印刷電路板的起源:回顧歷史
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印刷電路板(PCB)如同許多突破性發明一樣,建立在歷史進步的基礎之上。早在 140 多年前,約 1880 至 1900 年間,電力的普及改變了日常生活,取代傳統燃料並為家庭供電。這段時期電磁學與馬達相關的關鍵創新,為 PCB 及其在電子製造中的角色奠定了基礎。想進一步了解 PCB 製造,請參閱我們最新的 PCB 製程文章。當時著名的發明包括:
- 湯瑪斯‧愛迪生:電燈泡(1879)
- 尼古拉‧特斯拉:馬達(1888)與交流電源(1895)
- 亞歷山大‧格拉漢姆‧貝爾:電話(1876)
- 柯達:第一台相機(1884)
- 赫爾曼‧霍勒里斯:製表機(1890),促成 IBM 成立
雖然 PCB 較晚才出現,其發展卻深受這段變革時期的技術躍進影響。現代形式的 PCB 自 1960 年代問世,最初用於計算機、收銀機及其他簡單電子裝置。
早期雛形:PCB 出現前的年代
在 PCB 出現之前,電子電路靠點對點接線組裝。元件焊接在端子條或板上,導致設計笨重、脆弱且不可靠。20 世紀初電路日益複雜,亟需更堅固高效的解決方案。
過去 80 年的發展:
印刷電路板(PCB)是無數電子裝置與電腦系統的關鍵元件
- 1950–1960 年代:多層 PCB 與電鍍通孔的導入,使設計更緊湊。
- 1970 年代:電腦輔助設計(CAD)革新 PCB 設計,提升精度與效率。
- 1980 年代:表面黏著技術(SMT)讓元件更小、組裝密度更高。
其現代設計可追溯至 1960 年代,最初出現在計算機、收銀機等基礎電子裝置中。1970 年代,PCB 開始用於數位手錶及全球最早的電子遊戲與個人電腦。1980 年代,PCB 普及於鬧鐘收音機、錄放影機、雅達利遊戲主機、CD 與雷射影碟播放器、無線電話。1990 年代,日益先進且微型化的 PCB 推動了桌上型電腦與掃描器、印表機等周邊設備的普及。
自 1990 年代末以來,科技快速演進,PCB 變得更小、更強大。智慧型手機等現代裝置體現了這一趨勢,以精巧設計提供更高耐用性與功能。如今的 PCB 採用柔性基板、高頻設計,以及 PTFE 與陶瓷等先進材料,服務於從物聯網到航太的多元產業。3D 列印與 AI 輔助設計等創新持續突破界限。
為何需要 PCB?
印刷電路板(PCB)是現代電子的基礎,提供連接元件的緊湊可靠平台。以導電路徑取代複雜接線,確保訊號與電源高效傳輸。PCB 支援微型化、提供機械穩定性,並實現高速應用,從簡單小工具到先進系統皆不可或缺。其耐用性與成本效益更凸顯其重要性。
隨著時間推移,科技與 PCB 設計的演進驚人。計算機可能僅含 30 個電晶體,而現代主機板卻在單一晶片上整合超過百萬個電晶體。這一進步反映了 PCB 製造的關鍵趨勢:
- 更小元件實現更高功能:將更多功能整合至更小元件,如 IC 與微處理器。
- 被動元件微型化:電阻、電容等被動元件縮小至微米級。
- 更高元件密度與複雜度:板上元件密度與複雜度持續提升。
這些進步源於對更快、更功能裝置日益增長的需求,從高速電子到擬真電子遊戲皆可見其蹤影,彰顯創新的快速步伐。
保羅·艾斯勒的故事與 PCB 的誕生
PCB 的概念最早由德國發明家阿爾伯特·漢森於 1903 年申請專利,他描述了將扁平箔導體層壓到絕緣板上。雖然這一想法超前時代,直到 1943 年 PCB 才變得實用。關鍵轉折點出現在 1943 年,奧地利工程師保羅·艾斯勒在開發收音機時製作出第一塊可運作的 PCB。二戰期間,美軍採用 PCB 打造小巧可靠的無線電系統,引發廣泛應用。印刷電路板可謂 20 世紀最重要的發明之一,其知識之父正是保羅·艾斯勒。
艾斯勒如何萌生 PCB 點子
當時的收音機使用真空管、電阻與線圈,仍以單獨導線連接,機內佈線雜亂無章,複雜難懂。艾斯勒則希望導線能整齊排列在同一平面上,既可印刷,又能作為大量生產的基礎。
攻讀工程的艾斯勒求學期間曾擔任雜誌編輯,當時他就認為印刷不該僅限於報紙量產。他積極實驗,1936 年申請第一項專利,成為描述第一塊真正印刷電路板的主要專利前身。他向英國收音機製造商展示構想,卻因「接線更便宜且靈活」而遭拒。
將權利轉讓給史壯
1939 年戰爭爆發之際,艾斯勒獲得印刷廠老闆哈羅德·V·史壯的支持。史壯看好 PCB 概念,想從因紙張短缺而衰退的印刷業轉戰蓬勃的軍火業。計程車上,艾斯勒以僅一英鎊簽約,將發明權利讓渡給史壯。
PCB 如何大量生產:
儘管軍方潛力顯而易見,英國國防部卻反對採用,導致無英國私企願意進一步開發。美國則採不同態度:英方常將發明通報美國標準局,美方據此開發出用於防空砲彈近接引信的 PCB,使電子產品得以低成本大量生產。
PCB 走向大眾:
1948 年,除軍方外,大眾也得知印刷電路概念。焊錫波峰焊技術的出現,成為低成本大量生產電子的另一重要前提,PCB 的凱旋之路由此展開。
艾斯勒的發明並未為他帶來巨大成功,史壯也未獲預期財富。史壯的 Technograph 公司專注於 PCB 授權行銷,艾斯勒雖任董事,卻從未致富,因 PCB 壟斷始終未能建立。
如今全球生產無數 PCB,儘管尺寸越來越小,現代電子裝置的大量生產仍離不開印刷電路板。
PCB 的普及
美軍率先應用 PCB 技術,二戰期間將艾斯勒發明的 PCB 用於軍用無線電。美英合作開發電路板,戰時用於軍武。1950 年代美國電子業擁抱 PCB 概念,快速推進發展;1950 年代中期技術回流歐洲,德國公司於 1957 年開始生產。
美國於 1956 年正式認可 PCB 技術,美國陸軍發布第一項「電路組裝製程」專利。此後 PCB 製造商開發各種組裝技術,以銅箔線路固定電子元件並實現電氣連接。
35 年未被認可的 PCB 發明者
艾斯勒同年離開 Technograph 董事會。相較於財務回報,他更遺憾未能獲得應有認可,成為世紀最具影響力發明之一的創造者。
直到 1971 年,艾斯勒才被正式認定為印刷電路板發明者。1992 年,在他 10 月 26 日於倫敦郊區辭世(享年 85 歲)前夕,英國電機工程師學會授予他納菲爾德銀牌。
艾斯勒的其他發明
除舉世聞名的印刷電路外,保羅·艾斯勒還為電機工程帶來其他重要發明,包括電氣保險絲、多層材料與箔片電池等專利。
若無印刷電路,我們將無法使用手機通訊、收看電視、玩電腦或上網。今日廉價且普及的電子產品,皆受益於保羅·艾斯勒的發明。
環保轉型
隨著消費性電子產品興起,PCB 製造的環境議題促使業界採用 RoHS(有害物質限用指令)規範,確保使用更安全材料與永續生產流程。若要向製造商訂購 PCB,則需特定檔案格式,詳情請參閱我們的最新部落格。
結語:
如同歷史上許多偉大發明,今日我們熟知的印刷電路板(PCB)建立在歷史進步的基礎之上。在我們這片小天地裡,可將 PCB 歷史追溯至 140 多年前。從最初簡陋的雛形到今日尖端設計,PCB 始終是現代電子的基石,以每一次創新塑造未來。本文所涵蓋的並非完整歷史,而是將 PCB 轉變為今日樣貌的關鍵時刻。
持續學習
為什麼 PCB 排針對可靠電路板設計至關重要
重點摘要 雙重功能:同時作為電氣引腳及機械固定件;準確的孔徑可防止焊點承受過大應力。 間距與電流:2.54 mm 引腳約可承載 3 A,而 1.27 mm 引腳約可承載 1 A。 焊盤尺寸:應根據引腳對角尺寸設計鍍通孔;對於 0.64 mm 方形引腳,孔徑通常為 1.05–1.15 mm。 智能佈局:將接地引腳放在訊號旁邊以降低噪聲,並配合線纜引腳編號。 組裝規則:回流焊應使用 LCP 材料,並達到至少 75% 的垂直焊料填充率。 PCB 排針通常是電路板上最便宜的連接器,但卻承受最多的操作。線纜會插入其中,電路板也可能堆疊在其上。即使組裝完成很久之後,使用者仍可能以斜角拉扯線纜。所有這些負載最終都會集中到幾個焊點上,因為排針同時承擔兩項工作。從電氣角度看,它是一排傳輸電源及訊號的裸露短導體;從機械角度看,它是一個固定件。每根引腳都穿過鍍銅通孔,可防止拉扯線纜時將焊盤從層壓板上撕下。 圖 1:電路板上的直式、直角及堆疊式 PCB 排針 許多排針故障其實是機械問題,卻表現得像電氣問題,例如只有在線纜移動時才會斷開的焊點。將排針同時視為結構件及連接器,間距、孔徑及方向的選擇便不再是隨意決定。本指南涵蓋......
深入了解具高熱穩定性的聚酰亞胺 PCB 材料
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掌握高良率製造中的 PCB 電鍍類型及製程控制
重點摘要 兩步電鍍:先建立化學種子層,再以電解銅增加結構強度。 工藝選擇:圖形電鍍適合細線路;整板電鍍適合厚銅。 導通孔完整性:將縱橫比保持在 10:1 或以下,避免孔壁最薄處開裂。 表面處理:BGA 平面焊盤使用 ENIG,高磨損接點使用硬金。 IPC 標準:Class 2 要求 20 µm 銅孔壁厚度;Class 3 要求 25 µm 且不得有空洞。 PCB 電鍍會將一疊已鑽孔的覆銅板變成可運作的電路。這也是唯一無法從外部直接檢查的製程。電路板上的每個過孔,都是一個內部生長出銅管的孔。阻焊層完成後,你便再也看不到這條銅管。理解以下概念,便能掌握整個主題:銅不會黏附在已固化的環氧樹脂上,而環氧樹脂也不導電,因此製造商必須先在裸露樹脂上形成化學種子層。 圖 1:板件通過垂直連續銅電鍍線 只有完成這一步,電流才可以建立真正關鍵的銅厚。這種先化學處理、再通電增厚的兩步方法,解釋了你會遇到的大部分電鍍類型、缺陷及檢查規則。本指南將說明這兩種機制的差異,以及圖形電鍍與整板電鍍的不同;同時也會介紹 ENIG 及硬金 等表面處理的沉積方式。最後才會討論電鍍液化學成分及電流密度,因為它們決定深孔過孔能否通過回流......
了解 IPC-6012 標準:高可靠性剛性 PCB 製造指南
重點摘要 IPC-6012 與 IPC-A-600:IPC-6012 是具約束力的性能規範,而 IPC-A-600 僅作為外觀驗收參考文件。 Class 2 與 Class 3:Class 3 要求更厚的孔壁銅厚(25 μm,而 Class 2 為 20 μm),並且不允許鍍層空洞。 測試驗證:品質透過對拼板上的測試 coupon 進行熱應力測試後,再進行微切片分析確認。 提前指定等級:必須在製造圖紙中提前標註所需等級,電路板製造完成後無法再升級為更高等級。 IPC-6012 是決定 PCB 製造商可以交付什麼品質電路板的重要規範。許多設計者會在製造圖紙中標註「依 IPC-6012 Class 2 製造」後便繼續下一步,但製造商會仔細閱讀這項要求,因為它將成為檢驗人員判定是否合格的依據。 裸 PCB 並不是僅靠外觀即可判定是否合格。為確認鍍通孔品質,製造商會從樣品板中切取通孔截面,研磨拋光後,使用顯微鏡測量孔壁銅厚。 圖 1:金相顯微鏡下的鍍通孔微切片 PCB 等級並不會改變您的設計,因此 Class 3 電路板並不是「更聰明」或設計更好的電路板。它只是同一份設計圖稿,在更嚴格的驗收標準下進行評估......
電容 ESR 完整指南:定義、合適數值與量測方法
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