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從阿波羅登月到iPhone:高多層PCB如何改變了電子世界?

08/19 12:11
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1969年,阿波羅11號的尼爾·阿姆斯特朗與巴茲·奧爾德林乘“鷹號”登月艙在月表著陸。6小時39分鐘后,阿姆斯特朗成為月表第一人,隨后說出了傳遍世界的一句話——這是個人的一小步,也是人類的一大步!

這次登月成功的背后,不乏高多層PCB的身影。在阿波羅11號的控制電路中,使用了59層的多層印制電路板。

如今,隨著電子信息技術(shù)的進一步發(fā)展,電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復雜,功能越來越全面,促使PCB朝著功能高度集成化和小型化設(shè)計發(fā)展,PCB層數(shù)的疊加越來越多。

Image by Amol Sharma from Pixabay

從個人電腦、電視機到工業(yè)機器,再到高端服務(wù)器、通信基站超級計算機,高多層PCB不僅被廣泛應用,而且在其中發(fā)揮著重要的作用。

由于高多層PCB對工藝和技術(shù)的要求極高,其生產(chǎn)難度也非常大,因此只有少數(shù)企業(yè)具備生產(chǎn)高多層PCB的能力。以嘉立創(chuàng)為例,依托自研的超高層工藝、盤中孔工藝等技術(shù),嘉立創(chuàng)生產(chǎn)的PCB最高層數(shù)可達32層,最小孔徑達0.15mm,最小線寬線距可達0.0762mm,并支持數(shù)百種層壓結(jié)構(gòu)。尤其是超高層工藝,嘉立創(chuàng)采用行業(yè)內(nèi)先進的VCP鍍銅、真空蝕刻、線路及防焊激光直接成像(LDI)、文字打印等技術(shù),并通過相關(guān)技術(shù)改造,實現(xiàn)最高32層板的生產(chǎn)制造。自批量化生產(chǎn)以來,嘉立創(chuàng)高多層PCB快速發(fā)展,贏得越來越多用戶的青睞。

高多層PCB通常指6層或更多層的PCB,其層數(shù)取決于包含的銅層數(shù)量。理論上,只要制造技術(shù)能夠支持,PCB的層數(shù)可以無限增加。高多層PCB出現(xiàn)于上世紀60年代,經(jīng)過不斷發(fā)展,已成為PCB行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。想了解高多層PCB的發(fā)展,我們要先回顧下PCB的誕生與演變。

“史前時代”

在PCB出現(xiàn)前,電路是通過點對點方式連接在底座上的。這種底座通常由金屬板制成,底部為木制。絕緣體將元件連接到底座上,并通過焊接將元件的引線連接在一起。這種連接方式雖然能夠工作,但也有許多不足之處——它們體積龐大、笨重且相對脆弱,生產(chǎn)過程極為耗時,成本高昂。

PCB誕生前的電子管電路

20世紀初,帶有雕刻電路圖案的平面金屬板作為現(xiàn)代PCB的前身出現(xiàn)。然而,這些早期設(shè)計往往是手工制作的,缺乏如今批量生產(chǎn)PCB的復雜性。

兩位先驅(qū)者

在PCB早期發(fā)展中,有兩位重要的先驅(qū)者。首先是Albert Hanson,他對導電材料的發(fā)展做出了重大貢獻,這是現(xiàn)代PCB的核心要素之一。他做了許多實驗,涉及測試各種金屬和合金,來確定合適的導體。1903年,他申請了一項英國專利,描述了一種用金屬粉末在原地直接電沉積到絕緣體上來實現(xiàn)電器接通的方法。Hanson對導電材料發(fā)展的開創(chuàng)性工作,促成了印刷布線技術(shù)的出現(xiàn)。

descript阿爾伯特·漢森的第一張專利圖紙

印刷布線的誕生離不開Charles Ducas的貢獻。他首次提出“印刷布線”的概念,在絕緣材料上,采用印制方式制成圖形,再利用電鍍法形成導體。1927年,他向美國專利局申請了電鍍電路圖案的方法專利。他使用的工藝是將電子路徑直接放置在絕緣表面上。當時,用于印刷電路的銅線尚未問世,因此第一個幾乎可以辨認的PCB是由黃銅線制成的。雖然Ducas的電鍍電路與PCB非常相似,但最初僅打算作為一個平面加熱線圈使用,電路板與元件之間實際上沒有電氣連接。

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第一個PCB誕生

第一個PCB的出現(xiàn)與一名叫Paul Eisler的奧地利工程師有關(guān)。

descript早期的印刷電路板和電子管

1936年,他受印刷技術(shù)啟發(fā),首先提出了“印刷電路”的概念,并在一臺收音機中制造出了PCB。他的夢想是通過印刷工藝大規(guī)模地將電子電路鋪設(shè)在絕緣基板上。當時,手工焊接的電路線容易出錯且難以規(guī)?;?/p>

他還研究了腐箔技術(shù),采用照相印制工藝,在絕緣板的金屬表面上,形成具有耐酸性掩蔽層的導線圖形。然后,用化學藥品溶解掉未被掩蔽的金屬,獲得世界上首塊名副其實的印制電路板。這項技術(shù)奠定了以后的光蝕刻工藝(photo-etching process)的基礎(chǔ)。

descriptPaul Eisler

由于Paul Eisler 對整個印制電路板作出了開創(chuàng)性的突出貢獻,被后人稱為“印制電路之父”。

1947年,環(huán)氧樹脂開始用于制造基板。這一年,由美國航空商會和美國國家標準局(NBS)聯(lián)合在華盛頓組織召開了“線路研討會”,總結(jié)了當時的PCB制造的主要工藝方法。在會上,提出了二十幾種制造工藝路線,歸納確定了六種有代表性的工藝法:涂料法、模壓法、粉末燒結(jié)法、噴涂法、真空鍍膜法和化學沉積法。這些工藝方法為PCB制造技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

高多層PCB出現(xiàn)

從50年代開始,PCB進入新的發(fā)展時期。

其一,制造PCB的材料從普通材料轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲推渌I(yè)材料。這些新材料使得生產(chǎn)效率大幅提高,更短時間內(nèi)可以生產(chǎn)出更多的PCB。例如,1951年,聚酰亞胺樹脂層壓板在世界上出現(xiàn),推動了PCB基材所用樹脂向著高耐熱性方向發(fā)展。

descriptDEC在1950年代推出的“Digital Laboratory Module“

其二,集成電路(IC)的引入標志著PCB發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點。1959年,美國德克薩斯儀器公司試制出世界上第一塊集成電路。這一創(chuàng)新徹底改變了PCB,使多個元件能夠集成到單個芯片上,開啟了多層PCB時代。隨著集成電路的出現(xiàn),電路密度得以提高,實現(xiàn)了更大的小型化,為更復雜的電子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

descript1960年代的多層PCB

1960年,Litton Systems 公司首先介紹了應用于A?F小型計算機上的一種6層印制板。四年后,我國第一塊多層板(6層)在實驗室條件下研制成功,并于1967年在大型計算機工業(yè)化生產(chǎn)中得到應用(6-8層多層板)。1961年,Rockwell Collins、IBM、Honeywell和CDC等公司開始先后大規(guī)模生產(chǎn)多層板。

其三,多層PCB代表了PCB演變的一個重要飛躍。這一進步得益于表面貼裝技術(shù)(SMT)的出現(xiàn)。SMT由IBM開發(fā),其允許的高密度封裝組件首次在土星火箭助推器中得到了實際應用。

SMT通過允許將組件直接安裝到電路板表面,消除了對通孔的需求,從而徹底改變了 PCB 設(shè)計的面貌。這些 SMT 組件比通孔組件更小更輕,允許更高的組件密度和電子設(shè)備的小型化。這不僅提升了制造效率,降低了生產(chǎn)成本,而且促進了包括多層板在內(nèi)的先進PCB設(shè)計的視線。

隨著技術(shù)的進步,高多層PCB的層數(shù)不斷突破。1975年,日本開始生產(chǎn)制造10層的高多層PCB。五年后,日本開始突破24層的高多層PCB的制作技術(shù)。1985年,富士通42層超高多層PCB的制造獲得成功。1988年,富士通開始制造62層玻璃瓷印制電路板。

積層多層板的誕生

1989年,筆記本電腦、移動電話和攝錄一體型攝像機等便捷型電子產(chǎn)品問世。這些電子產(chǎn)品迅速向小型化、輕量化發(fā)展,推動了PCB向微細孔、微細導線化方向進步。

一年后,日本IBM公司發(fā)表了稱作“SLC(Surface Laminar Circuit)的積層多層板研究成果。這項技術(shù)使用感光性絕緣樹脂作為絕緣層,開創(chuàng)了高密度互連(HDI)多層板制造技術(shù)的新時期。

除了積層多層板的出現(xiàn),90年代PCB技術(shù)的另一重大進步是BGA(球柵陣列)方法的發(fā)明——摩托羅拉公司的Paul T. Lin 在1993年申請了BGA(球柵陣列)封裝專利。這標志著有機封裝基板的開始。

1995年,微孔技術(shù)開始應用于PCB制造。這項技術(shù)使高密度互連(HDI)PCB得以引入。1998年,可實現(xiàn)高密度互連的積層多層板在全世界范圍內(nèi)(主要是日本、美國、歐洲、韓國、臺灣地區(qū)等)開始走向?qū)嵱没?。它的工藝路線已發(fā)展到二十幾種。

2006年,每層互連(ELIC)工藝被開發(fā)出來。該工藝使用堆疊銅填充微盲孔,并通過每一層電路板連接。這種獨特的工藝使開發(fā)人員能夠在PCB的任意兩層之間建立堆疊連接。雖然這種工藝增加了靈活性,并使設(shè)計師能最大限度地提高互連密度,但ELIC PCB直到2010年代才被廣泛應用。

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智能手機的發(fā)展,推動了HDI PCB技術(shù)的發(fā)展。

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隨著智能手機的繼續(xù)發(fā)展,第二代高密度互連(HDI)在21世紀初應運而生。雖然保留了激光鉆孔的微盲孔,但堆疊盲孔開始取代了交錯盲孔。結(jié)合“任意層”工藝技術(shù),HDI板的最終線寬/線間距達到了40μm。2017年,HDI開始進入一個新的發(fā)展階段,逐漸從減成法轉(zhuǎn)向基于圖形電鍍的工藝。由于小型化的發(fā)展,HDI和微孔技術(shù)在提升高密度方面提供了顯著的幫助。這些技術(shù)將隨著IC單元的幾何結(jié)構(gòu)逐漸變小而繼續(xù)發(fā)展。因此,下一場革命將出現(xiàn)在光導技術(shù)領(lǐng)域。

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