印刷電路板,又稱印製電路板,印刷線路板,常使用英文縮寫PCB(Printed circuit board),是重要的電子部件,是電子元件的支撐體,是電子元器件線路連線的基礎。
由於它是採用電子印刷技術製作的,故被稱為“印刷”電路板。
在印製電路板出現之前,電子元件之間的互連都是依靠電線直接連線而組成完整的線路。電路面包板只是作為有效的實驗工具而存在,而印刷電路板在電子工業中已經成了占據了絕對統治的地位。
20世紀初,人們為了簡化電子機器的製作,減少電子零件間的配線,降低製作成本等優點,於是開始鑽研以印刷的方式取代配線的方法。三十年間,不斷有工程師提出在絕緣的基板上加以金屬導體作配線。而最成功的是1925年,美國的Charles Ducas 在絕緣的基板上印刷出線路圖案,再以電鍍的方式,成功建立導體作配線。[1]
直至1936年,奧地利人保羅·愛斯勒(Paul Eisler)在英國發表了箔膜技術[1],他在一個收音機裝置內採用了印刷電路板;而在日本,宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹著配線方法(特許119384號)”成功申請專利。[2]而兩者中Paul Eisler 的方法與現今的印刷電路板最為相似,這類做法稱為減去法,是把不需要的金屬除去;而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線,稱為加成法。雖然如此,但因為當時的電子零件發熱量大,兩者的基板也難以配合使用[1],以致未有正式的實用作,不過也使印刷電路技術更進一步。
1941年,美國在滑石上漆上銅膏作配線,以製作近接信管。
1943年,美國人將該技術大量使用於軍用收音機內。
1947年,環氧樹脂開始用作製造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術形成線圈、電容器、電阻器等製造技術。
1948年,美國正式認可這個發明用於商業用途。
自20世紀50年代起,發熱量較低的電晶體大量取代了真空管的地位,印刷電路版技術才開始被廣泛採用。而當時以蝕刻箔膜技術為主流[1]。
1950年,日本使用玻璃基板上以銀漆作配線;和以酚醛樹脂制的紙質酚醛基板(CCL)上以銅箔作配線。[1]
1951年,聚醯亞胺的出現,便樹脂的耐熱性再進一步,也製造了聚亞醯胺基板。[1]
1953年,Motorola開發出電鍍貫穿孔法的雙面板。這方法也套用到後期的多層電路板上。[1]
印刷電路板廣泛被使用10年後的60年代,其技術也日益成熟。而自從Motorola的雙面板面世,多層印刷電路板開始出現,使配線與基板面積之比更為提高。
1960年,V. Dahlgreen以印有電路的金屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中,造出軟性印刷電路板。[1]
1961年,美國的Hazeltine Corporation參考了電鍍貫穿孔法,製作出多層板。[1]
1967年,發表了增層法之一的“Plated-up technology”。[1][3]
1969年,FD-R以聚醯亞胺製造了軟性印刷電路板。[1]
1979年,Pactel發表了增層法之一的“Pactel法”。[1]
1984年,NTT開發了薄膜迴路的“Copper Polyimide法”。[1]
1988年,西門子公司開發了Microwiring Substrate的增層印刷電路板。[1]
1990年,IBM開發了“表面增層線路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增層印刷電路板。[1]
1995年,松下電器開發了ALIVH的增層印刷電路板。[1]
1996年,東芝開發了B2it的增層印刷電路板。[1]
就在眾多的增層印刷電路板方案被提出的1990年代末期,增層印刷電路板也正式大量地被實用化。
為大型、高密度的印刷電路板裝配(PCBA, printed circuit board assembly)發展一個穩健的測試策略是重要的,以保證與設計的符合與功能。除了這些複雜裝配的建立與測試之外,單單投入在電子零件中的金錢可能是很高的 - 當一個單元到最後測試時可能達到25,000美元。由於這樣的高成本,查找與修理裝配的問題比其過去甚至是更為重要的步驟。今天更複雜的裝配大約18平方英寸,18層;在頂面和底面有2900多個元件;含有6000個電路節點;有超過20000個焊接點需要測試。
在朗訊加速的製造工廠(N. Andover, MA),製造和測試藝術級的PCBA和完整的傳送系統。超過5000節點數的裝配對我們是一個關注,因為它們已經接近我們現有的線上測試(ICT, in circuit test)設備的資源極限(圖一)。我們製造大約800種不同的PCBA或“節點”。在這800種節點中,大約20種在5000~6000個節點範圍。可是,這個數迅速增長。
新的開發項目要求更加複雜、更大的PCBA和更緊密的包裝。這些要求挑戰我們建造和測試這些單元的能力。更進一步,具有更小元件和更高節點數的更大電路板可能將會繼續。例如,正在畫電路板圖的一個設計,有大約116000個節點、超過5100個元件和超過37800個要求測試或確認的焊接點。這個單元還有BGA在頂面與底面,BGA是緊接著的。使用傳統的針床測試這個尺寸和複雜性的板,ICT一種方法是不可能的。
在製造工藝,特別是在測試中,不斷增加的PCBA複雜性和密度不是一個新的問題。意識到的增加ICT測試夾具內的測試針數量不是要走的方向,我們開始觀察可代替的電路確認方法。看到每百萬探針不接觸的數量,我們發現在5000個節點時,許多發現的錯誤(少於31)可能是由於探針接觸問題而不是實際製造的缺陷(表一)。因此,我們著手將測試針的數量減少,而不是上升。儘管如此,我們製造工藝的品質還是評估到整個PCBA。我們決定使用傳統的ICT與X射線分層法相結合是一個可行的解決方案。
基材
基材普遍是以基板的絕緣部分作分類,常見的原料為電木板、玻璃纖維板,以及各式的塑膠板。而PCB的製造商普遍會以一種以玻璃纖維、不織物料、以及樹脂組成的絕緣部分,再以環氧樹脂和銅箔壓製成“黏合片”(prepreg)使用。
而常見的基材及主要成份有:
FR-1 ──酚醛棉紙,這基材通稱電木板(比FR-2較高經濟性)
FR-2 ──酚醛棉紙,
FR-3 ──棉紙(Cotton paper)、環氧樹脂
FR-4 ──玻璃布(Woven glass)、環氧樹脂
FR-5 ──玻璃布、環氧樹脂
FR-6 ──毛面玻璃、聚酯
G-10 ──玻璃布、環氧樹脂
CEM-1 ──棉紙、環氧樹脂(阻燃)
CEM-2 ──棉紙、環氧樹脂(非阻燃)
CEM-3 ──玻璃布、環氧樹脂
CEM-4 ──玻璃布、環氧樹脂
CEM-5 ──玻璃布、多元酯
AIN ──氮化鋁
SIC ──碳化矽
金屬塗層
金屬塗層除了是基板上的配線外,也就是基板線路跟電子元件焊接的地方。此外,不同的金屬也有不同的價錢,不同的會直接影響生產的成本;不同的金屬也有不同的可焊性、接觸性,也有不同的電阻阻值,也會直接影響元件的效能。
常用的金屬塗層有:
銅
錫
厚度通常在5至15μm[4]
鉛錫合金(或錫銅合金)
即焊料,厚度通常在5至25μm,錫含量約在63%[4]
金
一般只會鍍在接口[4]
銀
一般只會鍍在接口,或以整體也是銀的合金
[編輯] 線路設計
印製電路板的設計是以電子電路圖為藍本,實現電路使用者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計,需要內部電子元件、金屬連線、通孔和外部連線的布局、電磁保護、熱耗散、串音等各種因素。優秀的線路設計可以節約生產成本,達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現,但複雜的線路設計一般也需要藉助計算機輔助設計(CAD)實現,而著名的設計軟體有AutoCAD、OrCAD、PowerPCB、FreePCB等。
基本製作
根據不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。
[編輯] 減去法
減去法(Subtractive),是利用化學品或機械將空白的電路板(即鋪有完整一塊的金屬箔的電路板)上不需要的地方除去,餘下的地方便是所需要的電路。
絲網印刷:把預先設計好的電路圖製成絲網遮罩,絲網上不需要的電路部分會被蠟或者不透水的物料覆蓋,然後把絲網遮罩放到空白線路板上面,再在絲網上油上不會被腐蝕的保護劑,把線路板放到腐蝕液中,沒有被保護劑遮住的部份便會被蝕走,最後把保護劑清理。
感光板:把預先設計好的電路圖制在透光的膠片遮罩上(最簡單的做法就是用印表機印出來的投影片),同理應把需要的部份印成不透明的顏色,再在空白線路板上塗上感光顏料,將預備好的膠片遮罩放在電路板上照射強光數分鐘,除去遮罩後用顯影劑把電路板上的圖案顯示出來,最後如同用絲網印刷的方法一樣把電路腐蝕。
刻印:利用銑床或雷射鵰刻機直接把空白線路上不需要的部份除去。
加成法
加成法(Additive),普遍是在一塊預先鍍上薄銅的基板上,覆蓋光阻劑(D/F),經紫外光曝光再顯影,把需要的地方露出,然後利用電鍍把線路板上正式線路銅厚增厚到所需要的規格,再鍍上一層抗蝕刻阻劑-金屬薄錫,最後除去光阻劑(這製程稱為去膜),再把光阻劑下的銅箔層蝕刻掉。
積層法
[1] 積層法是製作多層印刷電路板的方法之一。是在製作內層後才包上外層,再把外層以減去法或加成法所處理。不斷重複積層法的動作,可以得到再多層的多層印刷電路板則為順序積層法。
內層製作
積層編成(即黏合不同的層數的動作)
積層完成(減去法的外層含金屬箔膜;加成法)
鑽孔
減去法
Panel電鍍法
全塊PCB電鍍
在表面要保留的地方加上阻絕層(resist,防以被蝕刻)
蝕刻
去除阻絕層
Pattern電鍍法
在表面不要保留的地方加上阻絕層
電鍍所需表面至一定厚度
去除阻絕層
蝕刻至不需要的金屬箔膜消失
加成法
令表面粗糙化
完全加成法(full-additive)
在不要導體的地方加上阻絕層
以無電解銅組成線路
部分加成法(semi-additive)
以無電解銅覆蓋整塊PCB
在不要導體的地方加上阻絕層
電解鍍銅
去除阻絕層
蝕刻至原在阻絕層下無電解銅消失
增層法
增層法是製作多層印刷電路板的方法之一,顧名思義是把印刷電路板一層一層的加上。每加上一層就處理至所需的形狀。
[編輯] ALIVH
[1]
ALIVH(Any Layer Interstitial Via Hole,Any Layer IVA)是日本松下電器開發的增層技術。這是使用芳香族聚醯胺(Aramid)纖維布料為基材。
把纖維布料浸在環氧樹脂成為“黏合片”(prepreg)
雷射鑽孔
鑽孔中填滿導電膏
在外層黏上銅箔
銅箔上以蝕刻的方法製作線路圖案
把完成第二步驟的半成品黏上在銅箔上
積層編成
再不停重覆第五至七的步驟,直至完成
B2it
[1]
B2it(Buried Bump Interconnection Technology)是東芝開發的增層技術。
先製作一塊雙面板或多層板
在銅箔上印刷圓錐銀膏
放黏合片在銀膏上,並使銀膏貫穿黏合片
把上一步的黏合片黏在第一步的板上
以蝕刻的方法把黏合片的銅箔製成線路圖案
再不停重覆第二至四的步驟,直至完成
產業現狀
由於印製電路板的製作處於電子設備製造的後半程,因此被成為電子工業的下游產業。幾乎所有的電子設備都需要印製電路板的支持,因此印製電路板是全球電子元件產品中市場份額占有率最高的產品。日本、中國、台灣、西歐和美國為主要的印製電路板製造基地。