印刷電路板
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）或寫PWB（Printed wire 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接的提供者。傳統的電路板，採用印刷蝕刻阻劑的工法，做出電路的線路及圖面，因此被稱為印刷電路板或印刷線路板。由於電子產品不斷微小化跟精細化，目前大多數的電路板都是採用貼附蝕刻阻劑(壓膜或塗佈)，經過曝光顯影後，再以蝕刻做出電路板。
歷史
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接而組成完整的線路。現在，電路麵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「メタリコン法吹着配線方法(特許119384号)」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；和以酚醛樹脂製的紙質酚醛基板（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。這方法也應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，直至現在。
製造印刷電路板
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，由於不同的金屬價錢不同，因此直接影響生產的成本。另外，每種金屬的可焊性、接觸性，電阻阻值等等不同，這也會直接影響元件的效能。
常用的金屬塗層有：
線路設計
印製電路板的設計是以電路原理圖為藍本，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、通孔和外部連接的佈局、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OrCAD、Pads (也即PowerPCB)、Altium designer (也即Protel)、FreePCB、CAM350等。
電路板的基本組成
目前的電路板，主要由以下組成
- 線路與圖面(Pattern):線路是做為原件之間導通的工具，在設計上會另外設計大銅面作為接地及電源層。線路與圖面是同時做出的。
- 介電層(Dielectric):用來保持線路及各層之間的絕緣性，俗稱為基材
- 孔(Through hole / via):導通孔可使兩層次以上的線路彼此導通，較大的導通孔則做為零件插件用，另外有非導通孔(nPTH)通常用來作為表面貼裝定位，組裝時固定螺絲用
- 防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask) :並非全部的銅面都要吃錫上零件，因此非吃錫的區域，會印一層隔絕銅面吃錫的物質(通常為環氧樹脂)，避免非吃錫的線路間短路。根據不同的工藝，分為綠油、紅油、藍油。
- 絲印（Legend /Marking/Silk screen):此為非必要之構成，主要的功能是在電路板上標註各零件的名稱、位置框，方便組裝後維修及辨識用。
- 表面處理(Surface Finish):由於銅面在一般環境中，很容易氧化，導致無法上錫(焊錫性不良)，因此會在要吃錫的銅面上進行保護。保護的方式有噴錫(HASL)，化金(ENIG)，化銀(Immersion Silver)，化錫(Immersion Tin)，有機保焊劑(OSP)，方法各有優缺點，統稱為表面處理。
基本製作
根據不同的技術可分為消除和增加兩大類過程。
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：利用銑床或雷射彫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），現在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。
多層製作
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
- Panel電鍍法
- 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
- 減去法
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。
ALIVH
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
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，因此被稱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。目前日本、中國大陸、臺灣、西歐和美國為主要的印製電路板製造基地。
參考文獻
- ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 增層、多層印刷電路板技術 ISBN 957-21-3192-3
- ^ 《4.2 積層體の構造の概要》－日本專利局（特許庁）
- ^ R.L. Beadles: Interconnections and Encapsulation, AD 654-630, vol.14 of "Integrated Silicon Device Technology" ASD-IRD-63-316, Research Triangle Institute, 1967, May
- ^ 4.0 4.1 4.2 魏雄。《PowerPCB 5.0.1 印製電路板設計與實踐》北京：電子工業出版社，2006年10月，3-4。 ISBN 7-121-03298-8