对于嵌入式开发者而言PCB印刷电路板是再熟悉不过的存在。无论是单片机最小系统、传感器采集电路还是电机驱动、电源管理模块每一块嵌入式硬件都离不开PCB作为物理载体。它不仅是元器件之间电气连接的骨架更直接决定了系统的稳定性、抗干扰能力和可制造性。可以说理解PCB的来龙去脉是每一位嵌入式工程师从会画板走向懂硬件的必经之路。本文将从电磁理论的奠基讲起沿着时间脉络梳理PCB从概念提出、工艺演进到现代EDA工具普及的百年发展历程。如果觉得有收获可以为我的文章点点小赞这将激励我创作更好的内容谢谢一、PCB印刷电路板技术发展史1.1 开端:电磁王麦克斯韦1831年6月13日天降男神詹姆斯·克拉克·麦克斯韦James Clerk Maxwell1831年6月13日1879年11月5日于英国爱丁堡的印度街14号麦克斯韦被普遍认为是十九世纪物理学家中对于二十世纪初物理学的巨大进展影响最为巨大的一位。他在1864年发表的论文《电磁场的动力学理论》中集以往电磁学研究之大成。电磁学是现代科技生活最重要的学科它的高速发展将人类带入了电气时代和信息时代。1.2 萌芽:电子管的发明贝尔在1876年发明了电话爱迪生1879年发明了白炽灯、特斯拉于1888年发明了电动机所有这些都为电子学的诞生准备了充足的条件。1887年德国H.R.赫兹进行了一项实验他用火花隙激励一个环状天线用另一个带缝隙的环状天线接收证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言。1897年德国科学家布朗Braun制造出第一个真空管vacuum tube之后电子学的真空管时期就此展开。在此之后英国的弗莱明John Fleming发明了真空二极管1906年德佛雷斯特De Forest在二及真空管内加入栅极发明了三极真空管在晶体管发明以前的近半个世纪里电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电磁波是电子元器件之间互联通信的基石而电子管的发明则催生了PCB诞生。1.3 发展PCB概念的提出在PCB技术没有大规模应用之前生产这样一台电子设备是麻烦而低效的大量的电子管需要使用涂有绝缘树脂的导线在器件之间进行人工布线并焊接。为了简化电子机器的制作减少电子零件间的配线降低制作成本、提高电子机器的可靠性人们开始钻研以印刷的方式取代配线的方法以利用机器实现精密的大规模化生产。1903年当时一位名叫阿尔伯特·汉森Albert Hanson的德国著名发明家申请了一项英国专利他首创利用“线路”的观念应用于电话交换机系统利用金属箔切割成线路导体然后线路导体上下面都粘上石蜡纸在线路交点上设置导通孔实现不同层间的电气互联。1.4 发展PCB工艺的改进1907年出生于比利时的美国化学家利奥·亨德里克·贝克兰Leo Hendrik Baekeland1863年1944年改进了酚醛树脂的生产技术将树脂实用化、工业化。这也为印制电路板的问世与发展创造了必要的条件。1925年美国的 Charles Ducas 在绝缘的基板上印刷出线路图案再以电镀的方式成功建立导体作配线。这时“PCB”这个名词就诞生了。这种方法使得制造电器变得容易1936年奥地利人Paul Eisler博士在英国发表箔膜技术他在一个收音机装置内采用了印刷电路。Paul Eisler 也被称为“印刷电路之父”但因为当时的电子管元件发热量大体积笨重不方便在印刷电路板上进行安装Paul Eisler 的这一重大发明当时并未被英国所注重而在美国也只是将PCB制造技术应用于军工产品之中。1.5 爆发PCB的大规模普及1950年代采用PCB的电子设备还很少。而从1950年开始印刷电路的制造技术开始被广泛接受这时蚀刻起到了主导作用。伴随着晶体管开始走向实用化以金属箔腐蚀法制成的单面PCB在美国开发成功,并很快地得到工业化应用。1951年聚酰亚胺材料诞生。印刷电路板广泛被使用10年后的1960年代PCB技术也日益成熟。而自从Motorola的双面板问世多层印刷电路板开始出现使配线与基板面积之比更为提高。从1950年代到1990年代。这是PCB产业形成并快速成长的阶段即PCB产业化的早期阶段此时PCB已经成为一个产业。1958年仙童公司Robert Noyce与德仪公司间隔数月分别发明了集成电路开创了世界微电子学的历史。1.6 PCB技术的继续发展1960年代多层(4层数)PCB开始生产。而电镀贯穿孔金属化双面PCB实现了大规模生产。1964年Intel摩尔提出摩尔定律预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍1971年Intel推出1kb动态随机存储器DRAM标志着大规模集成电路出现1971年全球第一个微处理器4004由Intel公司推出采用的是MOS工艺这是一个里程碑式的发明。随着集成电路的大规模应用这时如果电子产品的生产不使用印刷电路板的话那生产会带来大麻烦。1970年代多层PCB迅速发展并不断向高精度、高密度、细线小孔、高可靠性、低成本和自动化连续生产方向发展以适应摩尔定律的步伐。虽然1970年代开始多层PCB就开始迅速发展但当时的PCB设计工作还是靠人工完成的。1.7 PCB软件的出现微软在1981年发布了MS-DOS1.0系统、1984年乔布斯的苹果公司发布了Macintosh 麦金塔电脑现多被简称为Mac1984联想成立开始组装个人计算机个人计算机开始普及基于DOS的CAD 软件开始出现并快速发展。CAD软件的出现提高了设计人员的绘图效率同时也提高了PCB设计的复用率节约的重复设计时间PCB设计完成后直接导出Gerber文件输入到光绘设备中同时,PCB的制造也开始大量还用了机械替代了人工PCB生产效率的提高之前需要几周才能交付的PCB现在最快几个小时就能交付这时快板厂开始出现。1990年代至今PCB产业开始走向成熟。1.8 现代PCB技术在2000年初期PCB变得更小、更复杂。5-6密耳线宽/线距已经是常规工艺对于高端PCB板厂来说开始制造3.5-4.5 mil 线宽/线距的电路板。同时柔性PCB变得更加普遍。2006年每层互连ELIC工艺被开发出来。该工艺使用堆叠的铜填充微孔通过电路板的每一层进行连接。这种独特的工艺使开发人员能够在PCB中的任何两层之间建立起堆叠后的连接。虽然这种工艺提高了灵活性水平使设计人员能够最大限度地提高互连密度但直到2010年代ELIC PCB才被广泛使用。随着智能手机的发展21世纪初第二代HDI应运而生。在保留激光钻微通孔的同时堆叠的通孔开始取代交错的导通孔并结合“任意层”构建技术HDI板最终的线宽/线距达到了40μm。这种任意层的方法仍然基于减成法工艺进行而且可以肯定的是对于移动电子产品来说大多数高端HDI仍然采用这种技术。然而在2017年HDI板开始从减成法工艺转向基于图形电镀的工艺。1.9 EDA软件EDAElectronic Design Automation电子设计自动化技术是电子设计中的一种重要工具其核心是计算机辅助设计Computer Aided DesignCAD技术以及综合、布局、布线、仿真等相关技术。其目标是通过利用计算机实现电路设计的自动化和半自动化并且加快电路设计的速度和准确性。板级EDA软件PCB 设计软件作为一种电子设计自动化EDA软件在电子电路设计中发挥着举足轻重的作用包括电路板布局、布线、验证、生产等工作无不依赖这类软件程序是工程师创建电路原理图不可或缺的帮手之一也是新一代板级 EDA 布局的关键一环。1.10 立创EDA的版本和特性嘉立创EDA标准版为电子爱好者及教育工作者提供用于设计300个器件以下的电路设计简单易用快速上手支持导入导出Altium Design格式文件支持3D预览支持团队协作等还有超过 30W 立创商城的库文件和100W 的用户贡献库文件。嘉立创EDA专业版专业版主要面向专业开发人员针对更复杂的电路设计量身打造通过重写整个PCB编辑器支持了层次图超多页原理图3D step文件导出3D预览子系统原理图设计多板设计增强的 PDF 导出导入 Protel、AD、Kicad、等一系列重要功能满足了专业用户的迫切需求。二、总结本文沿着时间脉络系统梳理了PCB印刷电路板从理论萌芽到现代产业化的完整发展历程。从麦克斯韦奠定电磁学理论基础到电子管的发明催生PCB的诞生从阿尔伯特·汉森首次提出线路概念到Paul Eisler被称为印刷电路之父PCB技术经历了概念提出、工艺改进和大规模普及的多个阶段。进入20世纪后半叶随着晶体管、集成电路和微处理器的相继问世PCB产业迅速成长并走向成熟。多层板、高密度互连HDI和任意层互连ELIC等先进工艺不断涌现推动PCB向更小、更复杂、更高性能的方向演进。与此同时EDA软件的出现彻底改变了PCB设计方式从人工布线走向计算机辅助设计大幅提升了设计效率与制造精度。如今以嘉立创EDA标准版和专业版为代表的国产板级EDA工具正为不同层次的电子工程师提供从原理图设计到PCB布局布线的完整解决方案降低了电子设计的门槛推动了硬件创新的普及。回顾PCB百年发展史可以看到每一次技术跃迁都源于基础科学的突破与工程实践的相互促进而PCB作为电子产品的骨架仍将在未来持续支撑电子科技的进步。都看这了点点赞吧