PCB加工技术现状和未来发展趋势

PCB（印刷电路板）加工技术现状和未来发展趋势

杭州电子科技大学电子信息学院CAE研究所 杨备备 201151057

摘要：印制电路板几乎是所有电子装置，即小到MP3大到发电厂的控制元件的核心部件。在100 多年的

发展史中，印制电路板在功能、大小和生产成本等方面经历了很大的变化，尤其是近年来，由于集成电路不断地小型化，印制电路板的封装密度有了大幅度的提高，其中个人计算机的发展就是PCB技术取得重大进步的一个最好的例子。目前台式计算机的计算能力已经超过20 世纪六七十年代第一台超级计算机，而价格比当时小型计算器的价格还低。另一个例子是用于全球通讯的移动电话，在短短几年时间内就由昂贵笨重“狗骨”型，发展到小巧玲珑并具有全球范围的通话和数据服务功能重要通讯工具。

电子产品功能的日益复杂和性能的提高，作为电子产品心脏的印刷电路板的密度和其相关器件的频率都不断攀升，工程师面临的高速高密度PCB 设计所带来的各种挑战也不断增加。传统的印制板已经不能够满足现有的需求，特别是在航天航空等领域信号传输的高频化、数字化、高密度化、高精细化。PCB 技术将发生历史的变革，传统的PCB 板将向HDI 板、埋嵌元件印制板、刚挠性印制板过渡并向以光信号为代表的光印制板发展。

关键词：PCB技术；加工技术；HDI

首先介绍一下PCB的发展历史进程：PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板，印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

印刷电路板的发明者是奥地利人保罗·爱斯勒（Paul Eisler），他于1936年在一个收音机装置内采用了印刷电路板。1943年，美国人将该技术大量使用于军用收音机内。1948年，美国正式认可这个发明用于商业用途。自20世纪50年代中期起，印刷电路版技术才开始被广泛采用。在印制电路板出现之前，电子元器件之间的互连都是依靠电线直接连接实现的。而现在，电路面板只是作为有效的实验工具而存在；印刷电路板在电子工业中已经占据了绝对统治的地位。

印制电路板的规格比较复杂，产品种类多，一般可以按照PCB的层数、柔软度和材料来类。按层数可分为：单层板、双层板和多层板；按柔软度可区分为刚性印制电路板和柔性电路板；按材质可区分为：覆铜箔板和积层板的绝缘材料。

图1 单层板 图2 双层板

印制电路板从最初的单面板到双面板，发展到现在的40 层板。起初主要应用于复杂昂贵的体系如大型计算机，后来印制电路板便被用于便宜的电子产品中，如6~8 层的手机板。多层PCB 的标准制作是通过内层图形层的叠加而成，层与层之间放半固化片（环氧玻纤材料，0.1mm~0.3mm 厚）。层压时，在温度为160℃~180℃ ，压力为10bar~20bar 条件下，经过约1 小时左右完成固化。外层制作可由上述的任何一种电镀涂覆技术完成。

在90 年代早期，出现了顺序积层法（SBU）技术。主要是以4~ 8 层的标准多层板为芯板，积层由50?m 厚的高分子绝缘层和在其上沉积的金属（通常化学镀、压延或溅射）组成。不同层之间通过液体蚀刻、等

离子蚀刻或激光烧除的方法形成微盲孔互连。过去10 年间，出现了多种不同的SBU 技术，至今尚未有一种成为主导技术。SBU 多层板也被称为HDI 板（即高密度互连板），它的一大优点就是高密度性，这是用标准技术所不能达到的。

图3 多层板 图4 硬性板

图5 扰性板

从PCB层数和发展方向来分，将PCB分为单面板、双面板、常规多层板、扰性板、HDI（高密度互联）板、封装基板等6个主要细分产品。从产品生命周期“导入期—成长期—成熟期—衰退期”等4个周期维度来看，其中单面板、双面板由于不适合目前电子产品短小轻薄的应用趋势，正处于衰退期，其产值比例逐渐减少。

由于以MPU等为中心的半导体器件和其它电子元件的进步，电子设备的硬件年年都取得了显著的发展。与之相平行的电子设备的软件进步也很大，由于两者的发展，无限增大了电子设备的便利性。电子设备是由电子元件的集积构成的，在PCB上安装电子元件，通过焊接而连接。这种形态几乎没有变化，在封装基板上安装LSI芯片，再把它安装在母板上，这是基本的形态。由于设备的高性能化，在封装基板上安装数枚芯片，通过SiP（System in Package）集成为高性能部件。作为封装基板(也称为插入板Interposer或者基板Substrate的绝缘材料有硅基板，套瓷基板和有机树脂基板等，正在进行基板材料的许多开发。本文就支持最先端电子设备的PCB技术的最新动向加以叙述。

1 PCB基板材料

电路板的基板一般是以环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等为粘合剂，以纸或玻璃纤维为增强材料而组成的复合材料板，在板的单面或双面压有铜箔。

1.1 纸基酚醛树脂板（FR-2） 1.2 玻璃纤维环氧树脂板 1.3 聚酰亚胺

1.4 其它聚合物基板材料 1.5 陶瓷

2 PCB制造工艺

对于PCB，根据所使用电化学过程分为三种技术：减成法技术、半加成法技术和加成法技术。正如名字

2

所表达的那样，在减成法技术中，除了图形之外的表面压合的金属被去除，而在加成法技术，在聚合物表面起初没有金属层，只在想要图形区域沉积金属。半加成法技术介于两者之间，但从制造过程看，更接近于减成法技术。所有几项技术的原理都是金属在液体中溶解或者通电后金属离子在阴极被还原沉积（即氧化还原过程）。根据这三项技术，发展出多种工艺，其中，使用最广泛的是通过蚀刻的减成法技术，它也是生产电路板最便宜的方法。

2.1 蚀刻减成法技术

蚀刻技术是生产电路板最基本的方法。它特别适用于不需化学镀和电镀的单层电路板，也是最便宜的技术。按图案印刷抗蚀层后，用氯化铜溶液将露出的铜溶解，然后，去除抗蚀层，再印刷阻焊层覆盖线路层，露出需要焊接和表面贴装的焊盘。最后，用冲床一次冲出所有的孔，并在PCB表面涂上有机可焊性保护层，该保护层有效期约六个月。

2.2 金属抗蚀层减成技术

金属抗蚀层减成技术是多种电镀方法的统一体，但为了满足现在微电子装置的要求，在近几年中有了

很大的改进。它主要的工艺步骤如图5，但必须指出的是在真正的电路板生产过程中要用大约30~40个独立的工序。例如在所有流程之间要用水漂洗，它可以防止浴槽污染，也可以起到在碱处理后接着进行酸处理时，调节pH 值的作用。

钻孔完成以后，接下来要用中等强度的酸来表面处理，起初没有金属的孔，必须沉积一层金属层，这需要先引入晶种（如SnPd 化合物），然后再进行化学沉铜，如下式所示：

Cu?2e?Cu

反应中，甲醛作为还原剂提供电子。这一过程很慢（约1?m/h~1.5?m/h）,对槽液组成要求比较严格。 在不连续的生产过程当中，化学镀前必须先活化槽液，结束时还要进行去活化，否则镀液中的铜将一直沉积到槽壁上。然而，化学镀的优点是：无论材料导电与否，它可以化学镀，且与电镀相比，厚度均匀分布且不受零部件形状的影响。由于化学镀的速度很慢，化学镀铜层厚度只有0.3?m 左右，因而需要再通过电镀加厚至3?m~5?m。电镀速率快得多（大约155?m/h），但要求材料表面具有导电性。当金属厚度已经满足后续工序的要求后，贴抗电镀干膜，然后用线路图形的菲林进行曝光、显影，这样印制电路板上除图形外的其它部分都被覆盖住，在后续电镀过程只在图形上电镀金属层（即图形电镀）。在图形电镀中，先电镀15?m~20?m 的铜层，再在铜层上电镀3?m~5?m厚的Sn 层（或Sn/Pb 层）。Sn层有两种作用： （1） 保护下层的铜在蚀刻中不被蚀刻（这是该工艺称为金属抗蚀层的原因）； （2） 提供了较好的可焊性。

最后，印刷液体阻焊层或者压合阻焊膜，覆盖除焊盘外的其它部分。

金属抗蚀层技术的一个严重缺陷为线路过蚀。蚀刻剂不仅蚀刻垂直于板面方向的铜，也蚀刻平行于板面方向的铜。这也就是说，两边蚀刻铜的厚度接近基铜厚度（精确应该加上化学镀铜层厚度和印刷抗镀层前的电镀铜的厚度）。因此，如果被蚀刻的铜层厚度为t，总的过蚀宽度为2t，因而用这种工艺所能达到的最小线宽总是大于2t。因此为了得到更精细的线路，压制的铜箔厚度不应为18mmm而应是9mm或5mm（薄的铜箔比较难以操作，价格也贵得多）。由于过蚀引起的另外一个问题是线路表面的悬锡。线路上的悬锡在受到很小的机械力的作用（如印刷阻焊层）时，就可能成长的碎片，而导致线路间短路。

金属抗蚀层减成法技术在八十年代后期之前一直被广泛使用，直到PCB 线宽间距不能满足SMD要求后。通过增加特殊的工序——热风整平工艺（HAL）可以消除金属抗蚀层减成法技术的缺陷。HAL 技术是金属抗蚀层减成法的进一步改进，在图形蚀刻和阻焊层印刷之间将锡层蚀刻（退锡），这样就可以消除悬锡问题。用碱性溶液将裸露的铜表面氧化（就像多层板内层氧化处理一样），然后印刷阻焊层。为了防止氧化的焊盘铜面吸湿，必须去除氧化层。最后，将PCB 放进溶解的焊料中，多余的焊料可用热风吹走（这也是该技术取名“热风整平”原因）。经过HAL工艺的PCB显示出好的可焊性，很适合精细的线路，这也是该工艺在九十年代盛行的原因。

然而，焊盘上Sn（或Sn/Pb）的厚度因线路几何图形及热风管口位置的变化而可能差别很大。伴随而来的一个小问题就是焊盘中靠近通孔位置的锡层较薄，另外一个比较严重的问题就是如果在集成块引脚数较多的锡层厚度不均匀，即使印刷焊膏（有一定的整平性），也可能产生部分引脚无法焊接到PCB 上导致开路。

这些问题使得近年来使用HAL 工艺的PCB大幅降低，而铜面Ni/Au 或铜面浸Sn 工艺的应用则不断增加。两种方法都属减成法技术，工艺流程与图5 相同，只是最终的表面处理层是Au 或Sn。这些表面处理

3

2??

实际是Au 原子或Sn 原子取代已沉积到表面的原子的浸渍过程。因为Au 的作用主要是保护底层Ni 不被氧化，因而其厚度一般小于0.1?m，而Sn 层则需要0.5?m~1?m。然而，由于浸渍过程是时间平方的函数，需要很长的时间才可能得到1?m 或1?m 以上的锡层厚度，因而锡层的厚度一般不超过0.5?m~0.8?m。

图 5

对于浸Au，必须在Au 和Cu之间增加一层Ni层，这是因为，Au 扩散到Cu 的速度很快，这将导致铜面上

的Au 很快消失，而使铜面氧化。Ni 作为Au 和Cu中间的阻挡层非常普遍，部分元器件已经将此作为了标准。

2.3 加成法技术

一般看来，印制电路板加成法技术是比较受欢迎的方法，它只在聚合物基板上有线路图形的地方镀覆

金属，不需压合金属箔片，也不会造成蚀刻剂的浪费。但要做到这点并不容易。首先，只能采取化学镀，要达到上述铜厚，需要一天左右时间，这大大超过了任何一种减成法技术所需要的时间；其次，在环氧树脂或其它聚合物表面化学镀铜的结合力很弱，而一般压合铜箔与树脂的结合力超过5N/mm。通过化学镀前增加粘结层虽然可以提高结合力，但这样增加了制作成本，同时也达不到压合时的抗剥强度。正是由于上述原因，致使加成法技术至今仍极少使用。

2.4 半加成法技术

尽管该技术中含有“加成法”一词，就其流程而言则更像减成法技术。与金属抗蚀层减成法技术相比，

半加成法技术的基铜较薄，为5mm~9mm（见图6）。但前四个步骤相同，最大区别在于“图形电镀（pattem plating）”的铜厚度为30nm~40nm（这与“加成法”一词相一致）。当电镀抗蚀层去除后，进行“有差别”蚀刻，即整个未受保护铜面将统一被蚀刻去一定厚度（基铜铜厚和全板电镀的铜厚之和）。因为图形的的铜层其它地方铜层厚得多，所以蚀刻后仍可以确保PCB的功能。PCB 上裸露的铜面既可用HAL 法处理也可以

涂覆有机可焊性保护膜（OSP），6 个月之内可以保证其可焊性。

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图 6

2.5 选择性Sn工艺

前面所提的几种镀覆技术已经较好地满足了近年来高密度的SMD 板的要求。

（1） SMD 焊盘表面好的平整性； （2） 在铜线路上没有金属防腐层；

（3） 可焊性较好（表面Sn 层厚度大于2mm）； （4） 制造成本较低。

下面介绍一种新的技术—选择性电镀锡（Selec Tin），它是现有技术全新的有机组合。顾名思义，只在焊盘上进行电镀锡，这样电镀锡的速度比上面所提的浸锡的速度要快得多，从而电镀锡层厚度可以在很短时间超过1?m。事实上，该技术是金属抗蚀层减成法和半加成法两种方法的结合，具有两个独特的特点（见图7）。

图 7

（1）需要印刷两次抗镀层，第二次印刷图形决定了哪些区域需要进行选择性镀锡，以供以后焊接（该图形与阻焊层的图形完全一样，但在电镀结束后需要去除）。

（2）对线路的化学钝化工艺可采用与多层板层压时内层线路的相同工艺钝化。

在印制电路板（PCB）制造过程种印刷两次抗镀层是比较罕见的，但在该技术中，它可以用电镀代替化学镀。对于精细线路图形的阻焊印刷有时需要根据线路图形作一定的调整，而选择性镀锡工艺对铜面的钝化则是十分简单，通过快速浸渍就可完成。钝化的铜面不会被熔融的焊料浸润，起着与阻焊层相同的作用，如果需要也可以进行阻焊印刷。虽然选择性镀锡的表面也浸渍在钝化溶液中，但其可焊性不会因此而受影响。

2.6 电镀设备

在化学镀和电镀时，印制电路板（PCB）的传送有两种方式：垂直传送和水平传送。早期的电镀设备是

垂直式的，这类设备目前仍广泛使用。PCB通过夹具固定在飞巴上，然后由PLCs控制飞巴水平传送，而PCB是被垂直浸在镀液中。在处理过程中，PCB在溶液中水平方向慢慢运动，使得PCB表面的溶液保持新鲜，这是孔金属化的极为重要的一步。然而，随着印制电路板的孔的微小化，孔的厚径比（AR）不断增加，孔中

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考虑到下列的趋肤效应时的导体损失如式（1）所示。

αR=4.34???1?e???RDCZ0 （1）

由式（1）可知，?=0时的导体电阻（RDC）也会影响。

6.1.2 绝缘电阻

如果导体间隙小，导体间的绝缘电阻就会有问题。绝缘电阻值由于绝缘材料或者制造工程的的处理而又很大的影响。有机树脂PCB使用各种材料，在加湿环境中，树脂的基本组成或者杂质，与填充材料或者玻璃布的粘结状况大大的影响到绝缘电阻的恶化，所以务必仔细选择材料。

6.1.3 特性阻抗

PCB的信号图形与各种元器件连接，进行信号的输入输出。在高速信号中，采用如图3所示的信号线的分布参数以保持一定的特性阻抗成为必要。特性阻抗如式2所示

图3 传送线的等效电路（分布参数电路）

R?j?LG?j?C ZR? (?/m) (2)

如果提高频率，R、G要比j?L、j?C小，可以省略。此外，与元件的连接中，如果与线路的阻抗有差别，则会引起信号的反射而成为噪音，因此要求阻抗的整合。

6.1.4 信号的速度和衰减

通过线路的信号的速度如式（3）所示，与基板材料的相对介质常数的倒数成正比。因此正在致力于低介质常数基板材料的开发。

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??K?C1?r （m/s） (3)

信号的传输中，传输所示如式（4）所示，它为导电损失(?R)和介质损失(?D)之和。 ???R??D (?) (4) 其中的介质损失如式（5）所示，要求小的tan?。 ?D?4.34tan????td (?) (5)

作为基板材料，大多数情况下希望低介质损失材料比较介质常数材料更重要些。

6.1.5 趋肤效应

如果是高频信号，他的电流往往流过表面。导体厚度随着频率而变化。如式（6）所示，直至电导率降至1/e的距离。

2 d???? （?m） (6)

趋肤效应的厚度与频率的关系如表5所示。随着式1而变化。导体表面的平坦度成为问题，采用平滑面与树脂粘结至关重要。

6.2 机械的特性

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6.2.1 PCB的翘曲和扭曲

如果安装元件变小，I/O针的凸块节距微小而微细，就会加大PCB和封装基板的翘曲和扭曲程度，为了基板的平坦性要求，覆铜箔板的玻璃布构成，树脂或者填充料的分布，多层板时的积层条件的管理等的要求更加严格。

6.2.2 热膨胀系数和弹性

因为封装基板上安装硅的裸芯片，所以希望热膨胀系数（CTE）小和高弹性系数的基板。为此，适合这些性能的树脂系设计，填料多些，使基板接近于硅的CTE(3?10?6/?C)。然而与母板的CTE的差别变大，缓和由于基板间的CTE之差产生的应力成为问题。此外，因为高弹性系数的材料一般是硬而脆的材料，所以必须充分注意材料构成。关于元件的支撑强度，加工收缩等其它特性也要注意。

6.3 热的特性

有机树脂的热的变化大。随着温度的上升，CTE或者其它的机械特性发生变化，具有在特定温度下的急剧变化点，这就是玻璃化温度（Tg）。Tg值成为表示树脂的耐热性的目标值。环氧树脂的Tg为130℃~150℃,特别高的可达170℃。

6.4 化学的特性

因为在制造PCB的阶段使用许多处理药品，所以要求对于处理药品而言必须是稳定而无残留。关于可靠性，如果树脂中残留离子性杂质，或者离子性处理药品的残留等，在驾湿环境下工作，则会引起电化学迁移，导致导体的短路和设备故障。

7 PCB的未来发展趋势

每年年末世界的半导体关联技术者都要发表研究未来展望的路线图。2008年发表的版本，展望到2022年至2023年，设定门（Gate）的半节距（Halfpitch）的尺寸，展示了芯片、封装基板和绝缘材料等的希望值。作为对象的设备的分类虽然有许多种类，然而这里就High-performance的分类中选录了与PCB和封装基板有关系的部分，如表1~表3所示。表1表示了LSI集成度的状态，时钟的频率，特别是Chip to Board的频率，工作电压，芯片的I/O针的焊盘数和凸块节距等。

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2009年逻辑芯片的晶体管（Transistor）为1 348 Mtransistor/cm，到2022年估计为29 588

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Mtransistor/cm。由于芯片尺寸约为14 cm ~ 17 cm，实际的集成度从约3 300兆晶体管数增加到约9 200兆晶体管数。然而I/O针的焊盘数几乎没有变化。逻辑频率为现在的3倍左右，工作电压小于1 V。然而为了与安装的封装基板连接，I/O针的节距由于安装方法的不同而不同，要求更加微细的节距。

表2表示了封装基板的绝缘材料以有机树脂为前提的高密度基板，积层板和无芯板（积层板构成）的布线规则的要求。大多数是可以采用现有技术实现的，不过相当的微细化，尤其是翘曲和扭曲的要求很严格。

表3表示了绝缘基板的物理特性。要求暴力化温度高的耐热材料。为了高速化而要求相对介质常数和介质损失小的树脂材料，比较难以实现。此外还要求热膨胀系数小的吸水率低。剥离强度相当大，且不会损害其它的物理性质。

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随着芯片的小型化迅速发展，PCB 的尺寸也必将越来越小。这就意味着在最近十年内板的线宽间距必须达到50mm。洁净室条件对于PCB 制造过程来说是很有必要的，它能使产量提高。CAD 设计工具需要进一步提高，并且要具有可以计算有关线路、元器件和PCB 之间的相互电性作用的功能，同时必须有一个标准。

直接图形制作设备目前虽然可用但比较昂贵，不过将会获得广泛应用。它是通过直接利用激光束来对感光干膜进行曝光，不再需要菲林同时也能缩短PCB 的制作周期

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软性板的发展趋势将会继续朝前，由于高能耗，厚铜层PCB 或厚膜混合线路与软性板相结合软线路可能是一种可行的选择。除通过电镀和化学镀的方法制作线路图形外，利用喷墨印刷技术制作PCB 线路将是一种很有希望的技术。喷墨印刷技术适用于软性板和全加成法，且不再需要菲林和不会浪费PCB。Epson公司最近展出了一款使用纳米银颗粒进行喷墨打印制作而成的多层PCB 板。

另一种具有挑战性的技术是在PCB 中埋置无源元器件的技术，无源元器件所占空间比组装分离元器件所占空间要小。在众多生产埋置无源元器件的可能技术中，喷墨打印方法仍是首选，通过混合纳米的金属和金属氧化物粉末，线路的电阻会发生变化，这就意味着线路本身就是电阻器。这种技术不仅仅应用于埋置无源元器件上，而且还能应用到其他一些有源元器件中，如EPSON 和Xerox 最近宣讲会中所展示的LED 和TFT 等。在一些系统中，集成电路将会被优先考虑采用像BGA 那样的面阵列封装方式。倒装芯片法（FC，即裸芯片直接封装到PCB 上）将会取代COB封装方式，后者需要占用较大的空间，并在高频时会产生寄生效应。在面阵列封装方式中，芯片是通过顺序积层技术制作HDI 多层板来达到与其它元器件的互连，这些关于PCB 的新发展的事实表明，PCB 技术将会在整个电子工业领域中变得越来越重要。许多年以前，当集成电路和微处理器出现时，一些专家预言，分离元器件和PCB 将会退出历史舞台，因为任何东西都可以在一个芯片中或微处理器上进行集成。事实上，我们不得不这样说：PCB 技术才刚刚开始！

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软性板的发展趋势将会继续朝前，由于高能耗，厚铜层PCB 或厚膜混合线路与软性板相结合软线路可能是一种可行的选择。除通过电镀和化学镀的方法制作线路图形外，利用喷墨印刷技术制作PCB 线路将是一种很有希望的技术。喷墨印刷技术适用于软性板和全加成法，且不再需要菲林和不会浪费PCB。Epson公司最近展出了一款使用纳米银颗粒进行喷墨打印制作而成的多层PCB 板。

另一种具有挑战性的技术是在PCB 中埋置无源元器件的技术，无源元器件所占空间比组装分离元器件所占空间要小。在众多生产埋置无源元器件的可能技术中，喷墨打印方法仍是首选，通过混合纳米的金属和金属氧化物粉末，线路的电阻会发生变化，这就意味着线路本身就是电阻器。这种技术不仅仅应用于埋置无源元器件上，而且还能应用到其他一些有源元器件中，如EPSON 和Xerox 最近宣讲会中所展示的LED 和TFT 等。在一些系统中，集成电路将会被优先考虑采用像BGA 那样的面阵列封装方式。倒装芯片法（FC，即裸芯片直接封装到PCB 上）将会取代COB封装方式，后者需要占用较大的空间，并在高频时会产生寄生效应。在面阵列封装方式中，芯片是通过顺序积层技术制作HDI 多层板来达到与其它元器件的互连，这些关于PCB 的新发展的事实表明，PCB 技术将会在整个电子工业领域中变得越来越重要。许多年以前，当集成电路和微处理器出现时，一些专家预言，分离元器件和PCB 将会退出历史舞台，因为任何东西都可以在一个芯片中或微处理器上进行集成。事实上，我们不得不这样说：PCB 技术才刚刚开始！

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