PCB คืออะไร ? รู้จัก แผงวงจรพิมพ์ ที่เปรียบดังเส้นเลือดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ !

PCB คืออะไร ? รู้จักกับ "แผ่นปริ๊นท์" ที่เปรียบดังเส้นเลือดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ !

ถ้าหากเปรียบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นร่างกายมนุษย์ สิ่งที่ทำหน้าที่เป็นเส้นเลือดคงหนีไม่พ้น "แผงวงจรพิมพ์" ที่เรารู้จักกันดีในชื่อ แผ่น PCB หรือ "Printed Circuit Board" หรือที่บ้านเรามักนิยมเรียกกันว่า "แผ่นปริ้นท์" นั่นเอง ตัว PCB เป็นแผ่นพื้นฐานที่รวบรวม และเชื่อมต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เสมือนเป็นสะพานที่นำกระแสไฟฟ้าไหลเวียนระหว่างอุปกรณ์  แผ่น PCB ถือเป็นหัวใจสำคัญที่ช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานได้อย่างราบรื่น

ในบทความนี้จะพาทุกคนไปรู้จักกับพื้นฐานของ PCB ความหมาย, ประเภท, วิวัฒนาการ และขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น เพื่อให้รู้จักแผ่นวงจรพิมพ์ที่มีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของเรา ...

PCB คืออะไร ? (What is a PCB ?)

PCB หรือ "แผงวงจรพิมพ์" คือพื้นฐานสำคัญที่เชื่อมโยงชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกันผ่านเส้นทางของลายทองแดงที่นำกระแสไฟฟ้า นอกจากจะทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าแล้ว PCB ยังเป็นโครงสร้างที่ช่วยรองรับ และจัดวางชิ้นส่วนเหล่านั้นอย่างมั่นคง

PCB ถูกสร้างขึ้นจากการสลับชั้นของทองแดง และวัสดุฉนวนไฟฟ้า โดยประกอบด้วยลายทองแดง, เพลต (Plate , และชั้นตัวนำต่าง ๆ จากนั้นจึงเคลือบด้วยสารฉนวน และงานซิลค์สกรีน (Silk Screen) เพื่อบอกตำแหน่ง และรายละเอียดของส่วนประกอบต่าง ๆ เมื่อขั้นตอนการผลิตเสร็จสิ้น แผงวงจรจะถูกนำเข้าสู่ขั้นตอนการประกอบ ซึ่งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จะถูกบัดกรีเข้ากับแผงวงจร และทดสอบการทำงานจนพร้อมใช้งานนั่นเอง

ภาพจาก : https://resources.altium.com/p/what-is-a-pcb

ในกระบวนการผลิต ชั้นในของทองแดงจะถูกกัด (Etching) เพื่อสร้างลายวงจรเป็นทางนำไฟฟ้า จากนั้นจะนำชั้นต่าง ๆ มาประกบกัน เป็นโครงสร้างสมบูรณ์ที่เรียกว่า “Stack-up” ซึ่งเป็นแผงวงจรที่พร้อมสำหรับการประกอบเป็นอุปกรณ์ต่อไป

วิวัฒนาการของ PCB (Evolutions of PCB)

ในอดีต การออกแบบ และประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เริ่มจากการรวมวงจรรวมขนาดเล็ก (IC) และชิ้นส่วนอิสระอื่น ๆ เข้าด้วยกัน ด้วยการใช้สายไฟเชื่อมโยงระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ ซึ่งทั้งหมดถูกติดตั้งบนแผ่นรองที่มีความแข็งแรง วัสดุที่ใช้เป็นแผ่นรองในยุคแรก ๆ คือ "เบกาไลต์ (Bakelite)" นำมาแทนแผ่นไม้อัด ปัญหาที่เกิดขึ้นคือต้องใช้สายไฟจำนวนมาก ทำให้เสี่ยงที่จะพันกัน กินพื้นที่จำนวนมากในการออกแบบ ซึ่งการแก้ไขข้อผิดพลาดก็ทำได้ยาก อีกทั้งความน่าเชื่อถือของวงจรก็ต่ำลง ผลิตช้าเพราะต้องบัดกรีส่วนประกอบมาก และเชื่อมต่อสายไฟทั้งหมดด้วยมือ

ภาพจาก : https://www.mroelectric.com/blog/history-of-the-pcb/

แผงวงจรในอดีตมักมีลักษณะเปิดให้เห็นลายทองแดง และใช้รูทะลุ (Through-Hole) จำนวนมากเพื่อยึดชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนัก ในส่วนปัจจุบัน การออกแบบมาตรฐานมีชิ้นส่วนขนาดเล็กลงมาก หากมองที่ชิปขั้นสูงที่มีพินเชื่อมต่อนับไม่ถ้วน ซึ่งแน่นอนว่าไม่สามารถเชื่อมต่อด้วยสายบัดกรีได้ทั้งหมด จึงใช้ลายทองแดงที่ถูกกัดลงบนแผ่นฉนวนโดยตรงที่ทำให้เชื่อมต่ออุปกรณ์ได้ง่ายแทน ซึ่งในปัจจุบันอุปกรณ์หลายชนิดใช้การออกแบบที่มีการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (High Density Interconnect-HDI) ซึ่งประกอบด้วยการเชื่อมต่อนับพัน และส่วนเชื่อมต่อไฟฟ้าหลายจุด เราจะพูดกันต่อในหัวข้อต่อไปกัน

ภาพจาก : https://www.epectec.com/pcb/hdi-boards.html

ประเภทของ PCB (Types of PCB)

PCB มีหลากหลายประเภทเพื่อรองรับการใช้งานที่ต่างกัน โดยแผงวงจรที่ใช้ทั่วไปมักสร้างจากวัสดุที่แข็งแรง (rigid substrates) แต่ยังมีประเภทอื่น ๆ ที่ผลิตจากวัสดุหลากหลายรูปแบบดังนี้

Single-Sided PCB 

เป็นแผงวงจรที่มีส่วนประกอบติดตั้งอยู่เพียงด้านเดียว ด้านหลังเคลือบด้วยทองแดงเต็มพื้นผิวเป็นกราวด์ (Ground) และมีชั้นป้องกันการบัดกรี (Solder Mask) เคลือบอยู่

ภาพจาก : https://www.ablcircuits.co.uk/types-of-pcbs/single-sided-pcbs/

Double-Sided PCB 

เป็นแผงวงจรที่มีส่วนประกอบติดตั้งทั้งสองด้าน โดยแยกชั้นของลายทางแดงในแต่ละด้านเพื่อใช้เป็นเส้นทางส่งกระแสไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบต่าง ๆ

ภาพจาก : https://theecmg.com/double-sided-pcbs/

Multi-Layer PCB 

เป็นแผงวงจรที่มีหลายชั้นตัวนำไฟฟ้าซ้อนกัน ใช้ส่งสัญญาณไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบ ชั้นภายในอาจทำหน้าที่เป็นพื้นระนาบ (plane layer) เพื่อลดสัญญาณรบกวน และเสริมความเสถียรของวงจร

ภาพจาก : https://www.proto-electronics.com/blog/advancements-in-multi-layer-pcb-design-for-high-frequency-applications

Rigid-Flex PCB 

เป็น PCB ที่ผสมผสานระหว่างแผงวงจรแข็ง และแบบยืดหยุ่น เชื่อมต่อด้วยแถบโพลีอิไมด์ (Polyimide) ที่ยืดหยุ่น เหมาะกับการออกแบบที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง เช่น อุปกรณ์ที่ต้องพับ หรืองอได้

ภาพจาก : https://hilelectronic.com/th/rigid-flex-pcbs/

Flex PCB 

แผงวงจรที่ยืดหยุ่นเต็มรูปแบบ ทำจากโพลีอิไมด์ที่สามารถบิดงอได้ ติดตั้ง และบัดกรีส่วนประกอบได้เหมือนแผงวงจรแข็ง ใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง

ภาพจาก : https://www.rs-online.com/designspark/flexible-printed-circuit-board-introduction-and-importance

Metal-Core PCB (IMS) 

เป็น PCB ที่มีแกนโลหะ ส่วนใหญ่เป็นอะลูมิเนียม ช่วยเสริมความแข็งแรง และระบายความร้อนได้ดี ใช้ในงานที่ต้องการวัสดุที่ทนความร้อนสูง

ภาพจาก : https://www.venture-mfg.com/metal-core-pcb/

Ceramic PCB 

แผงวงจรที่ใช้วัสดุเซรามิกซึ่งสามารถระบายความร้อนได้ดี เหมาะกับงานที่ต้องการการกระจายความร้อนสูง

ภาพจาก : https://www.nextpcb.com/blog/ceramic-pcbs

HDI PCB 

แผงวงจรแบบ HDI ใช้สำหรับส่วนประกอบที่มีการเชื่อมต่อหนาแน่นสูง ต้องการวัสดุ และกระบวนการผลิตเฉพาะสำหรับการเชื่อมต่อทองแดงที่ละเอียด และซับซ้อน

ภาพจาก : https://deltaimpact-pcbs.com/pcb-technology/high-density-interconnect-pcbs/

Ultra High Density Interconnect (UHDI) และ Substrate-Like PCB 

แผงวงจร UHDI มีขนาดเล็กมาก และหนาแน่นสูง ใช้เทคนิคการผลิตพิเศษ (Additive manufacturing) มักจะใช้ในวงจรที่ต้องการความซับซ้อนสูง เช่น วงจรที่บรรจุ IC

ภาพจาก : https://www.nwengineeringllc.com/ic-substrates-uhdi-pcb-manufacturing-process.php

PCB ในอดีตมักจะใช้ส่วนประกอบแบบเสียบทะลุรู (Through-hole) ในการออกแบบ แต่ในแผงวงจรพิมพ์ยุคใหม่เปลี่ยนมาใช้ส่วนประกอบแบบติดตั้งผิวหน้า (Surface Mount Devices-SMD) ซึ่งมีความเหมาะสมกับการออกแบบที่มีความหนาแน่นของอุปกรณ์สูง และขนาดเล็ก ปัจจุบัน SMD จึงเป็นมาตรฐานที่ทดแทนการต่อแบบเสียบทะลุรูในอดีต

โครงสร้าง และการใช้งานของ PCB (Structure and Usage of PCB)

โครงสร้างของ PCB มีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพของบอร์ด โดย PCB ประกอบด้วยชั้นตัวนำไฟฟ้าและชั้นฉนวนที่สลับกัน ชั้น Core และ Prepreg (ฉนวนสองประเภท) มีหน้าที่ควบคุมความเสถียรของสัญญาณ และพลังงานในวงจร การเลือกวัสดุเหล่านี้จึงต้องคำนึงถึงความทนทานเป็นพิเศษ โดยเฉพาะในงานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง

ตัวอย่างเช่น ใน PCB แบบ 4 ชั้นจะมีชั้นตัวนำที่ทำหน้าที่เป็นกราวด์ และพาวเวอร์ที่ฝังอยู่ภายใน ซึ่งโครงสร้างนี้เหมาะกับอุปกรณ์ Internet of Things (IoT) และระบบฝังตัวที่มีน้ำหนักเบา ชั้นตัวนำภายในยังช่วยลดการรบกวนสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference-EMI) และสร้างฐานอ้างอิงที่เสถียรสำหรับส่งสัญญาณ นับเป็นโครงสร้างที่นิยมในวงการอิเล็กทรอนิกส์

ภาพจาก : https://resources.altium.com/p/what-is-a-pcb

การออกแบบ PCB ที่มีความหนาแน่นสูง (High-Density Interconnect PCB Designs)

การออกแบบ PCB ที่ซับซ้อนในปัจจุบันใช้เทคนิคการเชื่อมต่อหนาแน่นสูง (HDI) ซึ่งช่วยให้วงจรสามารถรวมชิ้นส่วนจำนวนมาก และมีขนาดเล็กเข้าไว้ด้วยกัน HDI ถูกใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการระบบเชื่อมต่อนับพัน เช่น สมาร์ทโฟน และ ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) การออกแบบแบบ HDI ใช้ตัวแพ็คเกจแบบ Ball Grid Array (BGA) และ Land Grid Array (LGA) ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่ และทำให้สามารถเชื่อมต่อ I/O พินจำนวนมากได้

ภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Land_grid_array

PCB มีการเชื่อมต่อ ที่มีความหนาแน่น สูงพิเศษ (Ultra-High Density Interconnect PCB)

การออกแบบ PCB ในยุคถัดไปได้พัฒนาไปอีกขั้น ด้วยการผสานการออกแบบให้รองรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น เช่น การติดตั้งเซมิคอนดักเตอร์ใน IC ที่ทันสมัยซึ่งใช้ฐาน IC (IC Substrate) ในการยึดชิป เพื่อเชื่อมต่อขั้วไฟฟ้าของชิ้นส่วนโดยตรงกับ PCB การเชื่อมต่อแบบนี้มีประโยชน์ในอุปกรณ์ที่ต้องการการส่งสัญญาณที่เสถียร และรวดเร็ว

ภาพจาก : https://knowhow.distrelec.com/3d-printing/additive-manufacturing-of-electronics-with-voltera/

เทคโนโลยี PCB UHDI ใช้กระบวนการผลิตแบบเติมตัวนำ (Additive Manufacturing) โดยสร้างเส้นทาง และทางผ่านไฟฟ้าด้วยการสะสมโลหะบนชั้นฐาน ซึ่งแตกต่างจากวิธีการกัดเซาะใน PCB แบบดั้งเดิม การผลิตแบบ UHDI ช่วยลดขนาด และเพิ่มความหนาแน่นของวงจรได้อย่างมาก แต่เนื่องจากความซับซ้อน และความละเอียดสูง การผลิต UHDI จึงยังคงจำกัดอยู่ในโรงงานที่มีเทคโนโลยีที่สูงพอ แต่แนวโน้มความต้องการ PCB ประเภทนี้เพิ่มขึ้นทั่วโลก ได้กระตุ้นให้หลายประเทศเริ่มลงทุนในเทคโนโลยีการผลิต UHDI อย่างจริงจัง

PCB ออกแบบอย่างไร ? (How is PCB designed ?)

การเริ่มต้นออกแบบ PCB ใหม่ จำเป็นต้องผ่านหลายขั้นตอน โดยการออกแบบ PCB สำหรับการผลิตระดับอุตสาหกรรม จะใช้ซอฟต์แวร์ออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ (ECAD) หรือซอฟต์แวร์ CAD ที่มีเครื่องมือพิเศษสำหรับการออกแบบวงจร ซึ่งซอฟต์แวร์เหล่านี้ช่วยให้ผู้ใช้ ตั้งแต่การวาดวงจรไฟฟ้าเบื้องต้นไปจนถึงการเตรียมไฟล์สำหรับการผลิต ซึ่งกระบวนการออกแบบ PCB มักเป็นไปตามขั้นตอนพื้นฐานดังนี้

ภาพจาก : https://www.linkedin.com/pulse/free-professional-grade-pcb-design-software-pay-walls-subscriptions-wmpnc

1. วิศวกรรมเบื้องต้น (Front-End Engineering) 

ขั้นตอนนี้คือการเลือกส่วนประกอบหลัก และสร้างแผนภาพวงจรเบื้องต้น เพื่อให้แน่ใจว่าฟังก์ชันทั้งหมดในวงจรทำงานตามที่ต้องการ และทดสอบผ่านโปรแกรมจำลอง

2. การจับภาพแผนผัง (Schematic Capture) 

ใช้ซอฟต์แวร์ ในการแปลงแผนภาพวงจรเบื้องต้น ให้เป็นแผนภาพอิเล็กทรอนิกส์ที่ระบุการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบ โดยใช้สัญลักษณ์แทนส่วนประกอบต่าง ๆ

3. การเลือกวัสดุ และออกแบบโครงสร้าง PCB (Material Selection and PCB Stack-Up Design)

ขั้นตอนนี้จะเป็นการเลือกวัสดุแผ่นฉนวน (Laminate) และออกแบบโครงสร้าง PCB เพื่อให้ตรงกับความต้องการในการใช้งาน

4. การวางตำแหน่งส่วนประกอบ (Component Placement)

เมื่อกำหนดรูปร่างบอร์ด และนำส่วนประกอบเข้ามาในเลย์เอาต์แล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการจัดวางส่วนประกอบให้สอดคล้องกับแบบที่ได้วางมา

5. การเดินลาย (Routing)

หลังจากการวางตำแหน่งเสร็จสิ้น จะเป็นการเดินลายทองแดง (Trace) ระหว่างส่วนประกอบโดยใช้เครื่องมือเดินลายในซอฟต์แวร์บนคอมพิวเตอร์ ขั้นตอนนี้อาจมีการกำหนดรูปทรงของเส้นลาย เพื่อควบคุมความต้านทานสำหรับสัญญาณที่มีความเร็วสูง

6. การตรวจสอบ และยืนยันการออกแบบ (Design Review And Verification)

เมื่อการเดินลายเสร็จสิ้น ควรมีการตรวจสอบ และประเมินการออกแบบเพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีข้อผิดพลาดหรือปัญหาที่แก้ไม่ได้ ซึ่งอาจทำได้ทั้งด้วยการตรวจสอบด้วยตนเอง หรือใช้เครื่องมือจำลองหลังการออกแบบ

7. การเตรียมเพื่อการผลิต (Preparing for Manufacturing)

เมื่อการออกแบบเสร็จสิ้น ขั้นตอนสุดท้ายคือการเตรียมไฟล์มาตรฐานสำหรับการผลิต ซึ่งไฟล์เหล่านี้จะถูกนำไปใช้ในกระบวนการผลิต และประกอบแบบอัตโนมัติ

บทสรุปของ PCB (PCB Conclusions)

PCB มีบทบาทสำคัญในโลกอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ เสมือนเป็นเส้นเลือดที่เชื่อมโยงส่วนประกอบต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน และขับเคลื่อนอุปกรณ์ให้ทำงานได้อย่างราบรื่น ในช่วงเวลาที่ผ่านมา PCB ได้พัฒนาอย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าจะเป็นประเภท HDI ที่รองรับการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูงหรือ UHDI ที่ใช้การผลิตแบบเติมตัวนำ ทำให้แผงวงจรมีขนาดเล็กลง และความหนาแน่นสูงขึ้น การพัฒนาเหล่านี้ทำให้ PCB สามารถรองรับอุปกรณ์ที่ซับซ้อน ตอบโจทย์การใช้งานในปัจจุบันที่ต้องการความเสถียร และความเร็วสูง