เมื่อข้อมูลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ความแม่นยำในการออกแบบจึงกลายเป็นเดิมพัน
ในยุคที่ระบบสื่อสารและเรดาร์พัฒนาจากเครือข่าย 5G ไปสู่ 6G และระบบ Autonomous Vehicle ก้าวสู่การใช้งานจริง ความต้องการส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงจึงกลายเป็นหัวใจของการแข่งขัน High-speed Signal และ mmWave Technology ไม่ได้เป็นแค่คำทางเทคนิคอีกต่อไป แต่คือโครงสร้างพื้นฐานของอุตสาหกรรมดิจิทัลยุคใหม่
การออกแบบวงจรไฟฟ้าเพื่อรองรับสัญญาณความเร็วสูงและคลื่นความถี่มิลลิเมตร (mmWave) ต้องเผชิญกับข้อจำกัดทางกายภาพที่ไม่เคยมีมาก่อน สัญญาณที่วิ่งเร็วระดับหลายสิบกิกะบิตต่อวินาที (Gbps) หรือคลื่นที่มีความยาวเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ต้องการการออกแบบที่ละเอียดในระดับไมครอน และการควบคุมทางไฟฟ้าอย่างพิถีพิถัน เพราะความผิดพลาดแม้เพียงเสี้ยวมิลลิเมตรอาจทำให้ระบบทั้งหมดล้มเหลว
High-speed Signal Design ศาสตร์แห่งความแม่นยำระดับพิโควินาที
High-speed Signal หมายถึงการส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงมาก เช่น 25Gbps, 56Gbps หรือแม้แต่ 112Gbps ตามมาตรฐาน Ethernet และ PCIe รุ่นล่าสุด ในความเร็วระดับนี้ ปรากฏการณ์ที่เคยเล็กน้อยในวงจรทั่วไป เช่น Reflection, Crosstalk, หรือ Signal Skew จะกลายเป็นปัญหาใหญ่ที่ทำให้ข้อมูลผิดพลาดทันที
เพื่อออกแบบวงจรที่รองรับสัญญาณความเร็วสูงได้อย่างเสถียร วิศวกรต้องควบคุม Characteristic Impedance ของ Trace ให้นิ่งทั่วทั้งเส้น ไม่ว่าจะผ่าน Via, Connector หรือ BGA Pad ก็ตาม การออกแบบ Stack-up ชั้น PCB ต้องวาง Signal Layer คู่กับ Ground Layer ที่เสถียร พร้อมใช้วัสดุ Low-loss เช่น Megtron6, Tachyon 100G หรือ RO4000 เพื่อรักษาสัญญาณไม่ให้สูญเสียระหว่างการส่งผ่าน
นอกจากนี้ การออกแบบต้องใช้ Simulation เช่น Eye Diagram Analysis เพื่อให้เห็นว่า “หน้าต่างการรับข้อมูล” (Eye Opening) ยังคงเปิดกว้างพอสำหรับการรับส่งสัญญาณที่ปราศจากความผิดพลาด ความสามารถในการรักษา Eye Opening ที่สวยงามในระดับหลายสิบกิกะบิตต่อวินาที จึงกลายเป็นตัววัดคุณภาพของวงจร High-speed Signal ยุคใหม่
mmWave Design ท้าทายทุกมิติเมื่อคลื่นสั้นกว่าขนาดชิ้นส่วน
mmWave หรือคลื่นความถี่ระดับมิลลิเมตร (24–100 GHz) คือแกนกลางของการพัฒนาเทคโนโลยี 5G/6G, Advanced Radar, และระบบการสื่อสารระยะไกล (Backhaul Link) การออกแบบวงจรสำหรับความถี่ระดับนี้มีความซับซ้อนอย่างยิ่ง เพราะความยาวคลื่นสั้นมากจนเล็กกว่าองค์ประกอบของวงจรเอง เช่น Trace หรือ Via
วัสดุที่ใช้ต้องมี Dk ต่ำและคงที่ เช่น Rogers RO3003, RO4350B เพื่อป้องกันการกระจายสัญญาณ การควบคุมความหยาบของผิว Copper (Surface Roughness) เป็นสิ่งจำเป็น เพราะ Skin Effect จะทำให้กระแสไหลเฉพาะที่ผิวทองแดง และหากผิวหยาบเกินไปจะทำให้การสูญเสียพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก
นอกจากนี้ ทุกการเชื่อมต่อ — ไม่ว่าจะเป็น Via Transition, Connector Launch หรือ Edge Coupling — จะกลายเป็นจุดเสี่ยงที่อาจทำให้สัญญาณสะท้อน (Reflection) และสูญเสีย (Loss) อย่างมหาศาล การใช้เทคนิคเช่น Back-drilling เพื่อลด Stub, การออกแบบ Ground Shield รอบสัญญาณ, และการวาง Route แบบ Stripline หรือ Differential Pair อย่างถูกต้อง จึงเป็นสิ่งจำเป็นในงาน mmWave
ปัญหาที่มองไม่เห็นใน High-speed/mmWave Design
เมื่อสัญญาณวิ่งเร็วระดับหลายสิบกิกะบิตต่อวินาที หรือมีความถี่สูงระดับสิบกิกะเฮิร์ตซ์ขึ้นไป พฤติกรรมของสัญญาณจะเริ่ม “ไม่เชื่อฟัง” กฎทางไฟฟ้าแบบดั้งเดิมอีกต่อไป ตัวอย่างเช่น:
- สายสัญญาณที่ยาวเพียงไม่กี่เซนติเมตรอาจกลายเป็น Transmission Line ที่ต้องคำนวณ Delay และ Impedance อย่างละเอียด
- ความผิดพลาดของระยะ Trace เพียง 50–100 μm อาจทำให้เกิด Timing Skew จนสัญญาณเพี้ยนได้
- การออกแบบที่ไม่มีการควบคุม Common Mode Noise หรือ Return Path ที่เหมาะสม อาจทำให้เกิด Radiated Emission หรือ EMI เกินมาตรฐานได้
ดังนั้น การทำ Simulation และ Pre-layout Analysis ด้วยเครื่องมือเช่น S-parameter Extraction, Eye Diagram, TDR Analysis, และ Via Modeling จึงเป็นกระบวนการที่ขาดไม่ได้ในการออกแบบตั้งแต่ต้น
โอกาสและความท้าทายของอุตสาหกรรมไทยในยุค High-speed/mmWave
สำหรับอุตสาหกรรมการผลิตไทย การยกระดับโรงงานให้รองรับงาน High-speed Signal และ mmWave ไม่ใช่แค่เรื่องของวัสดุ แต่ยังหมายถึงการลงทุนในเทคโนโลยีการผลิตที่ละเอียดสูง เช่น:
- AOI 3D และ CT-Xray ที่ตรวจสอบ Via และ Trace ขนาดเล็กระดับ 20–40 μm
- เครื่องวัด Impedance Inline ที่สามารถตรวจสอบ Trace ทุกเส้นได้แบบเรียลไทม์
- ระบบ Cleanroom Class 10000 หรือดีกว่า สำหรับประกอบอุปกรณ์ความถี่สูง
การเตรียมความพร้อมด้านวิศวกรรม เช่น การสร้างทีม Signal Integrity Engineer และ mmWave Design Specialist ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน เพราะการแข่งขันในตลาด Telecom, Radar, และ 6G Ecosystem จะเข้มข้นขึ้นเรื่อย ๆ และตลาดจะเลือกเฉพาะผู้ผลิตที่สามารถรักษาคุณภาพสัญญาณได้ในระดับสูงสุดเท่านั้น
ผู้ที่ควบคุมสัญญาณได้ คือผู้ที่ควบคุมอนาคตของการเชื่อมต่อ
โลกของการสื่อสารไร้สายและระบบเรดาร์กำลังก้าวเข้าสู่ยุคที่ความแม่นยำของสัญญาณเป็นทุกสิ่ง การเข้าใจ และสามารถออกแบบรองรับ High-speed Signal และ mmWave ได้ตั้งแต่ระดับวัสดุ กระบวนการผลิต จนถึงการทดสอบขั้นสุดท้าย จะกลายเป็นกุญแจที่แยกผู้เล่นธรรมดาออกจากผู้นำในอุตสาหกรรม
สำหรับประเทศไทย นี่ไม่ใช่แค่ความท้าทาย แต่มันคือโอกาสที่จะก้าวกระโดดจากการผลิต PCB ทั่วไป ไปสู่การเป็นฐานการผลิตเทคโนโลยีการสื่อสารแห่งอนาคตในระดับโลก
แหล่งข้อมูล :
- https://s3vi.ndc.nasa.gov/ssri-kb/static/resources/High-Speed%20PCB%20Design%20Guide.pdf
- https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/articles/english/advanced-connectivity-solutions/pcb-design-and-fabrication-concerns-for-millimeter-wave-circuits.pdf
- https://www.ti.com/lit/an/spracg5/spracg5.pdf?ts=1745874799878&ref_url=http%253A%252F%252Fti.com%252Fproduct%252FAWR1642
- https://www.ti.com/lit/an/scaa082a/scaa082a.pdf?ts=1745900331418&ref_url=https%253A%252F%252Fchatgpt.com%252F
- https://www.isola-group.com/wp-content/uploads/PCB-Material-Selection-for-RF-Microwave-and-Millimeter-wave-Designs-1.pdf
