Photo by Harrison Broadbent on Unsplash
ในกระบวนการออกแบบ PCB, ขนาดของ PCB เป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญอย่างมาก ขนาดนี้มีผลต่อหลายปัจจัยทั้งจำนวนและขนาดของส่วนประกอบ, คุณสมบัติทางไฟฟ้า, ความต้องการด้านความทนทาน, และงบประมาณ การปรับปรุงขนาดของ PCB ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการและความสะดวกในการใช้งาน
ปัจจัยที่ส่งผลต่อขนาดของ PCB
1. ขนาดส่วนประกอบ
ส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กกว่าจะช่วยให้ PCB มีขนาดที่เล็กลงได้ โดยส่วนประกอบ SMT นั้นโดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่าส่วนประกอบผ่านรู (THT) มาก
ส่วนประกอบ SMT (Surface Mounted Device) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งบนพื้นผิวของ PCB โดยใช้เทคนิคการยึดพื้นผิว (SMT) โดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่าส่วนประกอบผ่านรู (THT) มาก เนื่องจากไม่ต้องมีขาหรือรูสำหรับยึดเข้ากับ PCB
ส่วนประกอบผ่านรู (THT) (Through Hole Technology) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งบน PCB โดยใช้เทคนิคการเจาะรู (THT) ส่วนประกอบเหล่านี้โดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่กว่า เนื่องจากต้องมีขาและรูสำหรับยึดเข้ากับ PCB
ความแตกต่างของขนาดระหว่างส่วนประกอบ SMT และ THT ทำให้ PCB ที่ใช้ส่วนประกอบ SMT สามารถมีขนาดเล็กกว่า PCB ที่ใช้ส่วนประกอบผ่านรูได้
นอกจากขนาดแล้ว ส่วนประกอบ SMT ยังมีข้อดีอื่น ๆ อีกหลายประการที่ช่วยให้ PCB มีขนาดเล็กลง เช่น
- น้ำหนักเบากว่า: ส่วนประกอบ SMT โดยทั่วไปจะมีน้ำหนักเบากว่าส่วนประกอบผ่านรู เนื่องจากไม่มีขาหรือรู
- ประหยัดพื้นที่: ส่วนประกอบ SMT สามารถติดตั้งได้ใกล้ชิดกันมากกว่าส่วนประกอบผ่านรู
- ต้นทุนการผลิตต่ำกว่า: ส่วนประกอบ SMT โดยทั่วไปมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่าส่วนประกอบผ่านรู เนื่องจากกระบวนการผลิตมีความซับซ้อนน้อยกว่า
โดยสรุปแล้ว การใช้ส่วนประกอบ SMT ช่วยให้ PCB มีขนาดเล็กลงได้ เนื่องจากส่วนประกอบ SMT มีขนาดเล็กกว่าและมีข้อดีหลายประการ
2. คุณสมบัติทางไฟฟ้า
คุณสมบัติทางไฟฟ้าของ PCB สามารถส่งผลต่อขนาดของ PCB ได้ เช่น แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟที่ไหลผ่าน PCB
แรงดันไฟฟ้า หมายถึง ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างสองจุดบนวงจรไฟฟ้า หาก PCB จำเป็นต้องรองรับแรงดันไฟฟ้าสูง จะต้องใช้วัสดุที่หนาขึ้น ซึ่งทำให้ PCB มีขนาดใหญ่ขึ้น ตัวอย่างเช่น PCB สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ที่ต้องรองรับแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 400 โวลต์ อาจต้องใช้วัสดุที่มีความหนาอย่างน้อย 1.6 มม. ซึ่งทำให้ PCB มีขนาดใหญ่ขึ้นประมาณ 20% เมื่อเทียบกับ PCB ที่มีวัสดุหนา 1.0 มม.
กระแสไฟฟ้า หมายถึง ปริมาณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจร หาก PCB ต้องรองรับกระแสไฟสูง ก็ต้องใช้วัสดุที่หนาขึ้น ซึ่งทำให้ PCB มีขนาดใหญ่ขึ้นเช่นกัน ตัวอย่างเช่น PCB สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องรองรับกระแสไฟสูงถึง 20 แอมป์ อาจต้องใช้วัสดุที่มีความหนาอย่างน้อย 1.2 มม. ซึ่งทำให้ PCB มีขนาดใหญ่ขึ้นประมาณ 15% เมื่อเทียบกับ PCB ที่มีวัสดุหนา 1.0 มม.
นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าสูงจะทำให้กระแสไฟไหลผ่าน PCB มากขึ้น ซึ่งทำให้ PCB ร้อนขึ้น ในกรณีนี้ จำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความต้านทานความร้อนสูง ซึ่งจะทำให้ PCB มีขนาดใหญ่ขึ้น ตัวอย่างเช่น PCB สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 100 องศาเซลเซียส อาจต้องใช้วัสดุที่มีความต้านทานความร้อนสูง เช่น แก้วหรือเซรามิก ซึ่งทำให้ PCB มีขนาดใหญ่ขึ้นประมาณ 20% เมื่อเทียบกับ PCB ที่ใช้วัสดุที่มีความต้านทานความร้อนต่ำ เช่น FR4
โดยสรุป คุณสมบัติทางไฟฟ้าของ PCB มีผลต่อขนาดของ PCB หลายวิธี ดังนั้นควรพิจารณาปัจจัยเหล่านี้ในการออกแบบและผลิต PCB ขนาดเล็ก
3. ความต้องการด้านความทนทาน
PCB ขนาดเล็กมักใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ เช่น อุปกรณ์สวมใส่ อุปกรณ์ IoT และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ ซึ่งมักจะต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย เช่น อุณหภูมิสูงหรือต่ำ ความชื้นสูง การสั่นสะเทือน และแรงกระแทก ด้วยเหตุนี้ PCB ขนาดเล็กจึงต้องมีความทนทานเพียงพอเพื่อทำงานได้อย่างถูกต้องภายใต้สภาวะเหล่านี้
ความต้องการด้านความทนทานของ PCB ขนาดเล็กสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่:
- ความทนทานทางความร้อน: PCB ขนาดเล็กต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงหรือต่ำโดยไม่เสียหาย โดยทั่วไปแล้วจะใช้วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง เช่น ทองแดงหรืออะลูมิเนียม เพื่อช่วยให้กระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- ความทนทานต่อความชื้น: PCB ขนาดเล็กต้องสามารถทนต่อความชื้นสูงโดยไม่เสียหาย โดยทั่วไปจะใช้วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ เช่น แก้วหรือเซรามิก เพื่อป้องกันการกัดกร่อนจากความชื้น
- ความทนทานต่อแรงกระแทก: PCB ขนาดเล็กต้องสามารถทนต่อแรงกระแทกโดยไม่เสียหาย โดยทั่วไปจะใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง เช่น วัสดุคอมโพสิตหรือวัสดุเสริมแรง เพื่อปกป้องส่วนประกอบภายใน
ผู้ผลิต PCB มักใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อปรับปรุงความทนทานของ PCB ขนาดเล็ก เทคนิคเหล่านี้อาจรวมถึง:
- การใช้วัสดุที่ทนทาน: ผู้ผลิต PCB มักใช้วัสดุที่ทนทานต่อความร้อน ความชื้น และแรงกระแทก เช่น ทองแดง อะลูมิเนียม แก้ว เซรามิก และวัสดุคอมโพสิต
- การออกแบบ PCB ที่มีประสิทธิภาพ: การออกแบบ PCB ที่มีประสิทธิภาพสามารถช่วยป้องกันความเสียหายจากความร้อน ความชื้น และแรงกระแทก ตัวอย่างเช่น การออกแบบ PCB ที่สามารถกระจายความร้อนได้ดี สามารถช่วยป้องกัน PCB จากความเสียหายจากความร้อน
- การประกอบ PCB ที่มีคุณภาพ: การประกอบ PCB ที่มีคุณภาพสามารถช่วยป้องกันความเสียหายจากแรงกระแทก ตัวอย่างเช่น การประกอบ PCB ที่ยึดส่วนประกอบอย่างแน่นหนาสามารถช่วยป้องกัน PCB จากความเสียหายจากการสั่นสะเทือน
โดยรวมแล้ว ความต้องการด้านความทนทานของ PCB ขนาดเล็กเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบและผลิต PCB ขนาดเล็ก ผู้ผลิต PCB มักใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อปรับปรุงความทนทานของ PCB ขนาดเล็ก เพื่อให้แน่ใจว่า PCB เหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องภายใต้สภาวะที่ท้าทาย
4. งบประมาณ
การผลิต PCB ขนาดเล็กอาจต้องใช้เทคโนโลยีการผลิตที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งทำให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น เทคโนโลยีการผลิตขั้นสูงมักใช้เทคนิคต่าง ๆ เช่น:
- Microvias: เป็นรูขนาดเล็กที่เจาะผ่าน PCB เพื่อเชื่อมต่อชั้นต่าง ๆ กัน เทคโนโลยี microvias ช่วยให้สามารถวางส่วนประกอบได้ใกล้ชิดกันมากขึ้น ทำให้ PCB มีขนาดเล็กลง แต่ก็มีต้นทุนการผลิตที่สูงกว่ารูขนาดใหญ่
- HDI (High Density Interconnect): หมายถึงการเชื่อมต่อชั้นต่าง ๆ กันด้วยพินหรือรอยต่อขนาดเล็ก เทคโนโลยี HDI ช่วยให้สามารถวางส่วนประกอบได้ใกล้ชิดกันมากขึ้น ทำให้ PCB มีขนาดเล็กลง แต่ก็มีต้นทุนการผลิตที่สูงกว่าการเชื่อมต่อแบบดั้งเดิม
นอกจากนี้ ปัจจัยอื่น ๆ ที่อาจส่งผลต่องบประมาณของ PCB ขนาดเล็ก ได้แก่:
- จำนวนชั้น: PCB หลายชั้นมีราคาแพงกว่า PCB ชั้นน้อยกว่า เนื่องจากต้องใช้วัสดุและกระบวนการผลิตมากขึ้น
- ขนาดของ PCB: PCB ที่มีขนาดใหญ่กว่ามีราคาแพงกว่า PCB ที่มีขนาดเล็กกว่า เนื่องจากต้องใช้วัสดุและกระบวนการผลิตมากขึ้น
- ความซับซ้อนของการออกแบบ: PCB ที่มีการออกแบบที่ซับซ้อนกว่ามีราคาแพงกว่า PCB ที่มีการออกแบบที่เรียบง่ายกว่า เนื่องจากต้องใช้ทักษะและเวลาในการออกแบบมากขึ้น
โดยทั่วไปแล้ว PCB ขนาดเล็กจะมีราคาแพงกว่า PCB ขนาดใหญ่กว่า เนื่องจากต้องใช้เทคโนโลยีการผลิตที่ซับซ้อนมากขึ้นและวัสดุที่มีราคาแพงกว่า อย่างไรก็ตาม อาจมีบางกรณีที่ PCB ขนาดเล็กมีราคาต่ำกว่า PCB ขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น PCB ขนาดเล็กอาจใช้วัสดุที่ทนทานน้อยกว่าซึ่งมีราคาต่ำกว่า PCB ขนาดใหญ่
สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ ที่อาจส่งผลต่องบประมาณของ PCB ขนาดเล็กก่อนตัดสินใจออกแบบและผลิต PCB ขนาดเล็ก
เทคนิคการออกแบบ PCB ขนาดเล็ก
เทคนิคการออกแบบ PCB ขนาดเล็กมีหลายปัจจัยที่สามารถช่วยลดขนาดของ PCB ได้ เทคนิคเหล่านี้ได้แก่:
1. การใช้ส่วนประกอบ SMT
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ส่วนประกอบ SMT มักมีขนาดเล็กกว่าส่วนประกอบผ่านรู ทำให้ PCB ที่ใช้ส่วนประกอบ SMT มีขนาดเล็กลงได้
นอกจากนี้ ส่วนประกอบ SMT ยังมีข้อดีอื่น ๆ อีกหลายประการ เช่น การติดตั้งที่ง่ายขึ้น อัตราการสูญเสียพลังงานที่ต่ำกว่า และต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่า
2. การใช้ blind และ buried vias
Blind และ buried vias นั้นสามารถช่วยเชื่อมต่อระหว่างชั้นต่าง ๆ ของ PCB โดยไม่ต้องเจาะผ่าน PCB ทั้งหมด ซึ่งช่วยให้ PCB มีพื้นที่สำหรับวางส่วนประกอบได้มากขึ้น
รูปที่ 3 Buried via and Blind via | Photo by Pcbcart
Blind vias นั้นเจาะผ่าน PCB บางส่วนเท่านั้น โดยเจาะผ่านชั้นบาง ๆ ที่อยู่ด้านบนของ PCB
Buried vias นั้นเจาะผ่าน PCB ทั้งหมด แต่เจาะผ่านชั้นบางๆ ที่อยู่ด้านล่างของ PCB
3. การใช้เทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง
เทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง เช่น เทคโนโลยี microvias และเทคโนโลยี HDI (high density interconnect) นั้นสามารถช่วยทำให้ PCB มีขนาดที่เล็กลงได้
Microvias นั้นมีขนาดที่เล็กกว่า vias แบบดั้งเดิมมาก ซึ่งช่วยให้ PCB มีพื้นที่สำหรับวางส่วนประกอบได้มากขึ้น
รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างของ HDI Multilayer PCB | Photo by Microvias | Microvia PCB | NCAB Group
HDI (high density interconnect) นั้นใช้เทคโนโลยีขั้นสูงในการเชื่อมชั้นต่าง ๆ ของ PCB เข้าด้วยกัน ซึ่งช่วยให้ PCB มีขนาดที่เล็กลงได้
4. การใช้เทคนิคอื่น ๆ
นอกจากเทคนิคข้างต้นแล้ว ยังมีเทคนิคอื่นๆ ที่สามารถช่วยทำให้ PCB มีขนาดที่เล็กลงได้ เช่น การใช้การแบ่ง PCB ออกเป็นหลายชั้น การลดขนาดของตัวอักษร และการใช้การพิมพ์แบบเลเซอร์
แนวโน้มของการออกแบบ PCB ขนาดเล็ก
แนวโน้มของการออกแบบ PCB ขนาดเล็กในอนาคตมีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่การลดขนาดให้เล็กลงไปอีก โดยอาศัยการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง เช่น
- เทคโนโลยี microvias ที่สามารถผลิต vias ที่มีขนาดเล็กลงกว่าเดิมมาก ซึ่งช่วยให้ PCB มีพื้นที่สำหรับวางส่วนประกอบได้มากขึ้น
- เทคโนโลยี HDI (high density interconnect) ที่สามารถเชื่อมชั้นต่างๆ ของ PCB เข้าด้วยกันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งช่วยให้ PCB มีขนาดที่เล็กลงได้
- เทคโนโลยีการผลิตแบบอัตโนมัติ ที่สามารถช่วยลดข้อผิดพลาดในการผลิต PCB ขนาดเล็ก ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิต PCB ขนาดเล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัดต้นทุน
นอกจากนี้ แนวโน้มของการออกแบบ PCB ขนาดเล็กในอนาคตยังอาจมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพของ PCB ในด้านต่างๆ เช่น
ประสิทธิภาพด้านความร้อน โดยการใช้วัสดุที่มีการนำความร้อนที่ดียิ่งขึ้น
- ประสิทธิภาพด้านความทนทาน โดยการใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงและทนทานต่อแรงกระแทกได้ดียิ่งขึ้น
- ประสิทธิภาพด้านประหยัดพลังงาน โดยการใช้ส่วนประกอบและเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูง
แนวโน้มเหล่านี้จะช่วยขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยี PCB ขนาดเล็กให้ก้าวหน้าต่อไป และช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิต PCB ขนาดเล็กที่มีขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และคุ้มค่ามากขึ้น
ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ที่ใช้ PCB ขนาดเล็ก
ปัจจุบัน PCB ขนาดเล็กถูกใช้อย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท เช่น
- อุปกรณ์สวมใส่ (wearable devices) เช่น นาฬิกาอัจฉริยะ สมาร์ทแว่นตา และอุปกรณ์ติดตามสุขภาพ
- อุปกรณ์ IoT (Internet of Things) เช่น เซ็นเซอร์ อุปกรณ์เชื่อมต่อ และอุปกรณ์เครือข่าย
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ (automotive electronics) เช่น ระบบควบคุมเครื่องยนต์ ระบบความปลอดภัย และระบบความบันเทิง
รูปที่ 5 PCB สำหรับนาฬิกาอัจฉริยะ | Photo by www.xdcpcb.com
แนวโน้มของการออกแบบ PCB ขนาดเล็กในอนาคตจะช่วยขับเคลื่อนการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ให้ก้าวหน้าต่อไป ตัวอย่างเช่น
- อุปกรณ์สวมใส่ อาจมีขนาดเล็กลงและน้ำหนักเบาลงกว่าเดิมมาก ทำให้สวมใส่ได้สะดวกสบายยิ่งขึ้น
- อุปกรณ์ IoT อาจถูกติดตั้งได้ง่ายขึ้นและใช้งานได้หลากหลายยิ่งขึ้น
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ อาจมีประสิทธิภาพสูงและปลอดภัยยิ่งขึ้น
รูปที่ 6 อุปกรณ์ IoT | Photo by IoT Device Management: Importance, Challenges, Solutions
เทคโนโลยี PCB ขนาดเล็กเป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพสูงที่จะพลิกโฉมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต โดยช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และคุ้มค่ามากขึ้น
บทสรุป
การออกแบบ PCB ขนาดเล็กเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งในปัจจุบันและอนาคต แนวโน้มการออกแบบ PCB ขนาดเล็กในอนาคตมีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่การลดขนาดให้เล็กลง โดยอาศัยเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง เช่น เทคโนโลยี microvias, เทคโนโลยี HDI (high density interconnect) และเทคโนโลยีการผลิตแบบอัตโนมัติ
นอกจากนี้ แนวโน้มการออกแบบ PCB ขนาดเล็กในอนาคตยังมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพในด้านต่าง ๆ เช่น ประสิทธิภาพด้านความร้อน ความทนทาน และการประหยัดพลังงาน
แนวโน้มเหล่านี้จะช่วยขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยี PCB ขนาดเล็กให้ก้าวหน้าต่อไป ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิต PCB ขนาดเล็กที่มีขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และคุ้มค่ามากขึ้น
เทคโนโลยี PCB ขนาดเล็กมีศักยภาพสูงในการพลิกโฉมอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต
อ้างอิง
Bard. (2023, Unpublished). Small PCBs: Design and Manufacturing. https://bard.google.com/
Teel, J. (2022, 2023). PCB Design: Making Your PCB as Small as Possible. Blog of Predictable Design. https://predictabledesigns.com/making-your-pcb-as-small-as-possible
PROTO-ELECTRONICS.(2023). Our Best Design Rules for Small-Size PCBs. Blog of PROTO-ELECTRONICS. https://www.proto-electronics.com/blog/our-best-design-rules-for-small-size-pcbs
Zachariah P. (2021). Design Your Small Circuit Board in Altium Designer. Blog of Altium. https://resources.altium.com/p/small-circuit-board
Smart Wearable PCB Smart Watch PCBA And PCB Assembly of Xing Da Electric Technology. http://www.xdxpcb.com/pcba/dip-pcba/smart-wearable-pcb-smart-watch-pcba-and-pcb.html
IoT Device Management: Importance, Challenges, Solutions of intuz. https://www.intuz.com/guide-on-iot-device-management
Automotive Solutions of Boardcom. https://www.broadcom.com/solutions/industry/industrial-automotive/automotive-solutions
Photo by Unsplash. https://unsplash.com/