แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการจัดวาง HDI: เคล็ดลับการออกแบบที่สำคัญสำหรับแผงวงจร HDI

บทนำสู่บอร์ด HDI

บอร์ด HDI (High Density Interconnect) คือบอร์ดวงจรที่มีความหนาแน่นของวงจรค่อนข้างสูง โดยใช้เทคโนโลยีไมโครบอดและรูฝัง บอร์ด HDI มีวงจรชั้นในและชั้นนอก และด้วยการใช้กระบวนการเจาะและชุบโลหะ จึงสามารถเชื่อมต่อวงจรชั้นต่างๆ ได้

โดยทั่วไปแล้ว แผงวงจร HDIผลิตโดยใช้วิธีการเคลือบ และยิ่งมีจำนวนชั้นมากเท่าไร ระดับเทคโนโลยีของแผงวงจรก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น แผงวงจร HDI ทั่วไปนั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นการเคลือบชั้นเดียว ในขณะที่แผงวงจร HDI ขั้นสูงใช้เทคโนโลยีต่างๆ เช่น การเคลือบสองชั้นหรือหลายชั้น รวมถึงเทคโนโลยี PCB ขั้นสูง เช่น การเรียงซ้อนของรูเชื่อมต่อ การเติมด้วยไฟฟ้า และการเจาะรูด้วยเลเซอร์โดยตรง

เมื่อความหนาแน่นของ PCB เกิน 8 ชั้น การผลิตโดยใช้ HDI อาจคุ้มทุนกว่ากระบวนการอัดแบบซับซ้อนแบบเดิม แผงวงจร HDI ช่วยให้ใช้เทคโนโลยีการประกอบขั้นสูงได้ ส่งผลให้มีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความแม่นยำของสัญญาณสูงกว่า PCB ดั้งเดิม นอกจากนี้ แผงวงจร HDI ยังช่วยปรับปรุงด้านต่างๆ เช่น สัญญาณรบกวนความถี่วิทยุ สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า การคายประจุไฟฟ้าสถิต และการนำความร้อนได้ดีขึ้น

เนื่องจากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงพัฒนาไปสู่ความหนาแน่นสูงและความแม่นยำสูง คำว่า “สูง” จึงไม่ได้หมายถึงเพียงแค่การปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องจักรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการลดขนาดของเครื่องจักรด้วย เทคโนโลยี การเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (High Density Interconnect : HDI) ช่วยให้การออกแบบผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ในขณะที่ยังคงรักษามาตรฐานประสิทธิภาพและประสิทธิผลทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้น ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ยอดนิยมในปัจจุบันหลายอย่าง เช่น สมาร์ทโฟน กล้องดิจิทัล แล็ปท็อป และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์ ล้วนใช้บอร์ด HDI ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และความต้องการของตลาด คาดว่าการพัฒนาบอร์ด HDI จะเป็นไปอย่างรวดเร็ว

โรงงานประกอบแผงวงจร HDI หารือถึงกฎการกำหนดเส้นทาง PCB ทั่วไป

• กำหนดพื้นที่การกำหนดเส้นทางสัญญาณดิจิทัล อนาล็อก และ DAA บน PCB ล่วงหน้า
• แยกส่วนประกอบดิจิตอลและแอนะล็อกและร่องรอยที่เกี่ยวข้องออกจากกันให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ และวางไว้ในพื้นที่การกำหนดเส้นทางที่เกี่ยวข้องของส่วนประกอบเหล่านั้น
• รักษาเส้นทางสัญญาณดิจิทัลความเร็วสูงให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• รักษาสัญญาณอะนาล็อกที่ละเอียดอ่อนให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• กระจายไฟและสายดินให้เหมาะสม
• แยก DGND, AGND และกราวด์จริงออกจากกัน
• ใช้เส้นทางกว้างสำหรับสายไฟฟ้าและเส้นทางสัญญาณวิกฤต
• สายไฟและสายดินควรแผ่รังสีให้ได้มากที่สุด และสายสัญญาณไม่ควรสร้างวงจร
• วางวงจรดิจิทัลใกล้กับบัสขนาน/อินเทอร์เฟซ DTE อนุกรม และวงจร DAA ใกล้กับอินเทอร์เฟซสายโทรศัพท์
• สำหรับอุปกรณ์แยกส่วนขนาดเล็ก จำเป็นต้องมีการกำหนดเส้นทางแบบสมมาตร และสำหรับแพด SMT ที่มีระยะห่างใกล้กัน ควรเชื่อมต่อสายจากด้านนอกของแพด ไม่ใช่ตรงกลางโดยตรง
• ให้ความสำคัญกับเส้นสัญญาณหลัก เช่น สัญญาณไฟฟ้า สัญญาณแอนะล็อกขนาดเล็ก สัญญาณความเร็วสูง สัญญาณนาฬิกา และสัญญาณซิงโครนัส เป็นต้น
• ปฏิบัติตามหลักการของลำดับความสำคัญของความหนาแน่นของการกำหนดเส้นทาง: เริ่มกำหนดเส้นทางจากอุปกรณ์ที่มีการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนที่สุดบนบอร์ดและจากพื้นที่ที่มีสายไฟหนาแน่นที่สุด
• หลีกเลี่ยงมุมแหลมและมุมฉากใน การออกแบบ PCB เพื่อป้องกันรังสีที่ไม่จำเป็นและปัญหากระบวนการผลิต
• ไม่ควรมีรูทะลุบน SMT แผ่นรองเพื่อป้องกันการสูญเสียของสารบัดกรีและข้อบกพร่องในการบัดกรีส่วนประกอบ เส้นสัญญาณสำคัญจะต้องไม่ผ่านระหว่างขาพิน

การกำหนดเส้นทางวงจรความถี่สูง PCB

• เลือกจำนวนชั้น PCB อย่างชาญฉลาด การใช้ชั้นพลังงานกลาง (ชั้น Vcc) และชั้นกราวด์ (ชั้น Gnd) สามารถป้องกันและลดค่าเหนี่ยวนำและความจุของปรสิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความยาวเส้นทางเดินสาย และลดการรบกวนสัญญาณ

• วิธีการกำหนดเส้นทาง: ต้องเป็นมุม 45° ไม่ใช่มุม 90°

• ทิศทางการกำหนดเส้นทางระหว่างเลเยอร์: ควรตั้งฉากกัน หากเลเยอร์ด้านบนเป็นแนวนอน เลเยอร์ด้านล่างควรเป็นแนวตั้งเพื่อลดการรบกวนสัญญาณ

• การต่อลงดิน: ต่อลงดินสัญญาณสำคัญเพื่อปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการรบกวนอย่างมีนัยสำคัญ และต่อลงดินสัญญาณรบกวนหลายสัญญาณเพื่อป้องกันไม่ให้รบกวนสัญญาณอื่น

• ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน: เพิ่มตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนไปที่ขั้วแหล่งจ่ายไฟของ IC

• โช้กความถี่สูง: เมื่อมีกราวด์ทั่วไป เช่น กราวด์ดิจิทัลและกราวด์อนาล็อก ให้เพิ่มอุปกรณ์โช้กความถี่สูงระหว่างทั้งสอง โดยปกติจะใช้เม็ดเฟอร์ไรต์ที่มีรูลวดอยู่ตรงกลาง

• การอุดทองแดง: การเพิ่มพื้นที่กราวด์ยังช่วยลดการรบกวนสัญญาณได้อีกด้วย (ต้องเอาทองแดงที่ตายแล้วออกระหว่างการอุดทองแดง)

• ความยาวเส้นทาง: ยิ่งความยาวเส้นทางสั้นเท่าไร ก็ยิ่งดี ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวน อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นต้องกำหนดเส้นทางทั้งหมดให้สั้น ตัวอย่างเช่น การกำหนดเส้นทาง DDR ต้องใช้ความยาวเท่ากันสำหรับสายสัญญาณนาฬิกา ที่อยู่ และข้อมูล ดังนั้น คุณจะเห็นเส้นเซอร์เพนทีนที่ยาวขึ้นโดยตั้งใจมากมาย

การกำหนดเส้นทางสำหรับส่วนประกอบพิเศษ

• ส่วนประกอบความถี่สูง: รักษาการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบความถี่สูงให้สั้นที่สุดเพื่อลดพารามิเตอร์ที่กระจายและการรบกวนทางไฟฟ้าซึ่งกันและกัน ส่วนประกอบที่มีความละเอียดอ่อนและมีแนวโน้มเกิดการรบกวนไม่ควรวางใกล้กันมากเกินไป
• ส่วนประกอบที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูง: เพิ่มระยะห่างระหว่างส่วนประกอบที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าสูงและการเชื่อมต่อเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรโดยไม่ได้ตั้งใจและความเสียหายของส่วนประกอบ เพื่อป้องกันกระแสไหลย้อน ระยะห่างระหว่างเส้นทองแดงที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า 2000 โวลต์ควรมากกว่า 2 มม.
• ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักมาก: ส่วนประกอบที่มีน้ำหนักมากควรได้รับการยึดด้วยวงเล็บ
• ส่วนประกอบที่ให้ความร้อนและไวต่อความร้อน: ส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดความร้อนควรเก็บให้ห่างจากส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน และส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดความร้อนควรกระจายอย่างสม่ำเสมอ

พารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับการออกแบบเส้นทาง PCB

• ความกว้างของรางทองแดง (Track) : 0.3 มม. สำหรับแผ่นด้านเดียว 0.2 มม. สำหรับแผ่นสองด้าน
• ช่องว่างขั้นต่ำระหว่างรอยทองแดง: 0.3 มม. สำหรับแผ่นด้านเดียว 0.2 มม. สำหรับแผ่นสองด้าน
• ระยะห่างขั้นต่ำจากเส้นทองแดงถึงขอบ PCB: 1 มม. ระยะห่างขั้นต่ำจากส่วนประกอบถึงขอบ PCB: 5 มม. ระยะห่างขั้นต่ำจากแผ่นบัดกรีถึงขอบ PCB: 4 มม.
• เส้นผ่านศูนย์กลางแผ่นบัดกรีสำหรับการติดตั้งส่วนประกอบที่มีรูทะลุทั่วไปคือสองเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของแผ่นบัดกรี
• ไม่ควรวางตัวเก็บประจุไฟฟ้าใกล้กับส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดความร้อน เช่น ตัวต้านทานกำลังสูง หม้อแปลง ทรานซิสเตอร์กำลังสูง ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามขั้ว และแผงระบายความร้อน ระยะห่างระหว่างตัวเก็บประจุไฟฟ้ากับส่วนประกอบเหล่านี้ควรมากกว่า 10 มม.
• รูสกรูไม่ควรมีร่องรอยของทองแดง (ยกเว้นสายดิน) หรือส่วนประกอบภายในรัศมีภายนอก 5 มม.
• ในการออกแบบ PCB พื้นที่ขนาดใหญ่ (มากกว่า 500 ตร.ม.) เพื่อป้องกันไม่ให้ PCB โค้งงอในระหว่างการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ควรเว้นช่องว่างกว้าง 5 มม. ถึง 10 มม. ไว้ตรงกลาง PCB โดยไม่ต้องวางส่วนประกอบสำหรับการวางแท่งแรงดันเพื่อป้องกันไม่ให้ PCB โค้งงอ
• ใช้ลูกศรกลวงเพื่อระบุทิศทางการบัดกรีแบบรีโฟลว์สำหรับ PCB แต่ละอัน
• ขณะกำหนดเส้นทาง ทิศทางของแพ็กเกจ DIP IC ควรตั้งฉากกับทิศทางการบัดกรีแบบรีโฟลว์ ไม่ใช่ขนาน เพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมดีบุก
• เมื่อทิศทางการเปลี่ยนเส้นทางจากแนวตั้งเป็นแนวนอน ควรเข้าที่มุม 45°
• ความกว้างของสายไฟไม่ควรน้อยกว่า 18 มิล; ความกว้างของเส้นสัญญาณไม่ควรน้อยกว่า 12 มิล; ความกว้างของเส้นอินพุตและเอาท์พุตของ CPU ไม่ควรน้อยกว่า 10 มิล (หรือ 8 มิล); และระยะห่างระหว่างเส้นไม่ควรน้อยกว่า 10 มิล
• ความหนาแน่นของการวางบอร์ดควรเหมาะสม เมื่อความแตกต่างของความหนาแน่นมากเกินไป ควรเติมด้วยแผ่นทองแดงตาข่ายที่มีขนาดกริดใหญ่กว่า 8 มิล (หรือ 0.2 มม.)
• ในพื้นที่ที่มีระยะห่างจากขอบ PCB ที่กำหนดไว้สำหรับการเดินสายภายใน 1 มม. และรอบๆ รูสำหรับติดตั้งภายในระยะ 1 มม. ห้ามเดินสาย
• เครื่องหมายเตือนควรพิมพ์ลงบนชั้นซิลค์สกรีนใกล้กับส่วนประกอบต่างๆ เช่น ฟิวส์ ตัวต้านทานฟิวส์ ตัวเก็บประจุตัวกรองไฟ AC 220V หม้อแปลง ฯลฯ
• ระยะห่างระหว่างสายไฟที่มีไฟและสายกลางของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ 220 โวลต์ไม่ควรน้อยกว่า 3 มม. ระยะห่างระหว่างสายไฟในวงจร 220 โวลต์กับส่วนประกอบแรงดันไฟต่ำ แผ่นรอง และวงจรย่อยไม่ควรน้อยกว่า 6 มม. และควรพิมพ์เครื่องหมายแรงดันไฟสูงไว้บนสายไฟเหล่านั้น ควรแยกสายไฟแรงดันไฟต่ำและแรงดันสูงด้วยตาข่ายลวดหนาเพื่อเตือนเจ้าหน้าที่บำรุงรักษาให้จัดการด้วยความระมัดระวัง

ข้างต้นเป็นคู่มือที่ครอบคลุมเกี่ยวกับความรู้เรื่องการเดินสาย PCB ซึ่งรวบรวมโดย Highleap Electronic หวังว่าคุณจะได้รับประโยชน์จากคู่มือนี้! ติดต่อเราเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการผลิต PCB