Como muchos otros grandes inventos a lo largo de la historia, elplaca de circuito impreso (PCB)tal como lo conocemos hoy se basa en los avances logrados a lo largo de la historia. En nuestro pequeño rincón del mundo, podemos rastrear la historia de los PCB hace más de 130 años, cuando las grandes máquinas industriales del mundo apenas comenzaban. Lo que cubriremos en este blog no es la historia completa, sino los momentos importantes que transformaron la PCB en lo que es hoy.
¿Por qué PCB?
Con el tiempo, los PCB han evolucionado hasta convertirse en una herramienta para optimizar la fabricación de productos electrónicos. Lo que antes era fácil de montar a mano rápidamente dio paso a componentes microscópicos que requerían precisión mecánica y eficiencia. Tome los dos tableros que se muestran en la siguiente figura como ejemplo. Uno es un viejo tablero de calculadora de los años 60. La otra es la típica placa base de alta densidad que verá en las computadoras actuales.
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 de una placa base encontrarás más de un millón de transistores. La cuestión es que el ritmo de avance de la tecnología y del diseño de PCB en sí es impresionante. Todo lo que hay en la PCB de una 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 (CI) y microprocesadores.
Estamos reduciendo los componentes pasivos como resistencias y condensadores al nivel microscópico.
Todo esto conduce a una mayor densidad y complejidad de los componentes en nuestras placas de circuito.
Todos estos avances están impulsados principalmente por mejoras en la velocidad y funcionalidad de nuestros productos. Esperamos que nuestros dispositivos respondan instantáneamente, incluso unos segundos de retraso pueden llevarnos a un frenesí. En cuanto a funcionalidad, considere los videojuegos. En los años 80, probablemente jugaste a Pac-Man en una sala de juegos. Ahora estamos viendo representaciones fotorrealistas de la realidad. El progreso es simplemente una locura.
Las imágenes de los videojuegos son casi realistas 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 empezó este auge de la electrónica y los PCB? En los albores de la Edad Dorada.
Edad de Oro (1879 – 1900)
Terminamos la Guerra Civil estadounidense en los años 60 y ahora la industria manufacturera estadounidense está en auge. Mientras tanto, hacemos lo que podemos, desde comida hasta ropa, muebles y rieles. La industria naviera está a la ofensiva y nuestros mejores ingenieros están descubriendo cómo llevar a alguien desde 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 la electricidad a los hogares, primero en las ciudades y luego en los suburbios y las zonas 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 mantenerse caliente 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, la 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 convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica.
También fue una época de genios inventores que todavía tienen un impacto en nuestro mundo electrónico actual, entre ellos:
Thomas Edison inventó la bombilla 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 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 nos ocupamos de la conversión AC-DC.
Puede que AC haya ganado la batalla, pero DC todavía domina la electrónica.
Mire cualquier dispositivo electrónico que conecte a la pared, necesita convertir CA a CC. O, si nos fijamos en la infraestructura necesaria para los paneles solares, estos generan electricidad en CC, que debe convertirse nuevamente a CA como fuente de energía y nuevamente a CC para que la utilicen nuestros dispositivos. Casi se podría decir que el debate AC-DC nunca terminó, simplemente se había logrado un equilibrio entre dos ideas opuestas.
Hay muchos cambios 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 leyes como la Ley Sherman Antimonopolio que rompió el monopolio de Standard Oil. Aquí es también 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 un tablero aislante multicapa. ¿Te suena familiar?
Dibujo que representa la primera patente de PCB de Albert Hanson.
Hansen también describe en su patente el concepto de aplicaciones de orificios pasantes. Aquí muestra que se puede perforar un agujero en dos capas con líneas verticales para realizar una conexión eléctrica.
Durante este tiempo, comenzamos a ver a Edison y otros líderes empresariales hacer un gran esfuerzo para llevar los dispositivos eléctricos a los hogares cotidianos. El problema de este impulso es la total falta 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 utilizar porque cada pueblo tiene su propia configuración de enchufes.
El problema también empeoró por el hecho de que Edison no sólo quería venderle a la gente una bombilla, sino que también quería vender un servicio. Edison podría brindarte servicio de electricidad mensualmente; luego comprarías 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 desastre. En 1915, patentó el enchufe de pared estándar que todavía se utiliza en la actualidad. Ahora ya no tenemos tostadora ni hornillo enchufado al portalámparas. Esta es una gran victoria para la estandarización de la industria.
Gracias a Harvey Hubbel, ahora contamos con un enchufe 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 mechs y la guerra de trincheras. El concepto de PCB, o incluso la electrónica básica, aún no se utiliza en aplicaciones militares, pero pronto lo será.
Locos años veinte (década de 1920)
Con el fin de la Primera Guerra Mundial, nos encontramos ahora en los locos años veinte, en los que se produjo un enorme auge en la economía estadounidense. Por primera vez en la historia, más personas viven en ciudades que en granjas. También estamos empezando a ver la introducción de cadenas y marcas en todo Estados Unidos. Es posible que tengas una o dos tiendas familiares en dos ciudades diferentes, pero ahora tenemos marcas y tiendas importantes que se comercializan a nivel nacional.
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 infraestructura importante para hacer frente a Internet y nuestra era de la información mediante la construcción de conmutadores, enrutadores y cables de fibra óptica. Los coches no son una excepción.
El primer coche de Henry Ford: un vehículo de cuatro ruedas.
Aquí vemos cómo se asfalta lo que alguna vez fue un camino de tierra. La gente necesitaba gasolina para impulsar sus vehículos, de ahí la necesidad de gasolineras. También tienes talleres de reparación, accesorios y más. Todo el modo de vida de muchas personas se originó a partir de la invención del automóvil, y así sigue siendo hoy en día.
También fue durante esta época que vimos la introducción de electrodomésticos modernos de los que todavía dependemos hoy en día, como lavadoras, aspiradoras y refrigeradores. Por primera vez, la gente podrá comprar productos perecederos en las tiendas y almacenarlos durante una vida útil más larga.
¿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 añadir tinta conductora a materiales aislantes. Posteriormente, esto dará como resultado una placa de cableado impreso (PWB). Esta patente es la primera aplicación práctica similar a una PCB, pero sólo como una bobina de calentamiento plana. Aún no hemos conseguido ninguna conexión eléctrica real entre la placa y los componentes, pero nos estamos acercando.
La PCB siguió evolucionando y esta vez se utilizó como bobina calefactora 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 una época trágica para la humanidad en su conjunto, que allanó el camino para el ascenso de Hitler, Mussolini, Stalin y nuestros futuros conflictos mundiales. Es posible que los PCB hayan permanecido silenciosos hasta ahora, pero todo eso está a punto de cambiar.
La Gran Depresión afectó a todos, desde los bancos hasta los trabajadores comunes y corrientes.
Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945)
La Segunda Guerra Mundial estaba en marcha y Estados Unidos se unió a la lucha 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 buenas pruebas de una crisis inminente, pero todos los métodos de contacto con su base militar en Honolulu fracasaron y la isla fue tomada con la guardia baja.
Como resultado de este fallo, el Departamento de Defensa se dio cuenta de que necesitaba un medio de comunicación más fiable. 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 fusibles de proximidad que tenemos hoy. El dispositivo se utiliza 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 fue compartido con Estados Unidos donde se perfeccionó el diseño y fabricación.
Una de las primeras aplicaciones militares en las que se utilizaron PCB fueron los fusibles de proximidad.
Durante este tiempo, también tuvimos a Paul Eisler, un austriaco que vive en el Reino Unido, patentando una lámina de cobre sobre un sustrato de vidrio no conductor. ¿Te suena familiar? Este es un concepto que todavía utilizamos hoy en día para fabricar 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 a partir de la primera placa de circuito impreso (PCB).
Los baby boomers (década de 1940)
Cuando la Segunda Guerra Mundial llegó a su fin, vimos a nuestros soldados regresar a casa, formar familias y tener muchos hijos. Indique a los baby boomers. Fue en 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 permitirse estos dispositivos en sus hogares.
Todavía no hemos visto PCB de consumo. ¿Dónde están las obras de Paul Eisler? Eche un vistazo a este televisor antiguo 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 los Laboratorios Bell en 1947. Pasaron otros seis años en 1953 antes de que el dispositivo finalmente se utilizara 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 simplemente necesitaba tiempo para difundirse.
El primer transistor nació en los Laboratorios Bell en 1947.
Era de la Guerra Fría (1947 – 1991)
El advenimiento de la Guerra Fría marcó un período considerable de tensión entre Estados Unidos y la Unión Soviética. Debido a las diferencias entre capitalismo y comunismo, estos dos gigantes están casi en guerra entre sí y han puesto al mundo bajo amenaza de aniquilación nuclear.
Para mantenerse a la cabeza en esta carrera armamentista, ambas partes deben mejorar su capacidad de comunicación para comprender lo que está haciendo el enemigo. Aquí vemos cómo se utiliza la PCB en todo su potencial. En 1956, el ejército estadounidense publicó una patente para un “proceso de ensamblaje de circuitos”. Los fabricantes ahora tienen una manera de sujetar los componentes electrónicos y realizar conexiones entre componentes con trazas de cobre.
Cuando los PCB comenzaron a despegar en el mundo manufacturero, nos encontramos en la primera carrera espacial del mundo. Rusia ha logrado algunos logros sorprendentes durante este tiempo, entre ellos:
1957 Lanzamiento del primer satélite artificial, el 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, el Sputnik, fue lanzado en 1957.
¿Dónde está Estados Unidos en todo esto? Principalmente rezagados, normalmente se necesitan uno o dos años para desarrollar la misma tecnología. Para abordar esta brecha, vemos que el presupuesto espacial de Estados Unidos se quintuplicó en 1960. También tenemos el famoso discurso del Presidente Kennedy de 1962, parte del cual vale la pena citar:
“¡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 Retos son los que estamos dispuestos a asumir, los que no estamos dispuestos a posponer y los 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 en la historia. El 20 de julio de 1969 el primer hombre estadounidense alunizó.
El primer hombre en la luna, un momento histórico para la humanidad.
Volviendo a los PCB, en 1963 Hazeltyne Corporation patentó la primera tecnología de orificio pasante chapado. Esto permitirá que los componentes se empaqueten juntos en la PCB sin preocuparse por las conexiones cruzadas. También vimos la introducción de la tecnología Surface Mount (SMT), desarrollada por IBM. Estos densos conjuntos se observaron por primera vez en la práctica en un cohete propulsor de Saturno.
1967 La primera patente de tecnología de PCB con 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 gran medida en secreto. Sin embargo, cuando los ingenieros superiores de TI fueron enviados a una reunión de una semana, Kilby se quedó y siguió con las ideas que tenía en la cabeza. Aquí desarrolló el primer circuito integrado 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 estás usando una PCB para tus conexiones, estás 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 consola de videojuegos Atari hizo realidad los sueños de los niños.
Es importante tener en cuenta que los PCB todavía se dibujaban a mano utilizando tableros de luz y plantillas, pero luego aparecieron las computadoras y EDA. Aquí vemos que el software EDA como Protel y EAGLE revolucionan 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 el uso del silicio alcanzar su apogeo con la introducción del BGA. Ahora podemos colocar más puertas en un solo chip y comenzar a integrar 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, pasando al 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. ¿Están todos estos componentes colocados de tal manera que se puedan quitar fácilmente? Esta es una gran preocupación.
También fue una época en la que los paquetes de componentes más pequeños como el 0402 hacían casi imposible la soldadura manual de placas de circuito. El diseñador ahora vive 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 (década de 2000 y más allá)
Vayamos 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; compras una calculadora. Quieres jugar videojuegos; compras una consola de videojuegos. Ahora puedes comprar un teléfono inteligente y obtener 30 niveles diferentes de funciones integradas. Esto puede parecer bastante obvio, pero es bastante sorprendente cuando ves todas las cosas que nuestros teléfonos inteligentes pueden hacer:
equipo de juego libreta de direcciones correo electrónico escáner de código de barras linterna campana cámara navegación
calendario del reproductor de música mapa de VCR navegador de Internet calendario reproductor de películas calculadora
Libreta telefónica, grabadora de billetes, contestador automático, libretas bancarias para mensajes cortos
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 sólo 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 dispositivo portátil con circuito flexible? O podríamos ver que los protones reemplazan a los 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 componentes, sino el potencial de la tecnología ondulatoria. Esto permitiría a los componentes enviar señales de forma inalámbrica sin necesidad de cobre.
¿Qué nos 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 funcionar. 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 nuestro sustento básico y nuestra supervivencia. Ahora contamos con aparatos electrónicos que pueden satisfacer nuestras necesidades diarias.
¿Pero qué nos depara el futuro? Ésta es una gran incógnita. Todos sabemos que cada invento que tenemos ante nosotros descansa sobre 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