อยในความบริสุทธิ์ของวัสดุ ก็สามารถมีผลกระทบได้ ความบริสุทธิ์ของวัสดุก็สำคัญเช่นกัน สิ่งเจือปนสามารถแนะนำตัวนำประจุ ลดความต้านทานโดยรวม วัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยทั่วไปจะแสดงความต้านทานสูงขึ้น

ธรรมชาติแบบคอมโพสิต

สำหรับวัสดุคอมโพสิต สูตรเฉพาะเป็นสิ่งสำคัญ ในวัสดุคอมโพสิตเช่น FR-4 อัตราส่วนเรซินต่อไฟเบอร์กลาส ชนิดของเรซินที่ใช้ และการมีสารเติมแต่งใด ๆ สามารถส่งผลต่อความต้านทานได้อย่างมาก การเชื่อมต่อของตัวนำไฟฟ้าในเนื้อเรซินฉนวน ตามทฤษฎีเปอร์โคลation ก็สามารถเปลี่ยนแปลงความต้านทานได้อย่างมาก แม้แต่ลายทอของไฟเบอร์กลาสก็สามารถมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติไฟฟ้าของวัสดุ

อุณหภูมิ: อิทธิพลที่เปลี่ยนแปลงได้

ความแตกต่างของอุณหภูมิสามารถส่งผลต่อความต้านทานของวัสดุฐานอย่างมาก

พลังงานความร้อนและความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

ในวัสดุฉนวนส่วนใหญ่ ความต้านทานจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิที่สูงขึ้นให้พลังงานความร้อนมากขึ้นแก่อิเล็กตรอน ทำให้พวกมันสามารถข้ามอุปสรรคพลังงานและมีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้า เพิ่มความสามารถในการเคลื่อนที่ การเพิ่มขึ้นนี้ทำให้ความต้านทานลดลง

สัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิ (TCR)

วิธีที่ความต้านทานของวัสดุเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิถูกวัดโดย TCR TCR ระบุความสัมพันธ์นี้ บ่งชี้ว่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงเท่าใดต่อหนึ่งองศาเซลเซียส วัสดุเช่นโพลีอิมิดแสดงความคงที่ของความต้านทานในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าวัสดุเช่น CEM-1 ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง

การดูดซับความชื้น: ศัตรูของฉนวน

การมีอยู่ของความชื้นสามารถลดคุณสมบัติฉนวนของวัสดุฐานได้อย่างมาก

ความเป็นขั้วของน้ำ

วัสดุฐานของแผงวงจรจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีเซลลูโลสหรือเรซินบางชนิด สามารถดูดซับความชื้นจากสิ่งแวดล้อม โมเลกุลน้ำ ซึ่งเป็นขั้ว สามารถแนะนำไอออนและเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้าของวัสดุ ลดความต้านทานของมัน ผลกระทบนี้เด่นชัดเป็นพิเศษในวัสดุที่มีอัตราการดูดซับความชื้นสูง

ความไวต่อวัสดุ

วัสดุแต่ละชนิดมีระดับความไวต่อความชื้นแตกต่างกัน อัตราการดูดซับความชื้นจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุและสภาพแวดล้อม (ความชื้น, อุณหภูมิ) วัสดุเช่น PTFE และ LCPs มีอัตราการดูดซับความชื้นต่ำมาก ทำให้พวกมันทนทานต่อผลกระทบเชิงลบของความชื้นต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพวกมัน

ความถี่: ความท้าทายของความถี่สูง

ความถี่ของสัญญาณไฟฟ้าที่ผ่านวงจรสามารถมีอิทธิพลต่อความต้านทานที่มีประสิทธิภาพได้เช่นกัน

การสูญเสียทางฉนวน

ที่ความถี่สูงขึ้น ความต้านทานที่มีประสิทธิภาพของวัสดุฉนวนสามารถได้รับอิทธิพลจากการสูญเสียทางฉนวน

การสลายพลังงาน

การสูญเสียทางฉนวนเป็นการวัดว่าพลังงานเท่าใดถูกสลายเป็นความร้อนเมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าสลับกับวัสดุ การสูญเสียพลังงานนี้อาจแสดงออกเป็นการลดลงของความต้านทานที่มีประสิทธิภาพและอาจนำไปสู่การลดสัญญาณ ตัวแปรการสูญเสีย (หรือปัจจัยการสลาย) วัดปริมาณการสูญเสียพลังงานนี้

ประสิทธิภาพความถี่สูง

วัสดุที่มีการสูญเสียทางฉนวนต่ำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานความถี่สูง วัสดุเช่น PTFE เป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานความถี่สูงเนื่องจากมีการสูญเสียทางฉนวนต่ำ ซึ่งช่วยลดการเสื่อมสภาพของสัญญาณและรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

กระบวนการผลิต: ความแตกต่างเล็กน้อย

วิธีการผลิตบอร์ดวงจรสามารถสร้างความแตกต่างเล็กน้อยในความต้านทานได้

การบ่มและการทำให้แผ่นเป็นชั้น

ความแตกต่างในการกระบวนการผลิต เช่น อุณหภูมิและแรงกดดันในระหว่างการบ่ม สามารถส่งผลต่อความหนาแน่นและความเป็นเนื้อเดียวกันของวัสด ุฐาน ทำให้เกิดความแตกต่างในความต้านทาน ตัวอย่างเช่น การบ่มไม่เพียงพออาจทำให้เกิดโครงสร้างพอลิเมอร์ที่เชื่อมต่อกันน้อยลง ซึ่งอาจลดความต้านทานไฟฟ้า

การควบคุมคุณภาพ

คุณภาพที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญในการผลิต คุณภาพของวัตถุดิบที่ใช้และความสม่ำเสมอของกระบวนการผลิตเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าคุณสมบัติทางไฟฟ้าสม่ำเสมอ ความแตกต่างในคุณภาพของวัตถุดิบหรือพารามิเตอร์การผลิตสามารถนำไปสู่ความแตกต่างในความต้านทานไฟฟ้าระหว่างชุดผลิตภัณฑ์

ปัจจัยเหล่านี้โดยรวมกำหนดความต้านทานของวัสดุฐานบอร์ดวงจร และความเข้าใจในอิทธิพลของพวกมันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะแต่ละอย่าง แต่ละปัจจัยมีบทบาทในประสิทธิภาพโดยรวมของบอร์ดวงจร และการทำงานร่วมกันของพวกมันอาจซับซ้อน

การวัดความต้านทานของวัสดุฐานบอร์ดวงจร

ความต้านทานของวัสดุฐานบอร์ดวงจรโดยทั่วไปถูกอธิบายด้วยสองพารามิเตอร์: ความต้านทานเชิงปริมาตรและความต้านทานผิวหน้า การวัดความต้านทานสูงเหล่านี้อย่างแม่นยำต้องใช้เทคนิคเฉพาะและการควบคุมสิ่งแวดล้อมอย่างรอบคอบ มาดูกันว่าพารามิเตอร์แต่ละตัววัดอย่างไร:

ความต้านทานเชิงปริมาตร: การวัดความต้านทานผ่านเนื้อวัสดุ

นี่คือการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการไหลของกระแสผ่านเนื้อของมัน ซึ่งกำหนดเป็นความต้านทานไฟฟ้าระหว่างด้านตรงข้ามของลูกบาศก์หนึ่งหน่วยของวัสดุ และแสดงในโอห์ม-เมตร (Ω·m)

วิธีทดสอบ

วิธีมาตรฐานช่วยให้การวัดมีความสอดคล้องและเชื่อถือได้ ASTM D257 เป็นมาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการวัดความต้านทานเชิงปริมาตร ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้แรงดันไฟฟ้าที่ทราบค่าข้ามตัวอย่างของวัสดุและวัดกระแสที่เกิดขึ้น จากนั้นคำนวณความต้านทานเชิงปริมาตรโดยใช้มิติของตัวอย่างและกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ อิเล็กโทรดที่มีการป้องกันมักใช้เพื่อช่วยลดอิทธิพลของกระแสรั่วไหลบนพื้นผิว ซึ่งอาจทำให้ค่าความต้านทานที่วัดได้ต่ำกว่าความเป็นจริง

ความสำคัญ

ความต้านทานเชิงปริมาตรให้ค่ามาตรฐานของความสามารถในการเป็นฉนวนของวัสดุ ความต้านทานเชิงปริมาตรมีความสำคัญในการประเมินคุณภาพฉนวนโดยรวมของวัสดุฐานและความสามารถในการป้องกันการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างชั้นนำใน PCB หลายชั้น ความต้านทานเชิงปริมาตรสูงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการลัดวงจรและรับประกันการทำงานของวงจรที่ถูกต้อง

ความต้านทานผิวหน้า: การวัดความต้านทานตามแนวผิวหน้า

นี่คือการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการไหลของกระแสตามแนวผิวหน้า ซึ่งกำหนดเป็นความต้านทานไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดสองตัวบนผิวเดียวกันของวัสดุ ซึ่งสร้างด้านตรงข้ามของสี่เหลี่ยมจัตุรัส แสดงในโอห์มต่อสแควร์ (Ω/sq)

วิธีทดสอบ

คล้ายกับความต้านทานเชิงปริมาตร ความต้านทานผิวหน้าถูกวัดโดยใช้กระบวนการมาตรฐาน ASTM D257 ซึ่งมักใช้การตั้งค่ากระบอกอิเล็กโทรดแบบมีการป้องกันเพื่อช่วยลดอิทธิพลของการนำไฟฟ้าภายในเนื้อวัสดุ การเตรียมตัวอย่างอย่างระมัดระวังและการใช้พาสต์นำไฟฟ้าอาจจำเป็นเพื่อช่วยลดความต้านทานการสัมผัส ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัด

ความสำคัญ

ความต้านทานผิวหน้ามีความสำคัญในงานที่สภาพผิวสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพ ความต้านทานผิวหน้ามีความสำคัญเป็นพิเศษในงานที่การปนเปื้อนบนผิวหรือการดูดซึมน้ำสามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพของวงจรอย่างมาก นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการประเมินความเสี่ยงของความเสียหายจากการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) เนื่องจากความต้านทานผิวหน้าสูงสามารถนำไปสู่การสะสมประจุไฟฟ้าสถิต

เทคนิคการวัดที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการอธิบายความต้านทานของวัสดุฐานบอร์ดวงจรอย่างแม่นยำและเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุเหล่านี้เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะ การวัดเหล่านี้ให้ข้อมูลสำคัญสำหรับนักออกแบบวงจร ช่วยให้พวกเขาสามารถเลือกวัสดุที่มีคุณสมบัติไฟฟ้าที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของพวกเขา

ความต้านทานสูงกับความต้านทานต่ำในฐานบอร์ดวงจร

ทำไมความต้านทานสูงจึงเป็นที่ต้องการโดยทั่วไป

ฉนวนกันความร้อน

หน้าที่หลักของฐานบอร์ดวงจรคือการให้ฉนวนไฟฟ้าระหว่างรอยต่อที่นำไฟฟ้าและส่วนประกอบ ความต้านทานสูงช่วยให้กระแสไหลเฉพาะตามเส้นทางที่ตั้งใจไว้เท่านั้น ป้องกันการลัดวงจรและการรบกวนสัญญาณ ความต้านทานต่ำจะนำไปสู่การรั่วไหลของกระแสระหว่างรอยต่อ ทำให้สัญญาณผิดเพี้ยน การรบกวนกัน และอาจทำให้อุปกรณ์ล้มเหลว

ความสมบูรณ์ของสัญญาณ

การรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญ โดยเฉพาะในวงจรความเร็วสูง ในวงจรดิจิทัลความเร็วสูง ความต้านทานต่ำในวัสด ุฐานอาจนำไปสู่ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ การสะท้อนของสัญญาณ การรบกวนกัน และการลดทอน ซึ่งทำให้คุณภาพของสัญญาณลดลง ความต้านทานสูงช่วยรักษาอิมพีแดนซ์ลักษณะของสายส่ง และลดการผิดเพี้ยนของสัญญาณ

ประสิทธิภาพพลังงาน

ความต้านทานสูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน กระแสรั่วไหลเนื่องจากความต้านทานต่ำอาจทำให้สูญเสียพลังงานและเกิดความร้อนเพิ่มขึ้น ลดประสิทธิภาพของวงจร ความต้านทานสูงช่วยลดการสูญเสียทางไฟฟ้าและปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงาน โดยเฉพาะในแอปพลิเคชันความถี่สูง

สถานการณ์ที่ความต้านทานต่ำลงอาจเป็นที่ยอมรับหรือเป็นที่ต้องการ

แม้ว่าความต้านทานสูงจะเป็นที่ต้องการโดยทั่วไป แต่ก็มีสถานการณ์เฉพาะที่ความต้านทานที่ต่ำลงเล็กน้อยอาจเป็นที่ยอมรับหรือแม้แต่เป็นที่ต้องการ

แผ่นดิน

ในบางกรณี ความต้านทานที่ต่ำลงเล็กน้อยในวัสดุฐานอาจเป็นที่ยอมรับสำหรับแผ่นดิน ตราบเท่าที่มันไม่ส่งผลต่อฉนวนโดยรวมของบอร์ด อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ได้รับการจัดการอย่างรอบคอบและไม่ใช่ลักษณะทั่วไปของวัสดุฐาน หน้าที่หลักของแผ่นดินคือการให้เส้นทางกลับที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำสำหรับสัญญาณ และความต้านทานที่ต่ำลงเล็กน้อยบางครั้งอาจเป็นประโยชน์ในด้านนี้

การใช้งานเฉพาะทาง

บางการใช้งานเฉพาะอาจต้องการระดับการนำไฟฟ้าที่ควบคุมได้ อาจมีการใช้งานเฉพาะที่ต้องการระดับการนำไฟฟ้าที่ควบคุมได้ในวัสดุฐาน เช่นในเซ็นเซอร์บางประเภทหรือวงจรแรงดันสูง อย่างไรก็ตาม นี่เป็นข้อยกเว้นมากกว่ากฎและต้องใช้วัสดุและการออกแบบเฉพาะทาง

แอปพลิเคชันที่ความต้านทานเป็นสิ่งสำคัญ

แอปพลิเคชันบางอย่างมีความต้องการความต้านทานของวัสดุฐานอย่างเข้มงวด

วงจรความถี่สูง

ในวงจร RF และไมโครเวฟ การสูญเสียไดอิเล็กทริกของวัสดุฐาน ซึ่งเกี่ยวข้องกับความต้านทานของมัน กลายเป็นปัจจัยสำคัญ วัสดุที่มีการสูญเสียต่ำ เช่น PTFE เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อช่วยลดการลดทอนสัญญาณและรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในความถี่สูง

วงจรแรงดันสูง

ในวงจรที่ทำงานด้วยแรงดันสูง ความต้านทานของวัสดุฐานต้องสูงพอที่จะป้องกันการล้มเหลวของไดอิเล็กทริกและรับประกันการทำงานที่ปลอดภัย การล้มเหลวของไดอิเล็กทริกอาจนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างรุนแรงของบอร์ดวงจร

วงจรอนาล็อกที่อ่อนไหว

ในวงจรอนาล็อกที่แม่นยำ แม้กระแสรั่วไหลเล็กน้อยเนื่องจากความต้านทานฐานต่ำก็สามารถสร้างเสียงรบกวนและความผิดพลาดในการชดเชย ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำของการวัด ความต้านทานสูงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความแม่นยำและเสถียรภาพของวงจรเหล่านี้

ความต้านทานที่ต้องการของฐานบอร์ดวงจรขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชัน โดยทั่วไปแล้วความต้านทานสูงจะเป็นที่นิยมสำหรับแอปพลิเคชันส่วนใหญ่เพื่อให้แน่ใจว่าการฉนวนและความสมบูรณ์ของสัญญาณถูกต้อง การเลือกวัสดุขึ้นอยู่กับความต้องการเหล่านี้ และต้องพิจารณาอย่างรอบคอบถึงข้อแลกเปลี่ยนระหว่างคุณสมบัติของวัสดุต่าง ๆ

ผลที่ตามมาของความต้านทานที่ไม่เหมาะสม

ปัญหาที่เกิดจากความต้านทานต่ำเกินไป

การรั่วไหลของสัญญาณ

กระแสสามารถรั่วไหลระหว่างร่องรอยที่อยู่ติดกันหรือระหว่างชั้นต่าง ๆ ใน PCB แบบหลายชั้น ซึ่งนำไปสู่การบิดเบือนของสัญญาณและความผิดปกติ การรั่วไหลนี้อาจทำให้ข้อมูลเสียหายและทำให้วงจรทำงานผิดพลาด

เสียงรบกวนจากสัญญาณขาเข้า

สัญญาณจากร่องรอยหนึ่งอาจเชื่อมต่อกับร่องรอยข้างเคียง ทำให้เกิดการรบกวนและเสียงรบกวน โดยเฉพาะในวงจรความเร็วสูง Crosstalk อาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดของข้อมูลและลดความสมบูรณ์ของสัญญาณ

การสูญเสียพลังงาน

กระแสรั่วไหลสามารถปล่อยพลังงานเป็นความร้อน ลดประสิทธิภาพของวงจรและอาจก่อให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับความร้อน โดยเฉพาะในงานที่ใช้พลังงานสูง ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของส่วนประกอบก่อนเวลาและความน่าเชื่อถือของระบบลดลง

วงจรลัด

ในกรณีที่รุนแรง ความต้านทานต่ำมากอาจนำไปสู่การลัดวงจรระหว่างเส้นทางหรือส่วนประกอบ ซึ่งอาจทำให้เกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงของอุปกรณ์ วงจรลัดสามารถทำให้กระแสไหลมากเกินไป ซึ่งอาจทำให้ส่วนประกอบเสียหายและทำให้บอร์ดวงจรใช้งานไม่ได้

ปัญหาที่เกิดจากความต้านทานสูงเกินไป

แม้จะพบได้น้อยกว่า แต่ความต้านทานสูงเกินไปก็สามารถเป็นปัญหาในบางสถานการณ์ได้เช่นกัน

การสะสมไฟฟ้าสถิต

ในวัสดุที่มีความต้านทานสูงมาก ๆ กระแสไฟฟ้าสถิติสามารถสะสมบนพื้นผิว ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายจากการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) ต่อส่วนประกอบที่อ่อนไหว เหตุการณ์ ESD อาจทำให้เกิดความเสียหายทันทีหรือความเสียหายแฝงต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์

ความยากลำบากในการต่อกราวด์

ความต้านทานสูงมากอาจทำให้ยากต่อการสร้างการเชื่อมต่อกราวด์ที่ถูกต้องในบางวงจร ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาเกี่ยวกับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และความสมบูรณ์ของสัญญาณ

การเลือกความต้านทานที่เหมาะสมสำหรับฐานบอร์ดวงจรเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้และรับประกันการทำงานที่ถูกต้องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ผลกระทบจากความต้านทานที่ไม่เหมาะสมอาจมีตั้งแต่การลดประสิทธิภาพเล็กน้อยไปจนถึงความล้มเหลวของอุปกรณ์อย่างสมบูรณ์ การเลือกวัสดุและการออกแบบอย่างรอบคอบเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อบรรเทาความเสี่ยงเหล่านี้

บทสรุป

ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุฐานบอร์ดวงจรเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ความต้านทานต่ำไม่ใช่คุณสมบัติที่เป็นธรรมชาติของฐานบอร์ดวงจร แต่เป็นการออกแบบให้มีความต้านทานสูงโดยเจตนา เพื่อให้แน่ใจว่าการฉนวนกันความร้อนและป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ ค่าความต้านทานที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับความต้องการของการใช้งานเฉพาะ โดยเฉพาะในวงจรความถี่สูง, แรงดันสูง, และวงจรอนาล็อกที่อ่อนไหว ปัจจัยต่าง ๆ เช่น ส่วนประกอบของวัสดุ (รวมถึงโครงสร้างโมเลกุลและความบริสุทธิ์), อุณหภูมิ, การดูดซึมน้ำ, ความถี่, และกระบวนการผลิต ล้วนมีผลต่อความต้านทานของวัสดุฐาน

วัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเช่น FR-4, CEM-1, PTFE, และ polyimide มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าหลากหลาย ตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกัน วัสดุใหม่เช่น LCPs และคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกกำลังขยายขอบเขตความเป็นไปได้ในการออกแบบบอร์ดวงจร โดยให้ประสิทธิภาพและฟังก์ชันการทำงานที่ดีขึ้น การเข้าใจคุณสมบัติเหล่านี้และการเลือกวัสดุฐานที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบวงจรที่ประสบความสำเร็จ โดยเฉพาะเมื่อความต้องการของระบบอิเล็กทรอนิกส์ยังคงเพิ่มขึ้น การวิจัยอย่างต่อเนื่องในด้านนาโนวัสดุ เช่น คาร์บอนนิวเคลียสและกราฟีน และเทคนิคการผลิตขั้นสูง เช่น การพิมพ์ 3 มิติ สัญญาว่าจะช่วยเพิ่มความสามารถในการปรับแต่งคุณสมบัติของบอร์ดวงจร ทำให้สามารถพัฒนาประสิทธิภาพและความสามารถในอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้มากขึ้น โดยการออกแบบความต้านทานของวัสดุฐานบอร์ดอย่างรอบคอบ เราสามารถผลักดันขอบเขตของอิเล็กทรอนิกส์ ให้สามารถรองรับประสิทธิภาพ การย่อขนาด และความน่าเชื่อถือในระดับใหม่