文章來源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

在電子行業有一個關鍵的部件叫做PCB（printed circuit board，印刷電板）。這是一個非?；A的部件，導致很多人都很難解釋到底什么是PCB。這篇文章將會詳細介紹關于PCB的相關知識，讓大家了解印刷電路板的起源和演變。

印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB），是指在通用基材上按預定設計形成點間連接及印制元件的印刷板，其主要功能是：1）為電路中各種元器件提供機械支撐；2）使各種電子零組件形成預定電路的電氣連接，起中繼傳輸作用；3）用標記符號將所安裝的各元器件標注出來，便于插裝、檢查及調試。

1 電子產品之母:PCB

PCB可以實現電子元器件之間的相互連接，起中繼傳輸的作用，是電子元器件的支撐體，因而被稱為“電子產品之母”。PCB 的工藝制造品質不僅直接影響電子產品的可靠性，而且還影響各種芯片之間信號傳輸的完整性，因此可以說PCB 產業的發展水平，在一定程度上反映了一個國家或地區IT產業的技術水平。

PCB技術與集成電路行業技術發展密切相關，隨著半導體技術發展日新月異，也帶動PCB行業技術不斷精進和走向成熟。在1936年首次在收音機里使用 PCB 以來，近1個世紀的時間里，PCB 技術有了翻天覆地的變化，從單面板到雙面板，再到多面板；從插裝式到表面安裝（SMT），再到球柵陣列封裝（BGA）。

在PCB加工技術方面，圖形制造、激光鉆孔和表面涂覆、檢測等方面均發展了新的工藝流程，盲孔、埋孔和積層法的應用也較為普遍 ，且高密度化和高性能化成為 PCB 技術發展的方向。

PCB產業鏈上游為相關原材料，包括覆銅板（CopperClad Laminate，CCL）、半固化片、銅箔、銅球、金鹽、干膜和油墨等，中游為 PCB 制造，下游則主要是通訊、消費 電子、汽車電子、工控、醫療、航空航天、國防、半導體封裝等領域。

PCB營業成本中，原材料成本較高，往往占到約60%。其中CCL占成本比重最大，為30%，重要性不言而喻，其次是銅箔9%、銅球6%、油墨3%等。作為 PCB 制造的核心基材，生產CCL的三大主要原材料包括銅箔、樹脂和玻璃纖維布，PCB的導電、絕緣和支撐主要依靠以上三大原材料實現，其中銅箔占比42%，樹脂占比26%，玻纖布占比19%。

2 最早發明PCB的人是誰？

許多人認為Eisler在20世紀30年代中期發明了印刷電路板 (printed circuit board，PCB)，但實際上其起源幾乎比這還早50年。如果這是真的，那么是誰發明了印刷電路板？本文對PCB的歷史提出了另一種看法，包括從藝術和印刷領域的早期發展和貢獻，到科學和工程領域的創新，再到現代電子工業的關鍵發展。

對印刷電路板（PCB）起源的任何研究通常都會發現一個名字：Eisler。Paul Eisler關于PCB的第一項專利發表于 1936 年（Eisler和Williams, 1989) ，但根據 Ken Gilleo（1992 年，2003 年）等人提出的專利搜索結果顯示，PCB的起源要比Eisler要早近50年。

3 PCB的起源

Baynes (1888) 公布了一項專利，在當時是專門為藝術界設計的。該專利描述了一種使用酸浴將圖案蝕刻到面板或其他物體上的方法。每塊面板上都有一個圖案，其原理與攝影的原理類似。在蝕刻過程中，Baynes發現圖案有明顯的凹陷。他的解決辦法是先蝕刻出輪廓，然后在輪廓上涂一層蠟或其他蝕刻抗蝕劑。然后再蝕刻完整的圖案，最后去除保護層。

12年后，King（1900年）提出了上述方法的改進版。為了實現這一目的，需要在物體的整個表面沉積一薄層銀。先用水彩畫上要復制為金屬膜的圖案，再用瀝青等抗蝕劑涂上反面圖像。然后洗去水彩，使表面為所需金屬的電沉積做好準備。隨后，去除抗蝕劑，露出剩余的銀。

后來的許多發明似乎都受到了這兩位發明家的啟發，因為他們的專利出現在后來大量專利的引用清單中（Eisler, 1948; Nieter, 1955a, b; Rubin, 1948）。因此，可以說現代印刷電路板的起源實際上是藝術界而非技術界。

4 PCB技術的升級：從藝術到印刷再到電路

1913年前，有人將這些工藝用于電子電路的制造。Berry (1913)將減法工藝用于生產電加熱器，并對"加熱"帶進行了描述。這可以解釋為第一塊柔性電路板。

實際上，比Berry早9年， Hanson (1903) 就開始研究用不同的方法將大量導體緊湊地排列起來，以緩解電話配電盤布線擁擠的問題。所有的設計都使用了電線和各種絕緣材料，如紙、古塔漆和纖維素。不過，Hanson在其專利中指出，他設法"通過電沉積或機械沉積，例如在適當的介質中直接在絕緣材料層上劃出金屬粉末線"來制造導體。事后看來，在這項專利中可以找到許多所謂的現代電路概念。這些概念包括雙面通孔電路、多層電路、高密度電路以及與King所描述的生產電路板方法不同的另一種添加劑方法。

Chisholm（1915年）致力于改進平版印刷板的制造。為了獲得均勻、更具彈性和韌性的表面，采用了電沉積銅再沉積鎳的方法。為了給金屬沉積物提供足夠的表面，使用了揮發性溶劑、細金屬粉末和多孔基底。導電漿料和油墨的前身？

下一位重要發明家是 Charles Ducas。他的專利（Ducas, 1925年）至少被其他五項專利所引用（Eisler, 1948 年；McLarn, 1947 年；Nieter, 1955a, b 年；Rubin, 1948 年），其中包含許多基于一個方法的變換形式。該方法是尋找生產導體的替代方法，以避免繞制單股導線。為此，人們采用了各種方法在絕緣材料上制作金屬化設計。然后，對包含金屬化電路的面板進行電鍍，以沉積所需的金屬量。制作面板的方法多種多樣，包括以下幾種。

?使用車床將所需設計的金屬暴露在基板上?；逵赏坑蟹菍щ妼拥膶щ姴牧辖M成。

?使用導電漿料將圖像轉印到空白面板上。

?在蠟等低熔點物質中印制圖像，然后涂上導電材料。

?使用導電漿糊和任何印刷方法來制作所需的圖像。

Charles Ducas 還提到可以在絕緣基板的兩面制作導體，并介紹了一種利用導體通過孔延伸到另一面將各層相互連接起來的方法。其中暗示了多層電路，但發明者沒有進一步說明。

5 PCB的商業化及現代工藝

1926年，法國人塞薩爾-帕羅里尼（César Parolini，1927年）根據前幾位發明家提出的概念，首次嘗試用添加法生產完整電路。圖1顯示了使用U形金屬片的印刷電路，這些金屬片在軌道交叉處充當橋梁。橋的使用使設計更加緊湊。使用蘸有金屬粉末的油墨來制作軌道。橋接后，再對面板進行電鍍，直至達到所需的金屬厚度。

電路布局：來自César Parolini的設計

1927 年，弗雷德里克-西摩（Frederick Seymour）公布了一項通用專利，專門涉及柔性電路的制造，他還提出了三維電路的概念（Seymour, 1927）。該專利描述了電感器的生產過程，電感器的尺寸減小了，但功能卻沒有減弱。這是通過“any well known means眾所周知的方法”：使用任何導電材料在柔性板上描畫圖案來實現的。

Erwin Franz在Parolini和Seymour的想法基礎上，于1935年發表了這一成果。墨水中含有石墨或金屬顏料的粘合介質被用來在電介質材料上描繪圖像。轉印方式可以是印刷、模印、脫模或使用轉印輥。然后對面板進行電鍍，以達到設計所需的金屬厚度。專利指出，軌道寬度的不同會導致電鍍厚度的相應變化，但沒有提出任何補救措施。

圣戈班（Saint‐Gobain）公司在1939年至1942年間研究了一個完全不同的領域（Loiseleur, 1942年；Société Anonyme des Manufactures des Glaces et Produits Chimiques de Saint Gobain, 1939 年）。該公司正在開發一種無需外部電源的金屬沉積方法。這種方法只適用于銅和銀等金屬，因為這些金屬相對于氫具有正的電極電位。為了獲得金屬薄膜，需要使用"含有待沉積金屬鹽的溶液"，并且"是這種鹽的堿性溶液，其中還含有亞鐵鹽和羥基酸"。這一描述涵蓋了示例中列出的基本化學品，可以說是對目前所謂的無電解溶液的首次描述。

此時，電路板制造商正試圖利用被稱為"塑料"的新型廉價基板材料的發展。如果使用現有的方法，那么生產出來的電路在金屬和基材之間的附著力很差。Walker（1940年）將附著力問題稱為 "解聚depolymerisatio"，并著手解決這一問題。他認為，要獲得良好的附著力，表面必須發生物理和化學變化。他使用了一種含有氯化亞錫（后來被稱為敏化劑）的溶液，使基底更容易受到后期使用的化學品的影響，從而提高了基底與金屬之間的粘合強度。這似乎是最早提到的使用敏化劑來提高附著力的方法。它為化學鍍和/或電鍍前基材預處理的進一步發展鋪平了道路，如 McLarn（1947 年）和 Narcus（1948 年）的研究。

McLarn的專利（1947 年）講述了一種至今仍在使用的工藝：通過橡皮圖章或印刷板，使用電子導電油墨將電路圖像轉移到基板上。實際的油墨配方沒有給出。除了電路設計外，還需要添加連接線將所有軌道連接在一起，以及添加線路作為電鍍的接觸點。然后將面板電鍍到所需的厚度。拆卸時，對面板進行清潔，必要時切斷和移除不需要的線路和連接。

正如McLarn所描述的新設計流程一樣， Narcus（1948年）也開始提供一種替代方法，在電鍍前使用銀作為涂層。使用銀存在許多問題，包括成本高、附著力低以及會形成氧化銀導致電沉積不均勻。為解決這一問題，Narcus 開發了一種改進型活化劑和化學電鍍溶液。

化學電鍍前的預處理包括兩種溶液：一種是活化溶液，另一種是種子溶液。示例中使用的活化溶液所需的化學品為氧化鈦、硫酸、十二烷基硫酸鈉和水。然后將面板沖洗干凈，并浸入由氯化鈀、鹽酸和水制成的種籽溶液中。無需進一步沖洗，面板就被放入無電解溶液中。該溶液由兩種溶液混合而成。

示例中列出的化學品如下，括號內為替代品。

溶液 A

?氟硼酸銅（任何銅鹽）；

?氟硼酸鎳（在電勢系列中位置高于氫的金屬的類似鹽）；

?α-三氧甲基（甲醛）；

?水。

溶液 B（攜帶溶液，有多種形式）

?氫氧化鈉；

?羅克鹽；

?碳酸鈉。

混合后，將面板浸入水中 30-40分鐘，5 分鐘后首次出現銅沉積。然后，在進行電鍍之前對面板進行充分沖洗。這里用了Walker（1940 年）和 Saint-Gobain 的專利作為參考，但對最初的想法和配方進行了重大修改。這在意料之中，因為自最初申請專利以來，已經過去了大約 10 年時間。

6 PCB規模化生產

正是在這一時期，Paul Eisler首次出現在PCB領域，他的主要貢獻是成功地實現了從實驗室規模到全面生產的過渡。這始于1941年，當時一家名為 Technograph Printed Circuits Limited 的公司在倫敦成立，Eisler是公司董事之一。公司在英國取得成功后，注意力轉移到了美國，一家姊妹公司于1949 年成立。幾年后，情況變得更糟，Eisler對英國公司的發展方向越來越失望。然而，正是這家姊妹公司注定了Eisler的個人夢想和對"他的"印刷電路板發明的雄心開始螺旋式下降。

關于Eisler的各項專利，美國專利（Eisler，1948年）因其引用清單而特別引人關注。這項美國專利包含了Eisler早期英國專利中有關PCB的大部分細節。引用清單包括Baynes、Ducas和Seymour 的專利，這些專利在1963年結束的一場漫長的審判中被用作證據。在這場審判中，美國Technographic Printed Circuits Inc公司，該公司起訴Bendix公司侵權。Bendix公司擁有更多的資源，他們利用前面提到的發明者的專利，試圖使Eisler提出的印刷電路概念無效。

法官做出了有利于Bendix公司的判決，宣布Eisler的多項專利無效（Eisler and Williams, 1989）。美國專利局花了4年時間才一審批準了Eisler的申請，理由是其中多次提到"眾所周知的印刷技術方法"或其他類似短語。具有諷刺意味的是，Seymour也使用了類似的短語，但這些短語卻被作為不利于Eisler的證據。

Eisler認為自己受到了制度的不公正待遇。他認為自己的專利足以在法庭上進行辯護。他和他的專利律師"幾乎知道所有現有技術的引文，并非常謹慎地使專利文件盡善盡美"（Eisler and Williams, 1989）。而這起法庭案件的結果似乎表明并非如此。

在同一時期，Ott（1950年）描述了以多種顏色出現的琺瑯，這種琺瑯在藝術界專門用作裝飾性蝕刻抗蝕劑，并保留在最終產品上。所使用的瓷釉主要由醇酸樹脂基和有機顏料組成。有機顏料似乎是顏色的來源。構成琺瑯的成分與現在用于生產導電薄膜的一些成分相似，這些導電薄膜是用添加法生產 PCB 的。除此以外，Ott偏愛的應用方法是普通的印刷或篩選方法，這與現代人的偏好如出一轍。

7 摩托羅拉（Motorola）

1953年，摩托羅拉（Motorola）公司開發了現代半加成法工藝的先驅（Coombs，1996 年），即placir（PLAted CIRcuitry）法。該工藝是最早的電鍍通孔 (PTH) 技術之一。它由摩托羅拉公司開發，目的是降低收音機的成本。

摩托羅拉公司獲得的專利（Nieter, 1955）在工藝方面完全相同，不同之處在于后一項專利應用于孔的電鍍，即PTH。這些專利旨在解決遮蔽材料不足以及用于除銀的化學物質在軌道上造成缺陷的問題。當時，使用光敏材料轉移抗蝕劑并不能完全有效地保護表面。

建議的解決方案是在面板上鉆孔，用氯化亞錫進行感光，然后使用銀鹽和還原溶液的雙重噴霧來產生金屬銀。然后使用絲網印刷技術在表面印上底片圖像，因為與其他印刷方法相比，絲網印刷技術可以一次印上較厚的抗蝕層。完成后，面板開始電鍍，以獲得所需的銅層厚度。沖洗干凈后，去除抗蝕層，然后鍍銀。

也許很容易看出這項專利與早期專利的相似之處。事實上，在這兩項專利的引用清單中，有九項是之前描述過的專利。不過，這意味著盡管最近無電解溶液有所改進，但顯然仍不足以在主流生產中使用，銀和蝕刻的使用仍是當時的主流工藝。

8 焦點開始轉移：銅取代了銀？

隨著銀變得越來越昂貴，對更好的附著力的要求也越來越高，研究工作開始更多地側重于改進無電解溶液和前處理階段，在許多情況下用銅取代了銀。Shipley家族在美國馬薩諸塞州牛頓市成立了一家公司，該公司注定會對印刷電路板的制造產生重大影響。

公司最初的業務重點是為該行業設計和制造設備。一段時間后，他們意識到市場對特殊用途化學品的需求更大，尤其是用于 PTH 工藝的化學品。眾所周知，當時使用的敏化浴本質上是不穩定和不可預測的（Shipley，1961年）。經過深入研究，Shipley公司于1958年發現了一種單步催化劑，這種催化劑可以在被稱為覆銅板的新型基材上生產出良好的電鍍通孔。在這項發明問世之前，人們曾嘗試在新系列基材上使用舊催化劑步驟，結果導致銅箔與無電解銅之間的附著力很差（Coombs，1996 年）。

在相關專利（Shipley，1961年）中，用于說明的催化劑包括氯化鈀、水、濃鹽酸和氯化亞錫。這種化學品組合至今仍在使用。這種新型催化劑還不足以說服制造商使用無電解銅代替銀。催化劑的穩定性和有效性可能有所提高，但化學溶液本身的穩定性仍然是個問題。

9 完善化學電鍍工藝

20世紀50年代中后期，許多人都在努力開發一種與改良催化劑配合使用的無電解溶液。據報道，Atkinson是這場競賽的贏家（Coombs，1996 年）。申請日期和發表日期之間相隔8年似乎可以證明這一點，因為需要這么長的時間來整理所有不同的申請，才能找到真正符合要求的發明。(Atkinson, 1964)

螯合劑的使用、鍍液 pH 值的改變以及潤濕劑的添加使鍍液能夠保持穩定約 8 小時。螯合劑通過包裹金屬離子將銅保持在溶液中，但在適當的條件下，螯合劑會釋放銅，使沉積發生。這里提到兩種螯合劑，但目前主要使用的是乙二胺四乙酸（EDTA）。

氫氧化鈉提供所需的 pH 值，磷酸三鈉起緩沖作用。甲醛仍然是以前配方中的還原劑。潤濕劑不易識別，但它能使銅均勻地沉積在面板表面。該專利中使用的預處理階段已被Shipley的一步法催化劑取代，該催化劑是在該專利等待批準期間開發的。

在無電解溶液完善 8 年后，Zeblisky（1972 年）改進了Shipley催化劑。在工業中使用Shipley催化劑時，發現浸沒時間必須比以前預計的要長，才能使銅得到良好的覆蓋。此外，還存在反應活性在較短時間內下降的問題。

這些改進還涉及在特定比例范圍內使用兩種金屬和一種陰離子的組合。首選金屬是鈀和錫，氯離子作為陰離子成分。這些成分溶解在酸性溶液中。選擇的酸最好與所用金屬鹽的陰離子相同。

最初的工藝在孔中的附著力很好，但其他地方的附著力很差。在本發明之前，除非在電鍍前去除無電解銅，否則使用"玻璃紙膠帶"會使電鍍銅與金屬箔分離。不同程度的附著力是由基底材料造成的。孔的基材是層壓板，而電路板的其他部分則是銅箔。對催化劑/敏化劑的改進提高了銅箔與化學銅之間的附著力，因此無需去除化學銅。

通過1972年的這一發展，催化劑、無電解銅和電鍍銅與今天使用的溶液有了更多的相似之處。近年來的重點是對這些基本配方進行修改，以滿足最終產品的規格要求。

10 PCB的現代歷史

利用這種化學成分，布魯內爾大學設計與系統工程系清潔電子研究小組的David Harrison, Blue Ramsey和Peter Evans開始研究使用添加劑方法和平版印刷制造印刷電路板的可能性（(Harrison et al，1997 年）。從那時起，已經發明了三代平版印刷油墨。第一代是導電油墨，第二代是 "seeding"油墨，第三代油墨是第二代 "seeding"油墨的廉價替代品。前兩種油墨中的活性材料是銀，第三種是氧化銅。

導電油墨經平版印刷后即可使用。事實證明，這種油墨適用于射頻識別設備等低檔產品，反映了影響工藝選擇的因素從質量、堅固性和可靠性向成本、靈活性和效率的轉變（Allardyce，1996 年）。

接下來的兩代產品需要通過類似于傳統印刷電路板制造中使用的化學品進行處理，以獲得所需的銅沉積。這兩種油墨的發明基礎是油墨與后續預處理階段的結合。這種方法縮短了預處理時間。從光阻階段到平版印刷階段的轉換大大縮短了這一時間，使添加法比以前的應用范圍更廣。

印刷電路板添加法（additive methods）的開發，迄今為止，在商業規模上的應用進展緩慢。

直到最近，市場條件仍不利于印刷電路板行業采用任何新的、可能具有顛覆性的技術，從而阻礙了添加劑工藝的采用。由于經濟衰退，美國和歐洲的大量產能被淘汰或轉移到中國，PCB行業目前剛剛開始緩慢復蘇。再加上健康、安全和環境方面的法規和立法不斷增加，可以看出，采用添加式加工工藝的條件開始變得有利起來。直接金屬化出現在印刷電路板近代史的不同時期。

20 世紀90 年代，人們對所謂的直接金屬化工藝產生了濃厚的興趣，并將其作為無電解銅的替代工藝。這些工藝通常被譽為"新的無電解"工藝，業內人士都爭相轉用這些工藝。不過，也可以說，現在人們對這些工藝的興趣已經減弱，而對先進的無電解銅工藝的使用也在不斷更新。

在無電解解決方案停止發展以解決出現的問題/顧慮之前，直接金屬化工藝可能仍將處于次要地位。也許，人們對使用甲醛的健康風險的持續關注，以及難以找到合適的替代還原劑，可能會再次為直接金屬化鋪平道路。只有時間才能證明，無電解法是否能再次"出其不意"，保住自己的未來。

11 寫在后面的話

現在，PCB的發展和演變的過程基本清晰，也能推測未來的發展方向，事實證明，PCB并不是一個人發明的，而是由一群人共同完成的。其中有些人的想法走在了時代的前列。例如，McLarn描述了一種與Brunel新工藝步驟極為相似的工藝，Hanson提出了生產雙面通孔、多層和高密度電路的想法，以及Seymour的三維電路。盡管事實證明Eisler并沒有像他自己認為的那樣發明印刷電路板，但我們不能忽視他的貢獻。他成功地實現了從小規模生產到大規模生產的艱難轉變，使印刷電路板引起了全世界的關注。如果沒有Eisler，在他之前的無數發明家的成果將永遠不會得到認可。

歸根結底，PCB的成功，甚至是持續的成功，都要歸功于來自各個領域的不同人士的貢獻。再加上采用新技術的有利市場條件，也許是時候對印刷電路板的制造方法進行重大變革了。

審核編輯：湯梓紅