Nagu paljud teised suurepärased leiutised läbi ajaloo, ontrükkplaat (PCB)nagu me seda täna teame, põhineb ajaloo jooksul tehtud edusammudel.Meie väikeses maailmanurgas saame jälgida PCBde ajalugu enam kui 130 aastat tagasi, mil maailma suurepärased tööstusmasinad alles alustasid.See, mida me selles ajaveebis käsitleme, ei ole täielik ajalugu, vaid olulised hetked, mis muutsid PCB praeguseks.
Miks PCB?
Aja jooksul on PCB-dest saanud elektroonikatoodete tootmise optimeerimise tööriist.See, mida oli kunagi lihtne käsitsi kokku panna, andis kiiresti teed mikroskoopilistele komponentidele, mis nõudsid mehaanilist täpsust ja tõhusust.Võtke näitena kaks alloleval joonisel näidatud tahvlit.Üks on vana 1960. aastatest pärit tahvel kalkulaatorite jaoks.Teine on tüüpiline suure tihedusega emaplaat, mida näete tänapäeva arvutites.
PCB võrdlus 1968. aasta kalkulaatori ja tänapäeva moodsate emaplaatide vahel.
Kalkulaatoris võib meil olla üle 30 transistori, kuid emaplaadi ühel kiibil on üle miljoni transistori.Asi on selles, et tehnoloogia ja PCB disaini arengu kiirus on muljetavaldav.Kõik kalkulaatori PCB-l olevad asjad mahuvad nüüd tänapäevastes kujundustes ühele kiibile.See juhib tähelepanu mitmetele märkimisväärsetele suundumustele trükkplaatide tootmises:
Integreerime rohkem funktsioone täiustatud seadmetesse, nagu integraallülitused (IC-d) ja mikroprotsessorid.
Me vähendame passiivseid komponente, nagu takistid ja kondensaatorid, kuni mikroskoopilise tasemeni.
Kõik see suurendab meie trükkplaatide komponentide tihedust ja keerukust.
Kõik need edusammud on peamiselt tingitud meie toodete kiiruse ja funktsionaalsuse paranemisest.Eeldame, et meie seadmed reageerivad kohe, isegi mõnesekundiline viivitus võib meid hulluks ajada.Funktsionaalsuse huvides kaaluge videomänge.80ndatel mängisite tõenäoliselt mängusaalis Pac-Mani.Nüüd näeme reaalsuse fotoreaalseid esitusi.Edasiminek on lihtsalt meeletu.
Videomängude visuaal on tänapäeval peaaegu elutruu.
On selge, et PCB-d on arenenud otseses vastuses sellele, mida me oma seadmetelt ootame.Vajame kiiremaid, odavamaid ja võimsamaid tooteid ning ainus viis nende nõudmiste täitmiseks on tootmisprotsessi miniatuurne ja tõhususe parandamine.Millal see elektroonika ja PCBde buum alguse sai?Kullatud ajastu koidikul.
Kullaaeg (1879–1900)
Lõpetasime Ameerika kodusõja 60ndatel ja nüüd Ameerika tootmine õitseb.Vahepeal teeme, mida suudame, alates toidust kuni riiete, mööbli ja siinideni.Laevatööstus on pealetungil ja meie suurimad insenerid mõtlevad välja, kuidas saada keegi USA idarannikult läänerannikule 5–7 kuu asemel 5–7 päevaga.
Raudteel kulub rannikult rannikule sõit kuude asemel päevi.
Selle aja jooksul tõime ka elektri koju, esmalt linnadesse ning seejärel äärelinnadesse ja maapiirkondadesse.Elekter on nüüd kivisöe, puidu ja nafta aseaine.Mõelge sellele, kui elate karmil talvel New Yorgis, proovige süüa teha või määrdunud söe või küttepuude hunnikutega soojas hoida.Elekter muutis seda kõike.
Huvitav on see, et naftaturgu monopoliseeriv Standard Oil ei tarni bensiini jaoks naftat.Nende turg on toiduvalmistamiseks, praadimiseks ja valgustamiseks mõeldud õli.Elektri tulekuga pidi Standard Oil määratlema õli uue kasutusviisi, mis kaasneks auto kasutuselevõtuga.
1878. aasta mais emiteeris Standard Oil Company aktsiaid ja algas naftamonopol.
Kullatud ajastul nägime suuri avastusi elektromagnetismi vallas.Leiutasime elektrimootori, mis muudab elektrienergia mehaaniliseks energiaks.Näeme ka generaatoreid, mis teevad vastupidist, muutes mehaanilise energia elektrienergiaks.
See oli ka geniaalsete leiutajate aeg, kes mõjutavad meie elektroonilist maailma tänapäevalgi, sealhulgas:
Thomas Edison leiutas lambipirni 1879. aastal, filmi 1889. aastal ja palju muid uuendusi.
Nikola Tesla leiutas 1888. aastal elektrimootori ja 1895. aastal vahelduvvooluallika.
Alexander Graham Bell leiutas telefoni 1876. aastal.
George Eastmani Kodak leiutas esimese tarbijakaamera 1884. aastal.
Herman Hollerith leiutas tabeldusmasina 1890. aastal ja asutas seejärel IBM-i.
Selle intensiivse innovatsiooniperioodi jooksul on üks suurimaid vaidlusi vahelduvvoolu ja alalisvoolu vahel.Tesla vahelduvvool sai lõpuks ideaalseks meetodiks energia edastamiseks pikkadele vahemaadele.Huvitaval kombel tegeleme aga ka täna vahelduvvoolu-alalisvoolu muundamisega.
AC võis lahingu võita, kuid DC domineerib endiselt elektroonikas.
Vaadake mis tahes elektroonilist seadet, mille seina ühendate, peate teisendama vahelduvvoolu alalisvooluks.Või kui vaadata päikesepaneelide jaoks vajalikku infrastruktuuri, siis need toodavad elektrit alalisvoolus, mis tuleb toiteallikana uuesti vahelduvvooluks muuta ja meie seadmete kasutamiseks tagasi alalisvooluks muuta.Võiks peaaegu öelda, et AC-DC debatt polnud kunagi lõppenud, just oli saavutatud tasakaal kahe vastandliku idee vahel.
Päikesepaneelis on vahelduv- ja alalisvoolu vahel palju edasi-tagasi.
Pange tähele, et PCB algne idee ei leiutatud kullatud ajastul.Kuid ilma selle ajastu tootmisvõimalusteta ja elektri laialdase mõjuta poleks PCB-d kunagi sellised, nagu nad praegu on.
Progressiivne ajastu (1890–1920)
Progressiivset ajastut iseloomustas sotsiaalsete reformide periood, kus sellised õigusaktid nagu Shermani monopolivastane seadus lõhkusid Standard Oili monopoli.See on ka siis, kui näeme esimesi PCB patente.1903. aastal taotles Saksa leiutaja Albert Hanson Briti patenti seadmele, mida kirjeldatakse kui mitmekihilisel isoleerplaadil asuvat lamedat fooliumjuhti.Tundub tuttav?
Joonis, mis kujutab Albert Hansoni esimest PCB patenti.
Hansen kirjeldab oma patendis ka läbi augu rakenduste kontseptsiooni.Siin näitab ta, et elektriühenduse tegemiseks saab vertikaalsete joontega kahes kihis augu torgata.
Selle aja jooksul hakkasime nägema, kuidas Edison ja teised ettevõtete juhid teevad suure tõuke elektriseadmete igapäevastesse kodudesse toomiseks.Selle tõuke probleemiks on täielik standardimise puudumine.Kui elaksite New Yorgis või New Jerseys ja kasutaksite Edisoni elektri leiutisi valgustamiseks, kütteks või toiduvalmistamiseks, mis juhtuks, kui kasutaksite neid teises linnas?Neid ei saa kasutada, kuna igal linnal on oma pistikupesade konfiguratsioon.
Probleemi tegi hullemaks ka see, et Edison ei tahtnud inimestele müüa mitte ainult lambipirni, vaid ka teenust.Edison võiks pakkuda teile elektriteenust igakuiselt;siis ostaksite lambipirnid, kodumasinad jne. Loomulikult ei ühildu ükski neist teenustest teiste konkureerivate meetoditega.
Tahame tänada Harvey Hubbelit selle jama lõpuks lõpetamise eest.1915. aastal patenteeris ta tänaseni kasutusel oleva standardse seinakontakti pistiku.Nüüd pole meil lambipirni pesasse ühendatud röster ega kuumutusplaat.See on tööstuse standardimise jaoks tohutu võit.
Tänu Harvey Hubbelile on meil nüüd kõigi elektroonikaseadmete jaoks standardiseeritud seinakontakt.
Lõpetuseks võib öelda, et progressiivset ajastut iseloomustas Esimene maailmasõda. See konflikt keskendub puhtalt mechidele ja kaevikusõjale.PCB kontseptsiooni või isegi elementaarset elektroonikat sõjalistes rakendustes veel ei kasutata, kuid peagi tehakse.
Roaring Twenties (1920ndad)
Esimese maailmasõja lõppedes oleme nüüd mürisevas kahekümnendates, mis nägid Ameerika majanduses tohutut buumi.Esimest korda ajaloos elab linnades rohkem inimesi kui taludes.Samuti oleme hakanud nägema, et kogu USA-s tutvustatakse kette ja kaubamärke.Teil võib olla perepood või kaks kahes erinevas linnas, kuid nüüd on meil suuremad kaubamärgid ja poed, mis on üleriigilised.
Selle perioodi suurim leiutis oli Henry Fordi auto ja selle jaoks vajalik infrastruktuur.Olukord on sarnane 1990ndatega, mil pidime Interneti ja infoajastuga tegelemiseks rajama suure infrastruktuuri, ehitades lüliteid, ruutereid ja fiiberoptilisi kaableid.Autod pole erand.
Henry Fordi esimene auto – neljarattaline.
Siin näeme kunagist pinnasteed, mida sillutatakse.Inimesed vajasid oma sõidukite toiteks bensiini, seega vajadus bensiinijaamade järele.Teil on ka remonditöökojad, tarvikud ja palju muud.Paljude inimeste kogu eluviis sai alguse auto leiutamisest ja on seda siiani.
Selle aja jooksul tutvustati ka kaasaegseid seadmeid, millele me tänagi tugineme, nagu pesumasinad, tolmuimejad ja külmikud.Esmakordselt on inimestel võimalik kauplustest osta kiiresti riknevaid kaupu ja säilitada neid pikema säilivusaja jooksul.
Aga kus on meie PCB-d?Me pole ikka veel näinud, et neid oleks kasutatud üheski selle aja jooksul turule lastud seadmetes ega autodes.1925. aastal esitas Charles Ducasse aga patendi, mis kirjeldas isolatsioonimaterjalidele juhtiva tindi lisamise protsessi.Selle tulemuseks on hiljem trükitud juhtmestik (PWB).See patent on esimene praktiline rakendus, mis sarnaneb PCB-ga, kuid ainult tasapinnalise küttespiraalina.Me ei ole veel saanud ühtegi tegelikku elektriühendust plaadi ja komponentide vahel, kuid oleme lähenemas.
PCB arenes edasi, seekord kasutati seda Charles Ducase küttespiraalina.
Suur depressioon (1930ndad)
1929. aastal kukkus aktsiaturg järsult ja kõik meie aja suured uuendused kukkusid.Siin näeme üle 25-aastase töötuse perioodi, 25 000 panga maksejõuetust ja palju probleeme kogu maailmas.See oli traagiline aeg kogu inimkonnale, sillutades teed Hitleri, Mussolini, Stalini esiletõusule ja meie tulevastele maailmakonfliktidele.PCB-d võisid seni vaikida, kuid see kõik muutub.
Suur depressioon puudutas kõiki, pankadest tavaliste töötajateni.
Teine maailmasõda (1939–1945)
Teine maailmasõda oli käimas ja USA liitus võitlusega pärast Pearl Harbori pommitamist 1942. aastal. Pearl Harbori puhul on huvitav kogu rünnakuni viinud siderike.USA-l oli häid tõendeid eelseisva kriisi kohta, kuid kõik nende Honolulus asuva sõjaväebaasiga ühenduse loomise meetodid ebaõnnestusid ja saar tabati ootamatult.
Selle ebaõnnestumise tulemusena mõistis kaitseministeerium, et neil on vaja usaldusväärsemat sidevahendit.See tõi elektroonika esiplaanile morsekoodi asendava peamise sidevahendina.
Samuti nägime Teise maailmasõja ajal esmakordselt PCB-de kasutamist lähikaitsmetes, mis meil praegu on.Seadet kasutatakse suure kiirusega mürskude jaoks, mis nõuavad pikamaa täppistuld taevas või maal.Lähedussüütik töötati algselt välja brittide poolt, et takistada Hitleri armee edasiliikumist.Hiljem jagati seda USA-ga, kus disaini ja tootmist täiustati.
Üks esimesi militaarrakendusi, mis kasutas PCB-sid, olid lähikaitsmed.
Selle aja jooksul oli meil ka Ühendkuningriigis elav austerlane Paul Eisler, kes patenteeris mittejuhtivale klaassubstraadile vaskfooliumi.Tundub tuttav?Seda kontseptsiooni kasutame tänapäevalgi isolatsiooni ja ülemise/allosa vasega PCBde valmistamiseks.Eisler viis selle idee sammu edasi, kui ehitas 1943. aastal oma PCB-st raadio, mis sillutaks teed tulevastele sõjalistele rakendustele.
Paul Eisler ehitas esimesest trükkplaadist (PCB) raadio.
Beebibuumi ajastud (1940. aastad)
Kui II maailmasõda lähenes lõpule, nägime, kuidas meie sõdurid tulid koju, lõid pere ja neil on terve hulk lapsi.Tutvuge beebibuumitega.Just sõjajärgsel ajastul nägime olemasolevaid seadmeid, nagu tolmuimejad, pesumasinad, televiisorid ja raadiod, tohutult täiustatud.Nüüd, kui suur majanduslangus on selja taga, saavad paljud tarbijad lõpuks ometi neid seadmeid oma kodus lubada.
Me pole ikka veel näinud tarbijakvaliteediga PCB-sid.Kus on Paul Eisleri teosed?Vaadake allolevat vana telerit ja näete kõiki komponente, kuid ilma PCB-aluseta.
Vana Motorola teler aastast 1948, PCBta.
Vaatamata PCBde puudumisele nägime transistori jõudmist Bell Labsi 1947. aastal. 1953. aastal kulus veel kuus aastat, enne kui seade lõpuks tootmises kasutusele võeti, kuid miks nii kaua?Tol ajal levitati teavet ajakirjade, konverentside jne kaudu. Enne infoajastut võttis teabe levik lihtsalt aega, et levida.
Esimene transistor sündis Bell Laboratoriesis 1947. aastal.
Külma sõja ajastu (1947–1991)
Külma sõja ajastu saabumine tähistas märkimisväärset pingeperioodi USA ja Nõukogude Liidu vahel.Kapitalismi ja kommunismi erinevuste tõttu on need kaks hiiglast peaaegu üksteisega sõjas ja seadnud maailma tuumahävitamise ohtu.
Selles võidurelvastumises ees püsimiseks peavad mõlemad pooled parandama oma suhtlemisoskust, et mõista, mida vaenlane teeb.Siin näeme, et PCB on täielikult ära kasutatud.1956. aastal avaldas USA armee patendi "vooluahela kokkupaneku protsessile".Tootjatel on nüüd võimalus nii elektroonikat hoida kui ka vasejälgedega komponentide vahel ühendusi luua.
Kui PCB-d hakkasid tootmismaailmas levima, leidsime end maailma esimesest kosmosevõistlusest.Venemaal on selle aja jooksul olnud hämmastavaid saavutusi, sealhulgas:
1957 Esimese tehissatelliiti Sputnik orbiidile laskmine
1959 Luna 2, esimene kosmoselaev Kuule
1961. aastal saadeti esimene kosmonaut Juri Gagarin Maa orbiidile
Venemaa esimene tehissatelliit Sputnik lasti orbiidile 1957. aastal.
Kus on Ameerika selles kõiges?Peamiselt mahajäänuna kulub sama tehnoloogia väljatöötamiseks tavaliselt aasta või paar.Seda lõhet käsitledes näeme, et USA kosmoseeelarve kasvas 1960. aastal viiekordseks. Meil on ka kuulus 1962. aasta president Kennedy kõne, millest osa tasub tsiteerida:
"Me otsustame Kuule minna!Valime minna Kuule, et teha sel kümnendil muid asju, mitte sellepärast, et need on lihtsad, vaid sellepärast, et need on rasked;sest see eesmärk aitab organiseerida ja mõõta meie parimat energiat ja oskusi, tänu sellele on väljakutsed need, mida me oleme valmis vastu võtma, mida me ei ole nõus edasi lükkama ja mida oleme valmis võitma.– John F. Kennedy, Ameerika Ühendriikide president, 12. september 1962
Kõik see viis ajaloo olulise hetkeni.20. juulil 1969 maandus esimene Ameerika mees Kuule.
Esimene inimene Kuul, ajalooline hetk inimkonnale.
Tulles tagasi PCB-de juurde, lasime 1963. aastal Hazeltyne Corporationil patenteerida esimese kaetud läbiva augu tehnoloogia.See võimaldab komponendid PCB-le tihedalt kokku pakkida, muretsemata ristühenduste pärast.Nägime ka IBMi välja töötatud Surface Mount Technology (SMT) kasutuselevõttu.Neid tihedaid sõlme nähti esmakordselt praktikas Saturni raketivõimendis.
1967 Esimene läbiva auguga PCB tehnoloogia patent.
Mikroprotsessori koidik (1970ndad)
70ndad tõid meile esimese mikroprotsessori integraallülituse (IC) kujul.Selle töötas algselt välja Jack Kilby Texas Instrumentsist 1958. aastal. Kilby oli TI jaoks uus, nii et tema uuenduslikud IC-ideed jäid suures osas vaka alla.Kui aga TI vaneminsenerid saadeti nädalasele koosolekule, jäi Kilby maha ja jooksis ideedega peas.Siin töötas ta TI laborites välja esimese IC-i ja naasvatele inseneridele meeldis see.
Jack Kilby käes on esimene integraallülitus.
1970. aastatel kasutati esimest korda IC-sid elektroonikatööstuses.Kui te praegu ühenduste jaoks PCB-d ei kasuta, olete suures hädas.
Digiajastu koidik (1980ndad)
Digiajastu on toonud kaasa tohutu muutuse meie tarbitavas meedias – kasutusele on võetud isiklikud seadmed nagu plaadid, VHS, kaamerad, mängukonsoolid, walkmanid ja palju muud.
1980. aastal viis Atari videomängukonsool ellu laste unistused.
Oluline on märkida, et trükkplaate joonistati endiselt käsitsi, kasutades valgustahvleid ja šabloone, kuid siis tulid arvutid ja EDA.Siin näeme, et EDA tarkvara nagu Protel ja EAGLE muudavad elektroonika projekteerimise ja tootmise pöörde.PCB foto asemel saame nüüd kujunduse salvestada Gerberi tekstifailina, mille koordinaadid saab PCB tootmiseks tootmismasinatesse sisestada.
Internetiajastu (1990ndad)
90ndatel nägime räni kasutamist täies hoos BGA kasutuselevõtuga.Nüüd saame ühele kiibile mahutada rohkem väravaid ja alustada mälu ja kiibipõhise süsteemi (SoC) manustamist.See oli ka elektroonika suure miniatuursuse periood.Me ei näinud PCB-le uusi funktsioone lisatud, kuid kogu disainiprotsess hakkas muutuma ja arenema, liikudes IC-le.
Disainerid peavad nüüd oma paigutustes rakendama testimiseks disaini (DFT) strateegiaid.Komponendi poputamine ja sinise joone lisamine pole lihtne.Insenerid peavad kujundama oma paigutused tulevast ümbertööd silmas pidades.Kas kõik need komponendid on paigutatud nii, et neid saab kergesti eemaldada?See on suur mure.
See oli ka ajastu, mil väiksemad komponendipaketid, nagu 0402, muutsid trükkplaatide käsitsi jootmise peaaegu võimatuks.Disainer elab nüüd oma EDA tarkvaras ja tootja vastutab füüsilise tootmise ja montaaži eest.
Pinnale kinnitatavad komponendid suurimast väiksemani.
Hübriidajastu (2000ndad ja hiljem)
Lõika tänapäeva elektroonika ja PCB disaini ajastu;mida me nimetame hübriidajastuks.Varem oli meil mitu seadet erinevate vajaduste jaoks.Teil on vaja kalkulaatorit;ostate kalkulaatori.soovite mängida videomänge;ostate videomängukonsooli.Nüüd saate osta nutitelefoni ja hankida 30 erinevat taset sisseehitatud funktsioone.See võib tunduda üsna ilmne, kuid see on üsna jahmatav, kui näete kõike, mida meie nutitelefonid suudavad:
mänguvarustus aadressiraamat e-post vöötkoodi skanner taskulamp kella kaamera navigatsioon
muusikamängija ajakava VCR-kaart Interneti-brauser kalender filmipleieri kalkulaator
Telefoni märkmik piletid salvesti automaatvastaja Lühisõnumiga pangaraamatud
Oleme seadmete konsolideerimise ajastul, kuid mis saab edasi?PCB-d on loodud ja meil on peaaegu kõige jaoks protsessid ja protseduurid.Kiired rakendused on muutumas normiks.Samuti näeme, et ainult 25% trükkplaatide projekteerijatest on alla 45-aastased, samas kui 75% valmistub pensionile jääma.Tööstus näib olevat kriisiajal.
Kas PCB disaini tulevik on robotid?Võib-olla painduva vooluringiga kantavas?Või näeme, et prootonid asendavad elektronid fotoonikaga.Niipalju kui me teame füüsilistest PCB-dest, võib see tulevikus isegi muutuda.Komponentidevahelise ühenduse võimaldamiseks pole vaja füüsilist meediumit, vaid pigem lainetehnoloogia potentsiaali.See võimaldaks komponentidel saata signaale juhtmevabalt, ilma et oleks vaja vaske.
Mida toob tulevik?
Keegi ei tea tegelikult, kuhu trükkplaatide disaini või isegi elektroonika tulevik üldiselt liigub.Sellest on möödas peaaegu 130 aastat, kui meie tootmislihased hakkasid tööle.Sellest ajast peale on maailm suurte toodete, nagu autod, seadmed, arvutid, nutitelefonid ja palju muud, kasutuselevõtuga igaveseks muutunud.Möödas on ajad, mil sõltusime kõigist oma põhielamistest ja ellujäämisest söest, puidust või naftast.Nüüd on meil elektroonilised vidinad, mis suudavad täita meie igapäevaseid vajadusi.
Aga mida toob tulevik?See on suur tundmatu.Me kõik teame, et iga meie ees olev leiutis seisab oma eelkäijate õlgadel.Meie esivanemad tõid PCB-disaini sinna, kus see praegu on, ja nüüd peame uuendusi tegema ja muutma oma disaini ja tehnoloogiaga suhtlemise viisi.Tulevik võib olla ükskõik milline.Tulevik sõltub teist.
Postitusaeg: 17. märts 2023