Подобно на много други велики изобретения в историята,печатна платка (PCB)както го познаваме днес, се основава на напредъка, постигнат в историята.В нашето малко кътче на света можем да проследим историята на печатните платки повече от 130 години назад, когато великите индустриални машини в света едва започваха.Това, което ще разгледаме в този блог, не е пълната история, а важните моменти, които трансформират PCB в това, което е днес.
Защо PCB?
С течение на времето печатните платки са се превърнали в инструмент за оптимизиране на производството на електронни продукти.Това, което някога беше лесно за сглобяване на ръка, бързо отстъпи място на микроскопични компоненти, изискващи механична прецизност и ефективност.Вземете за пример двете дъски, показани на фигурата по-долу.Едната е стара дъска от 60-те години за калкулатори.Другата е типичната дънна платка с висока плътност, която ще видите в днешните компютри.
Сравнение на PCB между калкулатор от 1968 г. и днешните модерни дънни платки.
В един калкулатор може да имаме 30+ транзистора, но на един чип на дънната платка ще намерите над милион транзистора.Въпросът е, че скоростта на напредък в технологиите и самия дизайн на печатни платки е впечатляваща.Всичко на печатна платка на калкулатор вече може да се побере в един чип в днешния дизайн.Това привлича вниманието към няколко забележителни тенденции в производството на печатни платки:
Ние интегрираме повече функционалност в усъвършенствани устройства като интегрални схеми (IC) и микропроцесори.
Ние свиваме пасивните компоненти като резистори и кондензатори до микроскопично ниво.
Всичко това води до повишена плътност и сложност на компонентите на нашите платки.
Всички тези постижения се движат основно от подобрения в скоростта и функционалността на нашите продукти.Очакваме нашите устройства да реагират мигновено, дори няколко секунди забавяне могат да ни подлудят.За функционалност помислете за видео игри.През 80-те вероятно сте играли на Pac-Man в аркадна зала.Сега виждаме фотореални изображения на реалността.Прогресът е просто безумен.
Визуалните изображения на видеоигрите са почти реалистични в наши дни.
Ясно е, че печатните платки са се развили в пряк отговор на това, което очакваме от нашите устройства.Нуждаем се от по-бързи, по-евтини и по-мощни продукти и единственият начин да отговорим на тези изисквания е да миниатюризираме и подобрим ефективността на производствения процес.Кога започна този бум на електрониката и печатните платки?В зората на позлатения век.
Позлатена епоха (1879 – 1900)
Сложихме край на американската гражданска война през 60-те години и сега американското производство процъфтява.Междувременно правим каквото можем - от храна до дрехи, мебели и релси.Корабоплавателната индустрия е в офанзива и нашите най-велики инженери измислят как да откарат някого от източното крайбрежие на САЩ до западното за 5 до 7 дни вместо за 5 до 7 месеца.
Железопътните линии накараха пътуването от бряг до бряг да отнема дни вместо месеци.
През това време вкарахме и електричество в дома, първо в градовете, а след това в предградията и селските райони.Сега електричеството е заместител на въглищата, дървата и петрола.Помислете си как живеете в Ню Йорк през суровата зима, опитвайки се да готвите или да се стоплите с мръсни въглища или купчини дърва за огрев.Електричеството промени всичко това.
Интересен момент е, че Standard Oil, която монополизира петролния пазар, не доставя масло за бензин.Техният пазар е олио за готвене, пържене и осветление.С навлизането на електричеството Standard Oil трябваше да определи нова употреба на петрола, която щеше да дойде с въвеждането на автомобила.
През май 1878 г. Standard Oil Company емитира акции и започва петролният монопол.
По време на Позлатения век видяхме някои големи открития в електромагнетизма.Изобретихме електрическия мотор, който преобразува електрическата енергия в механична.Виждаме и генератори, които правят обратното, като преобразуват механичната енергия в електрическа.
Това беше и време на гениални изобретатели, които все още оказват влияние върху нашия електронен свят днес, включително:
Томас Едисон изобретява електрическата крушка през 1879 г., филмът през 1889 г. и много други иновации.
Никола Тесла изобретява електрическия мотор през 1888 г. и източника на променлив ток през 1895 г.
Александър Греъм Бел изобретява телефона през 1876 г.
Кодак на Джордж Ийстман изобретява първата потребителска камера през 1884 г.
Херман Холерит изобретява табличната машина през 1890 г. и основава IBM.
През този интензивен период на иновации, един от най-големите дебати е този между AC и DC.Променливият ток на Тесла в крайна сметка се превърна в идеалния метод за предаване на енергия на дълги разстояния.Интересното е обаче, че днес все още имаме работа с AC-DC преобразуване.
AC може да спечели битката, но DC все още доминира в електрониката.
Погледнете всяко електронно устройство, което включите в стената, трябва да преобразувате AC в DC.Или, ако погледнете инфраструктурата, необходима за слънчевите панели, те генерират електричество в постоянен ток, който трябва да се преобразува обратно в променлив ток като източник на енергия и обратно в постоянен ток, за да могат нашите устройства да го използват.Почти може да се каже, че дебатът AC-DC никога не е приключил, току-що беше постигнат баланс между две противоположни идеи.
Има много напред и назад между AC и DC в слънчев панел.
Обърнете внимание, че първоначалната идея за PCB не е изобретена в позлатената ера.Въпреки това, без производствените възможности на тази ера и широко разпространеното влияние на електричеството, ПХБ никога не биха били това, което са днес.
Прогресивна ера (1890 – 1920)
Прогресивната ера беше белязана от период на социални реформи, със законодателство като Антитръстовия закон на Шърман, разбиващо монопола на Standard Oil.Това е и когато виждаме първите патенти за печатни платки.През 1903 г. немският изобретател Алберт Хансън кандидатства за британски патент за устройство, описано като плосък фолиен проводник върху многослойна изолационна плоскост.Звучи ли ви познато?
Чертеж, изобразяващ първия патент на печатни платки на Албърт Хансън.
Хансен също описва концепцията за приложения през дупки в своя патент.Тук той показва, че можете да пробиете дупка в два слоя с вертикални линии, за да направите електрическа връзка.
През това време започнахме да виждаме как Едисън и други бизнес лидери правят голям тласък за въвеждане на електрически устройства в ежедневните домове.Проблемът с този тласък е пълната липса на стандартизация.Ако живеете в Ню Йорк или Ню Джърси и използвате изобретенията на Едисън за електричество за осветление, отопление или готвене, какво ще стане, ако ги използвате в друг град?Те не могат да се използват, защото всеки град има собствена конфигурация на сокет.
Проблемът се влошава и от факта, че Едисън не просто искаше да продаде на хората електрическа крушка, той също искаше да продаде услуга.Edison може да ви осигури електрическа услуга на месечна база;тогава бихте купили електрически крушки, уреди и т.н. Разбира се, нито една от тези услуги не е съвместима с други конкурентни методи.
Искаме да благодарим на Harvey Hubbel, че най-накрая сложи край на тази бъркотия.През 1915 г. той патентова стандартния щепсел за стенен контакт, който се използва и днес.Сега нямаме тостер или котлон, включен в гнездото на електрическата крушка.Това е огромна победа за индустриалната стандартизация.
Благодарение на Harvey Hubbel сега имаме стандартизиран стенен контакт за всички електронни устройства.
Като последна бележка, Прогресивната ера беше белязана от Първата световна война. Този конфликт е изцяло фокусиран върху меховете и окопната война.Концепцията за PCB или дори основната електроника все още не се използва във военни приложения, но скоро ще бъде.
Ревящи двадесет (1920)
С края на Първата световна война сега сме в бурните двадесетте години, когато се наблюдава огромен бум в американската икономика.За първи път в историята повече хора живеят в градове, отколкото във ферми.Също така започваме да виждаме вериги и марки да се въвеждат в САЩ.Може да имате семеен магазин или два в два различни града, но сега имаме големи марки и магазини, които стават национални.
Най-великото изобретение от този период е автомобилът на Хенри Форд и необходимата за него инфраструктура.Ситуацията е подобна на тази през 90-те години на миналия век, когато трябваше да изградим голяма инфраструктура, за да се справим с интернет и нашата информационна ера чрез изграждане на комутатори, рутери и оптични кабели.Автомобилите не са изключение.
Първата кола на Хенри Форд – четириколка.
Тук виждаме как се асфалтира някогашен черен път.Хората се нуждаеха от бензин, за да задвижват превозните си средства, оттук и нуждата от бензиностанции.Имате и сервизи, аксесоари и др.Целият начин на живот на много хора произлиза от изобретяването на автомобила и е така и днес.
Също така през това време видяхме въвеждането на модерни уреди, на които разчитаме и днес, като перални машини, прахосмукачки и хладилници.За първи път хората ще могат да купуват бързоразвалящи се стоки в магазините и да ги съхраняват за по-дълъг срок на годност.
Но къде са нашите печатни платки?Все още не сме ги виждали използвани в никакви уреди или автомобили, пуснати през това време.През 1925 г. обаче Чарлз Дюкас подава патент, който описва процеса на добавяне на проводимо мастило към изолационни материали.Това по-късно ще доведе до печатна платка за окабеляване (PWB).Този патент е първото практическо приложение, подобно на PCB, но само като планарна нагревателна намотка.Все още не сме получили реални електрически връзки между платката и компонентите, но се приближаваме.
PCB продължава да се развива, като този път се използва като нагревателна намотка за Charles Ducas.
Голямата депресия (1930 г.)
През 1929 г. фондовият пазар се срина и всички големи иновации на нашето време се сринаха.Тук виждаме период на безработица над 25%, 25 000 фалити на банки и много проблеми по света.Това беше трагично време за човечеството като цяло, проправящо пътя за възхода на Хитлер, Мусолини, Сталин и нашите бъдещи световни конфликти.ПХБ може и да са мълчали досега, но това е на път да се промени.
Голямата депресия засегна всички - от банките до обикновените работници.
Втората световна война (1939 – 1945)
Втората световна война беше в ход и Съединените щати се присъединиха към битката след бомбардировката на Пърл Харбър през 1942 г. Това, което е интересно за Пърл Харбър, е целият комуникационен провал, довел до атаката.САЩ имаха добри доказателства за предстояща криза, но всички методи за контакт с тяхната военна база в Хонолулу бяха неуспешни и островът беше хванат неподготвен.
В резултат на този провал Министерството на отбраната осъзна, че се нуждае от по-надеждно средство за комуникация.Това извежда електрониката на преден план като основно средство за комуникация, което заменя морзовия код.
Също така по време на Втората световна война видяхме първото използване на печатни платки в предпазители за близост, които имаме днес.Устройството се използва за високоскоростни снаряди, които изискват прецизен огън на дълги разстояния в небето или на земята.Близкият взривател първоначално е разработен от британците, за да противодейства на настъплението на армията на Хитлер.По-късно беше споделен със Съединените щати, където дизайнът и производството бяха усъвършенствани.
Едно от първите военни приложения, използващи печатни платки, бяха предпазителите за близост.
През това време имахме и Пол Айслер, австриец, живеещ в Обединеното кралство, който патентова медно фолио върху непроводим стъклен субстрат.Звучи ли ви познато?Това е концепция, която все още използваме днес, за да правим печатни платки с изолация и мед отгоре/отдолу.Айслер направи тази идея крачка напред, когато построи радио от своята PCB през 1943 г., което щеше да проправи пътя за бъдещи военни приложения.
Пол Айслер изгради радио от първата печатна платка (PCB).
Бейби бум (1940)
С наближаването на края на Втората световна война видяхме нашите войници да се прибират у дома, да създават семейства и да имат цял куп деца.Дайте пример на бейби бума.Именно в следвоенната ера станахме свидетели на огромни подобрения на съществуващите уреди като прахосмукачки, перални, телевизори и радиоапарати.Сега, когато Голямата рецесия е зад гърба ни, много потребители най-накрая могат да си позволят тези устройства в домовете си.
Все още не сме виждали печатни платки с потребителски клас.Къде са произведенията на Пол Айслер?Погледнете този стар телевизор по-долу и ще видите всички компоненти, но без основата на PCB.
Стар телевизор Motorola от 1948 г., без PCB.
Въпреки липсата на печатни платки, видяхме пристигането на транзистора в Bell Labs през 1947 г. Отне още шест години през 1953 г., преди устройството най-накрая да бъде използвано в производството, но защо толкова дълго?В онези дни информацията се разпространяваше чрез списания, конференции и т.н. Преди ерата на информацията разпространението на информация просто отнемаше време, за да се разпространи.
Първият транзистор е роден в Bell Laboratories през 1947 г.
Епоха на Студената война (1947 – 1991)
Настъпването на ерата на Студената война бележи значителен период на напрежение между Съединените щати и Съветския съюз.Поради разликите между капитализма и комунизма, тези два гиганта са почти във война помежду си и са поставили света под заплаха от ядрено унищожение.
За да останат напред в тази надпревара във въоръжаването, и двете страни трябва да подобрят способността си да комуникират, за да разберат какво прави врагът.Тук виждаме как PCB се използва в пълния си потенциал.През 1956 г. армията на САЩ публикува патент за „процес на сглобяване на верига“.Производителите вече имат начин както да държат електрониката, така и да правят връзки между компонентите с медни проводници.
Когато печатните платки започнаха да навлизат в света на производството, ние се озовахме в първата в света космическа надпревара.Русия постигна някои невероятни постижения през това време, включително:
1957 г. Изстрелване на първия изкуствен спътник Спутник
1959 г. Изстрелване на Луна 2, първият космически кораб до Луната
През 1961 г. Юрий Гагарин, първият космонавт, е изпратен в орбита около Земята
Първият изкуствен спътник на Русия, Спутник, е изстрелян през 1957 г.
Къде е Америка във всичко това?Основно изоставащи, обикновено отнема година или две, за да се разработи същата технология.Отстранявайки тази празнина, виждаме, че космическият бюджет на САЩ нараства петкратно през 1960 г. Имаме и известната реч на президента Кенеди от 1962 г., част от която си заслужава да бъде цитирана:
„Избираме да отидем на Луната!Ние избираме да отидем на Луната, за да правим други неща през това десетилетие, не защото са лесни, а защото са трудни;защото тази цел ще помогне да организираме и измерим най-добрата ни енергия и умения, поради това Предизвикателствата са това, което сме готови да поемем, което не сме готови да отлагаме и което сме готови да спечелим.– Джон Ф. Кенеди, президент на Съединените щати, 12 септември 1962 г
Всичко това доведе до забележителен момент в историята.На 20 юли 1969 г. първият американец каца на Луната.
Първият човек на Луната, исторически момент за човечеството.
Връщайки се към печатните платки, през 1963 г. ние накарахме Hazeltyne Corporation да патентова първата технология за проходни отвори с покритие.Това ще позволи компонентите да бъдат опаковани близо един до друг върху печатната платка, без да се притеснявате за кръстосани връзки.Видяхме и въвеждането на технологията за повърхностен монтаж (SMT), разработена от IBM.Тези плътни сглобки бяха видяни за първи път на практика в ракетен ускорител на Сатурн.
1967 Първият патент за печатна платка с отвори през дупки.
Зората на микропроцесора (1970)
70-те години ни донесоха първия микропроцесор под формата на интегрална схема (IC).Това първоначално е разработено от Джак Килби от Texas Instruments през 1958 г. Килби е нов в TI, така че неговите новаторски идеи за интегрални схеми до голяма степен се пазят в тайна.Въпреки това, когато старшите инженери на TI бяха изпратени на едноседмична среща, Килби остана и избяга с идеите в главата си.Тук той разработи първата интегрална схема в лабораториите на TI и завърналите се инженери я харесаха.
Джак Килби държи първата интегрална схема.
През 70-те години видяхме първото използване на интегрални схеми в производството на електроника.В този момент, ако не използвате PCB за вашите връзки, имате големи проблеми.
Зората на цифровата ера (1980)
Дигиталната ера доведе до огромна промяна в медиите, които консумираме, с въвеждането на лични устройства като дискове, VHS, камери, игрови конзоли, уокмени и др.
През 1980 г. конзолата за видеоигри Atari сбъдва мечтите на децата.
Важно е да се отбележи, че печатните платки все още се рисуваха на ръка с помощта на светлинни дъски и шаблони, но след това се появиха компютрите и EDA.Тук виждаме как софтуерът на EDA като Protel и EAGLE революционизира начина, по който проектираме и произвеждаме електроника.Вместо снимка на печатната платка, сега можем да запазим дизайна като текстов файл на Gerber, чиито координати могат да бъдат въведени в производствената машина за производство на печатна платка.
Ерата на Интернет (1990-те)
През 90-те години видяхме как използването на силиций навлезе в разгара си с въвеждането на BGA.Сега можем да поставим повече порти на един чип и да започнем да вграждаме памет и системи върху чип (SoC) заедно.Това беше и период на висока миниатюризация на електрониката.Не видяхме никакви нови функции, добавени към PCB, но целият процес на проектиране започна да се променя и развива, преминавайки към IC.
Сега дизайнерите трябва да внедрят стратегии за проектиране за тест (DFT) в своите оформления.Не е лесно да извадите компонент и да добавите синя линия.Инженерите трябва да проектират своите оформления, като имат предвид бъдещи преработки.Всички тези компоненти поставени ли са по такъв начин, че да могат лесно да бъдат премахнати?Това е огромна загриженост.
Беше и епоха, когато по-малките пакети с компоненти като 0402 направиха почти невъзможно ръчното запояване на печатни платки.Сега дизайнерът живее в своя EDA софтуер и производителят е отговорен за физическото производство и монтаж.
Компоненти за повърхностен монтаж от най-големите до най-малките.
Хибридна ера (2000-те и след това)
Преглед на днешната ера на електрониката и дизайна на печатни платки;това, което наричаме хибридна ера.В миналото имахме множество устройства за множество нужди.Имате нужда от калкулатор;купувате си калкулатор.Искате да играете видео игри;купувате конзола за видеоигри.Сега можете да закупите смартфон и да получите 30 различни нива на вградени функции.Това може да изглежда доста очевидно, но е доста изумително, когато всъщност видите всички неща, които могат да правят нашите смартфони:
игрално оборудване адресна книга електронна поща баркод скенер фенерче звънец камера навигация
музикален плейър график VCR карта Интернет браузър календар филмов плейър калкулатор
Телефонен бележник билети рекордер телефонен секретар Кратки съобщения банкови книги
Ние сме в епохата на консолидация на устройства, но какво следва?ПХБ са установени и имаме процеси и процедури за почти всичко.Високоскоростните приложения се превръщат в норма.Виждаме също, че само 25% от дизайнерите на печатни платки са на възраст под 45 години, докато 75% се готвят да се пенсионират.Изглежда, че индустрията е в криза.
Ще бъде ли бъдещето на дизайна на печатни платки роботи?Може би в носимо устройство с гъвкава верига?Или може да видим как протоните заменят електроните с фотоника.Доколкото знаем за физическите печатни платки, това може дори да се промени в бъдеще.Няма нужда от физическа среда, която да позволи връзката между компонентите, а по-скоро от потенциала на вълновата технология.Това би позволило на компонентите да изпращат сигнали безжично без нужда от мед.
Какво ще крие бъдещето?
Никой наистина не знае накъде се насочва бъдещето на дизайна на печатни платки или дори на електрониката като цяло.Изминаха почти 130 години, откакто нашите производствени мускули започнаха да работят.Оттогава светът се промени завинаги с въвеждането на основни продукти като автомобили, уреди, компютри, смартфони и много други.Отминаха дните, когато зависехме от въглищата, дървесината или петрола за всички наши основни прехрани и оцеляване.Сега имаме електронни джаджи, които могат да задоволят ежедневните ни нужди.
Но какво крие бъдещето?Това е голяма неизвестност.Всички знаем, че всяко изобретение пред нас стои върху раменете на своите предшественици.Нашите предци доведоха дизайна на печатни платки до мястото, където е днес, и сега трябва да направим иновации и да революционизираме начина, по който проектираме и взаимодействаме с технологиите.Бъдещето може да бъде всичко.Бъдещето зависи от вас.
Време на публикуване: 17 март 2023 г