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PCB的发展历史及展望

时间 : 2022-03-02 17:17:15 阅读 : 11

印刷电路板(PCB)是由相互连接的电子元件组成的独立模块,从我们身边日常使用的电子设备,如:手机、路由器、个人电脑到复杂的雷达、导弹、卫星上,都能找到它们的身影,只是它们靓丽的光芒被设备外壳给遮盖住了,你那天才般的设计往往被用户所忽视,直到设备出现故障或者需要功能扩展,拆开设备外壳的刹那才能领略它的美。

PCB史前时代

电子学的起源可以追溯到1897年,约瑟夫·汤姆森发现电子的存在,电子学是在早期的电磁学和电工学的基础上发展起来的。在电子学诞生之前,人类对于电磁现象的研究已相当深入。一系列物理定律已经确立,如库仑定律、安培定律、 欧姆定律、 楞次定律、法拉第电磁感应定律等。

1831年6月13日,天降男神詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831年6月13日-1879年11月5日)于英国爱丁堡的印度街14号,麦克斯韦被普遍认为是十九世纪物理学家中,对于二十世纪初物理学的巨大进展影响最为巨大的一位。他在1864年发表的论文《电磁场的动力学理论》中,集以往电磁学研究之大成,提出电场和磁场以波的形式以光速在空间中传播,并提出光是引起同种介质中电场和磁场中许多现象的电磁扰动,同时从理论上预测了电磁波的存在,将电、磁、光统归为电磁场中现象,提出了著名的麦克斯韦方程组,建立了第一个完整的电磁学理论体系,为电磁学在生产生活中应用奠定了强大的理论基础。

电磁学是现代科技生活最重要的学科,它的高速发展,将人类带入了电气时代和信息时代。可以说,没有电磁学的发展,就没有人类的现代文明;这一自然科学理论的成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。当然,没有麦克斯韦,也就没有PCB,也就没有PCB Layout这个行业,可能现在的老wu还是村口卖猪肉的最靓的仔。

有了电磁学理论的支撑,人们对电磁学的利用也达到了一定的水平,有线电报和有线电话也相继发明,并且有了横贯美洲大陆的电报、电话线路和横跨大西洋的海底电缆。亚历山大-格雷厄姆-贝尔在1876年发明了电话,托马斯-爱迪生1879年发明了白炽灯、尼古拉-特斯拉于1888年发明了电动机,所有这些,都为电子学的诞生准备了充足的条件。

标志着电子学诞生的两个重大的历史事件,一是爱迪生效应的发现和关于电磁波存在的验证实验。

1883年,爱迪生在致力于延长碳丝白炽灯的寿命时,意外地发现了在灯丝与加有正电压的电极间有电流流过,电极为负时则无电流,这就是爱迪生效应。这一发现导致了后来电子管的发明。

1887年,德国H.R.赫兹进行了一项实验,他用火花隙激励一个环状天线,用另一个带缝隙的环状天线接收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言,这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。

无线电报的发明,是人类利用电磁波的第一个巨大成就,电子学从此开始了一个研究和利用电磁波的极其兴旺的时期。

电磁波是电子元器件之间互联通信的基石,而电子管的发明,则催生了PCB诞生。

1897年德国科学家布朗(Braun)制造出第一个真空管(vacuum tube),之后电子学的真空管时期就此展开。基本上,布朗的真空管只是一个阴极射线管(Cathode Ray Tube)的雏型,功能并不大。


1904年,英国的弗莱明(John Fleming)发明了真空二极管(diode,当时也称作valve),是由一放射电子的加热灯丝与接收电子的屏极所组成;当屏极加入正电压便会产生电流,加入负电压便没有电流产生。

到了1906年,德佛雷斯特(De Forest)在二极真空管内加入栅极,发明了三极真空管(audion,或称triode),可以控制电子的活动,使其具有放大信号与控制电量的强大功能,从而使得电子电路技术进入了实际应用阶段,同时也推动了无线电及其他电子行业的发展,这之后的20年中,各种电子设备不断涌现出来,德佛雷斯特也被誉为无线电之父”、“电视始祖”、“电子管之父”。

电子管是电子器件的第一代,在晶体管发明以前的近半个世纪里,电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电子学随后取得的许多成就,如电视、雷达、计算机的发明,都是和电子管分不开的。就是在固体电子学十分兴旺的现代,以大功率电子管(特别是微波功率电子管)和电子束管为代表的真空电子学也仍然是一个活跃的领域。

通过上边的图片我们看到,在PCB技术没有大规模应用之前,生产这样一台电子设备是多么的麻烦而低效,大量的电子管,需要使用涂有绝缘树脂的导线在器件之间进行人工布线并焊接,这就带来一些问题:

  • 人工接线效率低,没办法实现机器化大规模生产

  • 人工接线容易出现安装错误,检查困难

  • 端子的焊接可靠性低容易松动造成接触不良

为了简化电子机器的制作,减少电子零件间的配线,降低制作成本、提高电子机器的可靠性,人们开始钻研以印刷的方式取代配线的方法,以利用机器实现精密的大规模化生产。

印刷电路板的诞生与发展

1831年法拉第发表电磁感应定律之后,人们就开始研究如何利用电磁原理来实现远距离通信,萨缪尔·摩尔斯1837年发明了电报,贝尔于1876获得了电话的发明专利。到了1904年美国有300万电话需要靠人工电话交换连接。

印刷电路板也是随着电子连接系统发展而来的,以解决电报/电话系统的连接问题。初期,金属条或金属棒用于连接安装在木制底座上的大型电子元件。随着时间的推移,金属条被螺丝端子和可拧入其中的电缆所取代,这样连接更具有灵活性,而木制底座则被金属底板所取代。但是,随着电报/电话业务的发展,电话交换门数越来有多,电话系统相关的电子操作也越来越复杂,这就需要更小、更紧凑的设计。

图为1907年的汉口路14号英商华洋德律风公司的人工电话交换所

印刷电路板的摇篮期

与PCB有关的发明专利最早的时间节点应该在1903年,当时一位名叫阿尔伯特·汉森(Albert Hanson)的德国著名发明家申请了一项英国专利,他首创利用“线路”的观念应用于电话交换机系统,利用金属箔切割成线路导体,然后线路导体上下面都粘上石蜡纸,在线路交点上设置导通孔实现不同层间的电气互联。这与我们现代的PCB制造方法有明显的区别,因为当时苯酚树脂还未发明,而化学蚀刻技术也还未成熟,阿尔伯特·汉森发明的方法可以说是现代PCB制造的雏形吧。


 

1907年,出生于比利时的美国化学家利奥·亨德里克·贝克兰(Leo Hendrik Baekeland,1863年-1944年)改进了酚醛树脂的生产技术,将树脂实用化、工业化。这也为印制电路板的问世与发展,创造了必要的条件。

1920年代–早期的PCB板材几乎无所不包,从电木(就是上边说的酚醛树脂,俗称电木)和松石到普通的旧薄木板。可以在材料上钻一些孔,然后将扁铜丝铆接到该材料上。外形看起来可能不是很美观,但是后来的印刷电路板的理念就从这里诞生。当时,这些电路板主要用于收音机和留声机。

印刷电路板的发明

还记得上边提到的赫兹吗,1887年赫兹通过实验证实了麦克斯韦关于电磁波的预测之后,到了1920年代,无线电已经引起了全世界的关注,而且电子管技术已经相当成熟,成熟到可以开始无线电广播的程度了,广播收音机将很快被引入到每个家庭,如何快速制造收音机,也在促进着印刷电路板相关技术的演进。

1925年,美国的 Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案,再以电镀的方式,成功建立导体作配线。这时,“PCB”这个名词就诞生了。这种方法使得制造电器变得容易。


1936年,奥地利人Paul Eisler博士在英国发表箔膜技术,他在一个收音机装置内采用了印刷电路板;也是在1936年,日本的宫本喜之助以喷附配线法成功申请专利。而两者中 Paul Eisler 的方法与现今的印刷电路板最为相似,这类做法称为减去法,是把不需要的金属除去;而 Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线,称为加成法。

 

Paul Eisler 也被称为“印刷电路之父”,但因为当时的电子管元件发热量大,体积笨重,不方便在印刷电路板上进行安装,Paul Eisler 的这一重大发明当时并未被英国所注重,而在美国也只是将PCB制造技术应用于军工产品之中。

到了1942年,Paul Eisler博士继续改进他的PCB生产方法,发明了世界最早实用化的双面PCB,并在Pye公司正式生产。该专利申请于1943年获准。

大约在1943年,美国开始大规模使用Paul Eisler的这项技术发明来制造近炸引信,用于第二次世界大战。同时还将该技术大量使用于军用收音机内。

二战中PCB开始用于近炸引信

1947年,环氧树脂开始用作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术。

1948年,美国正式认可印刷电路板发明用于商业用途。

但是,1950年代,采用PCB的电子设备还很少。比如上图这台1948年的摩托罗拉生产的电视,依然没有出现PCB。好家伙,密密麻麻的全是电子管,这当时要是维修这机器肯定是一脸懵逼。如果你现在拥有一台还能工作的摩托罗拉的电子管电视,那得值多少钱呢?1948能用得起电视的可都是有钱人。

印刷电路板的春天

从1950年代到1990年代。这是PCB产业形成并快速成长的阶段,即PCB产业化的早期阶段,此时PCB已经成为一个产业。

1948年后,美国正式认可了PCB这个发明用于商业用途,这也意味着PCB从军事领域用途开始大规模商用的步伐。

随着电子技术的发展,到了1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组研发出了晶体管,发热量较低体积更小巧的晶体管从50年代开始大量取代电子管的地位,这也为印刷电路板技术的广泛使用创造了条件。

1950年,日本公司尝试在玻璃基板上涂银作为导体,在酚醛树脂纸基板上使用铜箔作为导体。从1950年开始,印刷电路的制造技术开始被广泛接受,这时蚀刻起到了主导作用。伴随着晶体管开始走向实用化,以金属箔腐蚀法制成的单面PCB在美国开发成功,并很快地得到工业化应用。

1951年,聚酰亚胺材料诞生。

1953年,Motorola开发出电镀过孔法的双面板。大约在1955年,日本的东芝公司推出了一种在铜箔表面生成氧化铜的技术,并出现了覆铜板(CCL)。这两种技术后来都被广泛用于多层印刷电路板的制造,它们对多层印刷电路板的出现起到了推波助澜的作用。此后,多层PCB得到了广泛的应用。

印刷电路板广泛被使用10年后的1960年代,PCB技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板问世,多层印刷电路板开始出现,使配线与基板面积之比更为提高。

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

印刷电路板已经必不可少

1958年:仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路,开创了世界微电子学的历史;

1960年代,多层(4+层数)PCB开始生产。而电镀贯穿孔金属化双面PCB实现了大规模生产。

1964年:Intel摩尔提出摩尔定律,预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍

1971年:Intel推出1kb动态随机存储器(DRAM),标志着大规模集成电路出现

1971年:全球第一个微处理器4004由Intel公司推出,采用的是MOS工艺,这是一个里程碑式的发明。

随着集成电路的大规模应用,这时如果电子产品的生产不使用印刷电路板的话,那生产会带来大麻烦。

1970年代,多层PCB迅速发展,并不断向高精度、高密度、细线小孔、高可靠性、低成本和自动化连续生产方向发展,以适应摩尔定律的步伐。

虽然1970年代开始多层PCB就开始迅速发展,但当时的PCB设计工作还是靠人工完成的。

当时的PCB Layout工程师拿着彩色铅笔和直尺,在透明的聚酯薄膜胶片上绘制电路,为了提高绘图效率,会有一些常见器件的封装模板和电路模板。


1980年代,表面安装技术开始逐渐替代通孔安装技术成为主流,也开始进入到了数字时代,随着例如个人计算机,光盘,相机,游戏机,随身听等电子设备的发展,使我们在媒体消费方式方面发生了巨大变化。

微软在1981年发布了MS-DOS1.0系统、1984年乔布斯的苹果公司发布了Macintosh 麦金塔电脑(现多被简称为Mac),1984联想成立,开始组装个人计算机,个人计算机开始普及,基于DOS的CAD 软件开始出现并快速发展。

CAD软件的出现,提高了设计人员的绘图效率,同时也提高了PCB设计的复用率,节约的重复设计时间,PCB设计完成后,直接导出Gerber文件输入到光绘设备中,同时,PCB的制造也开始大量采用了机械替代了人工,PCB生产效率的提高,之前需要几周才能交付的PCB现在最快几个小时就能交付,这时快板厂开始出现。

1990年代至今,PCB产业开始走向成熟

1993年,摩托罗拉的Paul T. Lin申请了一种称为BGA(球栅阵列)封装的专利,这标志着有机封装基板的开始。

1995年,松下公司开发出ALIVH(任意层间通孔)结构的BUM PCB制造技术。这也意味着PCB开始进入HDI高密度互联时代。

在2000年初期,PCB变得更小、更复杂。5-6密耳线宽/线距已经是常规工艺,对于高端PCB板厂来说,开始制造3.5-4.5 mil 线宽/线距的电路板。

同时,柔性PCB变得更加普遍。

2006年,每层互连(ELIC)工艺被开发出来。该工艺使用堆叠的铜填充微孔,通过电路板的每一层进行连接。这种独特的工艺使开发人员能够在PCB中的任何两层之间建立起堆叠后的连接。虽然这种工艺提高了灵活性水平,使设计人员能够最大限度地提高互连密度,但直到2010年代,ELIC PCB才被广泛使用。

随着智能手机的发展,驱动着HDI PCB技术的发展

智能手机的演变

随着智能手机的发展,21世纪初,第二代HDI应运而生。在保留激光钻微通孔的同时,堆叠的通孔开始取代交错的导通孔,并结合“任意层”构建技术,HDI板最终的线宽/线距达到了40μm。

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