电子元器件领域的“航母”——印刷电路板变迁

来源：SMT技术网

印制电路板，是电子元器件电气连接的提供者。它的发展已有100多年的历史了；它的设计主要是版图设计；采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率。

印刷电路板作为重要的电子部件，是电子元器件的支撑体。由于其在电子元器件领域的重要作用，因此被许多人成为“电子航母”。

现在，通信产品、计算机和其他几乎全部的电子产品，都使用了印刷电路。印刷电路技术的发展和完善，为改变世界面貌的发明——集成电路的问世，创造了条件。随着科学技术的发展，印刷电路板被广泛应用于军工、通讯、医疗、电力、汽车、工业控制、智能手机、可穿戴等高新技术领域。

印刷电路的发明

印刷电路的发明人是奥地利的保·艾斯勒。艾斯勒是一名电气工程师，学习过印刷技术。他在制造电路板时，仿照印刷业中的制版方法先画出电子线路图，再把线路图蚀刻在一层铜箔的绝缘板上，不需要的铜箔部分被蚀刻掉，只留下导通的线路，这样，电子元件就通过铜箔形成的电路连接起来。1936年，艾斯勒用这种方法成功地装配了一台收音机。

艾斯勒的发明受到美国军方的重视，于是印刷电路首先被使用在近发引信上。近发引信是第二次世界大战期间美国物理学家范艾伦发明的一种无线电引信，它安装在高射炮弹上，使用时发射无线电波，只要目标进入杀伤范围之内，反射的无线电波就能使炮弹引爆。这种引信要求把许多电子元件紧凑地安装在体积很小的设备里，所以采用了印刷电路。盟军使用的装有近发引信的高射炮弹，给德国飞机以毁灭性的打击，印刷电路从此为世人所知。

印刷电路的意义

印刷电路的好处是用不着在电路板上一次一次地进行焊接，免去了大量复杂的手工接线操作，而且能达到高精度，使电路板的生产效率、稳定性和利润空间大大提高。印刷业可以将大的图片缩小制版，印刷电路同样也可以把电子线路图缩小制版，从而为集成电路的产生准备了条件。今天，所有的计算机以及所有的电子产品，都使用了印刷电路。

印刷电路是把导体图形用印制手段蚀刻或感光在一块绝缘基板上，是使电子元件互相连接的一种电子电路。它已经可以使用自动绘图仪迅速地把导体图形直接描绘在玻璃版上制版，然后印刷出来。印刷电路使电子设备的批量生产变得简单易行，使电子设备性能一致，质量稳定，结构紧凑。如果没有印刷电路工艺，50年代以来的电子设备就不可能取得这样大的进展。

线路板从发明至今，其历史60余年。历史表明：没有线路板，没有电子线路，飞行、交通、原子能、计算机、宇航、通信、家电……这一切都无法实现。

道理是容易理解的。芯片，IC，集成电路是电子信息工业的粮食，半导体技术体现了一个国家的工业现代化水平，引导电子信息产业的发展。而半导体（集成电路、 IC）的电气互连和装配必须靠线路板。

印刷电路板的种类

按照线路板层数可分为单面板、双面板、四层板、六层板以及其他多层线路板。

• 单面板

在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板（Single-sided）。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。

• 双面板

这种电路板的两面都有布线，不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔（via）。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，双面板解决了单面板中因为布线交错的难点（可以通过导孔通到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

• 多层板

为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层，在特殊情况下会加入空层来控制板厚，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上理论可以做到近100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。

多层板所用的元件多为贴片式元件，其特点是：

1、与集成电路配合使用，可使整机小型化，减少整机重量；

2、提高了布线密度，缩小了元器件的间距，缩短了信号的传输路径；

3、减少了元器件焊接点，降低了故障率，

4、增设了屏蔽层，电路的信号失真减少；

5、引入了接地散热层，可减少局部过热现象，提高整机工作的可靠性

印刷电路板的制作工艺过程

印刷电路板的制作非常复杂， 这里以四层印制板为例感受PCB是如何制造出来的。

层压

这里需要一个新的原料叫做半固化片，是芯板与芯板（PCB层数>4），以及芯板与外层铜箔之间的粘合剂，同时也起到绝缘的作用。

下层的铜箔和两层半固化片已经提前通过对位孔和下层的铁板固定好位置，然后将制作好的芯板也放入对位孔中，最后依次将两层半固化片、一层铜箔和一层承压的铝板覆盖到芯板上。

将被铁板夹住的PCB板子们放置到支架上，然后送入真空热压机中进行层压。真空热压机里的高温可以融化半固化片里的环氧树脂，在压力下将芯板们和铜箔们固定在一起。

层压完成后，卸掉压制PCB的上层铁板。然后将承压的铝板拿走，铝板还起到了隔离不同PCB以及保证PCB外层铜箔光滑的责任。这时拿出来的PCB的两面都会被一层光滑的铜箔所覆盖。

钻孔

要将PCB里4层毫不接触的铜箔连接在一起，首先要钻出上下贯通的穿孔来打通PCB，然后把孔壁金属化来导电。

用X射线钻孔机机器对内层的芯板进行定位，机器会自动找到并且定位芯板上的孔位，然后给PCB打上定位孔，确保接下来钻孔时是从孔位的正中央穿过。

将一层铝板放在打孔机机床上，然后将PCB放在上面。为了提高效率，根据PCB的层数会将1~3个相同的PCB板叠在一起进行穿孔。最后在最上面的PCB上盖上一层铝板，上下两层的铝板是为了当钻头钻进和钻出的时候，不会撕裂PCB上的铜箔。

在之前的层压工序中，融化的环氧树脂被挤压到了PCB外面，所以需要进行切除。靠模铣床根据PCB正确的XY坐标对其外围进行切割。

孔壁的铜化学沉淀

由于几乎所有PCB设计都是用穿孔来进行连接的不同层的线路，一个好的连接需要25微米的铜膜在孔壁上。这种厚度的铜膜需要通过电镀来实现，但是孔壁是由不导电的环氧树脂和玻璃纤维板组成。

所以第一步就是先在孔壁上堆积一层导电物质，通过化学沉积的方式在整个PCB表面，也包括孔壁上形成1微米的铜膜。整个过程比如化学处理和清洗等都是由机器控制的。

固定PCB

清洗PCB

运送PCB

外层PCB布局转移

接下来会将外层的PCB布局转移到铜箔上，过程和之前的内层芯板PCB布局转移原理差不多，都是利用影印的胶片和感光膜将PCB布局转移到铜箔上，唯一的不同是将会采用正片做板。

内层PCB布局转移采用的是减成法，采用的是负片做板。PCB上被固化感光膜覆盖的为线路，清洗掉没固化的感光膜，露出的铜箔被蚀刻后，PCB布局线路被固化的感光膜保护而留下。

外层PCB布局转移采用的是正常法，采用正片做板。PCB上被固化的感光膜覆盖的为非线路区。清洗掉没固化的感光膜后进行电镀。有膜处无法电镀，而没有膜处，先镀上铜后镀上锡。退膜后进行碱性蚀刻，最后再退锡。线路图形因为被锡的保护而留在板上。

将PCB用夹子夹住，将铜电镀上去。之前提到，为了保证孔位有足够好的导电性，孔壁上电镀的铜膜必须要有25微米的厚度，所以整套系统将会由电脑自动控制，保证其精确性。

外层PCB蚀刻

接下来由一条完整的自动化流水线完成蚀刻的工序。首先将PCB板上被固化的感光膜清洗掉。然后用强碱清洗掉被其覆盖的不需要的铜箔。再用退锡液将PCB布局铜箔上的锡镀层退除。清洗干净后4层PCB布局就完成了。

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