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PCB資訊

PCB資訊 - PCB印刷電路板的發展歷史

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PCB印刷電路板的發展歷史
2020-08-25
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Author:印刷電路板      分享文章

印刷電路板(PCB)被很多人譽為電子產品之母,它是電子產品的關鍵部件。 縱觀PCB發展簡史,每一次技術進步都直接或簡介影響著全人類。 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備,如:手機、路由器、個人電腦到複雜的雷達、飛彈、衛星上,都能找到它們的身影,只是它們靚麗的光芒被設備外殼給遮蓋住了,你那天才般的設計往往被用戶所忽視,直到設備出現故障或者需要功能擴展, 拆開設備外殼的刹那才能領略它的美。

電子學的起源可以追溯到1897年,約瑟夫·湯姆森發現電子的存在,電子學是在早期的電磁學和電工學的基礎上發展起來的。 在電子學誕生之前,人類對於電磁現象的研究已相當深入。 一系列物理定律已經確立,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)於英國愛丁堡的印度街14號,麥克斯韋被普遍認為是十九世紀物理學家中,對於二十世紀初物理學的巨大進展影響最為巨大的一比特。 他在1864年發表的論文《電磁場的動力學理論》中,集以往電磁學研究之大成,提出電場和磁場以波的形式以光速在空間中傳播,並提出光是引起同種介質中電場和磁場中許多現象的電磁擾動,同時從理論上預測了電磁波的存在,將電、磁、光統歸為電磁場中現象,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理論體系,為電磁學在生產生活中應用奠定了强大的理論基礎。

電磁學是現代科技生活最重要的學科,它的高速發展,將人類帶入了電氣時代和資訊時代。 可以說,沒有電磁學的發展,就沒有人類的現代文明。 這一自然科學理論的成果,奠定了現代的電力工業、電子工業和無線電工業的基礎。 當然,沒有麥克斯韋,也就沒有PCB,也就沒有PCB Layout這個行業,可能現在的老wu還是村口賣豬肉的最靚的仔。


有了電磁學理論的支撐,人們對電磁學的利用也達到了一定的水准,有線電報和有線電話也相繼發明,並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年發明了電話,托馬斯-愛迪生1879年發明了白熾燈、尼古拉-特斯拉於1888年發明了電動機,所有這些,都為電子學的誕生準備了充足的條件。

標誌著電子學誕生的兩個重大的歷史事件,一是愛迪生效應的發現和關於電磁波存在的驗證實驗。


1883年,愛迪生在致力於延長碳絲白熾燈的壽命時,意外地發現了在燈絲與加有正電壓的電極間有電流流過,電極為負時則無電流,這就是愛迪生效應。 這一發現導致了後來電子管的發明。

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狀天線,用另一個帶縫隙的環狀天線接收,證實了麥克斯韋關於電磁波存在的預言,這一重要的實驗導致了後來無線電報的發明。無線電報的發明,是人類利用電磁波的第一個巨大成就,電子學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通信的基石,而電子管的發明,則催生了PCB誕生。

1897年德國科學家布朗(Braun)製造出第一個真空管(vacuum tube),之後電子學的真空管時期就此展開。 基本上,布朗的真空管只是一個陰極射線管(Cathode Ray Tube)的雛型,功能並不大。

1904年,英國的弗萊明(John Fleming)發明了真空二極體(diode,當時也稱作valve),是由一放射電子的加熱燈絲與接收電子的屏極所組成。 當屏極加入正電壓便會產生電流,加入負電壓便沒有電流產生。

到了1906年,德佛雷斯特(De Forest)在二極真空管內加入柵極,發明了三極真空管(audion,或稱triode),可以控制電子的活動,使其具有放大訊號與控制電量的强大功能,從而使得電子電路科技進入了實際應用階段,同時也推動了無線電及其他電子行業的發展,這之後的20年中, 各種電子設備不斷湧現出來,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,在電晶體發明以前的近半個世紀裏,電子管幾乎是各種電子設備中唯一可用的電子器件。 電子學隨後取得的許多成就,如電視、雷達、電腦的發明,都是和電子管分不開的。 就是在固體電子學十分興旺的現代,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也仍然是一個活躍的領域。

通過上邊的圖片我們看到,在PCB科技沒有大規模應用之前,生產這樣一臺電子設備是多麼的麻煩而低效,大量的電子管,需要使用塗有絕緣樹脂的導線在器件之間進行人工佈線並焊接,這就帶來一些問題:人工接線效率低,沒辦法實現機器化大規模生產人工接線容易出現安裝錯誤, 檢查困難端子的焊接可靠性低容易鬆動造成接觸不良為了簡化電子機器的製作,减少電子零件間的配線,降低製作成本、提高電子機器的可靠性,人們開始鑽研以印刷的管道取代配線的方法,以利用機器實現精密的大規模化生產。

1831年法拉第發表電磁感應定律之後,人們就開始研究如何利用電磁原理來實現遠距離通信,薩繆爾·摩爾斯1837年發明了電報,貝爾於1876獲得了電話的發明專利。 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發展而來的,以解决電報/電話系統的連接問題。 初期,金屬條或金屬棒用於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/電話業務的發展,電話交換門數越來有多,電話系統相關的電子操作也越來越複雜,這就需要更小、更緊湊的設計。

1903年,當時一比特名叫阿爾伯特·漢森(Albert Hanson)的德國著名發明家申請了一項英國專利,他首創利用“線路”的觀念應用於電話交換機系統,利用金屬箔切割成線路導體,然後線路導體上下面都粘上石蠟紙,在線路交點上設定導通孔實現不同層間的電力互聯。 這與我們現代的PCB製造方法有明顯的區別,因為當時苯酚樹脂還未發明,而化學蝕刻科技也還未成熟,阿爾伯特·漢森發明的方法可以說是現代PCB製造的雛形吧。

1907年,出生於比利時的美國化學家利奧·亨德裏克·貝克蘭(Leo Hendrik Baekeland,1863年-1944年)改進了酚醛樹脂的生產科技,將樹脂實用化、工業化。 這也為印製電路板的問世與發展,創造了必要的條件。

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。 可以在資料上鑽一些孔,然後將扁銅絲鉚接到該資料上。 外形看起來可能不是很美觀,但是後來的印刷電路板的理念就從這裡誕生。 當時,這些電路板主要用於收音機和留聲機。 1887年赫茲通過實驗證實了麥克斯韋關於電磁波的預測之後,到了1920年代,無線電已經引起了全世界的關注,而且電子管科技已經相當成熟,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,如何快速製造收音機,也在促進著印刷電路板相關科技的演進。

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

1936年,奧地利人Paul Eisler博士在英國發表箔膜技術,他在一個收音機裝置內採用了印刷電路板。 也是在1936年,日本的宮本喜之助以噴附配線法成功申請專利。 而兩者中Paul Eisler的方法與現今的印刷電路板最為相似,這類做法稱為减去法,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”,但因為當時的電子管元件發熱量大,體積笨重,不方便在印刷電路板上進行安裝,Paul Eisler的這一重大發明當時並未被英國所注重,而在美國也只是將PCB制造科技應用於軍工產品之中。

1942年,Paul Eisler博士繼續改進他的PCB生產方法,發明了世界最早實用化的雙面PCB,並在Pye公司正式生產。 該專利申請於1943年獲准。

1943年,美國開始大規模使用Paul Eisler的這項科技發明來製造近炸引信,用於第二次世界大戰。 同時還將該科技大量使用於軍用收音機內。

1947年,環氧樹脂開始用作製造基板。 同時NBS開始研究以印刷電路科技形成線圈、電容器、電阻器等製造技術。

1948年,美國正式認可印刷電路板發明用於商業用途。

1950年,採用PCB的電子設備還很少。 比如上圖這臺1948年的摩托羅拉生產的電視,依然沒有出現PCB。 好傢伙,密密麻麻的全是電子管,這當時要是維修這機器肯定是一臉懵逼。 如果你現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。 從1950年代到1990年代。 這是PCB產業形成並快速成長的階段,即PCB產業化的早期階段,此時PCB已經成為一個產業。

1948年,美國正式認可了PCB這個發明用於商業用途,這也意味著PCB從軍事領域用途開始大規模商用的步伐。

1947年,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出了電晶體,發熱量較低體積更小巧的電晶體從50年代開始大量取代電子管的地位,這也為印刷電路板科技的廣泛使用創造了條件。

1950年,日本公司嘗試在玻璃基板上塗銀作為導體,在酚醛樹脂紙基板上使用銅箔作為導體。 從1950年開始,印刷電路的製造技術開始被廣泛接受,這時蝕刻起到了主導作用。 伴隨著電晶體開始走向實用化,以金屬箔腐蝕法制成的單面PCB在美國開發成功,並很快地得到工業化應用。

1951年,聚醯亞胺資料誕生。

1953年,Motorola開發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科技,並出現了覆銅板(CCL)。 這兩種科技後來都被廣泛用於多層印刷電路板的製造,它們對多層印刷電路板的出現起到了推波助瀾的作用。 此後,多層PCB得到了廣泛的應用。

1958年,仙童公司Robert Noyce與德儀公司基爾比間隔數月分別發明了集成電路,開創了世界微電子學的歷史。

1960年,多層(4+層數)PCB開始生產。 而電鍍貫穿孔金屬化雙面PCB實現了大規模生產。 1960年代,印刷電路板廣泛被使用10年後的1960年代,PCB科技也日益成熟。 而自從Motorola的雙面板問世,多層印刷電路板開始出現,使配線與基板面積之比更為提高。

1964年、Intel摩爾提出摩爾定律,預測電晶體集成度將會每18個月新增1倍

1971年、Intel推出1kb動態隨機記憶體(DRAM),標誌著大規模集成電路出現

1971年、全球第一個微處理器4004由Intel公司推出,採用的是MOS工藝,這是一個里程碑式的發明。 隨著集成電路的大規模應用,這時如果電子產品的生產不使用印刷電路板的話,那生產會帶來大麻煩。

1970年代,多層PCB迅速發展,並不斷向高精度、高密度、細線小孔、高可靠性、低成本和自動化連續生產方向發展,以適應摩爾定律的步伐。 雖然1970年代開始多層PCB就開始迅速發展,但當時的PCB設計工作還是靠人工完成的。

當時的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製電路,為了提高繪圖效率,會有一些常見器件的封裝範本和電路範本。

1980年代,表面安裝科技開始逐漸替代通孔安裝科技成為主流,也開始進入到了數位時代,隨著例如個人電腦,光碟,相機,遊戲機,隨身聽等電子設備的發展,使我們在媒體消費管道方面發生了巨大變化。

微軟在1981年發佈了MS-DOS1.0系統、1984年約伯斯的蘋果公司發佈了Macintosh麥金塔電腦(現多被簡稱為Mac),1984聯想成立,開始組裝個人電腦,個人電腦開始普及,基於DOS的CAD軟件開始出現並快速發展。

CAD軟件的出現,提高了設計人員的繪圖效率,同時也提高了PCB設計的複用率,節約的重複設計時間,PCB設計完成後,直接匯出Gerber檔案輸入到光繪設備中,同時PCB的製造也開始大量了機械替代了人工,PCB生產效率的提高,之前需要幾周才能交付的PCB現在最快幾個小時就能交付,這時PCB快板廠開始出現。

1993年,摩托羅拉的Paul T. Lin申請了一種稱為BGA(球栅陣列)封裝的專利,這標誌著有機封裝基板的開始。

1995年,松下公司開發出ALIVH(任意層間通孔)結構的BUM PCB製造技術。 這也意味著PCB開始進入HDI高密度互聯時代。


在2000年初期,PCB變得更小、更複雜。 5-6密耳線寬/線距已經是常規工藝,對於高端PCB板廠來說,開始製造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人員能够在PCB中的任何兩層之間建立起堆疊後的連接。 雖然這種工藝提高了靈活性水准,使設計人員能够最大限度地提高互連密度,但直到2010年代,ELIC PCB才被廣泛使用。

隨著智能手機的發展,21世紀初,第二代HDI應運而生。 在保留雷射鑽微通孔的同時,堆疊的通孔開始取代交錯的導通孔,並結合“任意層”構建科技,HDI板最終的線寬/線距達到了40 μ m。

這種任意層的方法仍然基於,而且可以肯定的是,對於移動電子產品來說,大多數高端HDI仍然採用這種技術。 然而,在2017年,HDI開始邁入新的發展階段,開始從减成法工藝轉向。

例如,在0.3毫米間距的BGA設計中,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。 佈局設計需要30µm/30µm的線寬/線距。 用現有的減法工藝來實現這種細線結構是很有挑戰性的。 蝕刻能力是關鍵因素之一,其中成品銅厚和電鍍均勻性需要與成像工藝一起優化。 這也是為什麼PCB行業現在採用mSAP工藝的原因,與減法工藝相比,mSAP工藝可以很容易地生產出具有優化導體形狀的線路,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–線路形狀易於控制。 mSAP的另一個優點是利用現有資源和科技,採用標準的PCB工藝,如鑽孔、電鍍等,並採用傳統資料,使銅與介電層之間具有良好的附著力,保證了最終產品的高可靠性。


半加成法(mSAP)和改良型半加成法(amSAP)是經過修改和高級修改後的版本,現在有望成為下一代HDI PCB主要採用的工藝。

由於小型化,HDI和微孔為高密度提供了巨大的推動作用。 這些科技將跟隨著IC單元的幾何形狀繼續發展,變得更小。 所以下一次革命將在光學導體領域。

隨著超大規模集成電路工藝的不斷提升使得電腦系統的處理器效能提高,但是現時電子電腦依舊使用傳統的銅線來實現晶片晶片、處理器處理器、電路板電路板之間的連接,國際電晶體科技藍ITRS已經指出未來的電子系統將會受晶片之間的互連所限制。

因為現時主要採用的銅線面臨的主要問題是:

1.高速訊號失真,頻寬有限。

2.金屬導線的傳輸損耗隨著訊號頻率

的增大而增大,限制了高頻訊號的傳輸距離。

3.容易受到電磁干擾。

4.而光通信有很多傳統電信號不具備的優勢,比如頻寬高、損耗低、無串擾、抗電磁干擾等等。 實際上光纖已經徹底替代傳統銅線用於長距離通信長達幾十年之久,未來的發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晶片內部的訊號傳輸。

現時業界普遍認為,當單通道速率達到Gb/s以上時,無論從科技實現還是成本上比較,電互連都將面臨著極大的挑戰。 囙此,要想克服電子電腦的“瓶頸”,就必須改變傳統的基於銅線的互連管道,將光科技引入到電子系統中,用新的光互連代替傳統的電互連,才能够大幅度提升電腦的運行速度並促進高速資訊通信網的發展,進而滿足社會發展的需要。


中國PCB行業現狀

在全球PCB產業向亞洲轉移的整體趨勢下,中國作為電子產品製造大國,以巨大的內需市場和較為低廉的生產成本吸引了大量外資和本土PCB企業投資,促進中國PCB產業在短短數年間呈現爆發式增長。

當前,中國已成為全球最大PCB生產國,也是現時全球能够提供PCB最大產能及最完整產品類型的地區之一。 2021年,中國大陸PCB行業產值達到442億美元,隨著PCB產業轉移的深化,中國PCB產值規模比重將進一步提升。


中國PCB行業現狀