PCB的發(fā)展歷史及展望

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印刷電路板(PCB)是由相互連接的電子元件組成的獨立模塊，從我們身邊日常使用的電子設(shè)備，如：手機、路由器、個人電腦到復(fù)雜的雷達、導(dǎo)彈、衛(wèi)星上，都能找到它們的身影，只是它們靚麗的光芒被設(shè)備外殼給遮蓋住了，你那天才般的設(shè)計往往被用戶所忽視，直到設(shè)備出現(xiàn)故障或者需要功能擴展，拆開設(shè)備外殼的剎那才能領(lǐng)略它的美。

PCB史前時代

電子學(xué)的起源可以追溯到1897年，約瑟夫·湯姆森發(fā)現(xiàn)電子的存在，電子學(xué)是在早期的電磁學(xué)和電工學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在電子學(xué)誕生之前，人類對于電磁現(xiàn)象的研究已相當(dāng)深入。一系列物理定律已經(jīng)確立，如庫侖定律、安培定律、 歐姆定律、 楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律等。

1831年6月13日，天降男神詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831年6月13日－1879年11月5日）于英國愛丁堡的印度街14號，麥克斯韋被普遍認(rèn)為是十九世紀(jì)物理學(xué)家中，對于二十世紀(jì)初物理學(xué)的巨大進展影響最為巨大的一位。他在1864年發(fā)表的論文《電磁場的動力學(xué)理論》中，集以往電磁學(xué)研究之大成，提出電場和磁場以波的形式以光速在空間中傳播，并提出光是引起同種介質(zhì)中電場和磁場中許多現(xiàn)象的電磁擾動，同時從理論上預(yù)測了電磁波的存在，將電、磁、光統(tǒng)歸為電磁場中現(xiàn)象，提出了著名的麥克斯韋方程組，建立了第一個完整的電磁學(xué)理論體系，為電磁學(xué)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用奠定了強大的理論基礎(chǔ)。

電磁學(xué)是現(xiàn)代科技生活最重要的學(xué)科，它的高速發(fā)展，將人類帶入了電氣時代和信息時代?？梢哉f，沒有電磁學(xué)的發(fā)展，就沒有人類的現(xiàn)代文明；這一自然科學(xué)理論的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，沒有麥克斯韋，也就沒有PCB，也就沒有PCB Layout這個行業(yè)，可能現(xiàn)在的老wu還是村口賣豬肉的最靚的仔。

有了電磁學(xué)理論的支撐，人們對電磁學(xué)的利用也達到了一定的水平，有線電報和有線電話也相繼發(fā)明，并且有了橫貫美洲大陸的電報、電話線路和橫跨大西洋的海底電纜。亞歷山大-格雷厄姆-貝爾在1876年發(fā)明了電話，托馬斯-愛迪生1879年發(fā)明了白熾燈、尼古拉-特斯拉于1888年發(fā)明了電動機，所有這些，都為電子學(xué)的誕生準(zhǔn)備了充足的條件。

標(biāo)志著電子學(xué)誕生的兩個重大的歷史事件，一是愛迪生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和關(guān)于電磁波存在的驗證實驗。

1883年，愛迪生在致力于延長碳絲白熾燈的壽命時，意外地發(fā)現(xiàn)了在燈絲與加有正電壓的電極間有電流流過，電極為負(fù)時則無電流，這就是愛迪生效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了后來電子管的發(fā)明

1887年，德國H.R.赫茲進行了一項實驗，他用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶縫隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。

無線電報的發(fā)明，是人類利用電磁波的第一個巨大成就，電子學(xué)從此開始了一個研究和利用電磁波的極其興旺的時期。

電磁波是電子元器件之間互聯(lián)通信的基石，而電子管的發(fā)明，則催生了PCB誕生。

1897年德國科學(xué)家布朗（Braun）制造出第一個真空管（vacuum tube），之后電子學(xué)的真空管時期就此展開?；旧希祭实恼婵展苤皇且粋€陰極射線管（Cathode Ray Tube）的雛型，功能并不大。

1904年，英國的弗萊明（John Fleming）發(fā)明了真空二極管（diode，當(dāng)時也稱作valve），是由一放射電子的加熱燈絲與接收電子的屏極所組成；當(dāng)屏極加入正電壓便會產(chǎn)生電流，加入負(fù)電壓便沒有電流產(chǎn)生。

到了1906年，德佛雷斯特（De Forest）在二極真空管內(nèi)加入柵極，發(fā)明了三極真空管（audion，或稱triode），可以控制電子的活動，使其具有放大信號與控制電量的強大功能，從而使得電子電路技術(shù)進入了實際應(yīng)用階段，同時也推動了無線電及其他電子行業(yè)的發(fā)展，這之后的20年中，各種電子設(shè)備不斷涌現(xiàn)出來，德佛雷斯特也被譽為無線電之父”、“電視始祖”、“電子管之父”。

電子管是電子器件的第一代，在晶體管發(fā)明以前的近半個世紀(jì)里，電子管幾乎是各種電子設(shè)備中唯一可用的電子器件。電子學(xué)隨后取得的許多成就，如電視、雷達、計算機的發(fā)明，都是和電子管分不開的。就是在固體電子學(xué)十分興旺的現(xiàn)代，以大功率電子管（特別是微波功率電子管）和電子束管為代表的真空電子學(xué)也仍然是一個活躍的領(lǐng)域。

通過上邊的圖片我們看到，在PCB技術(shù)沒有大規(guī)模應(yīng)用之前，生產(chǎn)這樣一臺電子設(shè)備是多么的麻煩而低效，大量的電子管，需要使用涂有絕緣樹脂的導(dǎo)線在器件之間進行人工布線并焊接，這就帶來一些問題：

人工接線效率低，沒辦法實現(xiàn)機器化大規(guī)模生產(chǎn)

人工接線容易出現(xiàn)安裝錯誤，檢查困難

端子的焊接可靠性低容易松動造成接觸不良

為了簡化電子機器的制作，減少電子零件間的配線，降低制作成本、提高電子機器的可靠性，人們開始鉆研以印刷的方式取代配線的方法，以利用機器實現(xiàn)精密的大規(guī)模化生產(chǎn)。

印刷電路板的誕生與發(fā)展

1831年法拉第發(fā)表電磁感應(yīng)定律之后，人們就開始研究如何利用電磁原理來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，薩繆爾·摩爾斯1837年發(fā)明了電報，貝爾于1876獲得了電話的發(fā)明zhuanli。到了1904年美國有300萬電話需要靠人工電話交換連接。

印刷電路板也是隨著電子連接系統(tǒng)發(fā)展而來的，以解決電報/電話系統(tǒng)的連接問題。初期，金屬條或金屬棒用于連接安裝在木制底座上的大型電子元件。隨著時間的推移，金屬條被螺絲端子和可擰入其中的電纜所取代，這樣連接更具有靈活性，而木制底座則被金屬底板所取代。但是，隨著電報/電話業(yè)務(wù)的發(fā)展，電話交換門數(shù)越來有多，電話系統(tǒng)相關(guān)的電子操作也越來越復(fù)雜，這就需要更小、更緊湊的設(shè)計。

圖為1907年的漢口路14號英商華洋德律風(fēng)公司的人工電話交換所

印刷電路板的搖籃期

與PCB有關(guān)的發(fā)明zhuanli最早的時間節(jié)點應(yīng)該在1903年，當(dāng)時一位名叫阿爾伯特·漢森（Albert Hanson）的德國著名發(fā)明家申請了一項英國zhuanli，他首創(chuàng)利用“線路”的觀念應(yīng)用于電話交換機系統(tǒng)，利用金屬箔切割成線路導(dǎo)體，然后線路導(dǎo)體上下面都粘上石蠟紙，在線路交點上設(shè)置導(dǎo)通孔實現(xiàn)不同層間的電氣互聯(lián)。這與我們現(xiàn)代的PCB制造方法有明顯的區(qū)別，因為當(dāng)時苯酚樹脂還未發(fā)明，而化學(xué)蝕刻技術(shù)也還未成熟，阿爾伯特·漢森發(fā)明的方法可以說是現(xiàn)代PCB制造的雛形吧。

1907年，出生于比利時的美國化學(xué)家利奧·亨德里克·貝克蘭（Leo Hendrik Baekeland，1863年－1944年）改進了酚醛樹脂的生產(chǎn)技術(shù)，將樹脂實用化、工業(yè)化。這也為印制電路板的問世與發(fā)展，創(chuàng)造了必要的條件。

1920年代–早期的PCB板材幾乎無所不包，從電木（就是上邊說的酚醛樹脂，俗稱電木）和松石到普通的舊薄木板。可以在材料上鉆一些孔，然后將扁銅絲鉚接到該材料上。外形看起來可能不是很美觀，但是后來的印刷電路板的理念就從這里誕生。當(dāng)時，這些電路板主要用于收音機和留聲機。

印刷電路板的發(fā)明

還記得上邊提到的赫茲嗎，1887年赫茲通過實驗證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)測之后，到了1920年代，無線電已經(jīng)引起了全世界的關(guān)注，而且電子管技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，成熟到可以開始無線電廣播的程度了，廣播收音機將很快被引入到每個家庭，如何快速制造收音機，也在促進著印刷電路板相關(guān)技術(shù)的演進。

1925年，美國的 Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案，再以電鍍的方式，成功建立導(dǎo)體作配線。這時，“PCB”這個名詞就誕生了。這種方法使得制造電器變得容易。

1936年，奧地利人Paul Eisler博士在英國發(fā)表箔膜技術(shù)，他在一個收音機裝置內(nèi)采用了印刷電路板；也是在1936年，日本的宮本喜之助以噴附配線法成功申請zhuanli。而兩者中 Paul Eisler 的方法與現(xiàn)今的印刷電路板最為相似，這類做法稱為減去法，是把不需要的金屬除去；而 Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線，稱為加成法。

Paul Eisler 也被稱為“印刷電路之父”，但因為當(dāng)時的電子管元件發(fā)熱量大，體積笨重，不方便在印刷電路板上進行安裝，Paul Eisler 的這一重大發(fā)明當(dāng)時并未被英國所注重，而在美國也只是將PCB制造技術(shù)應(yīng)用于軍工產(chǎn)品之中。

到了1942年,Paul Eisler博士繼續(xù)改進他的PCB生產(chǎn)方法，發(fā)明了世界最早實用化的雙面PCB,并在Pye公司正式生產(chǎn)。該zhuanli申請于1943年獲準(zhǔn)。

大約在1943年，美國開始大規(guī)模使用Paul Eisler的這項技術(shù)發(fā)明來制造近炸引信，用于第二次世界大戰(zhàn)。同時還將該技術(shù)大量使用于軍用收音機內(nèi)。

二戰(zhàn)中PCB開始用于近炸引信

1947年，環(huán)氧樹脂開始用作制造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術(shù)形成線圈、電容器、電阻器等制造技術(shù)。

1948年，美國正式認(rèn)可印刷電路板發(fā)明用于商業(yè)用途。

但是，1950年代，采用PCB的電子設(shè)備還很少。比如上圖這臺1948年的摩托羅拉生產(chǎn)的電視，依然沒有出現(xiàn)PCB。好家伙，密密麻麻的全是電子管，這當(dāng)時要是維修這機器肯定是一臉懵逼。如果你現(xiàn)在擁有一臺還能工作的摩托羅拉的電子管電視，那得值多少錢呢？1948能用得起電視的可都是有錢人。

印刷電路板的春天

從1950年代到1990年代。這是PCB產(chǎn)業(yè)形成并快速成長的階段，即PCB產(chǎn)業(yè)化的早期階段，此時PCB已經(jīng)成為一個產(chǎn)業(yè)。

1948年后，美國正式認(rèn)可了PCB這個發(fā)明用于商業(yè)用途，這也意味著PCB從軍事領(lǐng)域用途開始大規(guī)模商用的步伐。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，到了1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組研發(fā)出了晶體管，發(fā)熱量較低體積更小巧的晶體管從50年代開始大量取代電子管的地位，這也為印刷電路板技術(shù)的廣泛使用創(chuàng)造了條件。

1950年，日本公司嘗試在玻璃基板上涂銀作為導(dǎo)體，在酚醛樹脂紙基板上使用銅箔作為導(dǎo)體。從1950年開始，印刷電路的制造技術(shù)開始被廣泛接受，這時蝕刻起到了主導(dǎo)作用。伴隨著晶體管開始走向?qū)嵱没?，以金屬箔腐蝕法制成的單面PCB在美國開發(fā)成功,并很快地得到工業(yè)化應(yīng)用。

1951年，聚酰亞胺材料誕生。

1953年，Motorola開發(fā)出電鍍過孔法的雙面板。大約在1955年，日本的東芝公司推出了一種在銅箔表面生成氧化銅的技術(shù)，并出現(xiàn)了覆銅板（CCL）。這兩種技術(shù)后來都被廣泛用于多層印刷電路板的制造，它們對多層印刷電路板的出現(xiàn)起到了推波助瀾的作用。此后，多層PCB得到了廣泛的應(yīng)用。

印刷電路板廣泛被使用10年后的1960年代，PCB技術(shù)也日益成熟。而自從Motorola的雙面板問世，多層印刷電路板開始出現(xiàn)，使配線與基板面積之比更為提高。

圖為DEC 公司在1950年代推出的”Digital Laboratory Module”

印刷電路板已經(jīng)必不可少

1958年：仙童公司Robert Noyce與德儀公司基爾比間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路，開創(chuàng)了世界微電子學(xué)的歷史

1960年代，多層(4+層數(shù))PCB開始生產(chǎn)。而電鍍貫穿孔金屬化雙面PCB實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。

1964年：Intel摩爾提出摩爾定律，預(yù)測晶體管集成度將會每18個月增加1倍

1971年：Intel推出1kb動態(tài)隨機存儲器（DRAM），標(biāo)志著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)

1971年：全球第一個微處理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工藝，這是一個里程碑式的發(fā)明。

隨著集成電路的大規(guī)模應(yīng)用，這時如果電子產(chǎn)品的生產(chǎn)不使用印刷電路板的話，那生產(chǎn)會帶來大麻煩。

1970年代，多層PCB迅速發(fā)展，并不斷向高精度、高密度、細(xì)線小孔、高可靠性、低成本和自動化連續(xù)生產(chǎn)方向發(fā)展，以適應(yīng)摩爾定律的步伐。

雖然1970年代開始多層PCB就開始迅速發(fā)展，但當(dāng)時的PCB設(shè)計工作還是靠人工完成的。

當(dāng)時的PCB Layout工程師拿著彩色鉛筆和直尺，在透明的聚酯薄膜膠片上繪制電路，為了提高繪圖效率，會有一些常見器件的封裝模板和電路模板。

1980年代，表面安裝技術(shù)開始逐漸替代通孔安裝技術(shù)成為主流，也開始進入到了數(shù)字時代，隨著例如個人計算機，光盤，相機，游戲機，隨身聽等電子設(shè)備的發(fā)展，使我們在媒體消費方式方面發(fā)生了巨大變化。

微軟在1981年發(fā)布了MS-DOS1.0系統(tǒng)、1984年喬布斯的蘋果公司發(fā)布了Macintosh 麥金塔電腦（現(xiàn)多被簡稱為Mac），1984聯(lián)想成立，開始組裝個人計算機，個人計算機開始普及，基于DOS的CAD 軟件開始出現(xiàn)并快速發(fā)展。

CAD軟件的出現(xiàn)，提高了設(shè)計人員的繪圖效率，同時也提高了PCB設(shè)計的復(fù)用率，節(jié)約的重復(fù)設(shè)計時間，PCB設(shè)計完成后，直接導(dǎo)出Gerber文件輸入到光繪設(shè)備中，同時,PCB的制造也開始大量采用了機械替代了人工，PCB生產(chǎn)效率的提高，之前需要幾周才能交付的PCB現(xiàn)在最快幾個小時就能交付，這時快板廠開始出現(xiàn)。

1990年代至今，PCB產(chǎn)業(yè)開始走向成熟

1993年，摩托羅拉的Paul T. Lin申請了一種稱為BGA（球柵陣列）封裝的zhuanli，這標(biāo)志著有機封裝基板的開始。

1995年，松下公司開發(fā)出ALIVH（任意層間通孔）結(jié)構(gòu)的BUM PCB制造技術(shù)。這也意味著PCB開始進入HDI高密度互聯(lián)時代。

在2000年初期，PCB變得更小、更復(fù)雜。5-6密耳線寬/線距已經(jīng)是常規(guī)工藝，對于高端PCB板廠來說，開始制造3.5-4.5 mil 線寬/線距的電路板。

同時，柔性PCB變得更加普遍。

2006年，每層互連（ELIC）工藝被開發(fā)出來。該工藝使用堆疊的銅填充微孔，通過電路板的每一層進行連接。這種獨特的工藝使開發(fā)人員能夠在PCB中的任何兩層之間建立起堆疊后的連接。雖然這種工藝提高了靈活性水平，使設(shè)計人員能夠限度地提高互連密度，但直到2010年代，ELIC PCB才被廣泛使用

隨著智能手機的發(fā)展，驅(qū)動著HDI PCB技術(shù)的發(fā)展

智能手機的演變

隨著智能手機的發(fā)展，21世紀(jì)初，第二代HDI應(yīng)運而生。在保留激光鉆微通孔的同時，堆疊的通孔開始取代交錯的導(dǎo)通孔，并結(jié)合“任意層”構(gòu)建技術(shù)，HDI板最終的線寬/線距達到了40μm。

這種任意層的方法仍然基于減成法工藝，而且可以肯定的是，對于移動電子產(chǎn)品來說，大多數(shù)高端HDI仍然采用這種技術(shù)。然而，在2017年，HDI開始邁入新的發(fā)展階段，開始從減成法工藝轉(zhuǎn)向基于圖形電鍍的工藝。

例如，在0.3毫米間距的BGA設(shè)計中，BGA焊盤之間要過兩條走線，通孔尺寸通常為75微米，焊盤尺寸為150微米。布局設(shè)計需要30 μm/30 μm的線寬/線距。用現(xiàn)有的減法工藝來實現(xiàn)這種細(xì)線結(jié)構(gòu)是很有挑戰(zhàn)性的。蝕刻能力是關(guān)鍵因素之一，其中成品銅厚和電鍍均勻性需要與成像工藝一起優(yōu)化。這也是為什么PCB行業(yè)現(xiàn)在采用mSAP工藝的原因，與減法工藝相比，mSAP工藝可以很容易地生產(chǎn)出具有優(yōu)化導(dǎo)體形狀的線路，在整個PCB面板上，PCB蝕刻的端面上端寬度幾乎與下端寬度相等–線路形狀易于控制。mSAP的另一個優(yōu)點是利用現(xiàn)有資源和技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的PCB工藝，如鉆孔、電鍍等，并采用傳統(tǒng)材料，使銅與介電層之間具有良好的附著力，保證了最終產(chǎn)品的高可靠性

半加成法（mSAP）和改良型半加成法（amSAP）是經(jīng)過修改和高級修改后的版本，現(xiàn)在有望成為下一代HDI PCB主要采用的工藝。

下一代HDI工藝

由于小型化，HDI和微孔為高密度提供了巨大的推動作用。這些技術(shù)將跟隨著IC單元的幾何形狀繼續(xù)發(fā)展，變得更小。所以下一次革命將在光學(xué)導(dǎo)體領(lǐng)域。

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的不斷提升使得計算機系統(tǒng)的處理器性能提高，但是目前電子計算機依舊使用傳統(tǒng)的銅線來實現(xiàn)芯片–芯片、處理器–處理器、電路板–電路板之間的連接，國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）已經(jīng)指出未來的電子系統(tǒng)將會受芯片之間的互連所限制，因為目前主要采用的銅線面臨的主要問題是：

（1）高速信號失真，帶寬有限；

（2）金屬導(dǎo)線的傳輸損耗隨著信號頻率的增大而增大，限制了高頻信號的傳輸距離；

（3）容易受到電磁干擾；

（4）高功耗等

而光通信有很多傳統(tǒng)電信號不具備的優(yōu)勢，比如帶寬高、損耗低、無串?dāng)_、抗電磁干擾等等。實際上光纖已經(jīng)徹底替代傳統(tǒng)銅線用于長距離通信長達幾十年之久，未來的發(fā)展趨勢是光互連的通信距離將會逐漸變短，從國家之間的長距離通信到未來芯片內(nèi)部的信號傳輸。

目前業(yè)界普遍認(rèn)為，當(dāng)單通道速率達到25 Gb/s以上時，無論從技術(shù)實現(xiàn)還是成本上比較，電互連都將面臨著極大的挑戰(zhàn)。因此，要想克服電子計算機的“瓶頸”，就必須改變傳統(tǒng)的基于銅線的互連方式，將光科技引入到電子系統(tǒng)中，用新的光互連代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電互連，才能夠大幅度提升計算機的運行速度并促進高速信息通信網(wǎng)的發(fā)展，進而滿足社會發(fā)展的需要?！?a href="http://www.w8mlo.com/" target="_self" title="pcb線路板" textvalue="pcb線路板">pcb線路板