印刷电路板的起源和演变

文章来源：老千和他的朋友们

原文作者：孙千

在电子行业有一个关键的部件叫做PCB（printed circuit board，印刷电板）。这是一个非常基础的部件，导致很多人都很难解释到底什么是PCB。这篇文章将会详细介绍关于PCB的相关知识，让大家了解印刷电路板的起源和演变。  

印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB），是指在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印刷板，其主要功能是：1）为电路中各种元器件提供机械支撑；2）使各种电子零组件形成预定电路的电气连接，起中继传输作用；3）用标记符号将所安装的各元器件标注出来，便于插装、检查及调试。

 1 电子产品之母:PCB

PCB可以实现电子元器件之间的相互连接，起中继传输的作用，是电子元器件的支撑体，因而被称为“电子产品之母”。PCB 的工艺制造品质不仅直接影响电子产品的可靠性，而且还影响各种芯片之间信号传输的完整性，因此可以说PCB 产业的发展水平，在一定程度上反映了一个国家或地区IT产业的技术水平。

PCB技术与集成电路行业技术发展密切相关，随着半导体技术发展日新月异，也带动PCB行业技术不断精进和走向成熟。在1936年首次在收音机里使用 PCB 以来，近1个世纪的时间里，PCB 技术有了翻天覆地的变化，从单面板到双面板，再到多面板；从插装式到表面安装（SMT），再到球栅阵列封装（BGA）。

在PCB加工技术方面，图形制造、激光钻孔和表面涂覆、检测等方面均发展了新的工艺流程，盲孔、埋孔和积层法的应用也较为普遍 ，且高密度化和高性能化成为 PCB 技术发展的方向。

PCB产业链上游为相关原材料，包括覆铜板（CopperClad Laminate，CCL）、半固化片、铜箔、铜球、金盐、干膜和油墨等，中游为 PCB 制造，下游则主要是通讯、消费 电子、汽车电子、工控、医疗、航空航天、国防、半导体封装等领域。

PCB营业成本中，原材料成本较高，往往占到约60%。其中CCL占成本比重最大，为30%，重要性不言而喻，其次是铜箔9%、铜球6%、油墨3%等。作为 PCB 制造的核心基材，生产CCL的三大主要原材料包括铜箔、树脂和玻璃纤维布，PCB的导电、绝缘和支撑主要依靠以上三大原材料实现，其中铜箔占比42%，树脂占比26%，玻纤布占比19%。

2 最早发明PCB的人是谁？

许多人认为Eisler在20世纪30年代中期发明了印刷电路板 (printed circuit board，PCB)，但实际上其起源几乎比这还早50年。如果这是真的，那么是谁发明了印刷电路板？本文对PCB的历史提出了另一种看法，包括从艺术和印刷领域的早期发展和贡献，到科学和工程领域的创新，再到现代电子工业的关键发展。

对印刷电路板（PCB）起源的任何研究通常都会发现一个名字：Eisler。Paul Eisler关于PCB的第一项专利发表于 1936 年（Eisler和Williams, 1989) ，但根据 Ken Gilleo（1992 年，2003 年）等人提出的专利搜索结果显示，PCB的起源要比Eisler要早近50年。

3 PCB的起源

Baynes (1888) 公布了一项专利，在当时是专门为艺术界设计的。该专利描述了一种使用酸浴将图案蚀刻到面板或其他物体上的方法。每块面板上都有一个图案，其原理与摄影的原理类似。在蚀刻过程中，Baynes发现图案有明显的凹陷。他的解决办法是先蚀刻出轮廓，然后在轮廓上涂一层蜡或其他蚀刻抗蚀剂。然后再蚀刻完整的图案，最后去除保护层。

12年后，King（1900年）提出了上述方法的改进版。为了实现这一目的，需要在物体的整个表面沉积一薄层银。先用水彩画上要复制为金属膜的图案，再用沥青等抗蚀剂涂上反面图像。然后洗去水彩，使表面为所需金属的电沉积做好准备。随后，去除抗蚀剂，露出剩余的银。

后来的许多发明似乎都受到了这两位发明家的启发，因为他们的专利出现在后来大量专利的引用清单中（Eisler, 1948; Nieter, 1955a, b; Rubin, 1948）。因此，可以说现代印刷电路板的起源实际上是艺术界而非技术界。

4 PCB技术的升级：从艺术到印刷再到电路

1913年前，有人将这些工艺用于电子电路的制造。Berry (1913)将减法工艺用于生产电加热器，并对"加热"带进行了描述。这可以解释为第一块柔性电路板。

实际上，比Berry早9年， Hanson (1903) 就开始研究用不同的方法将大量导体紧凑地排列起来，以缓解电话配电盘布线拥挤的问题。所有的设计都使用了电线和各种绝缘材料，如纸、古塔漆和纤维素。不过，Hanson在其专利中指出，他设法"通过电沉积或机械沉积，例如在适当的介质中直接在绝缘材料层上划出金属粉末线"来制造导体。事后看来，在这项专利中可以找到许多所谓的现代电路概念。这些概念包括双面通孔电路、多层电路、高密度电路以及与King所描述的生产电路板方法不同的另一种添加剂方法。

Chisholm（1915年）致力于改进平版印刷板的制造。为了获得均匀、更具弹性和韧性的表面，采用了电沉积铜再沉积镍的方法。为了给金属沉积物提供足够的表面，使用了挥发性溶剂、细金属粉末和多孔基底。导电浆料和油墨的前身？

下一位重要发明家是 Charles Ducas。他的专利（Ducas, 1925年）至少被其他五项专利所引用（Eisler, 1948 年；McLarn, 1947 年；Nieter, 1955a, b 年；Rubin, 1948 年），其中包含许多基于一个方法的变换形式。该方法是寻找生产导体的替代方法，以避免绕制单股导线。为此，人们采用了各种方法在绝缘材料上制作金属化设计。然后，对包含金属化电路的面板进行电镀，以沉积所需的金属量。制作面板的方法多种多样，包括以下几种。

Ø使用车床将所需设计的金属暴露在基板上。基板由涂有非导电层的导电材料组成。

Ø使用导电浆料将图像转印到空白面板上。

Ø在蜡等低熔点物质中印制图像，然后涂上导电材料。

Ø使用导电浆糊和任何印刷方法来制作所需的图像。
 

Charles Ducas 还提到可以在绝缘基板的两面制作导体，并介绍了一种利用导体通过孔延伸到另一面将各层相互连接起来的方法。其中暗示了多层电路，但发明者没有进一步说明。

5 PCB的商业化及现代工艺

1926年，法国人塞萨尔-帕罗里尼（César Parolini，1927年）根据前几位发明家提出的概念，首次尝试用添加法生产完整电路。图1显示了使用U形金属片的印刷电路，这些金属片在轨道交叉处充当桥梁。桥的使用使设计更加紧凑。使用蘸有金属粉末的油墨来制作轨道。桥接后，再对面板进行电镀，直至达到所需的金属厚度。

电路布局：来自César Parolini的设计

1927 年，弗雷德里克-西摩（Frederick Seymour）公布了一项通用专利，专门涉及柔性电路的制造，他还提出了三维电路的概念（Seymour, 1927）。该专利描述了电感器的生产过程，电感器的尺寸减小了，但功能却没有减弱。这是通过“any well known means众所周知的方法”：使用任何导电材料在柔性板上描画图案来实现的。

Erwin Franz在Parolini和Seymour的想法基础上，于1935年发表了这一成果。墨水中含有石墨或金属颜料的粘合介质被用来在电介质材料上描绘图像。转印方式可以是印刷、模印、脱模或使用转印辊。然后对面板进行电镀，以达到设计所需的金属厚度。专利指出，轨道宽度的不同会导致电镀厚度的相应变化，但没有提出任何补救措施。

圣戈班（Saint‐Gobain）公司在1939年至1942年间研究了一个完全不同的领域（Loiseleur, 1942年；Société Anonyme des Manufactures des Glaces et Produits Chimiques de Saint Gobain, 1939 年）。该公司正在开发一种无需外部电源的金属沉积方法。这种方法只适用于铜和银等金属，因为这些金属相对于氢具有正的电极电位。为了获得金属薄膜，需要使用"含有待沉积金属盐的溶液"，并且"是这种盐的碱性溶液，其中还含有亚铁盐和羟基酸"。这一描述涵盖了示例中列出的基本化学品，可以说是对目前所谓的无电解溶液的首次描述。

此时，电路板制造商正试图利用被称为"塑料"的新型廉价基板材料的发展。如果使用现有的方法，那么生产出来的电路在金属和基材之间的附着力很差。Walker（1940年）将附着力问题称为 "解聚depolymerisatio"，并着手解决这一问题。他认为，要获得良好的附着力，表面必须发生物理和化学变化。他使用了一种含有氯化亚锡（后来被称为敏化剂）的溶液，使基底更容易受到后期使用的化学品的影响，从而提高了基底与金属之间的粘合强度。这似乎是最早提到的使用敏化剂来提高附着力的方法。它为化学镀和/或电镀前基材预处理的进一步发展铺平了道路，如 McLarn（1947 年）和 Narcus（1948 年）的研究。

McLarn的专利（1947 年）讲述了一种至今仍在使用的工艺：通过橡皮图章或印刷板，使用电子导电油墨将电路图像转移到基板上。实际的油墨配方没有给出。除了电路设计外，还需要添加连接线将所有轨道连接在一起，以及添加线路作为电镀的接触点。然后将面板电镀到所需的厚度。拆卸时，对面板进行清洁，必要时切断和移除不需要的线路和连接。

正如McLarn所描述的新设计流程一样， Narcus（1948年）也开始提供一种替代方法，在电镀前使用银作为涂层。使用银存在许多问题，包括成本高、附着力低以及会形成氧化银导致电沉积不均匀。为解决这一问题，Narcus 开发了一种改进型活化剂和化学电镀溶液。

化学电镀前的预处理包括两种溶液：一种是活化溶液，另一种是种子溶液。示例中使用的活化溶液所需的化学品为氧化钛、硫酸、十二烷基硫酸钠和水。然后将面板冲洗干净，并浸入由氯化钯、盐酸和水制成的种籽溶液中。无需进一步冲洗，面板就被放入无电解溶液中。该溶液由两种溶液混合而成。

示例中列出的化学品如下，括号内为替代品。

溶液 A

Ø氟硼酸铜（任何铜盐）；

Ø氟硼酸镍（在电势系列中位置高于氢的金属的类似盐）；

Øα-三氧甲基（甲醛）；

Ø水。

溶液 B（携带溶液，有多种形式）

Ø氢氧化钠；

Ø罗克盐；

Ø碳酸钠。

混合后，将面板浸入水中 30-40分钟，5 分钟后首次出现铜沉积。然后，在进行电镀之前对面板进行充分冲洗。这里用了Walker（1940 年）和 Saint-Gobain 的专利作为参考，但对最初的想法和配方进行了重大修改。这在意料之中，因为自最初申请专利以来，已经过去了大约 10 年时间。

6 PCB规模化生产

正是在这一时期，Paul Eisler首次出现在PCB领域，他的主要贡献是成功地实现了从实验室规模到全面生产的过渡。这始于1941年，当时一家名为 Technograph Printed Circuits Limited 的公司在伦敦成立，Eisler是公司董事之一。公司在英国取得成功后，注意力转移到了美国，一家姊妹公司于1949 年成立。几年后，情况变得更糟，Eisler对英国公司的发展方向越来越失望。然而，正是这家姊妹公司注定了Eisler的个人梦想和对"他的"印刷电路板发明的雄心开始螺旋式下降。

关于Eisler的各项专利，美国专利（Eisler，1948年）因其引用清单而特别引人关注。这项美国专利包含了Eisler早期英国专利中有关PCB的大部分细节。引用清单包括Baynes、Ducas和Seymour 的专利，这些专利在1963年结束的一场漫长的审判中被用作证据。在这场审判中，美国Technographic Printed Circuits Inc公司，该公司起诉Bendix公司侵权。Bendix公司拥有更多的资源，他们利用前面提到的发明者的专利，试图使Eisler提出的印刷电路概念无效。

法官做出了有利于Bendix公司的判决，宣布Eisler的多项专利无效（Eisler and Williams, 1989）。美国专利局花了4年时间才一审批准了Eisler的申请，理由是其中多次提到"众所周知的印刷技术方法"或其他类似短语。具有讽刺意味的是，Seymour也使用了类似的短语，但这些短语却被作为不利于Eisler的证据。

Eisler认为自己受到了制度的不公正待遇。他认为自己的专利足以在法庭上进行辩护。他和他的专利律师"几乎知道所有现有技术的引文，并非常谨慎地使专利文件尽善尽美"（Eisler and Williams, 1989）。而这起法庭案件的结果似乎表明并非如此。

在同一时期，Ott（1950年）描述了以多种颜色出现的珐琅，这种珐琅在艺术界专门用作装饰性蚀刻抗蚀剂，并保留在最终产品上。所使用的瓷釉主要由醇酸树脂基和有机颜料组成。有机颜料似乎是颜色的来源。构成珐琅的成分与现在用于生产导电薄膜的一些成分相似，这些导电薄膜是用添加法生产 PCB 的。除此以外，Ott偏爱的应用方法是普通的印刷或筛选方法，这与现代人的偏好如出一辙。

7 摩托罗拉（Motorola）

1953年，摩托罗拉（Motorola）公司开发了现代半加成法工艺的先驱（Coombs，1996 年），即placir（PLAted CIRcuitry）法。该工艺是最早的电镀通孔 (PTH) 技术之一。它由摩托罗拉公司开发，目的是降低收音机的成本。

摩托罗拉公司获得的专利（Nieter, 1955）在工艺方面完全相同，不同之处在于后一项专利应用于孔的电镀，即PTH。这些专利旨在解决遮蔽材料不足以及用于除银的化学物质在轨道上造成缺陷的问题。当时，使用光敏材料转移抗蚀剂并不能完全有效地保护表面。

建议的解决方案是在面板上钻孔，用氯化亚锡进行感光，然后使用银盐和还原溶液的双重喷雾来产生金属银。然后使用丝网印刷技术在表面印上底片图像，因为与其他印刷方法相比，丝网印刷技术可以一次印上较厚的抗蚀层。完成后，面板开始电镀，以获得所需的铜层厚度。冲洗干净后，去除抗蚀层，然后镀银。

也许很容易看出这项专利与早期专利的相似之处。事实上，在这两项专利的引用清单中，有九项是之前描述过的专利。不过，这意味着尽管最近无电解溶液有所改进，但显然仍不足以在主流生产中使用，银和蚀刻的使用仍是当时的主流工艺。

8 焦点开始转移：铜取代了银？

随着银变得越来越昂贵，对更好的附着力的要求也越来越高，研究工作开始更多地侧重于改进无电解溶液和前处理阶段，在许多情况下用铜取代了银。Shipley家族在美国马萨诸塞州牛顿市成立了一家公司，该公司注定会对印刷电路板的制造产生重大影响。

公司最初的业务重点是为该行业设计和制造设备。一段时间后，他们意识到市场对特殊用途化学品的需求更大，尤其是用于 PTH 工艺的化学品。众所周知，当时使用的敏化浴本质上是不稳定和不可预测的（Shipley，1961年）。经过深入研究，Shipley公司于1958年发现了一种单步催化剂，这种催化剂可以在被称为覆铜板的新型基材上生产出良好的电镀通孔。在这项发明问世之前，人们曾尝试在新系列基材上使用旧催化剂步骤，结果导致铜箔与无电解铜之间的附着力很差（Coombs，1996 年）。

在相关专利（Shipley，1961年）中，用于说明的催化剂包括氯化钯、水、浓盐酸和氯化亚锡。这种化学品组合至今仍在使用。这种新型催化剂还不足以说服制造商使用无电解铜代替银。催化剂的稳定性和有效性可能有所提高，但化学溶液本身的稳定性仍然是个问题。

9 完善化学电镀工艺

20世纪50年代中后期，许多人都在努力开发一种与改良催化剂配合使用的无电解溶液。据报道，Atkinson是这场竞赛的赢家（Coombs，1996 年）。申请日期和发表日期之间相隔8年似乎可以证明这一点，因为需要这么长的时间来整理所有不同的申请，才能找到真正符合要求的发明。(Atkinson, 1964)

螯合剂的使用、镀液 pH 值的改变以及润湿剂的添加使镀液能够保持稳定约 8 小时。螯合剂通过包裹金属离子将铜保持在溶液中，但在适当的条件下，螯合剂会释放铜，使沉积发生。这里提到两种螯合剂，但目前主要使用的是乙二胺四乙酸（EDTA）。

氢氧化钠提供所需的 pH 值，磷酸三钠起缓冲作用。甲醛仍然是以前配方中的还原剂。润湿剂不易识别，但它能使铜均匀地沉积在面板表面。该专利中使用的预处理阶段已被Shipley的一步法催化剂取代，该催化剂是在该专利等待批准期间开发的。

在无电解溶液完善 8 年后，Zeblisky（1972 年）改进了Shipley催化剂。在工业中使用Shipley催化剂时，发现浸没时间必须比以前预计的要长，才能使铜得到良好的覆盖。此外，还存在反应活性在较短时间内下降的问题。

这些改进还涉及在特定比例范围内使用两种金属和一种阴离子的组合。首选金属是钯和锡，氯离子作为阴离子成分。这些成分溶解在酸性溶液中。选择的酸最好与所用金属盐的阴离子相同。

最初的工艺在孔中的附着力很好，但其他地方的附着力很差。在本发明之前，除非在电镀前去除无电解铜，否则使用"玻璃纸胶带"会使电镀铜与金属箔分离。不同程度的附着力是由基底材料造成的。孔的基材是层压板，而电路板的其他部分则是铜箔。对催化剂/敏化剂的改进提高了铜箔与化学铜之间的附着力，因此无需去除化学铜。

通过1972年的这一发展，催化剂、无电解铜和电镀铜与今天使用的溶液有了更多的相似之处。近年来的重点是对这些基本配方进行修改，以满足最终产品的规格要求。

10 PCB的现代历史

利用这种化学成分，布鲁内尔大学设计与系统工程系清洁电子研究小组的David Harrison, Blue Ramsey和Peter Evans开始研究使用添加剂方法和平版印刷制造印刷电路板的可能性（(Harrison et al，1997 年）。从那时起，已经发明了三代平版印刷油墨。第一代是导电油墨，第二代是 "seeding"油墨，第三代油墨是第二代 "seeding"油墨的廉价替代品。前两种油墨中的活性材料是银，第三种是氧化铜。

导电油墨经平版印刷后即可使用。事实证明，这种油墨适用于射频识别设备等低档产品，反映了影响工艺选择的因素从质量、坚固性和可靠性向成本、灵活性和效率的转变（Allardyce，1996 年）。

接下来的两代产品需要通过类似于传统印刷电路板制造中使用的化学品进行处理，以获得所需的铜沉积。这两种油墨的发明基础是油墨与后续预处理阶段的结合。这种方法缩短了预处理时间。从光阻阶段到平版印刷阶段的转换大大缩短了这一时间，使添加法比以前的应用范围更广。

印刷电路板添加法（additive methods）的开发，迄今为止，在商业规模上的应用进展缓慢。

直到最近，市场条件仍不利于印刷电路板行业采用任何新的、可能具有颠覆性的技术，从而阻碍了添加剂工艺的采用。由于经济衰退，美国和欧洲的大量产能被淘汰或转移到中国，PCB行业目前刚刚开始缓慢复苏。再加上健康、安全和环境方面的法规和立法不断增加，可以看出，采用添加式加工工艺的条件开始变得有利起来。直接金属化出现在印刷电路板近代史的不同时期。

20 世纪90 年代，人们对所谓的直接金属化工艺产生了浓厚的兴趣，并将其作为无电解铜的替代工艺。这些工艺通常被誉为"新的无电解"工艺，业内人士都争相转用这些工艺。不过，也可以说，现在人们对这些工艺的兴趣已经减弱，而对先进的无电解铜工艺的使用也在不断更新。

在无电解解决方案停止发展以解决出现的问题/顾虑之前，直接金属化工艺可能仍将处于次要地位。也许，人们对使用甲醛的健康风险的持续关注，以及难以找到合适的替代还原剂，可能会再次为直接金属化铺平道路。只有时间才能证明，无电解法是否能再次"出其不意"，保住自己的未来。

11 写在后面的话

现在，PCB的发展和演变的过程基本清晰，也能推测未来的发展方向，事实证明，PCB并不是一个人发明的，而是由一群人共同完成的。其中有些人的想法走在了时代的前列。例如，McLarn描述了一种与Brunel新工艺步骤极为相似的工艺，Hanson提出了生产双面通孔、多层和高密度电路的想法，以及Seymour的三维电路。尽管事实证明Eisler并没有像他自己认为的那样发明印刷电路板，但我们不能忽视他的贡献。他成功地实现了从小规模生产到大规模生产的艰难转变，使印刷电路板引起了全世界的关注。如果没有Eisler，在他之前的无数发明家的成果将永远不会得到认可。

归根结底，PCB的成功，甚至是持续的成功，都要归功于来自各个领域的不同人士的贡献。再加上采用新技术的有利市场条件，也许是时候对印刷电路板的制造方法进行重大变革了。

审核编辑：汤梓红