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印刷电路板(PCB)的前世今生

2024-05-18 09:18

印刷电路板(PCB)在生活中随处可见,小到蓝牙耳机、电子手表、计算器,大到电脑、通信设备、军用/ 航天系统,但凡需要集成电路的地方,都离不开PCB承载电子器件。

PCB出现之前,电子元器件之间是直接用导线连接,元件使用量大的设备,排线常常错乱不堪,还有着很大安全隐患,容易出错。

PCB的出现

接下来深联线路板厂小编为你掀开PCB是从什么时候出现的,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,这种方法使得制造电器变得容易。专业术语 “PCB” 由此而来。

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。

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,使用印刷电路作为炸弹上的近炸引信,以便在接近预定目标时作为炸弹的爆炸计时装置。同时还将该技术大量使用于军用收音机内。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。

PCB的发展

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。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。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。

PCB的成熟
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。这也标志着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 mil 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。21世纪初,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。这种任意层的方法仍然基于减成法工艺,而且可以肯定的是,对于移动电子产品来说,大多数高端HDI仍然采用这种技术。然而,在2017年,HDI开始迈入新的发展阶段,开始从减成法工艺转向基于图形电镀的工艺。
 

PCB的未来

由于小型化,HDI和微孔为高密度提供了巨大的推动作用。这些技术将跟随着IC单元的几何形状继续发展,变得更小。所以下一次革命将在光学导体领域。

随着超大规模集成电路工艺的不断提升,使得计算机系统的处理器性能提高,但是目前电子计算机依旧使用传统的铜线来实现芯片–芯片、处理器–处理器、电路板–电路板之间的连接,国际半导体技术蓝图(ITRS)已经指出未来的电子系统将会受芯片之间的互连所限制,因为目前主要采用的铜线面临的主要问题是:(1)高速信号失真,带宽有限;(2)金属导线的传输损耗随着信号频率的增大而增大,限制了高频信号的传输距离;(3)容易受到电磁干扰;(4)高功耗等

而光通信有很多传统电信号不具备的优势,比如带宽高、损耗低、无串扰、抗电磁干扰等等。实际上光纤已经彻底替代传统铜线用于长距离通信长达几十年之久,未来的发展趋势是光互连的通信距离将会逐渐变短,从国家之间的长距离通信到未来芯片内部的信号传输。

目前业界普遍认为,当单通道速率达到25Gb/s以上时,无论从技术实现还是成本上比较,电互连都将面临着极大的挑战。因此,要想克服电子计算机的“瓶颈”,就必须改变传统的基于铜线的互连方式,将光科技引入到电子系统中,用新的光互连代替传统的电互连,才能够大幅度提升计算机的运行速度并促进高速信息通信网的发展,进而满足社会发展的需要。

 

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