印制电路的发展史

作者：何为

早期的制造工艺

一块印制电路板于1936年在日本诞生。但真正给予其重要意义的工作是英国的艾斯勒（Eisler）博士完成的。在1940年，他借助于印制技术中的照相、制版、腐蚀等成熟工艺，在覆有金属箔的绝缘基板上制造出了第一块具有实用价值的印制电路板。

1947年，美国举办了首届印制电路技术讨论会，总结了以前印制电路的主要制造方法，归纳为六类：涂料法、喷涂法、模压法、粉压法、真空镀膜法和化学沉积法。但是这些方法都未能实现大规模工业化生产，而其中有的方法至今仍被借鉴、延用。如适用于涂料法的陶瓷基片制造混合电路作为一种重要技术保留下来了，在绝缘基材上印制导电膏形成的电路板也逐渐受到关注并在未来将推向产业化。此外，化学沉积法是加成法制造印制电路板的基础，也仍在研究发展之中。

现代印制电路的发展

“印制电路（Printed Circuit）”这个概念，首先由英国的Eisler博士在1936年提出，但那时并没有引起电子制造商的兴趣。Eisler博士对原有的工艺方法进行研究比较，感到不满意，于是他提出了铜箔腐蚀法工艺。正是他首创了目前主流的印制电路规模化制造方法，即在全面覆盖金属箔的绝缘基板上涂上耐蚀刻油墨后，再将不需要的金属箔腐蚀掉形成印制电路板。1942年他用纸质层压绝缘基板粘接铜箔，丝网印制导电图形，再用蚀刻法把不需要的铜箔腐蚀掉，制造出了收音机用印制电路板。这种工艺当时在英国受到冷落，但却被美国人率先接受。在二次世界大战中，美国人应用Eisler博士发明的技术制造印制电路板，应用于军事电子装置中，并获得巨大成功，这引起了电子制造商们的重视。

到了20世纪50年代初，铜箔腐蚀法成为最为实用的印制电路板制造技术，并开始广泛应用。因此，Eisler博士也被人们称为“印制电路之父”。

从铜箔腐蚀法成为印制电路生产的主要方法后，印制电路技术发展得非常迅速，较好地适应了飞速发展的电子技术发展的需求。实际上，印制电路的发展几乎是与半导体器件的发展同步进行的。

1．印制电路板（PCB）技术50年间的发展

（1）PCB试产期：20世纪50年代（制造方法：减成法）

在晶体管问世不久的20世纪50年代前后，单面的印制电路板就可以满足晶体管收音机的应用需求。产品主要是民用电器，如收音机、电视机等。

单面印制电路板的制造方法是使用覆铜箔纸基酚醛树脂层压板（PP板）作为基材，用化学药品溶解PP板上不需要的铜箔，而留下的铜线路即为所设计的电路。该生产技术被称为“减成法工艺”。不过即使在当时的一些品牌电子制造商中，印制电路板减成法工艺仍以手工操作为主，其中腐蚀液采用的是三氯化铁。当时印制电路板的代表性应用产品是索尼公司的手提式晶体管收音机，其是采用PP基材的单面印制电路板。1958年，日本出版了印制电路行业内最早启蒙书，即《印制电路》著作。

在20世纪50年代后期，电子管逐渐被晶体管取代，电子工业进入“晶体管时代”。为了适应生产发展的需要，印制电路板由单面的酚醛树脂基发展到用玻璃纤维布增强的环氧树脂基绝缘层材料。

（2）PCB实用期：20世纪60年代（新材料：GE基材登场）

1955年日本起冲电气公司与美国Raytheon公司进行技术合作，制造海洋雷达。Raytheon公司指定PCB要应用覆铜箔玻璃布环氧树脂层压板（GE基材）。日本开发的GE基材，实现了海洋雷达批量生产。1960年起冲电气公司开始在批量生产电气传输装置的PCB上大量采用GE基板材料。1962年日本印制电路工业会成立。1964年美国光电路公司开发出沉厚铜化学镀铜液（CC—4溶液），开始了新的加成法制造印制电路板工艺。日立化成公司引进了CC—4技术，用于PCB的GE基板。在初期应用中，GE基板存在加热翘曲变形、铜箔剥离等问题，经材料制造商逐渐改进后得到明显的改善。1965年起日本有好几家材料制造商开始批量生产GE基板。

1960年前后，两面都有电路图形的“双面印制电路板”、“孔金属化双面印制电路板”相继投入生产。同时，由几层印制电路板重叠在一起的“多层印制电路板”也开发出来了，这时的产品主要用于精密电子仪器及军用电子装备中。

大约在1968年前后，中、大规模的集成电路已经问世，并投入生产。与它相适应的“孔金属化双面印制电路板”逐渐取代了单面印制电路板，而且柔软、能折叠弯曲的“挠性印制电路板”也开发出来了。

（3）PCB跃进期：20世纪70年代（MLB登场，新安装方式登场）

1970年以后，大规模集成电路的出现，加快了印制电路向多层化方向发展的速度。体积小，功能多的电子计算机也相继问世。日本起冲电气公司等通信设备制造企业各自设立PCB生产工厂，同时PCB专业制造公司也快速崛起。这时，采用电镀贯通孔实现PCB的层间互连逐渐被采用。在1972～1981年的10年间，日本PCB生产金额约增长6倍（1972年产值471亿日元，1981年产值3021亿日元），是跨越式的纪录。

1970年起，电信公司的电子交换机用PCB层数达到了3层。此后大型计算机的发展促进更多层PCB的发展。PCB的层数也从4层开始向6、8、10、20、40、50层，甚至更多层迈进。同时，PCB也实现高密度化（线路精细化、孔经微型化、绝缘层薄型化），线路宽度与间距从0.5mm减小至更小的0.35mm、0.2mm、0.1mm的尺寸。这使得PCB单位面积上布线密度大幅地提高。

此外，PCB上元器件的安装方式开始了革命性变化，原来的插入式安装技术（TMT）逐渐发展为更为精密的表面安装技术（SMT）。一直以来，插入式安装方法在PCB上都是依靠手工操作。自动元器件插入机的成功开发实现了元器件的自动装配。SMT更是采用自动装配线，实现PCB两面电子元器件的贴装。

（4）多层印制电路板（MLB）跃进期：20世纪80年代（超高密度安装的设备登场）

1980年以后，随着超大规模集成电路的发展，它与高密度的多层印制电路结合在一起，出现了运算次数达数亿次的超级计算机。在1982～1991年的10年间，日本PCB产值增长了约3倍（1982年产值为3615亿日元，1991年为10940亿日元）。MLB的产值在1986年时为1468亿日元，超过了单面印制电路板产值；到1989年时为2784亿日元，接近双面印制电路板产值，之后MLB占印制电路板的主要地位了。

1980年以后，PCB高密度化明显提高，形成了高达62层的玻璃陶瓷基MLB。MLB高密度化有效地推动了移动电话和计算机开发的激烈竞争。1988年美国IBM公司率先将多达42层的印制电路用于计算机的生产中。而现在，80多层的高密度印制电路也已投入应用之中。

（5）迈向21世纪的助跑期：20世纪90年代（积层法MLB登场）

1991年后，日本泡沫经济破灭，电子设备和PCB受到了很大的影响。1994年后逐渐恢复，MLB和挠性印制电路板也开始快速增长，而单面印制电路板与双面印制电路板产量却开始下跌。1998年起积层法MLB进入实用期，产量急速增加，同时促进了集成电路（IC）封装形式迈进面阵列端接型的球栅阵列（BGA）和芯片级封装（CSP）时代的小型化、超高密度化安装。随着片式元器件的大规模开发，SMT技术在这一时代进入了快速发展的时期，明显地提高了电子产品的互连密度。

（6）PCB一体化集成技术发展期：21世纪20年代

随着电子产品向小型化、轻薄化方向发展，特别是智能产品和装备的出现，印制电路板表面元器件安装面积受到了极大的限制。元器件或IC器件的三维安装，即PCB一体化集成成为21世纪20年代印制电路板制造最为重要的技术。就目前来说，电子元器件的埋嵌可减少印制电路板40%的面积，可大大地减小印制电路板的尺寸，而将更多的面积让给电池或其他部件。

（7）展望

50多年来PCB发展变化巨大。自1947年发明半导体晶体管以来，电子设备的形态发生了很大变化，半导体由集成电路（IC）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）向高集成度发展，开发出了多芯片组件（MCM）、球栅阵列（BGA）、芯片级封装（CSP）等更高集成化的IC封装方式。21世纪初期印制电路板技术研究将继续为实现电子产品的高密度化、小型化、轻量化以及高集成化而努力，主导21世纪的创新技术“纳米技术”也将推动印制电路产品和技术的发展。

2．印制电路板技术水平的标志

评价印制电路板技术水平的指标很多，但是印制电路板上布线密度的大小成为目前判断产品水平的重要因素。在印制电路板中，2.50mm或2.54mm标准网格交点上的两个焊盘之间，能布设的导线根数将作为定量评价印制电路板布线密度高低的重要参数。

在两个焊盘之间布设一根导线，为低密度印制电路板，其导线宽度大于0.3mm。

在两个焊盘之间布设两根导线，为中密度印制电路板，其导线宽度约为0.2mm。

在两个焊盘之间布设三根导线，为高密度印制电路板，其导线宽度为0.1～0.15mm。

在两个焊盘之间布设四根导线，可算超高密度印制电路板，线宽为0.05～0.08mm。

当然，对多层印制电路板来说，还应以孔径大小、层数多少作为综合衡量标志。

3．我国PCB高速发展

近10年我国PCB行业高速发展，到2004年我国PCB产量值达到500亿元人民币，已超过美国，成为仅次于日本的世界第二大PCB强国。2006年我国印制电路板总产值达到128亿美元，已超过日本，成为世界第一大PCB生产大国。自此，我国印制电路板行业始终保持全球第一的地位并持续维持快速发展的态势。2017年，我国印制电路板产值高达297亿美元，已占据全球产值的50.5%。

印制电路的特点和分类

1．印制电路的特点

印制电路是由绝缘基板、金属导线和连通不同层导线的互连孔、焊接元器件的“焊盘”组成。它的主要作用是支撑电子元器件之间的信号连通。相比传统的导线连接方式，选用印制电路具有以下的优点：

1）在封装设计中，印制电路的物理特性的通用性比普通的接线更好。

2）电路永久性地附着在介质材料上，此介质基材也用作电路元器件的安装面。

3）不会产生导线错接或短路。

4）能严格地控制电参数的重现性。

5）大大缩小了互连导线的体积和重量。

6）可采用标准化设计。

7）有利于备件的互换和维护。

8）有利于机械化、自动化生产。

9）能节约原材料和提高生产率、降低电子产品的成本。

同时，印制电路在制造和使用中也存在一些缺点：

1）其结构的平面性，要求在设计和安装上使用一些专门的设备和操作技巧。

2）在空间的利用上，只能是分割成小块的平面。

3）产品的产量较小时，生产成本高。

4）大规模的高密度印制电路有时维护较困难，在某些场合中无法修理，也不允许修理。

不过，这些缺点随着技术的发展，会逐步得到改进。

2．印制电路的分类

印制电路板的分类还没有统一的方法。目前按习惯上一般有三种分类方法，即以用途分类，以基材分类和以结构分类。

（1）按用途分类

（2）按基材分类

（3）按结构分类

以用途分类很难反映出印制电路板的性能特点，而且目前的电子设备中有许多既可民用又可工业用，因此，以民用和工业用来区分印制电路板的方式基本被淘汰。按照基材分类能反映出印制电路板的主要性能，按照结构分类能反映出印制电路板本身的特性，因此这两种分类法采用较多。不过以结构分类为大多数欧美国家所采用。另外，以印制电路板基材和结构两种结合起来的分类方法也在采用，如单面酚醛纸质印制电路板、双面环氧玻璃布印制电路板、多层聚酰亚胺印制电路板等名称的使用。以加工工艺方法称呼也逐渐得到重视，如采用积层发制作的积层多层印制电路板（BUM），以布线密度称呼的高密度互连印制电路板（HDI）等。

《印制电路基础：原理、工艺技术及应用》何为 编著