Como muchos otros grandes inventos a lo largo de la historia, elplaca de circuito impreso (PCB)tal como lo conocemos hoy se basa en el progreso realizado a lo largo de la historia.En nuestro pequeño rincón del mundo, podemos rastrear la historia de los PCB desde hace más de 130 años, cuando las grandes máquinas industriales del mundo recién comenzaban.Lo que cubriremos en este blog no es la historia completa, sino los momentos importantes que transformaron el PCB en lo que es hoy.
¿Por qué PCB?
Con el tiempo, los PCB se han convertido en una herramienta para optimizar la fabricación de productos electrónicos.Lo que antes era fácil de ensamblar a mano rápidamente dio paso a componentes microscópicos que requerían precisión mecánica y eficiencia.Tome las dos tablas que se muestran en la siguiente figura como ejemplo.Una es una vieja pizarra de los años 60 para calculadoras.La otra es la placa base típica de alta densidad que verá en las computadoras de hoy.
Una comparación de PCB entre una calculadora de 1968 y las placas base modernas de hoy.
En una calculadora podemos tener más de 30 transistores, pero en un solo chip en una placa base encontrarás más de un millón de transistores.El punto es que la tasa de avance en la tecnología y el diseño de PCB en sí es impresionante.Todo en un PCB de calculadora ahora puede caber en un solo chip en los diseños actuales.Esto llama la atención sobre varias tendencias notables en la fabricación de PCB:
Estamos integrando más funciones en dispositivos avanzados como circuitos integrados (IC) y microprocesadores.
Estamos reduciendo componentes pasivos como resistencias y condensadores hasta el nivel microscópico.
Todo esto conduce a una mayor densidad y complejidad de componentes en nuestras placas de circuitos.
Todos estos avances están impulsados principalmente por mejoras en la velocidad y funcionalidad de nuestros productos.Esperamos que nuestros dispositivos respondan al instante, incluso unos pocos segundos de retraso pueden llevarnos al frenesí.Para la funcionalidad, considere los videojuegos.En los años 80, probablemente jugaste Pac-Man en una sala de juegos.Ahora estamos viendo representaciones fotorrealistas de la realidad.El progreso es una locura.
Las imágenes de los videojuegos son casi reales en estos días.
Está claro que los PCB han evolucionado en respuesta directa a lo que esperamos de nuestros dispositivos.Necesitamos productos más rápidos, más baratos y más potentes, y la única forma de satisfacer estas demandas es miniaturizar y mejorar la eficiencia del proceso de fabricación.¿Cuándo comenzó este auge de la electrónica y los PCB?En los albores de la Edad Dorada.
Edad Dorada (1879 - 1900)
Terminamos la Guerra Civil Estadounidense en los años 60, y ahora la fabricación estadounidense está en auge.Mientras tanto, estamos haciendo lo que podemos, desde alimentos hasta ropa, muebles y rieles.La industria del transporte marítimo está a la ofensiva, y nuestros mejores ingenieros están descubriendo cómo llevar a alguien de la costa este de los EE. UU. a la costa oeste en 5 a 7 días en lugar de 5 a 7 meses.
Los ferrocarriles hicieron que viajar de costa a costa tomara días en lugar de meses.
Durante este tiempo, también llevamos electricidad al hogar, primero en las ciudades y luego en los suburbios y áreas rurales.La electricidad es ahora un sustituto del carbón, la madera y el petróleo.Piense en vivir en Nueva York durante el duro invierno, tratando de cocinar o calentarse con brasas sucias o montones de leña.La electricidad cambió todo eso.
Un punto interesante es que Standard Oil, que monopoliza el mercado del petróleo, no suministra petróleo para gasolina.Su mercado es el aceite para cocinar, freír y alumbrar.Con la llegada de la electricidad, Standard Oil necesitaba definir un nuevo uso para el petróleo, que vendría con la introducción del automóvil.
En mayo de 1878, Standard Oil Company emitió acciones y comenzó el monopolio del petróleo.
Durante la Edad Dorada vimos algunos grandes descubrimientos en electromagnetismo.Inventamos el motor eléctrico, que convierte la energía eléctrica en energía mecánica.También vemos generadores, que hacen lo contrario al convertir la energía mecánica en energía eléctrica.
También fue una época de genios inventores que aún hoy tienen un impacto en nuestro mundo electrónico, entre ellos:
Thomas Edison inventó la bombilla eléctrica en 1879, la película en 1889 y muchas otras innovaciones.
Nikola Tesla inventó el motor eléctrico en 1888 y la fuente de alimentación de CA en 1895.
Alexander Graham Bell inventó el teléfono en 1876.
Kodak de George Eastman inventó la primera cámara de consumo en 1884.
Herman Hollerith inventó la máquina tabuladora en 1890 y luego fundó IBM.
Durante este intenso período de innovación, uno de los mayores debates es el que se da entre AC y DC.La corriente alterna de Tesla finalmente se convirtió en el método ideal para transmitir energía a largas distancias.Curiosamente, sin embargo, todavía estamos lidiando con la conversión AC-DC hoy.
Puede que AC haya ganado la batalla, pero DC aún domina la electrónica.
Mire cualquier dispositivo electrónico que conecte a la pared, necesita convertir CA a CC.O, si observa la infraestructura requerida para los paneles solares, generan electricidad en CC, que debe convertirse nuevamente en CA como fuente de energía y nuevamente en CC para que la usen nuestros dispositivos.Casi se podría decir que el debate AC-DC nunca terminó, se acababa de lograr un equilibrio entre dos ideas opuestas.
Hay mucho de ida y vuelta entre CA y CC en un panel solar.
Tenga en cuenta que la idea original del PCB no se inventó en la Edad Dorada.Sin embargo, sin las capacidades de fabricación de esta era y la influencia generalizada de la electricidad, los PCB nunca serían lo que son hoy.
Era Progresista (1890 – 1920)
La Era Progresista estuvo marcada por un período de reforma social, con legislación como la Ley Antimonopolio Sherman que rompió el monopolio de Standard Oil.Esto también es cuando vemos las primeras patentes de PCB.En 1903, el inventor alemán Albert Hanson solicitó una patente británica para un dispositivo descrito como un conductor de lámina plana sobre una placa aislante multicapa.¿Suena familiar?
Dibujo que representa la primera patente de PCB de Albert Hanson.
Hansen también describe el concepto de aplicaciones de orificio pasante en su patente.Aquí muestra que puedes hacer un agujero en dos capas con líneas verticales para hacer una conexión eléctrica.
Durante este tiempo, comenzamos a ver a Edison y otros líderes empresariales hacer un gran esfuerzo para llevar dispositivos eléctricos a los hogares de todos los días.El problema con este impulso es la falta total de estandarización.Si vivieras en Nueva York o Nueva Jersey y usaras los inventos de electricidad de Edison para iluminar, calentar o cocinar, ¿qué pasaría si los usaras en otra ciudad?No se pueden usar porque cada ciudad tiene su propia configuración de socket.
El problema también empeoró por el hecho de que Edison no solo quería venderle a la gente una bombilla, también quería vender un servicio.Edison podría brindarle el servicio de electricidad mensualmente;entonces compraría bombillas, electrodomésticos, etc. Por supuesto, ninguno de estos servicios es compatible con otros métodos de la competencia.
Queremos agradecer a Harvey Hubbel por finalmente poner fin a este lío.En 1915, patentó el enchufe de pared estándar que todavía se usa en la actualidad.Ahora no tenemos una tostadora o placa caliente enchufada a un portalámparas.Esta es una gran victoria para la estandarización de la industria.
Gracias a Harvey Hubbel, ahora contamos con un tomacorriente de pared estandarizado para todos los dispositivos electrónicos.
Como nota final, la Era Progresista estuvo marcada por la Primera Guerra Mundial. Este conflicto se centra exclusivamente en los robots y la guerra de trincheras.El concepto de PCB, o incluso la electrónica básica, aún no se usa en aplicaciones militares, pero pronto lo hará.
Los locos años veinte (década de 1920)
Con el final de la Primera Guerra Mundial, ahora estamos en los locos años veinte, que vieron un gran auge en la economía estadounidense.Por primera vez en la historia, más personas viven en ciudades que en granjas.También estamos comenzando a ver cadenas y marcas que se introducen en los EE. UU.Es posible que tenga una tienda familiar o dos en dos ciudades diferentes, pero ahora tenemos marcas importantes y tiendas que se vuelven nacionales.
El mayor invento de este período fue el automóvil de Henry Ford y la infraestructura que requería.La situación es similar a la década de 1990, cuando tuvimos que construir una gran infraestructura para hacer frente a Internet y nuestra era de la información mediante la construcción de conmutadores, enrutadores y cables de fibra óptica.Los autos no son una excepción.
El primer automóvil de Henry Ford: un vehículo de cuatro ruedas.
Aquí vemos lo que una vez fue un camino de tierra siendo pavimentado.La gente necesitaba gasolina para impulsar sus vehículos, de ahí la necesidad de estaciones de servicio.También tienes talleres de reparación, accesorios y más.Toda la forma de vida de muchas personas se originó a partir de la invención del automóvil, y todavía lo es hoy.
También fue durante este tiempo que vimos la introducción de electrodomésticos modernos en los que todavía confiamos hoy, como lavadoras, aspiradoras y refrigeradores.Por primera vez, las personas podrán comprar productos perecederos en las tiendas y almacenarlos para una vida útil prolongada.
Pero, ¿dónde están nuestros PCB?Todavía no los hemos visto utilizados en ningún electrodoméstico o automóvil lanzado durante este tiempo.Sin embargo, en 1925, Charles Ducasse presentó una patente que describía el proceso de agregar tinta conductora a los materiales aislantes.Esto luego dará como resultado una placa de cableado impreso (PWB).Esta patente es la primera aplicación práctica similar a una PCB, pero solo como una bobina de calentamiento plana.Todavía no hemos conseguido ninguna conexión eléctrica real entre la placa y los componentes, pero nos estamos acercando.
El PCB continuó evolucionando, esta vez siendo utilizado como bobina de calentamiento para Charles Ducas.
Gran Depresión (década de 1930)
En 1929, el mercado de valores se desplomó y todas las grandes innovaciones de nuestro tiempo se desplomaron.Aquí vemos un período de desempleo superior al 25%, 25.000 quiebras bancarias y muchos problemas en todo el mundo.Fue un momento trágico para la humanidad en su conjunto, allanando el camino para el ascenso de Hitler, Mussolini, Stalin y nuestros futuros conflictos mundiales.Los PCB pueden haber estado en silencio hasta ahora, pero todo eso está a punto de cambiar.
La Gran Depresión afectó a todos, desde los bancos hasta los trabajadores comunes.
Segunda Guerra Mundial (1939 - 1945)
La Segunda Guerra Mundial estaba en marcha, y Estados Unidos se unió a la refriega después del bombardeo de Pearl Harbor en 1942. Lo interesante de Pearl Harbor es toda la falla de comunicación que condujo al ataque.Estados Unidos tenía buena evidencia de una crisis inminente, pero todos los métodos de contacto con su base militar en Honolulu fueron infructuosos y la isla fue tomada por sorpresa.
Como resultado de esta falla, el Departamento de Defensa se dio cuenta de que necesitaban un medio de comunicación más confiable.Esto llevó a la electrónica a la vanguardia como el principal medio de comunicación que reemplazó al código Morse.
También fue durante la Segunda Guerra Mundial cuando vimos el primer uso de PCB en los fusibles de proximidad que tenemos hoy.El dispositivo se usa para proyectiles de alta velocidad que requieren disparos de precisión a larga distancia en el cielo o en tierra.La espoleta de proximidad fue desarrollada originalmente por los británicos para contrarrestar el avance del ejército de Hitler.Posteriormente se compartió con Estados Unidos donde se perfeccionó el diseño y la fabricación.
Una de las primeras aplicaciones militares en usar PCB fueron los fusibles de proximidad.
Durante este tiempo, también tuvimos a Paul Eisler, un austriaco que vive en el Reino Unido, que patentó una lámina de cobre sobre un sustrato de vidrio no conductor.¿Suena familiar?Este es un concepto que todavía usamos hoy para hacer PCB con aislamiento y cobre en la parte superior/inferior.Eisler llevó esta idea un paso más allá cuando construyó una radio a partir de su PCB en 1943, lo que allanaría el camino para futuras aplicaciones militares.
Paul Eisler construyó una radio con la primera placa de circuito impreso (PCB).
Los nacidos en la posguerra (década de 1940)
Cuando la Segunda Guerra Mundial llegó a su fin, vimos a nuestros soldados regresar a casa, formar familias y tener un montón de hijos.Cue los baby boomers.Fue en la era de la posguerra cuando vimos mejoras masivas en los electrodomésticos existentes, como aspiradoras, lavadoras, televisores y radios.Ahora que la Gran Recesión ha quedado atrás, muchos consumidores finalmente pueden comprar estos dispositivos en sus hogares.
Todavía no hemos visto PCB de grado de consumo.¿Dónde están las obras de Paul Eisler?Eche un vistazo a este viejo televisor a continuación y verá todos los componentes, pero sin la base de PCB subyacente.
Un viejo televisor Motorola de 1948, sin PCB.
A pesar de la falta de PCB, vimos la llegada del transistor a Bell Labs en 1947. Pasaron otros seis años en 1953 antes de que el dispositivo finalmente se usara en producción, pero ¿por qué tanto tiempo?En aquellos días, la información se difundía a través de revistas, conferencias, etc. Antes de la era de la información, la difusión de la información solo tomaba tiempo para difundirse.
El primer transistor nació en Bell Laboratories en 1947.
Era de la Guerra Fría (1947 - 1991)
El advenimiento de la era de la Guerra Fría marcó un período considerable de tensión entre los Estados Unidos y la Unión Soviética.Debido a las diferencias entre el capitalismo y el comunismo, estos dos gigantes están casi en guerra entre sí y han puesto al mundo bajo la amenaza de la aniquilación nuclear.
Para mantenerse a la cabeza en esta carrera armamentista, ambos bandos deben mejorar su capacidad de comunicación para comprender lo que hace el enemigo.Aquí vemos que la PCB se utiliza en todo su potencial.En 1956, el ejército de los EE. UU. publicó una patente para un "proceso de ensamblaje de circuitos".Los fabricantes ahora tienen una forma de sostener la electrónica y hacer conexiones entre componentes con trazas de cobre.
A medida que los PCB comenzaron a despegar en el mundo de la fabricación, nos encontramos en la primera carrera espacial del mundo.Rusia ha tenido algunos logros asombrosos durante este tiempo, que incluyen:
1957 Lanzamiento del primer satélite artificial, Sputnik
1959 Lanzamiento de Luna 2, la primera nave espacial a la Luna
En 1961, Yuri Gagarin, el primer cosmonauta, fue enviado a orbitar la Tierra.
El primer satélite artificial de Rusia, Sputnik, se lanzó en 1957.
¿Dónde está América en todo esto?Principalmente rezagado, por lo general lleva uno o dos años desarrollar la misma tecnología.Al abordar esta brecha, vemos que el presupuesto espacial de EE. UU. se quintuplicó en 1960. También tenemos el famoso discurso del presidente Kennedy de 1962, parte del cual vale la pena citar:
"¡Nosotros elegimos ir a la luna!Elegimos ir a la luna para hacer otras cosas en esta década, no porque sean fáciles, sino porque son difíciles;porque esta meta ayudará a organizar y medir nuestras mejores energías y habilidades, por eso los Desafíos son lo que estamos dispuestos a asumir, lo que no estamos dispuestos a posponer y lo que estamos dispuestos a ganar”.– John F. Kennedy, presidente de los Estados Unidos, 12 de septiembre de 1962
Todo esto condujo a un momento histórico.El 20 de julio de 1969, el primer hombre estadounidense aterrizó en la luna.
El primer hombre en la luna, un momento histórico para la humanidad.
Volviendo a las PCB, en 1963 hicimos que Hazeltyne Corporation patentara la primera tecnología de orificio pasante enchapado.Esto permitirá que los componentes se empaqueten juntos en la PCB sin preocuparse por las conexiones cruzadas.También vimos la introducción de la tecnología de montaje en superficie (SMT), desarrollada por IBM.Estos conjuntos densos se vieron por primera vez en la práctica en un cohete propulsor de Saturno.
1967 La primera patente de tecnología de PCB de orificio pasante.
El amanecer del microprocesador (década de 1970)
Los años 70 nos trajeron el primer microprocesador en forma de circuito integrado (IC).Esto fue desarrollado originalmente por Jack Kilby de Texas Instruments en 1958. Kilby era nuevo en TI, por lo que sus ideas innovadoras para los circuitos integrados se mantuvieron en secreto.Sin embargo, cuando los ingenieros senior de TI fueron enviados a una reunión de una semana, Kilby se quedó atrás y siguió con las ideas en su cabeza.Aquí, desarrolló el primer IC en los laboratorios de TI, y a los ingenieros que regresaron les encantó.
Jack Kilby posee el primer circuito integrado.
En la década de 1970, vimos el primer uso de circuitos integrados en la fabricación de productos electrónicos.En este punto, si no está utilizando una placa de circuito impreso para sus conexiones, está en un gran problema.
El amanecer de la era digital (década de 1980)
La era digital ha provocado un gran cambio en los medios que consumimos, con la introducción de dispositivos personales como discos, VHS, cámaras, consolas de juegos, walkmans y más.
En 1980, la videoconsola Atari hizo realidad los sueños de los niños.
Es importante tener en cuenta que los PCB todavía se dibujaban a mano usando tableros livianos y plantillas, pero luego aparecieron las computadoras y EDA.Aquí vemos software EDA como Protel y EAGLE revolucionar la forma en que diseñamos y fabricamos productos electrónicos.En lugar de una foto de la PCB, ahora podemos guardar el diseño como un archivo de texto Gerber, cuyas coordenadas se pueden ingresar en la maquinaria de fabricación para producir la PCB.
La era de Internet (década de 1990)
En los años 90, vimos que el uso del silicio entró en pleno apogeo con la introducción del BGA.Ahora podemos colocar más puertas en un solo chip y comenzar a incorporar memoria y sistemas en chip (SoC) juntos.Este fue también un período de alta miniaturización de la electrónica.No vimos ninguna característica nueva agregada a la PCB, pero todo el proceso de diseño comenzó a cambiar y evolucionar, moviéndose hacia el IC.
Los diseñadores ahora deben implementar estrategias de diseño para prueba (DFT) en sus diseños.No es fácil hacer estallar un componente y agregar una línea azul.Los ingenieros deben diseñar sus diseños teniendo en cuenta futuras reelaboraciones.¿Todos estos componentes están colocados de tal manera que se puedan quitar fácilmente?Esta es una gran preocupación.
También fue una era en la que los paquetes de componentes más pequeños como el 0402 hacían casi imposible la soldadura manual de placas de circuitos.El diseñador vive ahora en su software EDA y el fabricante es responsable de la producción física y el montaje.
Componentes de montaje en superficie de mayor a menor.
Era híbrida (2000 y más allá)
Corte a la era actual de la electrónica y el diseño de PCB;lo que llamamos la era híbrida.En el pasado, teníamos múltiples dispositivos para múltiples necesidades.Necesitas una calculadora;te compras una calculadora.Quieres jugar videojuegos;usted compra una consola de videojuegos.Ahora puede comprar un teléfono inteligente y obtener 30 niveles diferentes de funciones integradas.Esto puede parecer bastante obvio, pero es bastante sorprendente cuando realmente ves todas las cosas que pueden hacer nuestros teléfonos inteligentes:
equipo de juego libreta de direcciones correo electrónico escáner de código de barras linterna campana cámara navegación
reproductor de música calendario videograbadora mapa navegador de Internet calendario reproductor de películas calculadora
Teléfono libreta entradas grabadora contestador mensaje corto libros bancarios
Estamos en la era de la consolidación de dispositivos, pero ¿qué sigue?Los PCB están establecidos y tenemos procesos y procedimientos para casi todo.Las aplicaciones de alta velocidad se están convirtiendo en la norma.También vemos que solo el 25% de los diseñadores de PCB tienen menos de 45 años, mientras que el 75% se está preparando para jubilarse.La industria parece estar en un momento de crisis.
¿Serán los robots el futuro del diseño de PCB?¿Quizás en un wearable con un circuito flexible?O podríamos ver protones reemplazando electrones con fotónica.En cuanto a lo que sabemos sobre los PCB físicos, eso podría incluso cambiar en el futuro.No es necesario un medio físico para permitir la conexión entre los componentes, sino el potencial de la tecnología de olas.Esto permitiría que los componentes envíen señales de forma inalámbrica sin necesidad de cobre.
¿Qué deparará el futuro?
Nadie sabe realmente hacia dónde se dirige el futuro del diseño de PCB, o incluso de la electrónica en general.Han pasado casi 130 años desde que nuestros músculos de fabricación comenzaron a trabajar.Desde entonces, el mundo ha cambiado para siempre con la introducción de productos importantes como automóviles, electrodomésticos, computadoras, teléfonos inteligentes y más.Atrás quedaron los días en que dependíamos del carbón, la madera o el petróleo para todos nuestros medios de subsistencia y supervivencia básicos.Ahora tenemos aparatos electrónicos que pueden satisfacer nuestras necesidades diarias.
Pero que depara el futuro?Esta es una gran incógnita.Todos sabemos que todos los inventos que tenemos ante nosotros se apoyan en los hombros de sus predecesores.Nuestros antepasados llevaron el diseño de PCB a donde está hoy, y ahora necesitamos innovar y revolucionar la forma en que diseñamos e interactuamos con la tecnología.El futuro puede ser cualquier cosa.El futuro depende de ti.
Hora de publicación: 17-mar-2023