Stejně jako mnoho dalších skvělých vynálezů v historiideska s plošnými spoji (PCB)jak jej známe dnes, je založen na pokroku dosaženém v průběhu historie.V našem malém koutě světa můžeme vysledovat historii PCB zpět více než 130 let, kdy velké světové průmyslové stroje teprve začínaly.To, co se budeme v tomto blogu zabývat, není kompletní historie, ale důležité momenty, které proměnily PCB do dnešní podoby.
Proč PCB?
PCB se postupem času vyvinuly v nástroj pro optimalizaci výroby elektronických produktů.To, co bylo kdysi snadné sestavit ručně, rychle ustoupilo mikroskopickým součástem vyžadujícím mechanickou přesnost a efektivitu.Vezměte si dvě desky zobrazené na obrázku níže jako příklad.Jedna je stará deska z 60. let na kalkulačky.Druhou je typická základní deska s vysokou hustotou, kterou uvidíte v dnešních počítačích.
Srovnání PCB mezi kalkulačkou z roku 1968 a dnešními moderními základními deskami.
V kalkulačce bychom mohli mít 30+ tranzistorů, ale na jediném čipu na základní desce najdete přes milion tranzistorů.Jde o to, že tempo pokroku v technologii a samotném návrhu PCB je působivé.Vše na PCB kalkulačky se nyní v dnešních designech vejde do jediného čipu.To upozorňuje na několik pozoruhodných trendů ve výrobě PCB:
Do pokročilých zařízení, jako jsou integrované obvody (IC) a mikroprocesory, integrujeme více funkcí.
Pasivní součástky, jako jsou odpory a kondenzátory, zmenšujeme na mikroskopickou úroveň.
To vše vede ke zvýšené hustotě a složitosti součástek na našich deskách plošných spojů.
Všechny tyto pokroky jsou primárně poháněny zlepšením rychlosti a funkčnosti našich produktů.Očekáváme, že naše zařízení budou reagovat okamžitě, dokonce i několik sekund zpoždění nás může přivést k šílenství.Pro funkčnost zvažte videohry.V 80. letech jste pravděpodobně hráli Pac-Mana v arkádě.Nyní vidíme fotoreálné znázornění reality.Ten pokrok je prostě šílený.
Vizuály videoher jsou v dnešní době téměř živé.
Je jasné, že PCB se vyvinuly v přímé reakci na to, co očekáváme od našich zařízení.Potřebujeme rychlejší, levnější a výkonnější produkty a jediný způsob, jak tyto požadavky splnit, je miniaturizace a zlepšení efektivity výrobního procesu.Kdy začal tento boom elektroniky a PCB?Na úsvitu pozlaceného věku.
Zlacený věk (1879–1900)
Skončili jsme americkou občanskou válku v 60. letech a nyní americká výroba zažívá boom.Mezitím děláme, co můžeme, od jídla po oblečení, nábytek a kolejnice.Lodní průmysl je v útoku a naši nejlepší inženýři zjišťují, jak dostat někoho z východního pobřeží USA na západní pobřeží za 5 až 7 dní místo 5 až 7 měsíců.
Železnice způsobily, že cesta od pobřeží k pobřeží trvala dny místo měsíců.
Během této doby jsme také zavedli elektřinu do domácností, nejprve ve městech a poté na předměstí a venkov.Elektřina je nyní náhražkou uhlí, dřeva a ropy.Vzpomeňte si na život v New Yorku během kruté zimy, kdy se snažíte vařit nebo se zahřívat špinavým uhlím nebo hromadami palivového dříví.Elektřina to všechno změnila.
Zajímavostí je, že společnost Standard Oil, která monopolizuje trh s ropou, nedodává ropu pro benzín.Jejich trhem je olej na vaření, smažení a svícení.S příchodem elektřiny potřeboval Standard Oil definovat nové využití ropy, které by přišlo s uvedením automobilu.
V květnu 1878 vydala společnost Standard Oil Company akcie a začal ropný monopol.
Během pozlaceného věku jsme viděli několik velkých objevů v elektromagnetismu.Vynalezli jsme elektromotor, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii.Vidíme také generátory, které dělají opak tím, že přeměňují mechanickou energii na elektrickou.
Byla to také doba geniálních vynálezců, kteří mají dodnes vliv na náš elektronický svět, včetně:
Thomas Edison vynalezl žárovku v roce 1879, film v roce 1889 a mnoho dalších inovací.
Nikola Tesla vynalezl v roce 1888 elektrický motor a v roce 1895 zdroj střídavého proudu.
Alexander Graham Bell vynalezl telefon v roce 1876.
Společnost Kodak George Eastmana vynalezla v roce 1884 první spotřebitelský fotoaparát.
Herman Hollerith vynalezl tabelovací stroj v roce 1890 a pokračoval v založení IBM.
Během tohoto intenzivního období inovací je jednou z největších debat debata mezi AC a DC.Teslov střídavý proud se nakonec stal ideální metodou pro přenos energie na velké vzdálenosti.Zajímavé však je, že s konverzí AC-DC se zabýváme i dnes.
AC sice bitvu vyhrálo, ale DC stále dominuje elektronice.
Podívejte se na jakékoli elektronické zařízení, které zapojíte do zdi, potřebujete převést AC na DC.Nebo, když se podíváte na infrastrukturu potřebnou pro solární panely, generují elektřinu ve stejnosměrném proudu, který je třeba převést zpět na střídavý proud jako zdroj energie a zpět na stejnosměrný, aby naše zařízení mohla používat.Skoro by se dalo říci, že debata AC-DC nikdy neskončila, právě byla nalezena rovnováha mezi dvěma protichůdnými myšlenkami.
Mezi AC a DC v solárním panelu je hodně tam a zpět.
Všimněte si, že původní myšlenka PCB nebyla vynalezena v pozlaceném věku.Bez výrobních schopností této éry a bez rozšířeného vlivu elektřiny by však PCB nikdy nebyly tím, čím jsou dnes.
Progresivní éra (1890 – 1920)
Progresivní éra byla poznamenána obdobím sociálních reforem, kdy legislativa jako Shermanův antimonopolní zákon rozbila monopol Standard Oil.Tehdy také vidíme první patenty na PCB.V roce 1903 požádal německý vynálezce Albert Hanson o britský patent na zařízení popsané jako plochý fóliový vodič na vícevrstvé izolační desce.Zní povědomě?
Kresba zobrazující první patent na PCB Alberta Hansona.
Hansen také ve svém patentu popisuje koncept aplikací s průchozími otvory.Zde ukazuje, že můžete prorazit díru ve dvou vrstvách se svislými čarami, abyste vytvořili elektrické spojení.
Během této doby jsme začali vidět, že Edison a další obchodní lídři vyvinuli velký tlak na zavedení elektrických zařízení do každodenních domácností.Problémem tohoto tlaku je naprostý nedostatek standardizace.Kdybyste žili v New Yorku nebo New Jersey a používali Edisonovy vynálezy elektřiny pro osvětlení, topení nebo vaření, co by se stalo, kdybyste je použili v jiném městě?Nelze je použít, protože každé město má svou vlastní konfiguraci zásuvky.
Problém byl také o to horší, že Edison nechtěl lidem prodat jen žárovku, ale také službu.Edison by vám mohl poskytovat služby elektřiny na měsíční bázi;pak byste kupovali žárovky, spotřebiče atd. Žádná z těchto služeb samozřejmě není kompatibilní s jinými konkurenčními metodami.
Chceme poděkovat Harvey Hubbelovi, že konečně skoncoval s tímto nepořádkem.V roce 1915 si nechal patentovat standardní zástrčku do zásuvky, která se používá dodnes.Nyní nemáme toustovač nebo plotýnku zapojenou do objímky žárovky.To je obrovská výhra pro průmyslovou standardizaci.
Díky Harvey Hubbelovi máme nyní standardizovanou zásuvku pro všechna elektronická zařízení.
Závěrem lze říci, že progresivní éra byla poznamenána 1. světovou válkou. Tento konflikt je zaměřen čistě na mechaniky a zákopové války.Koncept PCB nebo dokonce základní elektronika se ve vojenských aplikacích zatím nepoužívá, ale brzy bude.
Roaring Twenties (20. léta 20. století)
S koncem 1. světové války se nyní nacházíme v řvoucích dvacátých letech, které zaznamenaly obrovský boom americké ekonomiky.Poprvé v historii žije více lidí ve městech než na farmách.Začínáme také vidět, jak se v USA zavádějí řetězce a značky.Můžete mít rodinný obchod nebo dva ve dvou různých městech, ale nyní máme velké značky a obchody, které jsou celostátní.
Největším vynálezem tohoto období byl automobil Henryho Forda a infrastruktura, kterou vyžadoval.Situace je podobná jako v 90. letech 20. století, kdy jsme museli vybudovat velkou infrastrukturu, abychom se vypořádali s internetem a naším informačním věkem, a to budováním přepínačů, směrovačů a optických kabelů.Auta nejsou výjimkou.
První auto Henryho Forda – čtyřkolka.
Zde vidíme, jak se kdysi dláždila polní cesta.Lidé potřebovali benzín k pohonu svých vozidel, a proto potřeba čerpacích stanic.Máte také opravny, příslušenství a další.Celý způsob života mnoha lidí vznikl z vynálezu automobilu a je tomu tak dodnes.
V této době jsme také byli svědky představení moderních spotřebičů, na které spoléháme dodnes, jako jsou pračky, vysavače a chladničky.Lidé budou moci poprvé nakupovat v obchodech zboží podléhající rychlé zkáze a skladovat je po dobu delší trvanlivosti.
Ale kde jsou naše PCB?Stále jsme je neviděli používat v žádném zařízení nebo autech uvedených na trh během této doby.V roce 1925 však Charles Ducasse podal patent, který popisoval proces přidávání vodivého inkoustu do izolačních materiálů.To později povede k desce s plošnými spoji (PWB).Tento patent je první praktickou aplikací podobnou PCB, ale pouze jako planární topná spirála.Zatím jsme nezískali žádné skutečné elektrické spojení mezi deskou a součástkami, ale už se to blíží.
PCB se dále vyvíjelo, tentokrát bylo použito jako topná spirála pro Charlese Ducase.
Velká deprese (30. léta 20. století)
V roce 1929 akciový trh prudce klesl a všechny velké inovace naší doby se propadly.Zde vidíme období nezaměstnanosti nad 25 %, 25 000 bankrotů bank a spoustu problémů po celém světě.Pro lidstvo jako celek to byla tragická doba, která připravila půdu pro vzestup Hitlera, Mussoliniho, Stalina a pro naše budoucí světové konflikty.PCB možná až dosud mlčely, ale to se má změnit.
Velká hospodářská krize zasáhla všechny, od bank po obyčejné dělníky.
Druhá světová válka (1939-1945)
Probíhala druhá světová válka a Spojené státy se do boje zapojily po bombardování Pearl Harboru v roce 1942. Na Pearl Harboru je zajímavé celé selhání komunikace, které k útoku vedlo.USA měly dobré důkazy o hrozící krizi, ale všechny metody kontaktu s jejich vojenskou základnou v Honolulu byly neúspěšné a ostrov byl zaskočen.
V důsledku tohoto selhání si ministerstvo obrany uvědomilo, že potřebují spolehlivější způsob komunikace.Tím se do popředí dostala elektronika jako primární komunikační prostředek nahrazující morseovku.
Bylo to také během druhé světové války, kdy jsme viděli první použití PCB v bezdotykových pojistkách, které máme dnes.Zařízení se používá pro vysokorychlostní projektily, které vyžadují přesnou palbu na velkou vzdálenost na obloze nebo na zemi.Bezdotykový rozněcovač byl původně vyvinut Brity, aby čelil postupu Hitlerovy armády.Později byl sdílen se Spojenými státy, kde byl design a výroba zdokonalena.
Jednou z prvních vojenských aplikací využívajících PCB byly pojistky přiblížení.
Během této doby jsme také nechali Paula Eislera, Rakušana žijícího ve Spojeném království, patentovat měděnou fólii na nevodivém skleněném substrátu.Zní povědomě?Toto je koncept, který dodnes používáme k výrobě desek plošných spojů s izolací a mědí nahoře/dole.Eisler posunul tuto myšlenku o krok dále, když v roce 1943 sestrojil ze své PCB rádio, které by připravilo cestu pro budoucí vojenské aplikace.
Paul Eisler postavil rádio z první desky s plošnými spoji (PCB).
Baby Boomers (40. léta 20. století)
Když se druhá světová válka chýlila ke konci, viděli jsme, jak se naši vojáci vracejí domů, zakládají rodiny a mají spoustu dětí.Zaměřte se na baby boomers.Bylo to v poválečné éře, kdy jsme viděli masivní vylepšení stávajících spotřebičů, jako jsou vysavače, pračky, televize a rádia.Nyní, když je velká recese za námi, mnoho spotřebitelů si konečně může dovolit tato zařízení ve svých domovech.
Stále jsme neviděli PCB spotřebitelské kvality.Kde jsou díla Paula Eislera?Podívejte se na tuto starou televizi níže a uvidíte všechny součásti, ale bez základní desky plošných spojů.
Starý televizor Motorola z roku 1948, bez PCB.
Navzdory nedostatku PCB jsme skutečně viděli příchod tranzistoru v Bellových laboratořích v roce 1947. Trvalo dalších šest let v roce 1953, než bylo zařízení konečně použito ve výrobě, ale proč tak dlouho?V té době se informace šířily prostřednictvím časopisů, konferencí atd. Před informačním věkem šíření informací trvalo jen čas.
První tranzistor se zrodil v Bell Laboratories v roce 1947.
Období studené války (1947 – 1991)
Nástup éry studené války znamenal značné období napětí mezi Spojenými státy a Sovětským svazem.Kvůli rozdílům mezi kapitalismem a komunismem jsou tito dva obři téměř ve vzájemné válce a vystavili svět hrozbě jaderného zničení.
Aby si obě strany udržely náskok v tomto závodě ve zbrojení, musí zlepšit svou schopnost komunikace, aby pochopily, co nepřítel dělá.Zde vidíme využití PCB v plném rozsahu.V roce 1956 zveřejnila americká armáda patent na „proces sestavování obvodů“.Výrobci nyní mají způsob, jak udržet elektroniku a vytvořit spojení mezi součástmi s měděnými stopami.
Když se PCB začaly ve výrobním světě prosazovat, ocitli jsme se v prvním vesmírném závodě na světě.Rusko během této doby dosáhlo několika úžasných úspěchů, včetně:
1957 Vypuštění první umělé družice Sputnik
1959 Start Luna 2, první kosmické lodi na Měsíc
V roce 1961 byl Jurij Gagarin, první kosmonaut, vyslán na oběžnou dráhu Země
První ruská umělá družice Sputnik byla vypuštěna v roce 1957.
Kde je v tom všem Amerika?Především zaostává, vývoj stejné technologie obvykle trvá rok nebo dva.Při řešení této mezery vidíme, že americký vesmírný rozpočet v roce 1960 vzroste pětinásobně. Máme také slavný projev prezidenta Kennedyho z roku 1962, jehož část stojí za citaci:
„Rozhodli jsme se jít na Měsíc!Rozhodli jsme se jít na Měsíc, abychom v tomto desetiletí dělali jiné věci, ne proto, že by byly snadné, ale proto, že jsou těžké;protože tento cíl pomůže organizovat a měřit naši nejlepší energii a dovednosti, protože to jsou výzvy, které jsme ochotni přijmout, co nejsme ochotni odložit a co jsme ochotni vyhrát.“– John F. Kennedy, prezident Spojených států amerických, 12. září 1962
To vše vedlo k přelomovému okamžiku v historii.20. července 1969 přistál první Američan na Měsíci.
První člověk na Měsíci, historický okamžik pro lidstvo.
Vraťme se k PCB, v roce 1963 jsme nechali Hazeltyne Corporation patentovat první technologii pokovených průchozích děr.To umožní, aby součástky byly na desce plošných spojů zabaleny těsně vedle sebe, aniž byste se museli starat o křížové spoje.Viděli jsme také představení technologie Surface Mount Technology (SMT), vyvinuté společností IBM.Tyto husté sestavy byly poprvé v praxi viděny v raketovém posilovači Saturn.
1967 První patent na technologii PCB s průchozí dírou.
Dawn of the Microprocessor (70. léta)
70. léta nám přinesla první mikroprocesor v podobě integrovaného obvodu (IC).Toto bylo původně vyvinuto Jackem Kilbym z Texas Instruments v roce 1958. Kilby byl pro TI nováčkem, takže jeho inovativní nápady na integrované obvody byly z velké části drženy pod pokličkou.Když však byli vedoucí inženýři TI posláni na týdenní setkání, Kilby zůstal pozadu a běžel s nápady v hlavě.Zde vyvinul první integrovaný obvod v laboratořích TI a vracející se inženýři ho milovali.
Jack Kilby drží první integrovaný obvod.
V 70. letech jsme viděli první použití integrovaných obvodů ve výrobě elektroniky.V tuto chvíli, pokud nepoužíváte PCB pro svá připojení, máte velký problém.
Úsvit digitálního věku (80. léta)
Digitální věk přinesl obrovskou změnu v médiích, která konzumujeme, se zavedením osobních zařízení, jako jsou disky, VHS, fotoaparáty, herní konzole, walkmany a další.
V roce 1980 videoherní konzole Atari splnila dětské sny.
Je důležité si uvědomit, že PCB se stále kreslily ručně pomocí světelných desek a šablon, ale pak přišly počítače a EDA.Zde vidíme software EDA, jako je Protel a EAGLE, revoluci ve způsobu, jakým navrhujeme a vyrábíme elektroniku.Namísto fotografie PCB nyní můžeme návrh uložit jako Gerber textový soubor, jehož souřadnice lze zadat do výrobního stroje pro výrobu PCB.
Věk internetu (90. léta)
V 90. letech jsme byli svědky toho, jak se používání křemíku dostalo do plného proudu se zavedením BGA.Nyní můžeme umístit více bran na jeden čip a začít vkládat paměť a systémy na čipu (SoC) dohromady.To bylo také období vysoké miniaturizace elektroniky.Neviděli jsme žádné nové funkce přidané do PCB, ale celý proces návrhu se začal měnit a vyvíjet a přešel na IC.
Návrháři nyní musí do svých návrhů implementovat strategie design-for-test (DFT).Není snadné vytáhnout komponentu a přidat modrou čáru.Inženýři musí navrhovat svá rozvržení s ohledem na budoucí přepracování.Jsou všechny tyto součásti umístěny tak, aby je bylo možné snadno vyjmout?To je velká obava.
Byla to také éra, kdy menší balíčky součástek jako 0402 téměř znemožňovaly ruční pájení desek plošných spojů.Konstruktér nyní žije ve svém EDA softwaru a výrobce je zodpovědný za fyzickou výrobu a montáž.
Součásti pro povrchovou montáž od největších po nejmenší.
Hybridní éra (2000 a dále)
Střih na dnešní éru elektroniky a designu PCB;čemu říkáme hybridní éra.V minulosti jsme měli více zařízení pro různé potřeby.Potřebujete kalkulačku;koupíte si kalkulačku.Chcete hrát videohry;koupíte herní konzoli.Nyní si můžete koupit smartphone a získat 30 různých úrovní vestavěných funkcí.Může se to zdát docela zřejmé, ale je to docela ohromující, když skutečně vidíte, co všechno naše chytré telefony dokážou:
herní vybavení adresář e-mail snímač čárových kódů baterka zvonek navigace fotoaparátu
hudební přehrávač rozvrh VCR mapa Internetový prohlížeč kalendář přehrávač filmů kalkulačka
Telefonní zápisník záznamník lístků záznamník Krátké zprávy bankovní knihy
Jsme ve věku konsolidace zařízení, ale co bude dál?PCB jsou zavedeny a téměř na všechno máme procesy a postupy.Vysokorychlostní aplikace se stávají standardem.Také vidíme, že pouze 25 % návrhářů DPS je mladších 45 let, zatímco 75 % se připravuje na odchod do důchodu.Zdá se, že průmysl se nachází v době krize.
Budou budoucností návrhu PCB roboti?Možná v nositelném zařízení s flex obvodem?Nebo bychom mohli vidět protony nahrazující elektrony fotonikou.Pokud jde o to, co víme o fyzických PCB, může se to v budoucnu dokonce změnit.Není potřeba fyzické médium, které by umožnilo spojení mezi součástmi, ale spíše potenciál vlnové technologie.To by komponentům umožnilo posílat signály bezdrátově bez potřeby mědi.
Co přinese budoucnost?
Nikdo vlastně neví, kam směřuje budoucnost designu PCB, nebo dokonce elektroniky obecně.Je to téměř 130 let, co naše výrobní svaly začaly fungovat.Od té doby se svět navždy změnil uvedením hlavních produktů, jako jsou auta, spotřebiče, počítače, chytré telefony a další.Pryč jsou doby, kdy jsme byli závislí na uhlí, dřevu nebo ropě, pokud jde o naše základní živobytí a přežití.Nyní máme elektronické pomůcky, které mohou splnit naše každodenní potřeby.
Ale co přinese budoucnost?To je velká neznámá.Všichni víme, že každý vynález před námi stojí na bedrech svých předchůdců.Naši předkové přivedli design PCB tam, kde je dnes, a nyní musíme inovovat a převratně změnit způsob, jakým navrhujeme a komunikujeme s technologií.Budoucnost může být jakákoli.Budoucnost závisí na vás.
Čas odeslání: 17. března 2023