Soos baie ander groot uitvindings deur die geskiedenis, het dieprinted circuit board (PCB)soos ons dit vandag ken, is gebaseer op vordering wat deur die geskiedenis gemaak is.In ons klein hoekie van die wêreld kan ons die geskiedenis van PCB's meer as 130 jaar terug naspeur, toe die wêreld se groot industriële masjiene net begin het.Wat ons in hierdie blog sal dek, is nie die volledige geskiedenis nie, maar die belangrike oomblikke wat die PCB omskep het in wat dit vandag is.
Hoekom PCB?
Met verloop van tyd het PCB's ontwikkel tot 'n instrument om die vervaardiging van elektroniese produkte te optimaliseer.Wat eens maklik was om met die hand saam te stel, het vinnig plek gemaak vir mikroskopiese komponente wat meganiese akkuraatheid en doeltreffendheid vereis het.Neem die twee borde wat in die figuur hieronder getoon word as 'n voorbeeld.Die een is 'n ou bord uit die 1960's vir sakrekenaars.Die ander is die tipiese hoëdigtheid moederbord wat jy in vandag se rekenaars sal sien.
'n PCB-vergelyking tussen 'n 1968-sakrekenaar en vandag se moderne moederborde.
In 'n sakrekenaar het ons dalk 30+ transistors, maar op 'n enkele skyfie op 'n moederbord sal jy meer as 'n miljoen transistors vind.Die punt is dat die tempo van vordering in tegnologie en PCB-ontwerp self indrukwekkend is.Alles op 'n sakrekenaar-PCB kan nou in 'n enkele skyfie in vandag se ontwerpe pas.Dit vestig die aandag op verskeie noemenswaardige neigings in PCB-vervaardiging:
Ons integreer meer funksionaliteit in gevorderde toestelle soos geïntegreerde stroombane (IC's) en mikroverwerkers.
Ons krimp passiewe komponente soos weerstande en kapasitors tot op die mikroskopiese vlak.
Dit alles lei tot verhoogde komponentdigtheid en kompleksiteit op ons stroombane.
Al hierdie vooruitgang word hoofsaaklik aangedryf deur verbeterings in die spoed en funksionaliteit van ons produkte.Ons verwag van ons toestelle om onmiddellik te reageer, selfs 'n paar sekondes se vertraging kan ons in 'n waansin dryf.Oorweeg videospeletjies vir funksionaliteit.Terug in die 80's het jy waarskynlik Pac-Man by 'n arcade gespeel.Nou sien ons fotorealistiese voorstellings van die werklikheid.Die vordering is net waansinnig.
Videospeletjies is deesdae amper lewensgetrou.
Dit is duidelik dat PCB's ontwikkel het in direkte reaksie op wat ons van ons toestelle verwag.Ons het vinniger, goedkoper, kragtiger produkte nodig, en die enigste manier om aan hierdie eise te voldoen, is om die vervaardigingsproses te miniaturiseer en te verbeter.Wanneer het hierdie oplewing in elektronika en PCB's begin?Met die aanbreek van die Vergulde Era.
Gilded Age (1879 – 1900)
Ons het die Amerikaanse Burgeroorlog in die 60's beëindig, en nou floreer Amerikaanse vervaardiging.Intussen doen ons wat ons kan, van kos tot klere, meubels en relings.Die skeepsvaartbedryf is op die offensief, en ons beste ingenieurs is besig om uit te vind hoe om iemand van die ooskus van die VSA na die weskus in 5 tot 7 dae in plaas van 5 tot 7 maande te kry.
Spoorweë het reis van kus tot kus dae in plaas van maande geneem.
In hierdie tyd het ons ook elektrisiteit in die huis ingebring, eers in die stede en toe in die voorstede en landelike gebiede.Elektrisiteit is nou 'n plaasvervanger vir steenkool, hout en olie.Dink daaraan om in die strawwe winter in New York te woon, om te probeer kook of warm te hou met vuil kole of hope vuurmaakhout.Elektrisiteit het dit alles verander.
’n Interessante punt is dat Standard Oil, wat die oliemark monopoliseer, nie olie vir petrol verskaf nie.Hul mark is olie vir kook, braai en beligting.Met die koms van elektrisiteit moes Standard Oil 'n nuwe gebruik vir olie definieer, wat sou kom met die bekendstelling van die motor.
In Mei 1878 het Standard Oil Company voorraad uitgereik, en die oliemonopolie het begin.
Gedurende die Vergulde Era het ons 'n paar groot ontdekkings in elektromagnetisme gesien.Ons het die elektriese motor uitgevind, wat elektriese energie in meganiese energie omskakel.Ons sien ook kragopwekkers wat die teenoorgestelde doen deur meganiese energie in elektriese energie om te skakel.
Dit was ook 'n tyd van geniale uitvinders wat vandag nog 'n impak op ons elektroniese wêreld het, insluitend:
Thomas Edison het die gloeilamp in 1879 uitgevind, die fliek in 1889, en baie ander innovasies.
Nikola Tesla het die elektriese motor in 1888 uitgevind en die AC-kragbron in 1895.
Alexander Graham Bell het die telefoon in 1876 uitgevind.
George Eastman se Kodak het die eerste verbruikerskamera in 1884 uitgevind.
Herman Hollerith het die tabuleermasjien in 1890 uitgevind en IBM gestig.
Gedurende hierdie intense tydperk van innovasie is een van die grootste debatte dié tussen AC en DC.Tesla se wisselstroom het uiteindelik die ideale metode geword om krag oor lang afstande oor te dra.Dit is egter interessant dat ons vandag nog met AC-DC-omskakeling te doen het.
AC het dalk die stryd gewen, maar DC oorheers steeds elektronika.
Kyk na enige elektroniese toestel wat jy by die muur inprop, jy moet AC na DC omskakel.Of, as jy kyk na die infrastruktuur wat nodig is vir sonpanele, genereer hulle elektrisiteit in GS, wat teruggeskakel moet word na WS as 'n kragbron, en terug na GS vir ons toestelle om te gebruik.Jy kan amper sê die AC-DC-debat was nooit verby nie, 'n balans is pas getref tussen twee opponerende idees.
Daar is baie heen en weer tussen AC en DC in 'n sonpaneel.
Let daarop dat die oorspronklike idee van die PCB nie in die Gilded Age uitgevind is nie.Sonder die vervaardigingsvermoëns van hierdie era, en die wydverspreide invloed van elektrisiteit, sou PCB's egter nooit wees wat dit vandag is nie.
Progressiewe Era (1890 – 1920)
Die Progressiewe Era is gekenmerk deur 'n tydperk van sosiale hervorming, met wetgewing soos die Sherman Antitrust Act wat Standard Oil se monopolie opgebreek het.Dit is ook wanneer ons die eerste PCB-patente sien.In 1903 het die Duitse uitvinder Albert Hanson aansoek gedoen om 'n Britse patent vir 'n toestel wat beskryf word as 'n plat foeliegeleier op 'n meerlaagse isolasiebord.Klink bekend?
Tekening wat Albert Hanson se eerste PCB-patent uitbeeld.
Hansen beskryf ook die konsep van deurgat-toepassings in sy patent.Hier wys hy dat jy 'n gat in twee lae met vertikale lyne kan slaan om 'n elektriese verbinding te maak.
Gedurende hierdie tyd het ons begin sien hoe Edison en ander sakeleiers 'n groot druk maak om elektriese toestelle in alledaagse huise in te bring.Die probleem met hierdie druk is die algehele gebrek aan standaardisering.As jy in New York of New Jersey gewoon het en Edison se uitvindings van elektrisiteit gebruik het vir beligting, verhitting of kook, wat sou gebeur as jy dit in 'n ander stad gebruik het?Hulle kan nie gebruik word nie, want elke dorp het sy eie sok-konfigurasie.
Die probleem is ook vererger deur die feit dat Edison nie net 'n gloeilamp aan mense wou verkoop nie, hy wou ook 'n diens verkoop.Edison kan jou maandeliks van elektrisiteitsdiens voorsien;dan sal jy gloeilampe, toestelle, ens koop. Natuurlik is nie een van hierdie dienste versoenbaar met ander mededingende metodes nie.
Ons wil Harvey Hubbel bedank dat hy uiteindelik 'n einde aan hierdie gemors gemaak het.In 1915 het hy die standaard muursokprop wat vandag nog gebruik word, gepatenteer.Nou het ons nie 'n broodrooster of warmplaat wat in 'n gloeilampsok ingeprop is nie.Dit is 'n groot oorwinning vir industriestandaardisering.
Danksy Harvey Hubbel het ons nou 'n gestandaardiseerde muuraansluiting vir alle elektroniese toestelle.
As 'n laaste noot, is die Progressiewe Era gekenmerk deur die Eerste Wêreldoorlog. Hierdie konflik is suiwer gefokus op meganismes en loopgraafoorlogvoering.Die PCB-konsep, of selfs basiese elektronika, word nog nie in militêre toepassings gebruik nie, maar dit sal binnekort wees.
Roaring Twenties (1920's)
Met die einde van die Eerste Wêreldoorlog is ons nou in die Roaring Twenties, wat 'n groot oplewing in die Amerikaanse ekonomie beleef het.Vir die eerste keer in die geskiedenis woon meer mense in stede as op plase.Ons begin ook sien dat kettings en handelsmerke in die VSA bekend gestel word.Jy het dalk 'n familiewinkel of twee in twee verskillende dorpe, maar nou het ons groot handelsmerke en winkels wat nasionaal gaan.
Die grootste uitvinding van hierdie tydperk was Henry Ford se motor en die infrastruktuur wat dit vereis het.Die situasie is soortgelyk aan die 1990's, toe ons 'n groot infrastruktuur moes bou om die internet en ons inligtingsera te hanteer deur skakelaars, routers en optiese veselkabels te bou.Motors is geen uitsondering nie.
Henry Ford se eerste motor – 'n vierwiel.
Hier sien ons wat eens 'n grondpad was wat geplavei word.Mense het petrol nodig gehad om hul voertuie aan te dryf, vandaar die behoefte aan vulstasies.Jy het ook herstelwinkels, bykomstighede en meer.Baie mense se hele lewenswyse het ontstaan uit die uitvinding van die motor, en dit is vandag nog.
Dit was ook in hierdie tyd dat ons die bekendstelling gesien het van moderne toestelle waarop ons vandag nog staatmaak, soos wasmasjiene, stofsuiers en yskaste.Vir die eerste keer sal mense bederfbare goedere in winkels kan koop en dit vir ’n verlengde rakleeftyd stoor.
Maar waar is ons PCB's?Ons het hulle steeds nie gesien gebruik in enige toestelle of motors wat gedurende hierdie tyd bekendgestel is nie.Charles Ducasse het egter in 1925 'n patent ingedien wat die proses beskryf het om geleidende ink by isolerende materiale te voeg.Dit sal later lei tot 'n gedrukte bedradingsbord (PWB).Hierdie patent is die eerste praktiese toepassing soortgelyk aan 'n PCB, maar slegs as 'n vlakke verwarmingsspoel.Ons het nog geen werklike elektriese verbindings tussen die bord en die komponente gekry nie, maar ons kom naby.
Die PCB het voortgegaan om te ontwikkel, hierdie keer as 'n verwarmingspoel vir Charles Ducas gebruik.
Groot Depressie (1930's)
In 1929 het die aandelemark gedaal, en al die groot innovasies van ons tyd het gedaal.Hier sien ons 'n tydperk van werkloosheid bo 25%, 25 000 bankmislukkings, en baie moeilikheid regoor die wêreld.Dit was 'n tragiese tyd vir die mensdom as geheel, wat die weg gebaan het vir die opkoms van Hitler, Mussolini, Stalin en ons toekomstige wêreldkonflikte.PCB's was dalk stil tot nou, maar dit gaan alles verander.
Die Groot Depressie het almal geraak, van banke tot gewone werkers.
Tweede Wêreldoorlog (1939 – 1945)
Die Tweede Wêreldoorlog was aan die gang, en die Verenigde State het by die stryd aangesluit ná die bombardement op Pearl Harbor in 1942. Wat interessant is omtrent Pearl Harbor, is die hele kommunikasiemislukking wat tot die aanval gelei het.Die VSA het goeie bewyse van 'n dreigende krisis gehad, maar alle metodes van kontak met hul militêre basis in Honolulu was onsuksesvol, en die eiland is onkant gevang.
As gevolg van hierdie mislukking het die DoD besef dat hulle 'n meer betroubare kommunikasiemiddel nodig het.Dit het elektronika op die voorgrond gebring as die primêre kommunikasiemiddel wat Morsekode vervang.
Dit was ook tydens die Tweede Wêreldoorlog dat ons die eerste gebruik van PCB's in nabyheidssmelters gesien het wat ons vandag het.Die toestel word gebruik vir hoëspoedprojektiele wat langafstand-presisievuur in die lug of op land vereis.Die nabyheidsbrander is oorspronklik deur die Britte ontwikkel om die opmars van Hitler se leër teë te werk.Dit is later met die Verenigde State gedeel waar die ontwerp en vervaardiging vervolmaak is.
Een van die eerste militêre toepassings om PCB's te gebruik, was nabyheidssmelters.
Gedurende hierdie tyd het ons ook Paul Eisler, 'n Oostenryker wat in die VK woon, gehad om koperfoelie op 'n nie-geleidende glassubstraat te patenteer.Klink bekend?Dit is 'n konsep wat ons vandag nog gebruik om PCB's te maak met isolasie en koper aan die bo-/onderkant.Eisler het hierdie idee 'n stap verder geneem toe hy in 1943 'n radio uit sy PCB gebou het, wat die weg sou baan vir toekomstige militêre toepassings.
Paul Eisler het 'n radio uit die eerste gedrukte stroombaan (PCB) gebou.
Baby Boomers (1940's)
Toe die Tweede Wêreldoorlog tot 'n einde gekom het, het ons gesien hoe ons soldate huis toe kom, met gesinne begin en 'n hele klomp kinders het.Weer die baba boomers.Dit was in die na-oorlogse era dat ons massiewe verbeterings aan bestaande toestelle soos stofsuiers, wasmasjiene, televisies en radio's gesien het.Noudat die Groot Resessie agter die rug is, kan baie verbruikers uiteindelik hierdie toestelle in hul huise bekostig.
Ons het nog nie PCB's van verbruikersgraad gesien nie.Waar is die werke van Paul Eisler?Kyk na hierdie ou TV hieronder en jy sal al die komponente sien, maar sonder die onderliggende PCB-fondasie.
'n Ou Motorola TV van 1948, geen PCB.
Ten spyte van die gebrek aan PCB's, het ons wel die aankoms van die transistor by Bell Labs in 1947 gesien. Dit het nog ses jaar in 1953 geneem voordat die toestel uiteindelik in produksie gebruik is, maar hoekom so lank?In daardie dae is inligting deur vaktydskrifte, konferensies, ens versprei. Voor die inligtingsera het die verspreiding van inligting net tyd geneem om te versprei.
Die eerste transistor is in 1947 by Bell Laboratories gebore.
Koue Oorlog Era (1947 – 1991)
Die aanbreek van die Koue Oorlog-era was 'n aansienlike tydperk van spanning tussen die Verenigde State en die Sowjetunie.Weens die verskille tussen kapitalisme en kommunisme is hierdie twee reuse byna in oorlog met mekaar en het die wêreld bedreig van kernuitwissing.
Om voor te bly in hierdie wapenwedloop, moet beide kante hul vermoë om te kommunikeer verbeter om te verstaan wat die vyand doen.Hier sien ons dat die PCB tot sy volle potensiaal gebruik word.In 1956 het die Amerikaanse weermag 'n patent vir 'n "kringsamestellingsproses" gepubliseer.Vervaardigers het nou 'n manier om beide elektronika te hou en verbindings tussen komponente met koperspore te maak.
Soos PCB's begin opstyg het in die vervaardigingswêreld, het ons onsself in die wêreld se eerste ruimtewedren bevind.Rusland het 'n paar ongelooflike prestasies gedurende hierdie tyd behaal, insluitend:
1957 Lancering van die eerste kunsmatige satelliet, Spoetnik
1959 Lancering van Luna 2, die eerste ruimtetuig na die maan
In 1961 is Yuri Gagarin, die eerste ruimtevaarder, gestuur om om die Aarde te wentel
Rusland se eerste kunsmatige satelliet, Spoetnik, is in 1957 gelanseer.
Waar is Amerika in dit alles?Omdat dit hoofsaaklik agterbly, neem dit gewoonlik 'n jaar of twee om dieselfde tegnologie te ontwikkel.Om hierdie gaping aan te spreek, sien ons dat die Amerikaanse ruimtebegroting vyfvoudig groei in 1960. Ons het ook die beroemde 1962 President Kennedy-toespraak, waarvan 'n deel die moeite werd is om aan te haal:
“Ons kies om maan toe te gaan!Ons kies om na die maan te gaan om ander dinge hierdie dekade te doen, nie omdat dit maklik is nie, maar omdat dit moeilik is;want hierdie doelwit sal help om ons beste energie en vaardighede te organiseer en te meet, daarom is Uitdagings wat ons bereid is om aan te pak, wat ons nie bereid is om uit te stel nie, en wat ons bereid is om te wen.”– John F. Kennedy, president van die Verenigde State, 12 September 1962
Dit alles het gelei tot 'n landmerk-oomblik in die geskiedenis.Op 20 Julie 1969 het die eerste Amerikaanse man op die maan geland.
Die eerste mens op die maan, 'n geskiedkundige oomblik vir die mensdom.
Om terug te gaan na PCB's, in 1963 het ons Hazeltyne Corporation die eerste gepatenteer deur-gat tegnologie laat patenteer.Dit sal toelaat dat komponente naby mekaar op die PCB gepak word sonder om bekommerd te wees oor kruisverbindings.Ons het ook die bekendstelling van Surface Mount Technology (SMT) gesien, ontwikkel deur IBM.Hierdie digte samestellings is die eerste keer in die praktyk in 'n Saturnus-vuurpylversterker gesien.
1967 Die eerste deur-gat PCB tegnologie patent.
Dawn of the Microprocessor (1970's)
Die 70's het vir ons die eerste mikroverwerker in die vorm van 'n geïntegreerde stroombaan (IC) gebring.Dit is oorspronklik ontwikkel deur Jack Kilby van Texas Instruments in 1958. Kilby was nuut vir TI, so sy innoverende idees vir IC's is grootliks onder die dop gehou.Toe TI se senior ingenieurs egter na 'n weeklange vergadering gestuur is, het Kilby agtergebly en met die idees in sy kop gehardloop.Hier het hy die eerste IC in TI-laboratoriums ontwikkel, en die terugkerende ingenieurs was mal daaroor.
Jack Kilby hou die eerste geïntegreerde stroombaan.
In die 1970's het ons die eerste gebruik van IC's in elektroniese vervaardiging gesien.Op hierdie stadium, as jy nie 'n PCB vir jou verbindings gebruik nie, is jy in groot moeilikheid.
Dawn of the Digital Age (1980's)
Die digitale era het 'n groot verandering teweeggebring in die media wat ons verbruik, met die bekendstelling van persoonlike toestelle soos skywe, VHS, kameras, spelkonsoles, walkmans, en meer.
In 1980 het die Atari-videospeletjie-konsole kinders se drome bewaarheid.
Dit is belangrik om daarop te let dat PCB's steeds met die hand geteken is met ligte borde en stensils, maar toe het rekenaars en EDA gekom.Hier sien ons dat EDA-sagteware soos Protel en EAGLE die manier waarop ons elektronika ontwerp en vervaardig revolusioneer.In plaas van 'n foto van die PCB, kan ons nou die ontwerp stoor as 'n Gerber-tekslêer, waarvan die koördinate in die vervaardigingsmasjinerie ingevoer kan word om die PCB te vervaardig.
The Internet Age (1990's)
In die 90's het ons gesien hoe die gebruik van silikon in volle swang kom met die bekendstelling van die BGA.Nou kan ons meer hekke op 'n enkele skyfie pas en geheue en stelsels-op-skyfie (SoC's) saam begin insluit.Dit was ook 'n tydperk van hoë miniaturisering van elektronika.Ons het geen nuwe kenmerke by die PCB gesien nie, maar die hele ontwerpproses het begin verander en ontwikkel en na die IC beweeg.
Ontwerpers moet nou ontwerp-vir-toets (DFT) strategieë in hul uitlegte implementeer.Dit is nie maklik om 'n komponent te pop en 'n blou lyn by te voeg nie.Ingenieurs moet hul uitlegte ontwerp met toekomstige herwerk in gedagte.Is al hierdie komponente so geplaas dat dit maklik verwyder kan word?Dit is 'n groot bekommernis.
Dit was ook 'n era toe kleiner komponentpakkette soos die 0402 handsoldering van stroombane byna onmoontlik gemaak het.Die ontwerper woon nou in sy EDA-sagteware en die vervaardiger is verantwoordelik vir die fisiese produksie en samestelling.
Oppervlakmonteer komponente van grootste tot kleinste.
Hibriede era (2000's en verder)
Sny tot vandag se era van elektronika en PCB-ontwerp;wat ons die hibriede era noem.In die verlede het ons verskeie toestelle vir veelvuldige behoeftes gehad.Jy benodig 'n sakrekenaar;jy koop 'n sakrekenaar.Jy wil videospeletjies speel;jy koop 'n videospeletjiekonsole.Nou kan jy 'n slimfoon koop en 30 verskillende vlakke van ingeboude kenmerke kry.Dit lyk dalk redelik voor die hand liggend, maar dit is nogal verstommend as jy eintlik al die dinge sien wat ons slimfone kan doen:
dobbeltoerusting adresboek e-pos strepieskode skandeerder flitslig klok kamera navigasie
musiek speler skedule VCR kaart Internet blaaier kalender film speler sakrekenaar
Telefoon notaboek kaartjies blokfluit antwoordmasjien Kort boodskap bank boeke
Ons is in die era van toestelkonsolidasie, maar wat is volgende?PCB's word gevestig en ons het prosesse en prosedures vir byna alles.Hoëspoedtoepassings word die norm.Ons sien ook dat slegs 25% van PCB-ontwerpers onder die ouderdom van 45 is, terwyl 75% voorberei om af te tree.Dit lyk of die bedryf in 'n krisistyd verkeer.
Sal die toekoms van PCB-ontwerp robotte wees?Miskien in 'n draagbare met 'n flex circuit?Of ons kan sien hoe protone elektrone met fotonika vervang.Sover ons weet oor fisiese PCB's, kan dit selfs in die toekoms verander.Daar is geen behoefte aan 'n fisiese medium om die verbinding tussen komponente moontlik te maak nie, maar eerder die potensiaal van golftegnologie.Dit sal komponente toelaat om seine draadloos te stuur sonder die behoefte aan koper.
Wat sal die toekoms inhou?
Niemand weet regtig waarheen die toekoms van PCB-ontwerp, of selfs elektronika in die algemeen, op pad is nie.Dit is byna 130 jaar sedert ons vervaardigingspiere begin werk het.Sedertdien het die wêreld vir altyd verander met die bekendstelling van groot produkte soos motors, toestelle, rekenaars, slimfone en meer.Die dae toe ons van steenkool, hout of olie afhanklik was vir al ons basiese lewensbestaan en oorlewing is verby.Nou het ons elektroniese toestelle wat aan ons daaglikse behoeftes kan voldoen.
Maar wat hou die toekoms in?Dit is 'n groot onbekende.Ons weet almal dat elke uitvinding voor ons op die skouers van sy voorgangers staan.Ons voorouers het PCB-ontwerp gebring tot waar dit vandag is, en nou moet ons die manier waarop ons ontwerp en met tegnologie omgaan, vernuwe en revolusioneer.Die toekoms kan enigiets wees.Die toekoms hang van jou af.
Postyd: 17 Maart 2023