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(shù)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(shí)用價(jià)值的印制電路板。

1947年，美國舉辦了首屆印制電路技術(shù)討論會(huì)，總結(jié)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(xué)沉積法。但是這些方法都未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，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(shù)保留下來了，在絕緣基材上印制導(dǎo)電膏形成的電路板也逐漸受到關(guān)注并在未來將推向產(chǎn)業(yè)化。此外，化學(xué)沉積法是加成法制造印制電路板的基礎(chǔ)，也仍在研究發(fā)展之中。

現(xiàn)代印制電路的發(fā)展

“印制電路（Printed Circuit）”這個(gè)概念，首先由英國的Eisler博士在1936年提出，但那時(shí)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(jìn)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(zhì)層壓絕緣基板粘接銅箔，絲網(wǎng)印制導(dǎo)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(jī)用印制電路板。這種工藝當(dāng)時(shí)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(yīng)用Eisler博士發(fā)明的技術(shù)制造印制電路板，應(yīng)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(jì)50年代初，銅箔腐蝕法成為最為實(shí)用的印制電路板制造技術(shù)，并開始廣泛應(yīng)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(chǎn)的主要方法后，印制電路技術(shù)發(fā)展得非常迅速，較好地適應(yīng)了飛速發(fā)展的電子技術(shù)發(fā)展的需求。實(shí)際上，印制電路的發(fā)展幾乎是與半導(dǎo)體器件的發(fā)展同步進(jìn)行的。

1．印制電路板（PCB）技術(shù)50年間的發(fā)展

（1）PCB試產(chǎn)期：20世紀(jì)50年代（制造方法：減成法）

在晶體管問世不久的20世紀(jì)50年代前后，單面的印制電路板就可以滿足晶體管收音機(jī)的應(yīng)用需求。產(chǎn)品主要是民用電器，如收音機(jī)、電視機(jī)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(xué)藥品溶解PP板上不需要的銅箔，而留下的銅線路即為所設(shè)計(jì)的電路。該生產(chǎn)技術(shù)被稱為“減成法工藝”。不過即使在當(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)印制電路板的代表性應(yīng)用產(chǎn)品是索尼公司的手提式晶體管收音機(jī)，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(nèi)最早啟蒙書，即《印制電路》著作。

在20世紀(jì)50年代后期，電子管逐漸被晶體管取代，電子工業(yè)進(jìn)入“晶體管時(shí)代”。為了適應(yīng)生產(chǎn)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(qiáng)的環(huán)氧樹脂基絕緣層材料。

（2）PCB實(shí)用期：20世紀(jì)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(jìn)行技術(shù)合作，制造海洋雷達(dá)。Raytheon公司指定PCB要應(yīng)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(shí)現(xiàn)了海洋雷達(dá)批量生產(chǎn)。1960年起沖電氣公司開始在批量生產(chǎn)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(huì)成立。1964年美國光電路公司開發(fā)出沉厚銅化學(xué)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(jìn)了CC—4技術(shù)，用于PCB的GE基板。在初期應(yīng)用中，GE基板存在加熱翹曲變形、銅箔剝離等問題，經(jīng)材料制造商逐漸改進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)。同時(shí)，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(shí)的產(chǎn)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(jīng)問世，并投入生產(chǎn)。與它相適應(yīng)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(jìn)期：20世紀(jì)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(xiàn)，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(jì)算機(jī)也相繼問世。日本起沖電氣公司等通信設(shè)備制造企業(yè)各自設(shè)立PCB生產(chǎn)工廠，同時(shí)PCB專業(yè)制造公司也快速崛起。這時(shí)，采用電鍍貫通孔實(shí)現(xiàn)PCB的層間互連逐漸被采用。在1972～1981年的10年間，日本PCB生產(chǎn)金額約增長6倍（1972年產(chǎn)值471億日元，1981年產(chǎn)值3021億日元），是跨越式的紀(jì)錄。

1970年起，電信公司的電子交換機(jī)用PCB層數(shù)達(dá)到了3層。此后大型計(jì)算機(jī)的發(fā)展促進(jìn)更多層PCB的發(fā)展。PCB的層數(shù)也從4層開始向6、8、10、20、40、50層，甚至更多層邁進(jìn)。同時(shí)，PCB也實(shí)現(xiàn)高密度化（線路精細(xì)化、孔經(jīng)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(shù)（TMT）逐漸發(fā)展為更為精密的表面安裝技術(shù)（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(dòng)元器件插入機(jī)的成功開發(fā)實(shí)現(xiàn)了元器件的自動(dòng)裝配。SMT更是采用自動(dòng)裝配線，實(shí)現(xiàn)PCB兩面電子元器件的貼裝。

（4）多層印制電路板（MLB）躍進(jìn)期：20世紀(jì)80年代（超高密度安裝的設(shè)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(jié)合在一起，出現(xiàn)了運(yùn)算次數(shù)達(dá)數(shù)億次的超級計(jì)算機(jī)。在1982～1991年的10年間，日本PCB產(chǎn)值增長了約3倍（1982年產(chǎn)值為3615億日元，1991年為10940億日元）。MLB的產(chǎn)值在1986年時(shí)為1468億日元，超過了單面印制電路板產(chǎn)值；到1989年時(shí)為2784億日元，接近雙面印制電路板產(chǎn)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(dá)62層的玻璃陶瓷基MLB。MLB高密度化有效地推動(dòng)了移動(dòng)電話和計(jì)算機(jī)開發(fā)的激烈競爭。1988年美國IBM公司率先將多達(dá)42層的印制電路用于計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)中。而現(xiàn)在，80多層的高密度印制電路也已投入應(yīng)用之中。

（5）邁向21世紀(jì)的助跑期：20世紀(jì)90年代（積層法MLB登場）

1991年后，日本泡沫經(jīng)濟(jì)破滅，電子設(shè)備和PCB受到了很大的影響。1994年后逐漸恢復(fù)，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(chǎn)量卻開始下跌。1998年起積層法MLB進(jìn)入實(shí)用期，產(chǎn)量急速增加，同時(shí)促進(jìn)了集成電路（IC）封裝形式邁進(jìn)面陣列端接型的球柵陣列（BGA）和芯片級封裝（CSP）時(shí)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(shù)在這一時(shí)代進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期，明顯地提高了電子產(chǎn)品的互連密度。

（6）PCB一體化集成技術(shù)發(fā)展期：21世紀(jì)20年代

隨著電子產(chǎn)品向小型化、輕薄化方向發(fā)展，特別是智能產(chǎn)品和裝備的出現(xiàn)，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(jì)20年代印制電路板制造最為重要的技術(shù)。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(dǎo)體晶體管以來，電子設(shè)備的形態(tài)發(fā)生了很大變化，半導(dǎo)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(jì)初期印制電路板技術(shù)研究將繼續(xù)為實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的高密度化、小型化、輕量化以及高集成化而努力，主導(dǎo)21世紀(jì)的創(chuàng)新技術(shù)“納米技術(shù)”也將推動(dòng)印制電路產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展。

2．印制電路板技術(shù)水平的標(biāo)志

評價(jià)印制電路板技術(shù)水平的指標(biāo)很多，但是印制電路板上布線密度的大小成為目前判斷產(chǎn)品水平的重要因素。在印制電路板中，2.50mm或2.54mm標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格交點(diǎn)上的兩個(gè)焊盤之間，能布設(shè)的導(dǎo)線根數(shù)將作為定量評價(jià)印制電路板布線密度高低的重要參數(shù)。

在兩個(gè)焊盤之間布設(shè)一根導(dǎo)線，為低密度印制電路板，其導(dǎo)線寬度大于0.3mm。

在兩個(gè)焊盤之間布設(shè)兩根導(dǎo)線，為中密度印制電路板，其導(dǎo)線寬度約為0.2mm。

在兩個(gè)焊盤之間布設(shè)三根導(dǎo)線，為高密度印制電路板，其導(dǎo)線寬度為0.1～0.15mm。

在兩個(gè)焊盤之間布設(shè)四根導(dǎo)線，可算超高密度印制電路板，線寬為0.05～0.08mm。

當(dāng)然，對多層印制電路板來說，還應(yīng)以孔徑大小、層數(shù)多少作為綜合衡量標(biāo)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(chǎn)量值達(dá)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(qiáng)國。2006年我國印制電路板總產(chǎn)值達(dá)到128億美元，已超過日本，成為世界第一大PCB生產(chǎn)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(chǎn)值高達(dá)297億美元，已占據(jù)全球產(chǎn)值的50.5%。

印制電路的特點(diǎn)和分類

1．印制電路的特點(diǎn)

印制電路是由絕緣基板、金屬導(dǎo)線和連通不同層導(dǎo)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(dǎo)線連接方式，選用印制電路具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1）在封裝設(shè)計(jì)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(zhì)材料上，此介質(zhì)基材也用作電路元器件的安裝面。

3）不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線錯(cuò)接或短路。

4）能嚴(yán)格地控制電參數(shù)的重現(xiàn)性。

5）大大縮小了互連導(dǎo)線的體積和重量。

6）可采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

7）有利于備件的互換和維護(hù)。

8）有利于機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)。

9）能節(jié)約原材料和提高生產(chǎn)率、降低電子產(chǎn)品的成本。

同時(shí)，印制電路在制造和使用中也存在一些缺點(diǎn)：

1）其結(jié)構(gòu)的平面性，要求在設(shè)計(jì)和安裝上使用一些專門的設(shè)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(chǎn)品的產(chǎn)量較小時(shí)，生產(chǎn)成本高。

4）大規(guī)模的高密度印制電路有時(shí)維護(hù)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(diǎn)隨著技術(shù)的發(fā)展，會(huì)逐步得到改進(jìn)。

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(xí)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(jié)構(gòu)分類。

（1）按用途分類

（2）按基材分類

（3）按結(jié)構(gòu)分類

以用途分類很難反映出印制電路板的性能特點(diǎn)，而且目前的電子設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分類為大多數(shù)歐美國家所采用。另外，以印制電路板基材和結(jié)構(gòu)兩種結(jié)合起來的分類方法也在采用，如單面酚醛紙質(zhì)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(chǔ)：原理、工藝技術(shù)及應(yīng)用》何為 編著