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      印制電路、印制電子及電子電路

      2011-09-18 00:46:12龔永林
      印制電路信息 2011年1期
      關鍵詞:印制電路電子電路印制

      龔永林

      高級工程師

      中國印制電路行業(yè)協(xié)會 副秘書長

      印制電路產(chǎn)品商業(yè)化至今已有近七十年,印制電路近“古稀”之年卻仍然蓬勃發(fā)展,得益于電子信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,得益于印制電路不斷創(chuàng)新,在創(chuàng)新中前進?,F(xiàn)在印制電路在繼續(xù)創(chuàng)新、前進,有關印制電子及電子電路乃印制電路創(chuàng)新發(fā)展之新路。

      近兩年來,印制電子已露頭角并走向商業(yè)化,顯露印制電路、印制電子與電子電路趨于一體化之勢。身處此行業(yè)之業(yè)者有必需認識這些名稱之關系和趨勢,把握行業(yè)之發(fā)展。此文僅以本人之認識談論它們之關系,供同仁們參考。

      1 印制電路、印制電子及電子電路之概念

      1.1 印制電路

      印制電路(Printed Circuit),指在絕緣基材上,按預定設計形成的印制元件、印制線路或兩者結合的導電圖形 (引自IEC 60194 )。 其所體現(xiàn)產(chǎn)品為印制電路板(PCB)。

      印制線路(Printed Wire),指在絕緣基材上,按預定設計形成點間連接線路但沒有印制元件的導電圖形(引自IEC 60194)。 其所體現(xiàn)產(chǎn)品為印制線路板(PWB)。

      印制板(PB)是指完全加工的印制電路或印制線路成品板,也即PCB和PWB的簡稱。

      目前所謂的印制電路板中嚴格來說,大多數(shù)應稱印制線路板,如常規(guī)單面、雙面、多層印制板僅有導線連通作用,不含印制元件?,F(xiàn)在數(shù)字電路的多層板和HDI板都含有傳輸線及屏蔽、電感等電路,這類就是印制電路板了。若是內(nèi)層含有無源元件和/或有源元件的埋置元件印制板,更是印制電路板了。

      1.2 印制電子

      印制電子 (Printed Electronics)是指利用各種印制技術,形成電子元件和線路結合的電子電路,也稱“印制電子電路”(Printed Electronics Circuit)。

      印制電子特點是把印制技術作為制造工藝,形成連接線路與元器件集合在一起電子電路產(chǎn)品;產(chǎn)品輕薄小型,連接可靠;加工簡化,省料省工,減少成本;綠色生產(chǎn),有利環(huán)境保護。因此深受歡迎,前景無限。

      現(xiàn)在印制電子應用涉及范圍和特點如圖1。圖2為有機薄膜晶體管(OTFT)。

      圖1 印制電子應用例表

      圖2 印制電子產(chǎn)品 - 有機薄膜晶體管(OTFT)

      印制電子是近年來新興技術,目前還未見有統(tǒng)一的、權威的定義。因此又有許多從不同角度命名的稱呼。如:

      可印制電子(Printable Electronics),全印制電子(All Printed Electronics),這是從加工工藝角度;

      有機電子(Organic Electronics)、塑料電子(Plastic Electronics)、薄膜電子(Film Electronics),這是從產(chǎn)品材料角度,所用基材是有機材料、塑料類、薄膜形式;

      撓性電子或柔性電子(Flexible Electronics)、可穿戴電子(Wearable Electronics), 這是從產(chǎn)品狀態(tài)角度,可穿戴電子是成為織物服飾或鞋帽穿戴于身體上。

      這些不同稱呼,是有區(qū)別的。但大同小異,產(chǎn)品加工都用印制技術,應該都屬印制電子范疇,如圖3。

      圖3 印制電子及其相關稱呼

      1.3 電子電路

      電子電路本來就與印制電路密切關聯(lián),而近幾年在印制電路行業(yè)頻繁用到“電子電路”此詞,大有替代“印制電路”之勢,其起因在國際同行們。

      世界電子電路理事會(WECC:World Electronic Circuits Council),是1998年在德國成立的行業(yè)組織,有中國CPCA、美國IPC、日本JPCA、歐洲EIPC、印度IPCA及中國臺灣TPCA、中國香港HKPCA等印制電路行業(yè)協(xié)會參與組成。組織涉及PCB、CCL和原輔材料、專用設備、電子裝連和SMT、EMS等產(chǎn)業(yè)。這樣就把原本是印制電路行業(yè)組織引向了電子電路,它是包含了SMT、EMS等范圍。

      美國IPC,建立于1957年時稱美國印制電路學會(Institute of Printed Circuits,IPC )?,F(xiàn)更改為Association Connecting Electronics Industries(國際電子連接工業(yè)協(xié)會)。IPC組織涉及領域從PCB設計與制造到電子裝配、EMS和OEM等,認為是電子互連行業(yè)的代表。

      日本JPCA ,建立于1962年時稱日本印刷回路工業(yè)會(Japan Printed Circuits Association,JPCA)?,F(xiàn)改名為“日本電子回路工業(yè)會” (Japan Electronics Packaging and Circuits Association)。JPCA組織涉及領域從電路板制造到電路板裝配,其電子回路(電子電路)概念是電子電路基板和安裝元件的電子電路基板總稱。

      “電子電路(Electrical Circuit)”的學術解釋:

      電子電路:或稱電子回路,是由電氣設備和元器件,按一定方式聯(lián)接起來,為電荷流通提供了路徑的總體,也叫電子線路或稱電氣回路,簡稱網(wǎng)絡或電路、回路。如電阻、電容、電感、二極管、三極管和開關等,構成的網(wǎng)絡。(百度百科網(wǎng))

      電子電路:將各式各樣的電子元件,形成一回路電路,進行電信號的運算,電子元件形成電路為電子電路。(維基百科網(wǎng))

      電子電路:用來完成所需功能,如開關、放大、濾波或數(shù)據(jù)變換,包含電子元器件構成的互相連接。(《電子學詞典》科學出版社)

      雖然未見統(tǒng)一的標準定義,而顯然“電子電路”是包含了電子元器件與使之連接的導通線路,形成了接收、運算、放大、轉換、發(fā)送等設定的電子功能。例圖4是一款LED燈的電子電路圖。

      圖4 LED燈的實用電路圖 (引自www.taiyang-led.cn)

      2 印制電路、印制電子及電子電路之技術

      2.1 印制電路技術

      印制電路技術的起源可追溯到二十世紀初。在1903年時就有英國專利提出在絕緣基板上直接電沉積金屬粉末形成導線。

      到1947年在美國舉辦了世界首次印制電路技術研討會。總結了前期的印制電路制造方法,主要有涂料印刷法:把含金屬粉末的導電涂料印刷在絕緣基板上,制得線路圖形;模壓法:利用刻有導電圖形的模具把金屬箔熱壓在塑料基板上,粘嵌的金屬箔構成了導電圖形;粉末燒結法:按圖樣將粘合劑涂在絕緣基板上,再撒一層金屬粉末并燒結固化,形成導電圖形?;瘜W沉積法:利用銀鏡反應把銀沉積在絕緣基板上,然后電鍍銅形成導電圖形。

      在20世紀40年代中后期應用覆銅箔層壓板與絲網(wǎng)印刷、化學蝕刻技術形成PCB,從此以后銅箔蝕刻法成為PCB制造技術主流。其技術主體是印刷或光致成像轉移圖形、化學鍍與電鍍導通孔、化學蝕刻得到線路,這些工藝成熟使PCB進入大批量生產(chǎn)和商業(yè)化應用。至今,PCB制造技術仍是銅箔蝕刻法(減成法)為主流,另有半加成法、全加成法也是主要用相似的化學沉積與化學蝕刻工藝。

      2.2 印制電子技術

      印制電子是用印制技術制造電子電路,即在基材上直接印制形成電子電路。此“印制”的含義不僅包括印刷,也包含噴印、壓印、光致成像等工藝。

      印刷和噴墨打印等“印制”技術都是從其它產(chǎn)業(yè)移植到電子制造業(yè)的,而在電子制造業(yè)得到發(fā)展和提升。就我們所熟悉的網(wǎng)版印刷而言,電子線路印刷精密度遠比紙張與織物圖形精度高。目前PCB制造中網(wǎng)版印刷工藝能達到的線寬/線距在0.10 mm幾乎是極限了,而PEC中已報道網(wǎng)版印刷工藝達到0.05 mm線寬/線距,并在試制0.03 mm線寬/線距電路圖形。

      最初人們把重點放在了數(shù)碼噴墨打印技術的應用上,但現(xiàn)在人們把越來越多的注意力轉移到了傳統(tǒng)的印刷工藝上,像凹版印刷、凸版印刷、平面膠版印刷和網(wǎng)版印刷等工藝,因為它們更適合大批量、低成本的生產(chǎn)。

      2.3 電子電路之技術

      電子電路包含了電子元器件和連接線路,典型的產(chǎn)品是集成電路,其有半導體芯片(成千上萬千個晶體管)以及輸入輸出連接線與端子。集成電路制造業(yè)包括電路設計、芯片加工和封裝。芯片加工技術主流光刻工藝,與印制板的光致成像、蝕刻類似。

      還有電子電路產(chǎn)品是印制板(裸板)上安裝電子元器件,構成功能性組件(部件)。如主機板、功放板、內(nèi)存條等。

      電子電路技術首先是電路設計;再是電子電路載體(電路板、集成電路載板和功能元器件)制造;然而是安裝連接,如封裝和表面安裝技術(SMT)等。

      3 印制電路、印制電子及電子電路之關系

      3.1 產(chǎn)品關系

      印制電路和印制電子(PCB和PEC)應是電子電路的一部分或一類,只是這類電子電路名詞前加了限制性定語“印制”,表明是采用印制技術形成的“電子電路”。

      PCB中如含有傳輸線的多層PCB,埋置薄膜電阻和或薄膜電容的多層PCB,它們是電子電路產(chǎn)品。而它們是采用印制圖形和蝕刻、電鍍等工藝完成的。

      PEC中如有機薄膜晶體管、RFID卡、薄膜太陽能電池等,它們也是電子電路產(chǎn)品。而它們是全部采用印刷工藝完成的。

      目前,有部分PCB在被PEC替代。如撓性薄膜開關板是全印刷制成,已從PCB范圍劃入PEC范圍。如遙控器用PCB由CCL蝕刻線路和印刷碳鍵盤,發(fā)展到絕緣板上全印刷線路和鍵盤,成PEC。

      如RFID標簽的制作,早期是用FPCB(薄膜基板上線圈圖形)再安裝上芯片和封裝而成,現(xiàn)在是直接由PEC形成(薄膜基板上印制線圈、芯片和覆蓋層),PEC取代了傳統(tǒng)的FPCB。

      再如大屏幕廣告顯示牌目前多數(shù)是用PCB上安裝LCD顯示屏,而新的OLED廣告牌直接采用PEC,薄膜上包含光電元器件和電路成為一體,不再需要PCB。

      3.2 技術關系

      電子電路制造技術范圍極廣,有各個分立元器件(電阻、電容、電感、濾波器、變壓器、晶體管、集成電路…)的不同制作工藝,之后又有多種封裝和裝配連接工藝。在處僅述印制電路、印制電子電路工藝技術。

      印制電路、印制電子兩兄弟,都姓“印制”,技術是相通的?;玖鞒倘鐖D5。

      圖5 PCB與PEC基本流程

      顯然,印制電子技術優(yōu)于印制電路?,F(xiàn)在PEC的工藝路線完全可以制作PCB,隨著PEC關鍵材料與設備技術逐步解決,就可能PEC替代PCB。

      如圖6為全印制技術制作單雙面PCB。圖7為全印制技術制作多層PCB(HDI板)、R-FPCB。由印刷絕緣介質(zhì)層,并留有孔穴,再印刷導電線路和填充孔穴使上下面導通。此兩圖中的PCB=PEC。

      圖6 全印制技術制作單雙面PCB流程

      圖7 全印制技術制作多層PCB 、R-FPCB流程

      印制電子技術關鍵目前主要是材料,包括基板材料和電子功能材料,即聚合物薄膜基材和功能性圖形油墨。

      薄膜基材要求輕薄、撓曲,耐熱性、耐化學性、尺寸穩(wěn)定性和電氣特性?,F(xiàn)有PET、PEN和PI等,基本與FPCB相同。功能性油墨有導體、半導體、絕緣體等不同種類,共性涉及印刷性、固化性、穩(wěn)定性等。

      設備主要是印刷器械、噴墨打印、R2R系統(tǒng)。R2R系統(tǒng)是大批量、低成本生產(chǎn)關鍵。

      3.3 三者關系綜合

      電子電路是大集合,是母體;印制電路、印制電子電路是包含其內(nèi)的小集合,是子體。如圖8所示,三者相互關聯(lián),但不能劃等號;三者有區(qū)別,但屬同一家族。

      圖8 電子電路、印制電路、印制電子電路相關性

      印制電路與印制電子電路兩者為“同胞兄弟”。它們的技術相通的,同樣為“印制”,只是PEC比PCB應用印制技術更純粹。它們的產(chǎn)品相連的,同樣歸結為電子電路,只是PEC比PCB更直接。

      “同胞兄弟”也有差異,PEC與PCB相比, PEC優(yōu)于PCB,如圖9。

      圖9 PEC與PCB比較表

      3.4 行業(yè)發(fā)展大趨勢

      PCB制造技術向高密度化,多功能化、綠色化、低成本化發(fā)展,這需要融合PEC技術,走向全印制化是個極佳方案。因此PEC取代PCB是個發(fā)展趨勢,對于PCB發(fā)展而言是“革命”,在目前看至少有一大部分PCB會被PEC替代。當然,PEC取代PCB是有條件的,需要一個較長過程,在材料、設備、設計、成本多方面體現(xiàn)出PEC優(yōu)勢時就會水到渠成。

      PCB是電子設備的重要配件,具有不可缺少的地位,并且會繼續(xù)發(fā)展和廣泛應用。在開發(fā)PEC同時,仍需發(fā)展PCB技術,如改進減成法工藝實現(xiàn)高精密度和綠色生產(chǎn),PCB內(nèi)埋置元器件提高電路功能等?,F(xiàn)階段PCB技術改進是有助于向PEC技術革命發(fā)展的。

      印制電路,印制電子和電子電路是有區(qū)別的。把印制電路和電子電路并列相稱,如“電子電路(印制電路)”,或電子電路替代印制電路,顯然是不妥的。而印制電子電路替代印制電路是可取的,這是趨勢。印制電路、印制電子都是電子電路一部分,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構、提升產(chǎn)業(yè)潛力就需要向電子電路靠攏!

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