印制電路的發(fā)展史

作者：何為

早期的制造工藝

一塊印制電路板于1936年在日本誕生。但真正給予其重要意義的工作是英國的艾斯勒（Eisler）博士完成的。在1940年，他借助于印制技術中的照相、制版、腐蝕等成熟工藝，在覆有金屬箔的絕緣基板上制造出了第一塊具有實用價值的印制電路板。

1947年，美國舉辦了首屆印制電路技術討論會，總結了以前印制電路的主要制造方法，歸納為六類：涂料法、噴涂法、模壓法、粉壓法、真空鍍膜法和化學沉積法。但是這些方法都未能實現大規(guī)模工業(yè)化生產，而其中有的方法至今仍被借鑒、延用。如適用于涂料法的陶瓷基片制造混合電路作為一種重要技術保留下來了，在絕緣基材上印制導電膏形成的電路板也逐漸受到關注并在未來將推向產業(yè)化。此外，化學沉積法是加成法制造印制電路板的基礎，也仍在研究發(fā)展之中。

現代印制電路的發(fā)展

“印制電路（Printed Circuit）”這個概念，首先由英國的Eisler博士在1936年提出，但那時并沒有引起電子制造商的興趣。Eisler博士對原有的工藝方法進行研究比較，感到不滿意，于是他提出了銅箔腐蝕法工藝。正是他首創(chuàng)了目前主流的印制電路規(guī)?；圃旆椒?，即在全面覆蓋金屬箔的絕緣基板上涂上耐蝕刻油墨后，再將不需要的金屬箔腐蝕掉形成印制電路板。1942年他用紙質層壓絕緣基板粘接銅箔，絲網印制導電圖形，再用蝕刻法把不需要的銅箔腐蝕掉，制造出了收音機用印制電路板。這種工藝當時在英國受到冷落，但卻被美國人率先接受。在二次世界大戰(zhàn)中，美國人應用Eisler博士發(fā)明的技術制造印制電路板，應用于軍事電子裝置中，并獲得巨大成功，這引起了電子制造商們的重視。

到了20世紀50年代初，銅箔腐蝕法成為最為實用的印制電路板制造技術，并開始廣泛應用。因此，Eisler博士也被人們稱為“印制電路之父”。

從銅箔腐蝕法成為印制電路生產的主要方法后，印制電路技術發(fā)展得非常迅速，較好地適應了飛速發(fā)展的電子技術發(fā)展的需求。實際上，印制電路的發(fā)展幾乎是與半導體器件的發(fā)展同步進行的。

1．印制電路板（PCB）技術50年間的發(fā)展

（1）PCB試產期：20世紀50年代（制造方法：減成法）

在晶體管問世不久的20世紀50年代前后，單面的印制電路板就可以滿足晶體管收音機的應用需求。產品主要是民用電器，如收音機、電視機等。

單面印制電路板的制造方法是使用覆銅箔紙基酚醛樹脂層壓板（PP板）作為基材，用化學藥品溶解PP板上不需要的銅箔，而留下的銅線路即為所設計的電路。該生產技術被稱為“減成法工藝”。不過即使在當時的一些品牌電子制造商中，印制電路板減成法工藝仍以手工操作為主，其中腐蝕液采用的是三氯化鐵。當時印制電路板的代表性應用產品是索尼公司的手提式晶體管收音機，其是采用PP基材的單面印制電路板。1958年，日本出版了印制電路行業(yè)內最早啟蒙書，即《印制電路》著作。

在20世紀50年代后期，電子管逐漸被晶體管取代，電子工業(yè)進入“晶體管時代”。為了適應生產發(fā)展的需要，印制電路板由單面的酚醛樹脂基發(fā)展到用玻璃纖維布增強的環(huán)氧樹脂基絕緣層材料。

（2）PCB實用期：20世紀60年代（新材料：GE基材登場）

1955年日本起沖電氣公司與美國Raytheon公司進行技術合作，制造海洋雷達。Raytheon公司指定PCB要應用覆銅箔玻璃布環(huán)氧樹脂層壓板（GE基材）。日本開發(fā)的GE基材，實現了海洋雷達批量生產。1960年起沖電氣公司開始在批量生產電氣傳輸裝置的PCB上大量采用GE基板材料。1962年日本印制電路工業(yè)會成立。1964年美國光電路公司開發(fā)出沉厚銅化學鍍銅液（CC—4溶液），開始了新的加成法制造印制電路板工藝。日立化成公司引進了CC—4技術，用于PCB的GE基板。在初期應用中，GE基板存在加熱翹曲變形、銅箔剝離等問題，經材料制造商逐漸改進后得到明顯的改善。1965年起日本有好幾家材料制造商開始批量生產GE基板。

1960年前后，兩面都有電路圖形的“雙面印制電路板”、“孔金屬化雙面印制電路板”相繼投入生產。同時，由幾層印制電路板重疊在一起的“多層印制電路板”也開發(fā)出來了，這時的產品主要用于精密電子儀器及軍用電子裝備中。

大約在1968年前后，中、大規(guī)模的集成電路已經問世，并投入生產。與它相適應的“孔金屬化雙面印制電路板”逐漸取代了單面印制電路板，而且柔軟、能折疊彎曲的“撓性印制電路板”也開發(fā)出來了。

（3）PCB躍進期：20世紀70年代（MLB登場，新安裝方式登場）

1970年以后，大規(guī)模集成電路的出現，加快了印制電路向多層化方向發(fā)展的速度。體積小，功能多的電子計算機也相繼問世。日本起沖電氣公司等通信設備制造企業(yè)各自設立PCB生產工廠，同時PCB專業(yè)制造公司也快速崛起。這時，采用電鍍貫通孔實現PCB的層間互連逐漸被采用。在1972～1981年的10年間，日本PCB生產金額約增長6倍（1972年產值471億日元，1981年產值3021億日元），是跨越式的紀錄。

1970年起，電信公司的電子交換機用PCB層數達到了3層。此后大型計算機的發(fā)展促進更多層PCB的發(fā)展。PCB的層數也從4層開始向6、8、10、20、40、50層，甚至更多層邁進。同時，PCB也實現高密度化（線路精細化、孔經微型化、絕緣層薄型化），線路寬度與間距從0.5mm減小至更小的0.35mm、0.2mm、0.1mm的尺寸。這使得PCB單位面積上布線密度大幅地提高。

此外，PCB上元器件的安裝方式開始了革命性變化，原來的插入式安裝技術（TMT）逐漸發(fā)展為更為精密的表面安裝技術（SMT）。一直以來，插入式安裝方法在PCB上都是依靠手工操作。自動元器件插入機的成功開發(fā)實現了元器件的自動裝配。SMT更是采用自動裝配線，實現PCB兩面電子元器件的貼裝。

（4）多層印制電路板（MLB）躍進期：20世紀80年代（超高密度安裝的設備登場）

1980年以后，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，它與高密度的多層印制電路結合在一起，出現了運算次數達數億次的超級計算機。在1982～1991年的10年間，日本PCB產值增長了約3倍（1982年產值為3615億日元，1991年為10940億日元）。MLB的產值在1986年時為1468億日元，超過了單面印制電路板產值；到1989年時為2784億日元，接近雙面印制電路板產值，之后MLB占印制電路板的主要地位了。

1980年以后，PCB高密度化明顯提高，形成了高達62層的玻璃陶瓷基MLB。MLB高密度化有效地推動了移動電話和計算機開發(fā)的激烈競爭。1988年美國IBM公司率先將多達42層的印制電路用于計算機的生產中。而現在，80多層的高密度印制電路也已投入應用之中。

（5）邁向21世紀的助跑期：20世紀90年代（積層法MLB登場）

1991年后，日本泡沫經濟破滅，電子設備和PCB受到了很大的影響。1994年后逐漸恢復，MLB和撓性印制電路板也開始快速增長，而單面印制電路板與雙面印制電路板產量卻開始下跌。1998年起積層法MLB進入實用期，產量急速增加，同時促進了集成電路（IC）封裝形式邁進面陣列端接型的球柵陣列（BGA）和芯片級封裝（CSP）時代的小型化、超高密度化安裝。隨著片式元器件的大規(guī)模開發(fā)，SMT技術在這一時代進入了快速發(fā)展的時期，明顯地提高了電子產品的互連密度。

（6）PCB一體化集成技術發(fā)展期：21世紀20年代

隨著電子產品向小型化、輕薄化方向發(fā)展，特別是智能產品和裝備的出現，印制電路板表面元器件安裝面積受到了極大的限制。元器件或IC器件的三維安裝，即PCB一體化集成成為21世紀20年代印制電路板制造最為重要的技術。就目前來說，電子元器件的埋嵌可減少印制電路板40%的面積，可大大地減小印制電路板的尺寸，而將更多的面積讓給電池或其他部件。

（7）展望

50多年來PCB發(fā)展變化巨大。自1947年發(fā)明半導體晶體管以來，電子設備的形態(tài)發(fā)生了很大變化，半導體由集成電路（IC）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）向高集成度發(fā)展，開發(fā)出了多芯片組件（MCM）、球柵陣列（BGA）、芯片級封裝（CSP）等更高集成化的IC封裝方式。21世紀初期印制電路板技術研究將繼續(xù)為實現電子產品的高密度化、小型化、輕量化以及高集成化而努力，主導21世紀的創(chuàng)新技術“納米技術”也將推動印制電路產品和技術的發(fā)展。

2．印制電路板技術水平的標志

評價印制電路板技術水平的指標很多，但是印制電路板上布線密度的大小成為目前判斷產品水平的重要因素。在印制電路板中，2.50mm或2.54mm標準網格交點上的兩個焊盤之間，能布設的導線根數將作為定量評價印制電路板布線密度高低的重要參數。

在兩個焊盤之間布設一根導線，為低密度印制電路板，其導線寬度大于0.3mm。

在兩個焊盤之間布設兩根導線，為中密度印制電路板，其導線寬度約為0.2mm。

在兩個焊盤之間布設三根導線，為高密度印制電路板，其導線寬度為0.1～0.15mm。

在兩個焊盤之間布設四根導線，可算超高密度印制電路板，線寬為0.05～0.08mm。

當然，對多層印制電路板來說，還應以孔徑大小、層數多少作為綜合衡量標志。

3．我國PCB高速發(fā)展

近10年我國PCB行業(yè)高速發(fā)展，到2004年我國PCB產量值達到500億元人民幣，已超過美國，成為僅次于日本的世界第二大PCB強國。2006年我國印制電路板總產值達到128億美元，已超過日本，成為世界第一大PCB生產大國。自此，我國印制電路板行業(yè)始終保持全球第一的地位并持續(xù)維持快速發(fā)展的態(tài)勢。2017年，我國印制電路板產值高達297億美元，已占據全球產值的50.5%。

印制電路的特點和分類

1．印制電路的特點

印制電路是由絕緣基板、金屬導線和連通不同層導線的互連孔、焊接元器件的“焊盤”組成。它的主要作用是支撐電子元器件之間的信號連通。相比傳統(tǒng)的導線連接方式，選用印制電路具有以下的優(yōu)點：

1）在封裝設計中，印制電路的物理特性的通用性比普通的接線更好。

2）電路永久性地附著在介質材料上，此介質基材也用作電路元器件的安裝面。

3）不會產生導線錯接或短路。

4）能嚴格地控制電參數的重現性。

5）大大縮小了互連導線的體積和重量。

6）可采用標準化設計。

7）有利于備件的互換和維護。

8）有利于機械化、自動化生產。

9）能節(jié)約原材料和提高生產率、降低電子產品的成本。

同時，印制電路在制造和使用中也存在一些缺點：

1）其結構的平面性，要求在設計和安裝上使用一些專門的設備和操作技巧。

2）在空間的利用上，只能是分割成小塊的平面。

3）產品的產量較小時，生產成本高。

4）大規(guī)模的高密度印制電路有時維護較困難，在某些場合中無法修理，也不允許修理。

不過，這些缺點隨著技術的發(fā)展，會逐步得到改進。

2．印制電路的分類

印制電路板的分類還沒有統(tǒng)一的方法。目前按習慣上一般有三種分類方法，即以用途分類，以基材分類和以結構分類。

（1）按用途分類

（2）按基材分類

（3）按結構分類

以用途分類很難反映出印制電路板的性能特點，而且目前的電子設備中有許多既可民用又可工業(yè)用，因此，以民用和工業(yè)用來區(qū)分印制電路板的方式基本被淘汰。按照基材分類能反映出印制電路板的主要性能，按照結構分類能反映出印制電路板本身的特性，因此這兩種分類法采用較多。不過以結構分類為大多數歐美國家所采用。另外，以印制電路板基材和結構兩種結合起來的分類方法也在采用，如單面酚醛紙質印制電路板、雙面環(huán)氧玻璃布印制電路板、多層聚酰亞胺印制電路板等名稱的使用。以加工工藝方法稱呼也逐漸得到重視，如采用積層發(fā)制作的積層多層印制電路板（BUM），以布線密度稱呼的高密度互連印制電路板（HDI）等。

《印制電路基礎：原理、工藝技術及應用》何為 編著