Com molts altres grans invents al llarg de la història, elplaca de circuit imprès (PCB)tal com el coneixem avui es basa en el progrés fet al llarg de la història.Al nostre petit racó del món, podem rastrejar la història dels PCB enrere més de 130 anys, quan les grans màquines industrials del món acabaven de començar.El que tractarem en aquest blog no és la història completa, sinó els moments importants que van transformar el PCB en el que és avui.
Per què PCB?
Amb el temps, els PCB s'han convertit en una eina per optimitzar la fabricació de productes electrònics.El que abans era fàcil de muntar a mà ràpidament va donar pas a components microscòpics que requerien precisió i eficiència mecànica.Preneu com a exemple els dos taulers que es mostren a la figura següent.Una és una pissarra antiga dels anys 60 per a calculadores.L'altra és la típica placa base d'alta densitat que veureu als ordinadors actuals.
Una comparació de PCB entre una calculadora de 1968 i les plaques base modernes actuals.
En una calculadora podríem tenir més de 30 transistors, però en un sol xip d'una placa base hi trobareu més d'un milió de transistors.La qüestió és que el ritme d'avenç de la tecnologia i el disseny de PCB en si és impressionant.Tot el que hi ha a la PCB d'una calculadora ara pot encaixar en un sol xip en els dissenys actuals.Això crida l'atenció sobre diverses tendències notables en la fabricació de PCB:
Estem integrant més funcionalitats en dispositius avançats com ara circuits integrats (CI) i microprocessadors.
Estem reduint components passius com resistències i condensadors fins al nivell microscòpic.
Tot això comporta una major densitat de components i complexitat a les nostres plaques de circuit.
Tots aquests avenços es deuen principalment a les millores en la velocitat i la funcionalitat dels nostres productes.Esperem que els nostres dispositius responguin a l'instant, fins i tot uns segons de retard ens poden portar a un frenesí.Per a la funcionalitat, tingueu en compte els videojocs.A la dècada dels 80, probablement vau jugar a Pac-Man en un joc arcade.Ara estem veient representacions fotoreals de la realitat.El progrés és simplement boig.
Les imatges dels videojocs són gairebé reals en aquests dies.
Està clar que els PCB han evolucionat en resposta directa al que esperem dels nostres dispositius.Necessitem productes més ràpids, barats i potents, i l'única manera de satisfer aquestes demandes és miniaturitzant i millorar l'eficiència del procés de fabricació.Quan va començar aquest auge de l'electrònica i els PCB?A l'alba de l'Edat Daurada.
Edat daurada (1879-1900)
Vam acabar la guerra civil nord-americana als anys 60, i ara la fabricació nord-americana està en auge.Mentrestant, estem fent el que podem, des de menjar fins a roba, mobles i baranes.La indústria naviliera està a l'ofensiva i els nostres enginyers més grans estan esbrinant com fer arribar algú de la costa est dels EUA a la costa oest en 5 o 7 dies en comptes de 5 o 7 mesos.
Els ferrocarrils que viatjaven de costa a costa triguen dies en comptes de mesos.
Durant aquest temps, també vam portar l'electricitat a la llar, primer a les ciutats i després als suburbis i zones rurals.L'electricitat és ara un substitut del carbó, la fusta i el petroli.Penseu en viure a Nova York durant el dur hivern, intentant cuinar o mantenir-vos calent amb brases brutes o munts de llenya.L'electricitat va canviar tot això.
Un punt interessant és que Standard Oil, que monopolitza el mercat del petroli, no subministra petroli per a la gasolina.El seu mercat és l'oli per cuinar, fregir i encendre.Amb l'arribada de l'electricitat, Standard Oil necessitava definir un nou ús del petroli, que vindria amb la introducció de l'automòbil.
El maig de 1878, la Standard Oil Company va emetre accions i va començar el monopoli del petroli.
Durant l'Edat Daurada vam veure grans descobriments en electromagnetisme.Hem inventat el motor elèctric, que converteix l'energia elèctrica en energia mecànica.També veiem generadors, que fan el contrari convertint l'energia mecànica en energia elèctrica.
També va ser una època d'inventors genials que encara tenen un impacte en el nostre món electrònic avui, incloent:
Thomas Edison va inventar la bombeta el 1879, la pel·lícula el 1889 i moltes altres innovacions.
Nikola Tesla va inventar el motor elèctric el 1888 i la font d'alimentació de CA el 1895.
Alexander Graham Bell va inventar el telèfon l'any 1876.
Kodak de George Eastman va inventar la primera càmera de consum l'any 1884.
Herman Hollerith va inventar la màquina tabuladora el 1890 i va fundar IBM.
Durant aquest període intens d'innovació, un dels debats més grans és el entre AC i DC.El corrent altern de Tesla es va convertir finalment en el mètode ideal per transmetre potència a llargues distàncies.Curiosament, però, avui encara estem tractant amb la conversió AC-DC.
Pot ser que AC hagi guanyat la batalla, però DC encara domina l'electrònica.
Mireu qualsevol dispositiu electrònic que connecteu a la paret, heu de convertir AC a DC.O, si ens fixem en la infraestructura necessària per als panells solars, generen electricitat en CC, que s'ha de tornar a convertir en CA com a font d'alimentació i de nou a CC perquè els nostres dispositius l'utilitzin.Gairebé es podria dir que el debat d'AC-DC no s'havia acabat mai, s'acabava d'aconseguir un equilibri entre dues idees oposades.
Hi ha molt d'anada i tornada entre CA i CC en un panell solar.
Tingueu en compte que la idea original del PCB no es va inventar a l'Edat Daurada.Tanmateix, sense les capacitats de fabricació d'aquesta època i la influència generalitzada de l'electricitat, els PCB mai serien el que són avui.
Era progressista (1890-1920)
L'era progressista va estar marcada per un període de reforma social, amb legislació com la Sherman Antitrust Act que va trencar el monopoli de Standard Oil.També és quan veiem les primeres patents de PCB.El 1903, l'inventor alemany Albert Hanson va sol·licitar una patent britànica per a un dispositiu descrit com un conductor de làmina plana sobre una placa aïllant multicapa.Sona familiar?
Dibuix que representa la primera patent de PCB d'Albert Hanson.
Hansen també descriu el concepte d'aplicacions de forat passant a la seva patent.Aquí mostra que podeu fer un forat en dues capes amb línies verticals per fer una connexió elèctrica.
Durant aquest temps, vam començar a veure que Edison i altres líders empresarials feien una gran empenta per portar els dispositius elèctrics a les cases quotidianes.El problema d'aquesta empenta és la total falta d'estandardització.Si visquéssiu a Nova York o Nova Jersey i utilitzeu els invents de l'electricitat d'Edison per il·luminació, calefacció o cuina, què passaria si els feu servir en una altra ciutat?No es poden utilitzar perquè cada ciutat té la seva pròpia configuració de socket.
El problema també es va agreujar pel fet que Edison no només volia vendre una bombeta a la gent, sinó que també volia vendre un servei.Edison podria proporcionar-te el servei d'electricitat mensualment;llavors compraríeu bombetes, electrodomèstics, etc. Per descomptat, cap d'aquests serveis és compatible amb altres mètodes de la competència.
Volem donar les gràcies a Harvey Hubbel per acabar finalment amb aquest embolic.El 1915, va patentar l'endoll estàndard de la presa de paret que encara s'utilitza avui.Ara no tenim una torradora ni una placa calenta endollades a un endoll de bombetes.Aquesta és una gran victòria per a l'estandardització del sector.
Gràcies a Harvey Hubbel, ara tenim una presa de paret estandarditzada per a tots els dispositius electrònics.
Com a nota final, l'Era Progressista va estar marcada per la Primera Guerra Mundial. Aquest conflicte es centra exclusivament en els mechs i la guerra de trinxeres.El concepte PCB, o fins i tot l'electrònica bàsica, encara no s'utilitza en aplicacions militars, però aviat ho serà.
Roaring Twenties (Dècada de 1920)
Amb el final de la Primera Guerra Mundial, ens trobem ara als anys vint, que va veure un gran auge en l'economia nord-americana.Per primera vegada a la història, més gent viu a les ciutats que a les granges.També estem començant a veure que s'introdueixen cadenes i marques als EUA.És possible que tingueu una o dues botigues familiars a dues ciutats diferents, però ara tenim grans marques i botigues nacionals.
La invenció més gran d'aquest període va ser l'automòbil d'Henry Ford i la infraestructura que necessitava.La situació és similar a la dels anys noranta, quan vam haver de construir una infraestructura important per fer front a Internet i a la nostra era de la informació mitjançant la construcció d'interruptors, encaminadors i cables de fibra òptica.Els cotxes no són una excepció.
El primer cotxe d'Henry Ford: un vehicle de quatre rodes.
Aquí veiem el que abans va ser un camí de terra que s'està pavimentant.La gent necessitava gasolina per alimentar els seus vehicles, d'aquí la necessitat de gasolineres.També tens tallers de reparació, accessoris i molt més.Tota la forma de vida de moltes persones es va originar a partir de la invenció de l'automòbil, i encara ho és avui.
També va ser durant aquesta època quan vam veure la introducció d'electrodomèstics moderns dels quals encara confiem avui dia, com ara rentadores, aspiradores i neveres.Per primera vegada, la gent podrà comprar productes peribles a les botigues i emmagatzemar-los durant una vida útil més llarga.
Però, on són els nostres PCB?Encara no els hem vist utilitzats en cap aparell o cotxe llançat durant aquest temps.Tanmateix, el 1925, Charles Ducasse va presentar una patent que descrivia el procés d'afegir tinta conductora als materials aïllants.Això donarà com a resultat una placa de cablejat impresa (PWB).Aquesta patent és la primera aplicació pràctica similar a un PCB, però només com a bobina de calefacció plana.Encara no hem aconseguit cap connexió elèctrica real entre la placa i els components, però ens estem apropant.
El PCB va continuar evolucionant, aquesta vegada s'utilitzava com a bobina de calefacció per a Charles Ducas.
Gran Depressió (1930)
L'any 1929, la borsa va caure en picat, i totes les grans innovacions del nostre temps van caure en picat.Aquí veiem un període d'atur superior al 25%, 25.000 fallides bancàries i molts problemes arreu del món.Va ser un moment tràgic per a la humanitat en conjunt, que va obrir el camí per a l'ascens de Hitler, Mussolini, Stalin i els nostres futurs conflictes mundials.Els PCB poden haver estat en silenci fins ara, però tot això està a punt de canviar.
La Gran Depressió va afectar tothom, des dels bancs fins als treballadors corrents.
Segona Guerra Mundial (1939-1945)
La Segona Guerra Mundial estava en marxa i els Estats Units es van unir a la lluita després del bombardeig de Pearl Harbor el 1942. El que és interessant de Pearl Harbor és tota la fallada de comunicació que va provocar l'atac.Els Estats Units tenien bones proves d'una crisi imminent, però tots els mètodes de contacte amb la seva base militar a Honolulu no van tenir èxit i l'illa va ser agafada desprevinguda.
Com a resultat d'aquest fracàs, el DoD es va adonar que necessitaven un mitjà de comunicació més fiable.Això va portar l'electrònica a l'avantguarda com a mitjà de comunicació principal en substitució del codi Morse.
També va ser durant la Segona Guerra Mundial que vam veure el primer ús de PCB en fusibles de proximitat que tenim avui.El dispositiu s'utilitza per a projectils d'alta velocitat que requereixen un foc de precisió de llarga distància al cel o a la terra.La espoleta de proximitat va ser desenvolupada originalment pels britànics per contrarestar l'avanç de l'exèrcit de Hitler.Posteriorment es va compartir amb els Estats Units on es va perfeccionar el disseny i la fabricació.
Una de les primeres aplicacions militars a utilitzar PCB van ser els fusibles de proximitat.
Durant aquest temps, també vam tenir Paul Eisler, un austríac que viu al Regne Unit, patentant làmines de coure sobre un substrat de vidre no conductor.Sona familiar?Aquest és un concepte que encara fem servir avui dia per fer PCB amb aïllament i coure a la part superior / inferior.Eisler va fer aquesta idea un pas més enllà quan va construir una ràdio amb el seu PCB el 1943, que obriria el camí per a futures aplicacions militars.
Paul Eisler va construir una ràdio amb la primera placa de circuit imprès (PCB).
Baby boomers (dècada de 1940)
Quan s'acabava la Segona Guerra Mundial, vam veure els nostres soldats tornar a casa, formar famílies i tenir un munt de fills.Apunta als baby boomers.Va ser a l'època de la postguerra quan vam veure millores massives en els electrodomèstics existents, com ara aspiradores, rentadores, televisors i ràdios.Ara que la Gran Recessió ha quedat enrere, molts consumidors finalment es poden permetre aquests dispositius a casa seva.
Encara no hem vist PCB de grau de consum.On són les obres de Paul Eisler?Fes una ullada a aquest televisor antic a continuació i veureu tots els components, però sense la base de PCB subjacent.
Un vell televisor Motorola del 1948, sense PCB.
Malgrat la manca de PCB, vam veure l'arribada del transistor a Bell Labs el 1947. Van passar sis anys més el 1953 abans que el dispositiu s'utilitzés finalment en producció, però per què tant de temps?En aquells temps, la informació es difon a través de revistes, conferències, etc. Abans de l'era de la informació, la difusió de la informació només necessitava temps per difondre's.
El primer transistor va néixer als Laboratoris Bell l'any 1947.
Època de la Guerra Freda (1947-1991)
L'arribada de l'era de la Guerra Freda va marcar un període considerable de tensió entre els Estats Units i la Unió Soviètica.A causa de les diferències entre el capitalisme i el comunisme, aquests dos gegants estan gairebé en guerra entre ells i han posat el món sota l'amenaça d'aniquilació nuclear.
Per mantenir-se al capdavant en aquesta carrera armamentística, ambdues parts han de millorar la seva capacitat de comunicació per entendre què està fent l'enemic.Aquí veiem que el PCB s'utilitza al màxim.El 1956, l'exèrcit dels EUA va publicar una patent per a un "procés de muntatge de circuits".Els fabricants ara tenen una manera de subjectar l'electrònica i de fer connexions entre components amb traces de coure.
Quan els PCB van començar a enlairar-se al món de la fabricació, ens vam trobar a la primera carrera espacial del món.Rússia ha tingut alguns èxits sorprenents durant aquest temps, com ara:
1957 Llançament del primer satèl·lit artificial, Sputnik
1959 Llançament de Luna 2, la primera nau espacial a la Lluna
El 1961, Yuri Gagarin, el primer cosmonauta, va ser enviat a orbitar la Terra
El primer satèl·lit artificial de Rússia, Sputnik, es va llançar el 1957.
On és Amèrica en tot això?Principalment enrere, normalment es triga un any o dos a desenvolupar la mateixa tecnologia.Per abordar aquesta bretxa, veiem que el pressupost espacial dels EUA es multiplica per cinc l'any 1960. També tenim el famós discurs del president Kennedy de 1962, part del qual val la pena citar:
“Escollim anar a la lluna!Triem anar a la lluna a fer altres coses aquesta dècada, no perquè siguin fàcils, sinó perquè són dures;perquè aquest objectiu ajudarà a organitzar i mesurar les nostres millors energies i habilitats, per això els reptes són allò que estem disposats a assumir, allò que no estem disposats a posposar i allò que estem disposats a guanyar”.– John F. Kennedy, president dels Estats Units, 12 de setembre de 1962
Tot això va portar a un moment històric en la història.El 20 de juliol de 1969, el primer home nord-americà va aterrar a la Lluna.
El primer home a la Lluna, un moment històric per a la humanitat.
Tornant als PCB, l'any 1963 vam patentar a Hazeltyne Corporation la primera tecnologia de forat passant.Això permetrà empaquetar els components a prop del PCB sense preocupar-se per les connexions creuades.També vam veure la introducció de Surface Mount Technology (SMT), desenvolupada per IBM.Aquests densos conjunts es van veure per primera vegada a la pràctica en un propulsor de coets Saturn.
1967 La primera patent de tecnologia PCB de forat passant.
L'alba del microprocessador (1970)
Els anys 70 ens van portar el primer microprocessador en forma de circuit integrat (IC).Això va ser desenvolupat originalment per Jack Kilby de Texas Instruments l'any 1958. Kilby era nou a TI, de manera que les seves idees innovadores per a circuits integrats es van mantenir en gran part secretes.Tanmateix, quan els enginyers sèniors de TI van ser enviats a una reunió d'una setmana, Kilby es va quedar enrere i va córrer amb les idees al cap.Aquí, va desenvolupar el primer IC als laboratoris de TI i als enginyers que tornaven els va encantar.
Jack Kilby té el primer circuit integrat.
A la dècada de 1970, vam veure el primer ús dels circuits integrats en la fabricació d'electrònica.En aquest moment, si no utilitzeu un PCB per a les vostres connexions, teniu grans problemes.
L'alba de l'era digital (década de 1980)
L'era digital ha provocat un gran canvi en els mitjans que consumim, amb la introducció de dispositius personals com ara discos, VHS, càmeres, consoles de jocs, walkmans, etc.
L'any 1980, la consola de videojocs Atari va fer realitat els somnis dels nens.
És important tenir en compte que els PCB encara es dibuixaven a mà utilitzant taulers lleugers i plantilles, però després van aparèixer ordinadors i EDA.Aquí veiem que el programari EDA com Protel i EAGLE revolucionen la manera com dissenyem i fabriquem productes electrònics.En lloc d'una foto del PCB, ara podem desar el disseny com a fitxer de text Gerber, les coordenades del qual es poden introduir a la maquinària de fabricació per produir el PCB.
L'era d'Internet (dècada de 1990)
Als anys 90, vam veure que l'ús del silici entrava en ple apogeu amb la introducció del BGA.Ara podem instal·lar més portes en un sol xip i començar a incrustar memòria i sistemes en xip (SoC) junts.Aquest també va ser un període d'alta miniaturització de l'electrònica.No vam veure cap funció nova afegida al PCB, però tot el procés de disseny va començar a canviar i evolucionar, passant a l'IC.
Els dissenyadors ara han d'implementar estratègies de disseny per a la prova (DFT) als seus dissenys.No és fàcil fer aparèixer un component i afegir una línia blava.Els enginyers han de dissenyar els seus dissenys tenint en compte la futura reelaboració.Tots aquests components estan col·locats de manera que es puguin treure fàcilment?Això és una gran preocupació.
També va ser una època en què els paquets de components més petits com el 0402 feien gairebé impossible la soldadura manual de plaques de circuit.El dissenyador viu ara al seu programari EDA i el fabricant és el responsable de la producció física i el muntatge.
Components de muntatge superficial del més gran al més petit.
Era híbrida (década dels 2000 i posteriors)
Retalla a l'era actual de l'electrònica i el disseny de PCB;el que anomenem era híbrida.En el passat, teníem diversos dispositius per a múltiples necessitats.Necessites una calculadora;compra una calculadora.Vols jugar a videojocs;compra una consola de videojocs.Ara podeu comprar un telèfon intel·ligent i obtenir 30 nivells diferents de funcions integrades.Això pot semblar força obvi, però és bastant sorprenent quan veus totes les coses que poden fer els nostres telèfons intel·ligents:
equips de joc llibreta d'adreces correu electrònic escàner de codis de barres llanterna campana càmera de navegació
reproductor de música programa VCR mapa navegador d'Internet calendari reproductor de pel·lícules calculadora
Telèfon quadern bitllets gravador contestador automàtic Llibretes bancàries de missatges curts
Estem en l'era de la consolidació de dispositius, però què passa?Els PCB estan establerts i tenim processos i procediments per a gairebé tot.Les aplicacions d'alta velocitat s'estan convertint en la norma.També veiem que només el 25% dels dissenyadors de PCB tenen menys de 45 anys, mentre que el 75% es prepara per jubilar-se.El sector sembla estar en un moment de crisi.
El futur del disseny de PCB seran robots?Potser en un wearable amb un circuit flexible?O podríem veure que els protons substitueixen els electrons per la fotònica.Pel que fa al que sabem sobre els PCB físics, fins i tot això podria canviar en el futur.No cal un mitjà físic per permetre la connexió entre components, sinó el potencial de la tecnologia d'ona.Això permetria als components enviar senyals sense fil sense necessitat de coure.
Què li depara el futur?
Ningú sap realment cap a on es dirigeix el futur del disseny de PCB, o fins i tot de l'electrònica en general.Han passat gairebé 130 anys des que els nostres músculs de fabricació van començar a funcionar.Des de llavors, el món ha canviat per sempre amb la introducció de productes importants com ara cotxes, electrodomèstics, ordinadors, telèfons intel·ligents i molt més.Enrere han quedat els dies en què depeníem del carbó, la fusta o el petroli per a tots els nostres mitjans de subsistència i supervivència bàsics.Ara tenim aparells electrònics que poden cobrir les nostres necessitats diàries.
Però què ens depara el futur?Això és una gran desconeguda.Tots sabem que tots els invents que tenim davant nostre estan a les espatlles dels seus predecessors.Els nostres avantpassats van portar el disseny de PCB on és avui, i ara hem d'innovar i revolucionar la manera com dissenyem i interactuem amb la tecnologia.El futur pot ser qualsevol cosa.El futur depèn de tu.
Hora de publicació: 17-mar-2023