ประวัติความเป็นมาของแผงวงจรพิมพ์: จากการเดินสายไฟแบบพิมพ์ สู่แผงวงจรพิมพ์สมัยใหม่

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) พัฒนามาจากสิทธิบัตรตัวนำแบนในยุคแรกเมื่อปี ค.ศ. 1903 ไปสู่เทคโนโลยีต่างๆ เช่น แผ่นทองแดง, ชุบรูทะลุ, หลายชั้น, ติดตั้งบนพื้นผิว, ยืดหยุ่น และการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง พอล ไอส์เลอร์ ได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์สมัยใหม่ แต่ประวัติศาสตร์ของ PCB นั้นเกิดจากการสะสมของหลายสิ่งหลายอย่าง ทั้งนักประดิษฐ์ การผลิตในช่วงสงคราม วิทยาศาสตร์วัสดุ การบรรจุชิ้นส่วน การทำงานอัตโนมัติ และมาตรฐานอุตสาหกรรม ล้วนมีส่วนในการกำหนดรูปแบบของแผงวงจรในปัจจุบัน

ประวัติศาสตร์นั้นมีความสำคัญ เพราะความก้าวหน้าทางการผลิตแต่ละครั้งได้แก้ปัญหาที่ใช้งานได้จริง ตัวนำพิมพ์เข้ามาแทนที่การเดินสายแบบจุดที่ไม่สม่ำเสมอ รูชุบโลหะเชื่อมต่อด้านตรงข้ามและชั้นภายใน การติดตั้งบนพื้นผิวช่วยลดขนาดของชิ้นส่วนและรองรับการประกอบอัตโนมัติ วงจรแบบยืดหยุ่นและแบบแข็งกึ่งยืดหยุ่นช่วยให้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์สามารถติดตั้งในผลิตภัณฑ์ที่เคลื่อนไหว พับได้ หรือบรรจุอย่างแน่นหนาได้

คู่มือนี้จะติดตามขั้นตอนสำคัญเหล่านั้น แยกแผ่น PCB เปล่าออกจากแผ่น PCBA ที่ประกอบเสร็จแล้ว และเชื่อมโยงไทม์ไลน์เข้ากับการออกแบบอินเทอร์เฟซในปัจจุบัน สำหรับตัวอย่างว่าแผ่นวงจร สายต่อแบบยืดหยุ่น และอินเทอร์เฟซผู้ใช้มาบรรจบกันในผลิตภัณฑ์เดียวได้อย่างไร โปรดดูคู่มือในส่วน... ตัวเลือกขั้วต่อสวิตช์เมมเบรน.

ประวัติความเป็นมาของแผงวงจรพิมพ์โดยสังเขป

ช่วงเวลาดังกล่าวเหลื่อมกันเนื่องจากเทคโนโลยีไม่ได้เข้ามาแทนที่กันภายในปีเดียว การประกอบแบบ Through-hole ยังคงมีประโยชน์ แผงวงจรพิมพ์ด้านเดียวยังคงมีการผลิต และผลิตภัณฑ์สมัยใหม่สามารถผสมผสานแผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น แผ่นเมมเบรนพิมพ์ และการเดินสายแบบแยกชิ้นไว้ในตัวเครื่องเดียวกันได้

แผงวงจรพิมพ์คืออะไร?

แผ่นวงจรพิมพ์ หรือ PCB คือโครงสร้างฉนวนที่รองรับชิ้นส่วนต่างๆ ทางกลและเชื่อมต่อทางไฟฟ้าผ่านลวดลายตัวนำ แผ่นวงจรพิมพ์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้ลายทองแดง แผ่นรอง แผ่นเรียบ และรูชุบทองแดงบนหรือภายในวัสดุไดอิเล็กทริกที่แข็งหรือยืดหยุ่นได้ ชั้นวัสดุ ความหนา น้ำหนักทองแดง การตกแต่ง และโครงสร้างที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับการใช้งาน

คำว่า พิมพ์ เป็นกระบวนการทางประวัติศาสตร์ กระบวนการผลิตในยุคแรกๆ นั้นใช้การพิมพ์หมึกนำไฟฟ้าหรือภาพที่ทนต่อการกัดกร่อน การผลิตในปัจจุบันอาจเกี่ยวข้องกับการสร้างภาพด้วยโฟโตเรซิสต์ การกัดกร่อนทองแดง การเจาะด้วยเลเซอร์ การตกตะกอนแบบไม่ใช้ไฟฟ้า การชุบด้วยไฟฟ้า การเคลือบ การเคลือบสารกันบัดกรี การพิมพ์สัญลักษณ์ การเดินสาย การทดสอบ และการตรวจสอบ แม้ว่ากระบวนการจะไม่ใช่การพิมพ์หมึกบนกระดาษแบบธรรมดา แต่รูปแบบตัวนำที่เสร็จสมบูรณ์แล้วก็ยังคงเรียกว่า "สายไฟพิมพ์" อยู่ดี

มีสามคำที่มักทำให้เกิดความสับสน:

• PCB หรือ PWB: แผ่นวงจรพิมพ์เปล่า หรือแผ่นวงจรพิมพ์ก่อนที่จะติดตั้งชิ้นส่วนต่างๆ
• แผงวงจรพิมพ์ (PCBA): แผงวงจรพิมพ์ที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อด้วยการบัดกรีหรือวิธีการอื่น ๆ
• อิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์: เป็นหมวดหมู่ที่กว้างขึ้น ซึ่งวัสดุตัวนำ วัสดุต้านทาน วัสดุฉนวน หรือวัสดุกึ่งตัวนำ สามารถนำมาพิมพ์ลงบนพื้นผิวที่แข็งหรือยืดหยุ่นได้

เดอะ ภาพรวมวงจรพิมพ์จาก IEEE อธิบายว่าแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทำหน้าที่ทั้งเป็นส่วนรองรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และโครงสร้างการกระจายสัญญาณและพลังงาน บทบาทสองด้านทั้งทางกลและทางไฟฟ้าดังกล่าวอธิบายได้ว่าทำไมการออกแบบแผงวงจรจึงแยกออกจากข้อกำหนดด้านตัวเรือน ตัวเชื่อมต่อ ความร้อน EMC การประกอบ และการบริการไม่ได้

ก่อนยุค PCB สมัยใหม่: ตัวนำแบบแบนและวงจรพิมพ์

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) ไม่ได้เกิดขึ้นจากการประดิษฐ์เพียงอย่างเดียว มันพัฒนามาจากความพยายามซ้ำแล้วซ้ำเล่าที่จะทำให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าแบนราบ เป็นระเบียบ และผลิตซ้ำได้ง่ายกว่าการเดินสายด้วยมือ

ในปี ค.ศ. 1903 อัลเบิร์ต แฮนสัน นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน ได้อธิบายถึงตัวนำแบบแบนที่อยู่บนวัสดุฉนวน รวมถึงโครงสร้างที่คาดการณ์ถึงการเชื่อมต่อแบบหลายชั้น ต่อมาเขาได้พัฒนาสิ่งประดิษฐ์อื่นๆ ของเขาเพิ่มเติม สิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาสำหรับสายไฟฟ้า ภาพนี้แสดงให้เห็นตัวนำแบนเคลือบที่คั่นด้วยฉนวน แม้จะไม่ใช่แผงวงจร FR-4 ที่ทันสมัย ​​แต่ก็แสดงให้เห็นถึงหลักการสำคัญอย่างหนึ่ง นั่นคือ ตัวนำสามารถจัดเรียงเป็นโครงสร้างระนาบที่ผลิตขึ้นได้

ในปี ค.ศ. 1925 ชาร์ลส์ ดูคาส นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน ได้ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับการสร้างวงจรไฟฟ้าโดยการใช้ลวดลายตัวนำไฟฟ้ากับพื้นผิวรองรับ และสร้างโลหะขึ้นโดยวิธีการชุบด้วยไฟฟ้า ผู้นำเปิดกว้าง อธิบายอย่างชัดเจนถึงการพิมพ์ชั้นนำไฟฟ้าในรูปทรงของวงจร นี่เป็นหลักฐานชิ้นแรกๆ ที่แสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างการผลิตภาพกราฟิก วัสดุนำไฟฟ้า และการผลิตวงจร

นักประดิษฐ์และผู้ผลิตรายอื่นๆ ได้สำรวจวิธีการต่างๆ เช่น การพ่นโลหะ ตัวนำขึ้นรูป สายไฟแบบปั๊มขึ้นรูป วัสดุรองรับเซรามิก และวิธีการประกอบอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง แนวทางเหล่านี้เป็นคำตอบสำหรับปัญหาทางอุตสาหกรรมเดียวกัน นั่นคือ การเดินสายไฟแบบจุดต่อจุดต้องใช้แรงงานที่มีทักษะ ใช้พื้นที่มาก และอาจแตกต่างกันไปในแต่ละการประกอบ

ใครเป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์?

พอล ไอส์เลอร์ ได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์สมัยใหม่ คำตอบที่ถูกต้องคือ แฮนสัน ดูคาส และคนอื่นๆ ได้วางรากฐานแนวคิดเบื้องต้น ในขณะที่ไอส์เลอร์ได้พัฒนาวิธีการผลิตแผ่นทองแดงแบบใช้งานได้จริง ซึ่งคล้ายคลึงกับการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบตัดออกในภายหลัง

ไอส์เลอร์เป็นวิศวกรชาวออสเตรียที่ทำงานในอังกฤษ ในช่วงทศวรรษ 1930 เขาพยายามที่จะแทนที่การเดินสายไฟที่หนาแน่นและซับซ้อนภายในวิทยุด้วยรูปแบบตัวนำที่สามารถทำซ้ำได้บนฐานฉนวน งานของเขารวมความรู้ด้านการพิมพ์เข้ากับแผ่นฟอยล์ทองแดง ภาพที่ทนต่อการกัดกร่อน และการกำจัดโลหะที่ไม่ต้องการด้วยสารเคมี

กุญแจ สิทธิบัตรของไอส์เลอร์และสตรองยื่นจดในปี 1943 บทความนี้อธิบายถึงการพิมพ์ลวดลายต้านทานลงบนแผ่นฟอยล์โลหะ การกำจัดแผ่นฟอยล์ที่ไม่มีลวดลายออกโดยการกัด และการถ่ายโอนหรือยึดลวดลายตัวนำที่เหลืออยู่ลงบนวัสดุรองรับที่เป็นฉนวน แม้ว่าคำศัพท์และตัวอย่างจะแตกต่างจากที่ใช้ในโรงงานผลิตในปัจจุบัน แต่หลักการพิมพ์-ต้านทาน-กัดนั้นยังคงเข้าใจได้

การระบุแหล่งที่มายังคงมีความซับซ้อนอยู่ด้วยเหตุผลสามประการ:

1. สิทธิบัตรฉบับแรกๆ ได้อธิบายถึงบางส่วนของแนวคิดนี้ก่อนที่ไอส์เลอร์จะกล่าวถึง
2. เทคโนโลยีการพิมพ์วงจรไฟฟ้าได้รับการพัฒนาผ่านการทำงานคู่ขนานในยุโรป สหรัฐอเมริกา และที่อื่นๆ
3. สิทธิบัตร ต้นแบบในห้องปฏิบัติการ กระบวนการผลิต และการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง ล้วนเป็นขั้นตอนสำคัญที่แตกต่างกัน

สำหรับการสรุปข้อมูลเพื่อการทำ SEO นั้น “พอล ไอส์เลอร์เป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์” นั้นเข้าใจได้ง่าย แต่สำหรับประวัติศาสตร์ทางเทคนิคแล้ว “พอล ไอส์เลอร์ได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์สมัยใหม่” นั้นถูกต้องแม่นยำกว่า

สงครามโลกครั้งที่สองและการก้าวไปสู่การผลิต

แผงวงจรพิมพ์ได้รับคุณค่าเชิงกลยุทธ์ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการทหารต้องการชิ้นส่วนประกอบขนาดกะทัดรัดที่สามารถผลิตซ้ำได้ในปริมาณมาก แผงวงจรพิมพ์ถูกนำไปใช้ในโครงการจุดระเบิดระยะใกล้และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง แม้ว่าแผงวงจรพิมพ์เหล่านี้จะไม่เหมือนกับแผงวงจรพิมพ์สำหรับผู้บริโภคหลังสงครามทุกประการ แต่ผลงานในช่วงสงครามพิสูจน์ให้เห็นว่าการเชื่อมต่อแบบมีลวดลายสามารถนำไปใช้ได้จริงนอกเหนือจากการทดลองแบบแยกส่วน

การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้มุ่งเน้นแค่ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการผลิตด้วย รูปแบบการนำไฟฟ้าที่ควบคุมได้ช่วยลดปริมาณการเดินสายด้วยมือ ทำให้ชิ้นส่วนประกอบมีความสม่ำเสมอมากขึ้น และสร้างพื้นฐานสำหรับการวางตำแหน่งชิ้นส่วนและการบัดกรีด้วยเครื่องจักร ภาพวาด งานศิลปะ การตรวจสอบ และการควบคุมกระบวนการกลายเป็นส่วนหนึ่งของการกำหนดผลิตภัณฑ์

หลังสงคราม ความรู้ได้แพร่กระจายไปสู่ด้านอิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์ วิทยุ โทรทัศน์ เครื่องมือวัด โทรคมนาคม และคอมพิวเตอร์ ทำให้เกิดความต้องการวงจรที่สามารถผลิตซ้ำได้ ผู้ผลิตได้ปรับปรุงแผ่นลามิเนตทองแดง การสร้างภาพด้วยแสง การกัด การเจาะ การบัดกรี และการเคลือบป้องกัน แผงวงจรจึงค่อยๆ กลายเป็นแพลตฟอร์มมาตรฐานสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แทนที่จะเป็นเพียงการทดลองผลิตพิเศษ

ทศวรรษ 1950 และ 1960: รูเคลือบ, แผ่นวงจรหลายชั้น และมาตรฐานต่างๆ

แผ่นวงจรพิมพ์ด้านเดียวช่วยลดความซับซ้อนของการเดินสายไฟ แต่ก็จำกัดการจัดวางเส้นทาง นักออกแบบสามารถเพิ่มจัมเปอร์หรือใช้ทั้งสองด้านได้ แต่ก็ยังคงต้องการการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ระหว่างด้านต่างๆ เทคโนโลยีการเจาะรูเคลือบโลหะช่วยแก้ปัญหานั้นได้โดยการเคลือบวัสดุตัวนำลงบนผนังของรูที่เจาะไว้ รูที่เคลือบโลหะแล้วสามารถใช้เป็นจุดเชื่อมต่อชิ้นส่วน จุดเชื่อมต่อผ่านตัวนำ หรือทั้งสองอย่างได้

เมื่อสามารถเชื่อมต่อชั้นต่างๆ ด้วยรูได้แล้ว ผู้ผลิตจึงสามารถเคลือบชั้นทองแดงและฉนวนหลายชั้นที่มีลวดลายเข้าด้วยกันบนแผ่นวงจรเดียวได้ การสร้างแบบหลายชั้นช่วยเพิ่มความหนาแน่นของการเดินสายและทำให้การกระจายพลังงานและกราวด์เป็นระบบมากขึ้น นอกจากนี้ยังนำมาซึ่งความเสี่ยงต่อความล้มเหลวใหม่ๆ เช่น การครอบคลุมผนังรูที่ไม่ดี การเลอะของเรซิน การจัดวางที่ไม่ตรงกัน ช่องว่างในการเคลือบ และความเครียดจากความร้อน ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องการการควบคุมวัสดุและกระบวนการที่เข้มงวดมากขึ้น

อุตสาหกรรมยังต้องการภาษาที่ใช้ร่วมกันและเกณฑ์การยอมรับ ในปี 1957 ผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ 6 รายในสหรัฐอเมริกาได้ก่อตั้งสถาบันวงจรพิมพ์ขึ้น องค์กรอย่างเป็นทางการ ประวัติ IPC เอกสารนี้บันทึกผลงานในช่วงแรกของสมาคมเกี่ยวกับการให้คำแนะนำด้านการออกแบบ การทดสอบแบบรอบด้าน สถิติการตลาด ความสามารถในการบัดกรี แผงวงจรหลายชั้น และมาตรฐาน IPC ฉบับแรกๆ IPC-A-600 ซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกในทศวรรษ 1960 กลายเป็นแหล่งอ้างอิงด้านภาพที่สำคัญสำหรับความเหมาะสมของแผงวงจรเปล่า

วงจรรวม (Integrated circuits) ได้เร่งให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ แพ็คเกจอย่างเช่นแพ็คเกจแบบแถวคู่ (Dual In-line Package หรือ DIP) ได้จัดวางขาจำนวนมากไว้ในตารางที่ทำซ้ำได้ ทำให้การติดตั้งอัตโนมัติและการออกแบบ PCB ง่ายขึ้น สามารถบรรจุฟังก์ชันต่างๆ ได้มากขึ้นบนแผ่นวงจรเดียว แต่จำนวนการเชื่อมต่อก็เพิ่มขึ้น การออกแบบ PCB กลายเป็นศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับไลบรารีของส่วนประกอบ กฎการเว้นระยะ การวางแผนชั้น การสร้างงานศิลปะ และการตรวจสอบการออกแบบเพื่อการผลิต

จากเทคโนโลยีแบบ Through-Hole สู่เทคโนโลยีแบบ Surface-Mount

เทคโนโลยีแบบรูทะลุ (Through-hole technology) คือการเสียบขาของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ผ่านรูที่เจาะไว้ แล้วบัดกรีที่ด้านตรงข้าม เทคโนโลยีนี้รองรับชิ้นส่วนที่มีขาแข็งแรง ต้นแบบที่เข้าถึงได้ง่าย และตัวเชื่อมต่อหรือชิ้นส่วนจ่ายไฟที่ต้องการการยึดติดทางกล ข้อเสียคือต้องมีการเจาะรู ใช้พื้นที่บนแผ่นวงจร และขาและรูของชิ้นส่วนจำกัดการเดินสายบนหลายชั้น

เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว หรือ SMT คือการวางขั้วต่อของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลงบนแผ่นรองบนพื้นผิวของแผงวงจร แพ็คเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิวในยุคแรกๆ ปรากฏในงานเฉพาะทาง และการนำไปใช้ก็ขยายวงกว้างขึ้นในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 เมื่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องวางชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ สารบัดกรี กระบวนการรีโฟลว์ การตรวจสอบ และเครื่องมือออกแบบต่างๆ พัฒนาขึ้นพร้อมกัน

เทคโนโลยี SMT ไม่ได้ทำให้ชิ้นส่วนแบบรูทะลุ (through-hole) ล้าสมัยไป หม้อแปลงไฟฟ้า ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่ ขั้วต่อ สวิตช์ และตัวเชื่อมต่อที่รับแรงทางกล อาจยังคงใช้การยึดแบบรูทะลุหรือแบบกดอัดอยู่ เทคโนโลยีแบบผสมผสานเป็นเรื่องปกติเมื่อหน้าที่ทางไฟฟ้าและทางกลแตกต่างกัน

CAD, HDI และ PCB หลายชั้นสมัยใหม่

ในยุคแรกๆ การวางผังวงจรจะวาดขึ้นโดยใช้มาตราส่วนที่ขยายใหญ่ขึ้น โดยใช้เทป แผ่นรอง ฟิล์ม และการลดขนาดภาพถ่าย ต่อมาการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) ค่อยๆ เข้ามาแทนที่งานศิลปะที่วาดด้วยมือ นักออกแบบสามารถบันทึกแผนผังวงจร กำหนดตำแหน่งชิ้นส่วน กำหนดเส้นทางการเชื่อมต่อ ตรวจสอบระยะห่าง สร้างข้อมูลการผลิต และแก้ไขแผงวงจรได้โดยไม่ต้องสร้างต้นแบบทางกายภาพขึ้นใหม่

การออกแบบวงจรไฟฟ้าอัตโนมัติมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อจำนวนชั้น จำนวนขา อัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกา และความหนาแน่นของแพ็คเกจเพิ่มขึ้น การออกแบบแผงวงจรพิมพ์สมัยใหม่สามารถรวมถึงอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้ คู่สายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล เส้นทางส่งกลับ ความสมบูรณ์ของพลังงาน รูระบายความร้อน เส้นทางหลบหนีของส่วนประกอบ ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า การเข้าถึงการทดสอบ การจัดแผง และข้อจำกัดในการประกอบ แผงวงจรพิมพ์ไม่ได้เป็นเพียงแค่ส่วนทดแทนสายไฟอีกต่อไป แต่เป็นส่วนประกอบทางวิศวกรรมที่คำนึงถึงประสิทธิภาพด้านสัญญาณ พลังงาน ความร้อน และกลไก

เทคโนโลยีการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูง (High-density interconnect หรือ HDI) พัฒนาขึ้นในระดับการผลิตในช่วงทศวรรษ 1990 การใช้ไมโครเวียที่เจาะด้วยเลเซอร์ คุณสมบัติของตัวนำละเอียด การเคลือบแบบต่อเนื่อง โครงสร้างแบบ via-in-pad และชั้นฉนวนที่บางลง ทำให้สามารถเชื่อมต่อได้โดยไม่ต้องใช้แพ็คเกจที่มีระยะห่างแคบ HDI ช่วยให้ผลิตภัณฑ์มือถือและคอมพิวเตอร์มีขนาดกะทัดรัด แต่ก็เพิ่มความจำเป็นในการเลือกวัสดุ การจัดตำแหน่ง การชุบ การสร้างภาพ และการทดสอบความน่าเชื่อถือที่แม่นยำมากขึ้นด้วย

ตัวเลือกการก่อสร้างสมัยใหม่ ได้แก่:

• แผงวงจรพิมพ์แบบแข็งชนิดชั้นเดียว สองชั้น และหลายชั้น
• แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นที่ทำจากทองแดงบนโพลีอิไมด์หรือวัสดุฉนวนแบบยืดหยุ่นอื่นๆ
• วงจรแบบแข็ง-ยืดหยุ่น ที่ผสมผสานส่วนประกอบแข็งเข้ากับส่วนที่ยืดหยุ่นได้ในตัว
• แผงวงจรแกนโลหะและระบบระบายความร้อนสำหรับงานกระจายความร้อน
• แผ่นลามิเนตความถี่สูงที่คัดเลือกมาเพื่อควบคุมคุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกและการสูญเสีย
• โครงสร้าง HDI ที่มีไมโครเวียและชั้นที่สร้างขึ้นตามลำดับ
• โครงสร้างแบบฝังตัวทั้งแบบพาสซีฟหรือแอคทีฟในการออกแบบเฉพาะทาง

คำว่า “ขั้นสูง” ไม่ได้หมายความว่า “ดีกว่า” เสมอไป แผงวงจรสองชั้นที่มีคุณสมบัติมากมายอาจผลิต ตรวจสอบ ซ่อมแซม และรับรองคุณภาพได้ง่ายกว่าแผงวงจร HDI ที่ไม่จำเป็น โครงสร้างที่ถูกต้องคือโครงสร้างที่ง่ายที่สุดที่ตรงตามข้อกำหนดด้านไฟฟ้า กลไก สิ่งแวดล้อม กฎระเบียบ ปริมาณ และอายุการใช้งาน

วิวัฒนาการของการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ลำดับการลดปริมาณพื้นฐานยังคงคล้ายคลึงกับแนวคิดของไอส์เลอร์ นั่นคือ ปกป้องทองแดงที่ควรคงอยู่ และกำจัดสิ่งที่ไม่ควรกำจัด การผลิตสมัยใหม่เพิ่มการควบคุมมากขึ้น และอาจผสมผสานขั้นตอนการลดปริมาณ การเพิ่มปริมาณแบบกึ่งสมบูรณ์ และการเพิ่มปริมาณเข้าด้วยกัน

กระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นโดยทั่วไปอาจประกอบด้วย:

1. บทวิจารณ์ทางวิศวกรรม: ตรวจสอบการเรียงซ้อน วัสดุ อิมพีแดนซ์ ขนาดรูเจาะ วงแหวนรอบนอก ระยะห่างของทองแดง การจัดวางแผง และข้อมูลการผลิต
2. การสร้างภาพและการกัดเซาะชั้นใน: ถ่ายทอดลวดลายตัวนำไปยังแกนหุ้มทองแดง พัฒนาสารต้านทานการกัดกร่อน กัดทองแดงส่วนที่ไม่ต้องการ และตรวจสอบคุณสมบัติที่เหลืออยู่
3. การเคลือบ: จัดเรียงชั้นด้านในให้ตรงกับแผ่นพรีเพรกและแผ่นฟอยล์ทองแดง จากนั้นกดแผ่นเหล่านั้นเข้าด้วยกันภายใต้ความร้อนและแรงดันที่ควบคุมได้
4. การเจาะ: สร้างรูทะลุ โครงสร้างตัน หรือโครงสร้างฝังดิน และส่วนประกอบเครื่องมือโดยใช้กระบวนการทางกลหรือเลเซอร์
5. การขจัดคราบและการเคลือบโลหะ: เตรียมผนังรู วางชั้นนำไฟฟ้าเบื้องต้น และชุบทองแดงด้วยไฟฟ้าเพื่อสร้างความหนาที่ต้องการ
6. การสร้างลวดลายและการกัดเซาะชั้นนอก: กำหนดเส้นทางภายนอก แผ่นรอง และระนาบ
7. หน้ากากบัดกรีและการทำเครื่องหมาย: ป้องกันทองแดงที่เลือกไว้ เปิดจุดเชื่อมต่อชิ้นส่วน และเพิ่มข้อมูลระบุตัวตนในจุดที่จำเป็น
8. การตกแต่งพื้นผิว: ทาวัสดุเคลือบผิวตามที่กำหนดลงบนแผ่นโลหะที่เปิดโล่ง เพื่อให้สามารถบัดกรีได้ดี มีประสิทธิภาพในการสัมผัส หรือใช้ในการต่อสายไฟ
9. การกำหนดลักษณะและตรวจสอบ: กำหนดเส้นทางหรือทำเครื่องหมายแผงควบคุม ตรวจสอบด้วยสายตาและโดยอัตโนมัติ และทำการทดสอบทางไฟฟ้า
10. การประกอบและการตรวจสอบความถูกต้อง: พิมพ์วางบัดกรี วางชิ้นส่วน บัดกรีแบบรีโฟลว์หรือแบบคลื่น ทำความสะอาดในส่วนที่จำเป็น ตรวจสอบ โปรแกรม และทดสอบการทำงานของแผงวงจรพิมพ์ (PCBA)

ไม่ใช่ทุกแผงวงจรที่จะใช้ทุกขั้นตอน แผงวงจรฟีนอลิกด้านเดียว แผงวงจรยืดหยุ่น แผงวงจรทองแดงหนา ลามิเนต RF แผงวงจรแบบแข็งและยืดหยุ่น หรือกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ ล้วนมีขั้นตอนการผลิตเฉพาะของตนเอง แบบร่าง บันทึกการผลิต การจัดเรียงชั้นวัสดุที่ควบคุมได้ ข้อกำหนดของวัสดุ และมาตรฐานการยอมรับที่เกี่ยวข้อง ควรเป็นตัวกำหนดผลิตภัณฑ์มากกว่าแผนผังขั้นตอนการทำงานทั่วไปที่พบในอินเทอร์เน็ต

วงจร PCB, FPC และวงจร PET พิมพ์ในอินเทอร์เฟซสมัยใหม่

ประวัติศาสตร์ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในปัจจุบันมาบรรจบกับส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักรแล้ว แผงปุ่มกดหรือแผงควบคุมอาจใช้แผงวงจรแข็งที่มีหน้าสัมผัสแบบกลไกหรือแบบโดม แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นที่ทำจากทองแดง แผงวงจรเมมเบรน PET ที่พิมพ์ด้วยวิธีการสกรีน หรือชุดประกอบแบบไฮบริด ส่วนประกอบที่มองเห็นได้และตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์อาจดูคล้ายกัน แม้ว่าเทคโนโลยีวงจรที่อยู่ด้านล่างจะแตกต่างกันก็ตาม

เดอะ ภาพรวมการสร้างสวิตช์เมมเบรนแบบกำหนดเอง แสดงให้เห็นว่าตัวเลือกการพิมพ์ PET, FPC และ PCB สามารถผสานรวมกับแผ่นปิดทับ โดม ไฟ LED และตัวเชื่อมต่อได้อย่างไร นี่เป็นเพียงความเป็นไปได้ในการกำหนดค่า ไม่ใช่การรับประกันว่าโครงสร้างใดโครงสร้างหนึ่งจะเหมาะสมกับทุกสภาพแวดล้อม

ควรเลือกตามความต้องการมากกว่าที่จะคิดว่าทองแดงนั้นดีกว่าหมึกพิมพ์เสมอไป วงจรควบคุมสวิตช์แบบง่ายๆ อาจไม่เหมาะกับแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้นที่ซับซ้อน ในทางกลับกัน วงจรที่มี LED, ชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบ, กระแสไฟสูง, ความต้านทานที่ควบคุมได้ หรือการเดินสายที่หนาแน่น อาจเกินขีดจำกัดการใช้งานของแผ่นวงจรพิมพ์พื้นฐาน

เดอะ คู่มือการออกแบบแป้นพิมพ์เมมเบรน อธิบายวิธีการระบุวงจร แผ่นปิดทับ องค์ประกอบสัมผัส ส่วนต่อขยาย ตัวเรือน และสภาพแวดล้อมในฐานะชุดประกอบเดียว หากวงจรติดตั้งอยู่บนแผ่นรองหรือรวมเข้ากับโครงสร้างควบคุมที่แข็งแรง ให้ตรวจสอบชุดประกอบแผงสวิตช์เมมเบรนทั้งหมดแทนที่จะประเมินเฉพาะแผงวงจรเพียงอย่างเดียว

สิ่งที่ไทม์ไลน์ PCB สอนนักออกแบบผลิตภัณฑ์

บทเรียนที่มีประโยชน์ที่สุดจากประวัติศาสตร์ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ไม่ใช่ว่าเทคโนโลยีใหม่กว่าจะชนะเสมอไป การเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งล้วนมีข้อจำกัด เช่น แรงงาน ขนาด จำนวนการเชื่อมต่อ ระบบอัตโนมัติ บรรจุภัณฑ์ของชิ้นส่วน ประสิทธิภาพของสัญญาณ พฤติกรรมทางความร้อน หรือรูปร่างของผลิตภัณฑ์

ใช้หลักการเดียวกันนี้ในการเลือกโครงสร้างที่ทันสมัย:

1. กำหนดความต้องการด้านไฟฟ้า ระบุค่าแรงดัน กระแส ความต้านทานการสัมผัส ความเร็วสัญญาณ อิมพีแดนซ์ การต่อลงดิน การป้องกันสัญญาณรบกวน LED และโหลดของส่วนประกอบต่างๆ
2. กำหนดรูปทรงเรขาคณิต ระบุรายละเอียดต่างๆ เช่น โครงร่างของแผ่นวงจร จำนวนชั้น ความหนา บริเวณที่โค้งงอ จุดที่สายออก ตำแหน่งของขั้วต่อ ความสูงของชิ้นส่วน พื้นที่ห้ามติดตั้ง และการรองรับของตัวกล่องหุ้ม
3. กำหนดสภาพแวดล้อม ระบุอุณหภูมิ ความชื้น การควบแน่น รังสียูวี สารเคมีทำความสะอาด การสั่นสะเทือน การตกกระแทก ESD EMI ฝุ่น และการสัมผัสกับของเหลว
4. กำหนดปริมาณการผลิต ปริมาณต้นแบบ ความต้องการรายปี ความถี่ในการแก้ไข การใช้ระบบอัตโนมัติ เครื่องมือ และความต่อเนื่องของการจัดหา ล้วนส่งผลต่อกระบวนการที่เหมาะสม
5. กำหนดนิยามของการตรวจสอบและการยอมรับ ระบุหมายเลขฉบับแก้ไขแบบร่าง วิธีการทดสอบ ขนาดตัวอย่าง เกณฑ์ความสวยงาม ข้อจำกัดทางไฟฟ้า และเอกสารที่ต้องบันทึกที่เกี่ยวข้อง
6. ตรวจสอบความถูกต้องของการประกอบ ทดสอบแผงวงจร อุปกรณ์ เฟิร์มแวร์ ตัวเชื่อมต่อ กาว ตัวเรือน และส่วนติดต่อผู้ใช้ที่ใช้งานจริงร่วมกัน

ที่เกี่ยวข้อง คู่มือการควบคุมคุณภาพสวิตช์เมมเบรน ครอบคลุมการตรวจสอบแบบร่าง การตรวจสอบวงจร การจัดแนว การทดสอบทางไฟฟ้า พฤติกรรมการสัมผัส และการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมสำหรับอินเทอร์เฟซที่เสร็จสมบูรณ์ ความก้าวหน้าในอดีตมาจากการควบคุมกระบวนการ การรับรองคุณภาพในปัจจุบันยังคงขึ้นอยู่กับหลักฐานที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน

ความเชื่อผิดๆ เกี่ยวกับประวัติของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่พบได้ทั่วไป

“คนๆ เดียวคิดค้นแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทั้งหมด”

ไอส์เลอร์สมควรได้รับเครดิตในฐานะผู้คิดค้นวงจรพิมพ์สมัยใหม่ แต่สิทธิบัตรก่อนหน้านี้และการพัฒนาควบคู่กันไปก็มีส่วนสำคัญในการคิดค้นแนวคิดต่างๆ ประวัติศาสตร์ของวงจรพิมพ์คือห่วงโซ่ของการประดิษฐ์ การพัฒนาอุตสาหกรรม วัสดุ อุปกรณ์ และมาตรฐานต่างๆ

“การพิมพ์หมายความว่าทองแดงจะถูกพิมพ์ออกมาเป็นหมึกเสมอ”

แผงวงจรพิมพ์หลายแบบใช้สารต้านทานภาพและทองแดงที่กัดเซาะ หมึกพิมพ์นำไฟฟ้ายังคงมีความสำคัญในวงจรเมมเบรนและอิเล็กทรอนิกส์แบบพิมพ์ แต่ไม่ใช่กระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์เพียงอย่างเดียว

“การติดตั้งแบบติดพื้นผิวแทนที่การติดตั้งแบบเจาะรู”

เทคโนโลยี SMT ครองตลาดการประกอบชิ้นส่วนขนาดกะทัดรัดหลายประเภท ในขณะที่การติดตั้งแบบ Through-hole, Press-fit, การบัดกรีด้วยมือ และการยึดด้วยกลไกยังคงมีประโยชน์สำหรับชิ้นส่วนและกรณีการรับน้ำหนักบางประเภท

“แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) คือสิ่งเดียวกัน”

แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) คือโครงสร้างเชื่อมต่อเปล่าๆ ส่วนแผ่นวงจรประกอบ (PCBA) นั้นรวมถึงชิ้นส่วนที่ติดตั้งแล้วและข้อต่อบัดกรี ข้อบกพร่องในการผลิตและข้อบกพร่องในการประกอบนั้นต้องการหลักฐานการตรวจสอบที่แตกต่างกัน

“ยิ่งมีชั้นมากเท่าไหร่ บอร์ดก็ยิ่งดีเท่านั้น”

การเพิ่มชั้นวัสดุสามารถช่วยปรับปรุงการวางแนวระนาบ การป้องกัน และความหนาแน่นได้ แต่จะเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนของกระบวนการ จำนวนชั้นวัสดุควรเป็นไปตามการออกแบบ ไม่ใช่ใช้เป็นเครื่องหมายแสดงคุณภาพ

คำถามที่พบบ่อย

แผงวงจรพิมพ์ถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อใด?

ไม่มีวันที่ระบุแน่ชัดว่าเป็นวันใดวันหนึ่ง อัลเบิร์ต แฮนสัน อธิบายถึงตัวนำแบนหลายชั้นในปี 1903 ชาร์ลส์ ดูคาส จดสิทธิบัตรวงจรพิมพ์และวงจรชุบด้วยไฟฟ้าในปี 1925 และพอล ไอส์เลอร์ พัฒนาวงจรพิมพ์สมัยใหม่ที่ใช้งานได้จริงในช่วงทศวรรษ 1930 และยื่นคำขอสิทธิบัตรสำคัญของอังกฤษในปี 1943

ใครเป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์?

พอล ไอส์เลอร์ ได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็นผู้คิดค้นแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สมัยใหม่ เนื่องจากงานด้านฟอยล์ สารกันกัด และการกัดกร่อนของเขาได้คาดการณ์ถึงกระบวนการผลิตในภายหลังอย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม นักประดิษฐ์รุ่นก่อนๆ เช่น อัลเบิร์ต แฮนสัน และชาร์ลส์ ดูคาส ก็ได้มีส่วนร่วมในแนวคิดพื้นฐานที่สำคัญเช่นกัน

เหตุใดจึงมีการคิดค้นแผงวงจรพิมพ์ขึ้นมา?

พวกเขาได้ลดการเดินสายไฟแบบจุดต่อจุดที่ยุ่งยากและใช้แรงงานมาก และทำให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้ามีขนาดกะทัดรัด สม่ำเสมอ และเหมาะสมสำหรับการผลิตซ้ำ การพัฒนาในภายหลังได้เพิ่มความหนาแน่นของการเดินสาย การประกอบแบบอัตโนมัติ และรองรับชิ้นส่วนที่มีขนาดเล็กลง

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) รุ่นแรกใช้สำหรับอะไร?

ไอส์เลอร์ได้สาธิตการใช้แผงวงจรพิมพ์ในอุปกรณ์วิทยุ ต่อมามีการผลิตแผงวงจรพิมพ์ในปริมาณมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในช่วงสงคราม รวมถึงการใช้งานในระบบจุดระเบิดแบบใกล้เคียง ก่อนที่จะขยายไปสู่ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์หลังสงคราม

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เริ่มเป็นที่นิยมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเมื่อใด?

การนำไปใช้แพร่หลายมากขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 และ 1960 เนื่องจากผู้ผลิตวิทยุ โทรทัศน์ เครื่องมือวัด และคอมพิวเตอร์ได้ปรับปรุงวัสดุและเพิ่มกำลังการผลิตในปริมาณมาก ช่วงเวลาในการนำไปใช้แตกต่างกันไปตามผลิตภัณฑ์ บริษัท ประเทศ และโครงสร้างต้นทุน

เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface-Mount Technology) เริ่มเป็นที่นิยมเมื่อใด?

เทคนิคการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface mounting) ปรากฏขึ้นครั้งแรกในงานเฉพาะทาง ขยายการใช้งานเชิงพาณิชย์ในช่วงทศวรรษ 1970 และถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ปริมาณมากในช่วงทศวรรษ 1980 เมื่อส่วนประกอบ อุปกรณ์จัดวาง บัดกรีแบบวาง การหลอม การตรวจสอบ และ CAD พัฒนาขึ้น

PCB, PWB และ PCBA แตกต่างกันอย่างไร?

โดยทั่วไป PCB และ PWB มักหมายถึงแผ่นวงจรเปล่าหรือโครงสร้างวงจรพิมพ์ ส่วน PCBA หมายถึงแผ่นวงจรประกอบที่มีชิ้นส่วนติดตั้งอยู่แล้ว คำศัพท์ที่ใช้อาจแตกต่างกันไปตามบริษัทและมาตรฐาน ดังนั้นเอกสารการสั่งซื้อควรระบุสถานะการส่งมอบที่ต้องการให้ชัดเจน

วงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (Flexible Printed Circuits หรือ PCBs) คืออะไร?

ใช่แล้ว แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่นใช้ตัวนำที่มีลวดลายบนฉนวนไฟฟ้าแบบยืดหยุ่น และจัดอยู่ในกลุ่มแผงวงจรพิมพ์ มันแตกต่างจากแผงวงจรพิมพ์แบบแข็งในด้านวัสดุ พฤติกรรมการโค้งงอ การรองรับ บริเวณที่วางชิ้นส่วน และการควบคุมกระบวนการผลิต

สวิตช์แบบเมมเบรนสามารถใช้กับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้หรือไม่?

ใช่แล้ว อินเทอร์เฟซแบบเมมเบรนสามารถเชื่อมต่อกับ PCB แยกต่างหาก หรือรวม PCB แบบแข็งหรือ FPC ทองแดงเป็นชั้นวงจรได้ นอกจากนี้ยังอาจใช้หมึกนำไฟฟ้าแบบพิมพ์สกรีนบน PET ได้อีกด้วย เลือกโครงสร้างโดยพิจารณาจากภาระทางไฟฟ้า รูปทรง ส่วนประกอบ สภาพแวดล้อม ปริมาตร และความต้องการในการตรวจสอบความถูกต้อง

การตรวจสอบโครงการ

Durakeypad คือ ผู้ผลิตสวิตช์เมมเบรนแบบกำหนดเองและผู้จำหน่ายแป้นพิมพ์เมมเบรน รองรับโครงการเชื่อมต่อ OEM ที่อาจรวม PCB, FPC, วงจรเมมเบรนพิมพ์, แผ่นกราฟิก, ตัวเชื่อมต่อ หรือแผงรองรับ สำหรับการก่อสร้างและการตรวจสอบราคาที่เหมาะสม ส่งแบบร่างและข้อกำหนดการใช้งานของคุณไปยัง Durakeypadซึ่งรวมถึงงานศิลปะ ขนาด แผนผังวงจรหรือตำแหน่งขา วัสดุ สภาพแวดล้อมในการทำงาน การสัมผัสกับสารทำความสะอาด ข้อกำหนดการตรวจสอบความถูกต้อง ปริมาณต้นแบบ และการคาดการณ์การผลิต