Ligesom mange andre store opfindelser gennem historienprintkort (PCB)som vi kender det i dag er baseret på fremskridt gennem historien.I vores lille hjørne af verden kan vi spore PCB'ernes historie mere end 130 år tilbage, da verdens store industrimaskiner lige var i gang.Det, vi vil dække i denne blog, er ikke den komplette historie, men de vigtige øjeblikke, der forvandlede PCB'et til, hvad det er i dag.
Hvorfor PCB?
Med tiden har PCB udviklet sig til et værktøj til at optimere fremstillingen af elektroniske produkter.Det, der engang var nemt at samle i hånden, gav hurtigt plads til mikroskopiske komponenter, der krævede mekanisk præcision og effektivitet.Tag de to brædder vist i figuren nedenfor som et eksempel.Den ene er en gammel tavle fra 1960'erne til lommeregnere.Den anden er det typiske high-density bundkort, du vil se i nutidens computere.
En PCB-sammenligning mellem en lommeregner fra 1968 og nutidens moderne bundkort.
I en lommeregner har vi måske mere end 30 transistorer, men på en enkelt chip på et bundkort finder du over en million transistorer.Pointen er, at fremskridtshastigheden inden for teknologi og PCB-design i sig selv er imponerende.Alt på et lommeregnerprint kan nu passe ind i en enkelt chip i nutidens design.Dette henleder opmærksomheden på flere bemærkelsesværdige tendenser i PCB-fremstilling:
Vi integrerer mere funktionalitet i avancerede enheder såsom integrerede kredsløb (IC'er) og mikroprocessorer.
Vi krymper passive komponenter som modstande og kondensatorer ned til det mikroskopiske niveau.
Alt dette fører til øget komponenttæthed og kompleksitet på vores printkort.
Alle disse fremskridt er primært drevet af forbedringer i vores produkters hastighed og funktionalitet.Vi forventer, at vores enheder reagerer øjeblikkeligt, selv et par sekunders forsinkelse kan drive os til vanvid.For funktionalitet, overvej videospil.Tilbage i 80'erne spillede du sikkert Pac-Man i en spillehal.Nu ser vi fotorealistiske repræsentationer af virkeligheden.Fremgangen er bare sindssyg.
Videospilsvisuelt er næsten naturtro i disse dage.
Det er tydeligt, at PCB'er har udviklet sig som direkte reaktion på, hvad vi forventer af vores enheder.Vi har brug for hurtigere, billigere, mere kraftfulde produkter, og den eneste måde at opfylde disse krav på er at miniaturisere og forbedre effektiviteten af fremstillingsprocessen.Hvornår startede dette boom i elektronik og PCB'er?Ved begyndelsen af den forgyldte tidsalder.
Forgyldt tidsalder (1879 – 1900)
Vi afsluttede den amerikanske borgerkrig i 60'erne, og nu boomer den amerikanske produktion.I mellemtiden gør vi, hvad vi kan, lige fra mad til tøj, møbler og skinner.Skibsfartsindustrien er i offensiven, og vores bedste ingeniører er ved at finde ud af, hvordan man får nogen fra USA's østkyst til vestkysten på 5 til 7 dage i stedet for 5 til 7 måneder.
Jernbaner gjorde rejser fra kyst til kyst tage dage i stedet for måneder.
I denne tid bragte vi også elektricitet ind i hjemmet, først i byerne og derefter i forstæderne og landdistrikterne.Elektricitet er nu en erstatning for kul, træ og olie.Tænk på at bo i New York i den hårde vinter, prøve at lave mad eller holde varmen med snavsede kul eller bunker af brænde.Elektriciteten ændrede alt det.
En interessant pointe er, at Standard Oil, som monopoliserer oliemarkedet, ikke leverer olie til benzin.Deres marked er olie til madlavning, stegning og belysning.Med fremkomsten af elektricitet var Standard Oil nødt til at definere en ny anvendelse for olie, som ville komme med introduktionen af bilen.
I maj 1878 udstedte Standard Oil Company aktier, og oliemonopolet begyndte.
Under den forgyldte tidsalder så vi nogle store opdagelser inden for elektromagnetisme.Vi opfandt elmotoren, som omdanner elektrisk energi til mekanisk energi.Vi ser også generatorer, som gør det modsatte ved at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi.
Det var også en tid med geniale opfindere, som stadig har en indflydelse på vores elektroniske verden i dag, herunder:
Thomas Edison opfandt pæren i 1879, filmen i 1889 og mange andre innovationer.
Nikola Tesla opfandt den elektriske motor i 1888 og AC-strømkilden i 1895.
Alexander Graham Bell opfandt telefonen i 1876.
George Eastmans Kodak opfandt det første forbrugerkamera i 1884.
Herman Hollerith opfandt tabuleringsmaskinen i 1890 og fortsatte med at grundlægge IBM.
I denne intense periode med innovation er en af de største debatter den mellem AC og DC.Teslas vekselstrøm blev med tiden den ideelle metode til at overføre strøm over lange afstande.Interessant nok har vi dog stadig at gøre med AC-DC konvertering i dag.
AC har måske vundet kampen, men DC dominerer stadig elektronik.
Se på enhver elektronisk enhed, du tilslutter til væggen, du skal konvertere AC til DC.Eller, hvis du ser på den infrastruktur, der kræves til solpaneler, genererer de elektricitet i DC, som skal konverteres tilbage til AC som strømkilde og tilbage til DC for vores enheder at bruge.Man kan næsten sige, at AC-DC-debatten aldrig var slut, der var lige fundet en balance mellem to modsatrettede ideer.
Der er meget frem og tilbage mellem AC og DC i et solpanel.
Bemærk, at den oprindelige idé med PCB ikke blev opfundet i den forgyldte tidsalder.Uden denne tids produktionskapacitet og den udbredte indflydelse fra elektricitet ville PCB dog aldrig være, hvad de er i dag.
Progressiv æra (1890 – 1920)
Den progressive æra var præget af en periode med sociale reformer, hvor lovgivning som Sherman Antitrust Act brød Standard Oils monopol op.Det er også her, vi ser de første PCB-patenter.I 1903 ansøgte den tyske opfinder Albert Hanson om et britisk patent på en enhed beskrevet som en flad folieleder på et flerlags isoleringsbræt.Lyder det bekendt?
Tegning, der viser Albert Hansons første PCB-patent.
Hansen beskriver også konceptet med gennemgående applikationer i sit patent.Her viser han, at man kan slå hul i to lag med lodrette linjer for at lave en elektrisk forbindelse.
I løbet af denne tid begyndte vi at se Edison og andre virksomhedsledere gøre et stort skub for at bringe elektriske enheder ind i hverdagens hjem.Problemet med dette skub er den fuldstændige mangel på standardisering.Hvis du boede i New York eller New Jersey og brugte Edisons opfindelser af elektricitet til belysning, opvarmning eller madlavning, hvad ville der ske, hvis du brugte dem i en anden by?De kan ikke bruges, fordi hver by har sin egen stikkonfiguration.
Problemet blev også forværret af, at Edison ikke bare ville sælge folk en pære, han ville også sælge en service.Edison kunne give dig el-service på månedlig basis;så ville du købe pærer, apparater osv. Selvfølgelig er ingen af disse tjenester kompatible med andre konkurrerende metoder.
Vi vil gerne takke Harvey Hubbel for endelig at sætte en stopper for dette rod.I 1915 patenterede han det standardstik, der stadig er i brug i dag.Nu har vi ikke en brødrister eller kogeplade sat i en pærefatning.Dette er en kæmpe gevinst for industristandardisering.
Takket være Harvey Hubbel har vi nu en standardiseret stikkontakt til alle elektroniske enheder.
Som en sidste bemærkning var den progressive æra præget af Første Verdenskrig. Denne konflikt er udelukkende fokuseret på mekanik og skyttegravskrig.PCB-konceptet, eller endda grundlæggende elektronik, bruges endnu ikke i militære applikationer, men det bliver det snart.
Roaring Tyvere (1920'erne)
Med afslutningen af Første Verdenskrig er vi nu i de brølende tyvere, som oplevede et enormt boom i den amerikanske økonomi.For første gang i historien bor der flere mennesker i byer end på gårde.Vi begynder også at se kæder og mærker blive introduceret i hele USA.Du har måske en familiebutik eller to i to forskellige byer, men nu har vi store mærker og butikker, der er nationale.
Den største opfindelse i denne periode var Henry Fords bil og den infrastruktur, den krævede.Situationen ligner 1990'erne, hvor vi skulle bygge en større infrastruktur til at håndtere internettet og vores informationsalder ved at bygge switche, routere og fiberoptiske kabler.Biler er ingen undtagelse.
Henry Fords første bil – en firehjulet motor.
Her ser vi, hvad der engang var en grusvej, der bliver asfalteret.Folk havde brug for benzin til at drive deres køretøjer, deraf behovet for tankstationer.Du har også værksteder, tilbehør og meget mere.Mange menneskers hele levevis opstod fra opfindelsen af bilen, og det er den stadig i dag.
Det var også i denne tid, at vi så introduktionen af moderne apparater, som vi stadig er afhængige af i dag, såsom vaskemaskiner, støvsugere og køleskabe.For første gang vil folk kunne købe letfordærvelige varer i butikker og opbevare dem i en længere holdbarhed.
Men hvor er vores PCB'er?Vi har stadig ikke set dem brugt i nogen apparater eller biler, der blev lanceret i løbet af denne tid.Men i 1925 indgav Charles Ducasse et patent, der beskrev processen med at tilføje ledende blæk til isoleringsmaterialer.Dette vil senere resultere i et printet ledningskort (PWB).Dette patent er den første praktiske anvendelse, der ligner et PCB, men kun som en plan varmespiral.Vi har ikke fået nogen egentlige elektriske forbindelser mellem kortet og komponenterne endnu, men vi nærmer os.
PCB fortsatte med at udvikle sig, denne gang blev det brugt som varmespiral for Charles Ducas.
Great Depression (1930'erne)
I 1929 styrtdykkede aktiemarkedet, og alle vor tids store innovationer styrtdykkede.Her ser vi en periode med arbejdsløshed over 25%, 25.000 bankkrak og en masse ballade rundt omkring i verden.Det var en tragisk tid for menneskeheden som helhed, der banede vejen for Hitlers, Mussolinis, Stalins opståen og vores fremtidige verdenskonflikter.PCB har måske været tavse indtil nu, men det er ved at ændre sig.
Den store depression ramte alle, fra banker til almindelige arbejdere.
Anden Verdenskrig (1939-1945)
Anden verdenskrig var i gang, og USA meldte sig ind i kampen efter bombningen af Pearl Harbor i 1942. Det interessante ved Pearl Harbor er hele kommunikationsfejlen, der førte til angrebet.USA havde gode beviser for en forestående krise, men alle metoder til kontakt med deres militærbase i Honolulu var mislykkede, og øen blev overrumplet.
Som et resultat af denne fiasko indså DoD, at de havde brug for et mere pålideligt kommunikationsmiddel.Dette bragte elektronik i front som det primære kommunikationsmiddel, der erstatter morsekode.
Det var også under Anden Verdenskrig, at vi så den første brug af PCB i nærsikringer, som vi har i dag.Enheden bruges til højhastighedsprojektiler, der kræver langdistance præcisionsild i himlen eller på land.Tændrøret blev oprindeligt udviklet af briterne for at imødegå fremrykningen af Hitlers hær.Det blev senere delt med USA, hvor designet og fremstillingen blev perfektioneret.
En af de første militære applikationer til at bruge PCB'er var nærhedssikringer.
I løbet af denne tid havde vi også Paul Eisler, en østriger bosat i Storbritannien, der patenterede kobberfolie på et ikke-ledende glassubstrat.Lyder det bekendt?Det er et koncept vi stadig bruger i dag til at lave PCB med isolering og kobber på top/bund.Eisler tog denne idé et skridt videre, da han byggede en radio ud af sit PCB i 1943, som ville bane vejen for fremtidige militære applikationer.
Paul Eisler byggede en radio ud af det første printkort (PCB).
Baby Boomers (1940'erne)
Da Anden Verdenskrig nærmede sig sin afslutning, så vi vores soldater komme hjem, stifte familie og få en hel flok børn.Hold øje med babyboomerne.Det var i efterkrigstiden, at vi så massive forbedringer af eksisterende apparater som støvsugere, vaskemaskiner, fjernsyn og radioer.Nu hvor den store recession er bag os, har mange forbrugere endelig råd til disse enheder i deres hjem.
Vi har stadig ikke set PCB'er af forbrugerkvalitet.Hvor er Paul Eislers værker?Tag et kig på dette gamle TV nedenfor, og du vil se alle komponenterne, men uden det underliggende PCB-fundament.
Et gammelt Motorola TV fra 1948, uden PCB.
På trods af manglen på PCB'er så vi transistorens ankomst til Bell Labs i 1947. Det tog yderligere seks år i 1953, før enheden endelig blev brugt i produktionen, men hvorfor så lang tid?Dengang blev information formidlet gennem tidsskrifter, konferencer osv. Før informationsalderen tog informationsspredningen bare tid at sprede sig.
Den første transistor blev født på Bell Laboratories i 1947.
Den kolde krigs æra (1947 – 1991)
Fremkomsten af den kolde krigs æra markerede en betydelig periode med spændinger mellem USA og Sovjetunionen.På grund af forskellene mellem kapitalisme og kommunisme er disse to giganter næsten i krig med hinanden og har sat verden under trussel om nuklear udslettelse.
For at være på forkant i dette våbenkapløb skal begge sider forbedre deres evne til at kommunikere for at forstå, hvad fjenden gør.Her ser vi PCB'et blive brugt til sit fulde potentiale.I 1956 offentliggjorde den amerikanske hær et patent på en "kredsløbssamlingsproces."Producenter har nu en måde at både holde elektronik og lave forbindelser mellem komponenter med kobberspor.
Da PCB begyndte at tage fart i fremstillingsverdenen, befandt vi os i verdens første rumkapløb.Rusland har haft nogle fantastiske præstationer i løbet af denne tid, herunder:
1957 Lancering af den første kunstige satellit, Sputnik
1959 Lancering af Luna 2, det første rumfartøj til Månen
I 1961 blev Yuri Gagarin, den første kosmonaut, sendt til at kredse om Jorden
Ruslands første kunstige satellit, Sputnik, blev opsendt i 1957.
Hvor er Amerika i alt dette?Hovedsageligt bagud, tager det normalt et år eller to at udvikle den samme teknologi.For at løse denne kløft ser vi det amerikanske rumbudget femdobles i 1960. Vi har også den berømte præsident Kennedy-tale fra 1962, hvoraf en del er værd at citere:
"Vi vælger at tage til månen!Vi vælger at tage til månen for at gøre andre ting i dette årti, ikke fordi de er nemme, men fordi de er svære;fordi dette mål vil hjælpe med at organisere og måle vores bedste energier og færdigheder, på grund af dette er udfordringer, hvad vi er villige til at påtage os, hvad vi ikke er villige til at udsætte, og hvad vi er villige til at vinde."– John F. Kennedy, USA's præsident, 12. september 1962
Alt dette førte til et skelsættende øjeblik i historien.Den 20. juli 1969 landede den første amerikanske mand på månen.
Det første menneske på månen, et historisk øjeblik for menneskeheden.
Går vi tilbage til PCB'er, fik vi i 1963 Hazeltyne Corporation patent på den første belagte gennemhullede teknologi.Dette vil tillade komponenter at blive pakket tæt sammen på printkortet uden at bekymre dig om krydsforbindelser.Vi så også introduktionen af Surface Mount Technology (SMT), udviklet af IBM.Disse tætte samlinger blev først set i praksis i en Saturn-raketbooster.
1967 Det første gennemhullede PCB-teknologipatent.
Dawn of the Microprocessor (1970'erne)
70'erne bragte os den første mikroprocessor i form af et integreret kredsløb (IC).Dette blev oprindeligt udviklet af Jack Kilby fra Texas Instruments i 1958. Kilby var ny for TI, så hans innovative ideer til IC'er blev stort set holdt skjult.Men da TI's senioringeniører blev sendt til et ugelangt møde, blev Kilby tilbage og løb med ideerne i hovedet.Her udviklede han den første IC i TI-laboratorier, og de tilbagevendende ingeniører elskede det.
Jack Kilby har det første integrerede kredsløb.
I 1970'erne så vi den første brug af IC'er i elektronikfremstilling.På dette tidspunkt, hvis du ikke bruger et PCB til dine forbindelser, er du i store problemer.
Dawn of the Digital Age (1980'erne)
Den digitale tidsalder har medført en enorm ændring i de medier, vi bruger, med introduktionen af personlige enheder såsom diske, VHS, kameraer, spillekonsoller, walkmans og meget mere.
I 1980 gjorde Atari videospilkonsollen børns drømme til virkelighed.
Det er vigtigt at bemærke, at PCB'er stadig blev tegnet i hånden ved hjælp af lystavler og stencils, men så kom computere og EDA.Her ser vi EDA-software som Protel og EAGLE revolutionere den måde, vi designer og fremstiller elektronik på.I stedet for et foto af printkortet kan vi nu gemme designet som en Gerber-tekstfil, hvis koordinater kan indtastes i fabrikationsmaskineriet for at fremstille printkortet.
Internettiden (1990'erne)
I 90'erne så vi brugen af silicium komme i fuld gang med introduktionen af BGA.Nu kan vi montere flere porte på en enkelt chip og begynde at integrere hukommelse og system-on-chip (SoC'er) sammen.Dette var også en periode med høj miniaturisering af elektronik.Vi så ikke nogen nye funktioner tilføjet til printkortet, men hele designprocessen begyndte at ændre sig og udvikle sig og flyttede til IC.
Designere skal nu implementere design-for-test (DFT) strategier i deres layout.Det er ikke nemt at pop en komponent og tilføje en blå linje.Ingeniører skal designe deres layout med fremtidig omarbejdelse i tankerne.Er alle disse komponenter placeret på en sådan måde, at de let kan fjernes?Dette er en stor bekymring.
Det var også en æra, hvor mindre komponentpakker som 0402 gjorde håndlodning af printplader næsten umulig.Designeren bor nu i sin EDA-software, og producenten står for den fysiske produktion og montage.
Overflademonterede komponenter fra største til mindste.
Hybrid-æra (2000'erne og frem)
Skåret til nutidens æra af elektronik og PCB-design;det, vi kalder hybrid-æraen.Tidligere havde vi flere enheder til flere behov.Du skal bruge en lommeregner;du køber en lommeregner.Du vil spille videospil;du køber en videospilkonsol.Nu kan du købe en smartphone og få 30 forskellige niveauer af indbyggede funktioner.Dette kan virke ret indlysende, men det er ret forbløffende, når du rent faktisk ser alle de ting, vores smartphones kan:
gaming udstyr adressebog e-mail stregkode scanner lommelygte klokke kamera navigation
musikafspiller tidsplan VCR kort Internet browser kalender film afspiller lommeregner
Telefon notesbog billetter optager telefonsvarer Kort besked bankbøger
Vi er i enhedskonsolideringens tidsalder, men hvad er det næste?PCB er etableret, og vi har processer og procedurer for stort set alt.Højhastighedsapplikationer er ved at blive normen.Vi ser også, at kun 25 % af PCB-designerne er under 45 år, mens 75 % forbereder sig på at gå på pension.Branchen ser ud til at være i en krisetid.
Vil fremtiden for PCB-design være robotter?Måske i en wearable med et flex-kredsløb?Eller vi ser måske protoner erstatte elektroner med fotonik.Så vidt vi ved om fysiske PCB'er, kan det endda ændre sig i fremtiden.Der er ikke behov for et fysisk medie for at muliggøre forbindelsen mellem komponenter, men derimod potentialet i bølgeteknologi.Dette ville gøre det muligt for komponenter at sende signaler trådløst uden behov for kobber.
Hvad vil fremtiden byde på?
Ingen ved rigtigt, hvor fremtiden for PCB-design, eller endda elektronik generelt, er på vej hen.Det er næsten 130 år siden, at vores produktionsmuskler begyndte at arbejde.Siden da har verden ændret sig for altid med introduktionen af store produkter som biler, hvidevarer, computere, smartphones og meget mere.De dage er forbi, hvor vi var afhængige af kul, tømmer eller olie for al vores grundlæggende levebrød og overlevelse.Nu har vi elektroniske gadgets, der kan opfylde vores daglige behov.
Men hvad bringer fremtiden?Dette er en stor ukendt.Vi ved alle, at enhver opfindelse foran os står på skuldrene af sine forgængere.Vores forfædre bragte PCB-design til, hvor det er i dag, og nu skal vi innovere og revolutionere den måde, vi designer og interagerer med teknologi.Fremtiden kan være hvad som helst.Fremtiden afhænger af dig.
Indlægstid: 17-mars-2023