從阿波羅登月到iPhone：高多層PCB如何改變了電子世界？

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(shí)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(gè)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(jìn)一步發(fā)展，電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)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(jì)發(fā)展，PCB層數(shù)的疊加越來越多。

從個(gè)人電腦、電視機(jī)到工業(yè)機(jī)器，再到高端服務(wù)器、通信基站和超級計(jì)算機(jī)，高多層PCB不僅被廣泛應(yīng)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(dá)32層，最小孔徑達(dá)0.15mm，最小線寬線距可達(dá)0.0762mm，并支持?jǐn)?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(jìn)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(shí)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(jì)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(shí)代”

在PCB出現(xiàn)前，電路是通過點(diǎn)對點(diǎn)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(shí)，成本高昂。

20世紀(jì)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(jì)往往是手工制作的，缺乏如今批量生產(chǎn)PCB的復(fù)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(dǎo)電材料的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，這是現(xiàn)代PCB的核心要素之一。他做了許多實(shí)驗(yàn)，涉及測試各種金屬和合金，來確定合適的導(dǎo)體。1903年，他申請了一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)電器接通的方法。Hanson對導(dǎo)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)。

印刷布線的誕生離不開Charles Ducas的貢獻(xiàn)。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(dǎo)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(dāng)時(shí)，用于印刷電路的銅線尚未問世，因此第一個(gè)幾乎可以辨認(rèn)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(gè)平面加熱線圈使用，電路板與元件之間實(shí)際上沒有電氣連接。

第一個(gè)PCB誕生

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

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(jī)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(dāng)時(shí)，手工焊接的電路線容易出錯(cuò)且難以規(guī)?；?。

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(dǎo)線圖形。然后，用化學(xué)藥品溶解掉未被掩蔽的金屬，獲得世界上首塊名副其實(shí)的印制電路板。這項(xiàng)技術(shù)奠定了以后的光蝕刻工藝（photo-etching process）的基礎(chǔ)。

Paul Eisler

由于Paul Eisler 對整個(gè)印制電路板作出了開創(chuàng)性的突出貢獻(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)局（NBS）聯(lián)合在華盛頓組織召開了“線路研討會”，總結(jié)了當(dāng)時(shí)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(xué)沉積法。這些工藝方法為PCB制造技術(shù)的進(jìn)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(jìn)入新的發(fā)展時(shí)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(shí)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。

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

其二，集成電路（IC）的引入標(biāo)志著PCB發(fā)展的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(gè)元件能夠集成到單個(gè)芯片上，開啟了多層PCB時(shí)代。隨著集成電路的出現(xiàn)，電路密度得以提高，實(shí)現(xiàn)了更大的小型化，為更復(fù)雜的電子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

1960年代的多層PCB

1960年，Litton Systems 公司首先介紹了應(yīng)用于A?F小型計(jì)算機(jī)上的一種6層印制板。四年后，我國第一塊多層板（6層）在實(shí)驗(yàn)室條件下研制成功，并于1967年在大型計(jì)算機(jī)工業(yè)化生產(chǎn)中得到應(yīng)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(gè)重要飛躍。這一進(jìn)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(shí)際應(yīng)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(jì)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(jìn)了包括多層板在內(nèi)的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)的視線。

隨著技術(shù)的進(jìn)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(jī)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(xì)孔、微細(xì)導(dǎo)線化方向進(jìn)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(xiàng)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(shí)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(jìn)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(biāo)志著有機(jī)封裝基板的開始。

1995年，微孔技術(shù)開始應(yīng)用于PCB制造。這項(xiàng)技術(shù)使高密度互連（HDI）PCB得以引入。1998年，可實(shí)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(dú)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(jì)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(yīng)用。

智能手機(jī)的發(fā)展，推動了HDI PCB技術(shù)的發(fā)展。

隨著智能手機(jī)的繼續(xù)發(fā)展，第二代高密度互連（HDI）在21世紀(jì)初應(yīng)運(yùn)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(cuò)盲孔。結(jié)合“任意層”工藝技術(shù)，HDI板的最終線寬/線間距達(dá)到了40μm。2017年，HDI開始進(jìn)入一個(gè)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(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇