Comme beaucoup d'autres grandes inventions au cours de l'histoire, lecarte de circuit imprimé (PCB)telle que nous la connaissons aujourd’hui, elle repose sur les progrès réalisés au cours de l’histoire. Dans notre petit coin du monde, nous pouvons retracer l'histoire des PCB il y a plus de 130 ans, lorsque les grandes machines industrielles du monde commençaient tout juste à démarrer. Ce que nous aborderons dans ce blog n’est pas l’histoire complète, mais les moments importants qui ont transformé le PCB en ce qu’il est aujourd’hui.
Pourquoi des PCB ?
Au fil du temps, les PCB sont devenus un outil d’optimisation de la fabrication de produits électroniques. Ce qui était autrefois facile à assembler à la main a rapidement cédé la place à des composants microscopiques exigeant précision et efficacité mécaniques. Prenons comme exemple les deux cartes illustrées dans la figure ci-dessous. L’un est un vieux tableau des années 1960 pour calculatrices. L'autre est la carte mère haute densité typique que vous verrez dans les ordinateurs d'aujourd'hui.
Une comparaison de PCB entre une calculatrice de 1968 et les cartes mères modernes d'aujourd'hui.
Dans une calculatrice, nous pouvons avoir plus de 30 transistors, mais sur une seule puce d'une carte mère, vous trouverez plus d'un million de transistors. Le fait est que le rythme d’avancement de la technologie et de la conception des PCB lui-même est impressionnant. Dans les conceptions actuelles, tout ce qui se trouve sur le PCB d'une calculatrice peut désormais tenir dans une seule puce. Cela attire l'attention sur plusieurs tendances notables dans la fabrication de PCB :
Nous intégrons davantage de fonctionnalités dans les dispositifs avancés tels que les circuits intégrés (CI) et les microprocesseurs.
Nous réduisons les composants passifs tels que les résistances et les condensateurs au niveau microscopique.
Tout cela conduit à une densité et une complexité accrues des composants sur nos circuits imprimés.
Toutes ces avancées sont principalement motivées par des améliorations de la vitesse et de la fonctionnalité de nos produits. Nous nous attendons à ce que nos appareils répondent instantanément, même un retard de quelques secondes peut nous plonger dans une frénésie. Pour la fonctionnalité, pensez aux jeux vidéo. Dans les années 80, vous jouiez probablement à Pac-Man dans une salle d’arcade. Nous voyons désormais des représentations photoréalistes de la réalité. Les progrès sont tout simplement fous.
Les visuels des jeux vidéo sont presque réalistes de nos jours.
Il est clair que les PCB ont évolué en réponse directe à ce que nous attendons de nos appareils. Nous avons besoin de produits plus rapides, moins chers et plus puissants, et la seule façon de répondre à ces demandes est de miniaturiser et d’améliorer l’efficacité du processus de fabrication. Quand a commencé ce boom de l’électronique et des PCB ? A l’aube de l’Age d’Or.
Âge d'or (1879 – 1900)
Nous avons mis fin à la guerre civile américaine dans les années 60, et aujourd’hui l’industrie manufacturière américaine est en plein essor. En attendant, nous faisons ce que nous pouvons, de la nourriture aux vêtements, en passant par les meubles et les rails. L'industrie du transport maritime est à l'offensive et nos meilleurs ingénieurs trouvent comment amener quelqu'un de la côte est des États-Unis vers la côte ouest en 5 à 7 jours au lieu de 5 à 7 mois.
Les chemins de fer faisaient voyager d'un océan à l'autre en quelques jours au lieu de plusieurs mois.
À cette époque, nous avons également introduit l’électricité dans les foyers, d’abord dans les villes, puis dans les banlieues et les zones rurales. L'électricité remplace désormais le charbon, le bois et le pétrole. Pensez à vivre à New York pendant l'hiver rigoureux, en essayant de cuisiner ou de vous réchauffer avec des charbons sales ou des tas de bois de chauffage. L’électricité a changé tout cela.
Un point intéressant est que Standard Oil, qui monopolise le marché pétrolier, ne fournit pas de pétrole pour l’essence. Leur marché est l’huile pour la cuisson, la friture et l’éclairage. Avec l’avènement de l’électricité, Standard Oil a dû définir une nouvelle utilisation du pétrole, qui viendrait avec l’introduction de l’automobile.
En mai 1878, la Standard Oil Company a émis des actions et le monopole pétrolier a commencé.
Au cours de l’âge d’or, nous avons assisté à de grandes découvertes en matière d’électromagnétisme. Nous avons inventé le moteur électrique, qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. On voit aussi des générateurs, qui font l'inverse en convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique.
C’était aussi l’époque des inventeurs de génie qui ont encore aujourd’hui un impact sur notre monde électronique, notamment :
Thomas Edison a inventé l'ampoule en 1879, le film en 1889 et bien d'autres innovations.
Nikola Tesla a inventé le moteur électrique en 1888 et le courant alternatif en 1895.
Alexander Graham Bell a inventé le téléphone en 1876.
Kodak, de George Eastman, a inventé le premier appareil photo grand public en 1884.
Herman Hollerith a inventé la machine à compiler en 1890 et a ensuite fondé IBM.
Durant cette période intense d’innovation, l’un des plus grands débats est celui entre AC et DC. Le courant alternatif de Tesla est finalement devenu la méthode idéale pour transmettre de l'énergie sur de longues distances. Il est toutefois intéressant de noter que nous sommes encore aujourd’hui confrontés à la conversion AC-DC.
AC a peut-être gagné la bataille, mais DC domine toujours l’électronique.
Regardez n'importe quel appareil électronique que vous branchez au mur, vous devez convertir le courant alternatif en courant continu. Ou, si vous regardez l’infrastructure requise pour les panneaux solaires, ils génèrent de l’électricité en courant continu, qui doit être reconvertie en courant alternatif comme source d’énergie, puis en courant continu pour que nos appareils puissent l’utiliser. On pourrait presque dire que le débat AC-DC n’est jamais terminé, un équilibre vient d’être trouvé entre deux idées opposées.
Il y a beaucoup de va-et-vient entre le courant alternatif et le courant continu dans un panneau solaire.
Notez que l’idée originale du PCB n’a pas été inventée à l’âge d’or. Cependant, sans les capacités de fabrication de cette époque et l’influence généralisée de l’électricité, les PCB ne seraient jamais ce qu’ils sont aujourd’hui.
Ère progressiste (1890 – 1920)
L'ère progressiste a été marquée par une période de réforme sociale, avec des lois comme la Sherman Antitrust Act brisant le monopole de la Standard Oil. C’est également à cette époque que l’on voit les premiers brevets PCB. En 1903, l'inventeur allemand Albert Hanson a déposé une demande de brevet britannique pour un dispositif décrit comme un conducteur à feuille plate sur un panneau isolant multicouche. Cela vous semble familier ?
Dessin représentant le premier brevet PCB d'Albert Hanson.
Hansen décrit également le concept d'applications traversantes dans son brevet. Ici, il montre que l'on peut percer un trou en deux couches avec des lignes verticales pour établir une connexion électrique.
À cette époque, nous avons commencé à voir Edison et d’autres chefs d’entreprise faire de grands efforts pour introduire les appareils électriques dans les foyers de tous les jours. Le problème de cette poussée est le manque total de standardisation. Si vous viviez à New York ou dans le New Jersey et utilisiez les inventions électriques d'Edison pour l'éclairage, le chauffage ou la cuisine, que se passerait-il si vous les utilisiez dans une autre ville ? Ils ne peuvent pas être utilisés car chaque ville a sa propre configuration de sockets.
Le problème était également aggravé par le fait qu'Edison ne voulait pas seulement vendre une ampoule aux gens, il voulait également vendre un service. Edison pourrait vous fournir un service d'électricité sur une base mensuelle ; alors vous achèteriez des ampoules, des appareils électroménagers, etc. Bien entendu, aucun de ces services n’est compatible avec d’autres méthodes concurrentes.
Nous tenons à remercier Harvey Hubbel d'avoir enfin mis fin à ce gâchis. En 1915, il a breveté la prise murale standard encore utilisée aujourd'hui. Aujourd’hui, nous n’avons plus de grille-pain ni de plaque chauffante branchée sur une douille d’ampoule. Il s’agit d’une énorme victoire pour la normalisation industrielle.
Grâce à Harvey Hubbel, nous disposons désormais d'une prise murale standardisée pour tous les appareils électroniques.
Pour terminer, l’ère progressiste a été marquée par la Première Guerre mondiale. Ce conflit est purement axé sur les robots et la guerre des tranchées. Le concept PCB, ou même l’électronique de base, n’est pas encore utilisé dans les applications militaires, mais il le sera bientôt.
Années folles (années 1920)
Avec la fin de la Première Guerre mondiale, nous sommes désormais dans les années folles, qui ont vu un énorme boom de l’économie américaine. Pour la première fois dans l’histoire, plus de personnes vivent dans les villes que dans les fermes. Nous commençons également à voir des chaînes et des marques s'introduire aux États-Unis. Vous avez peut-être un ou deux magasins familiaux dans deux villes différentes, mais nous avons désormais de grandes marques et des magasins à l'échelle nationale.
La plus grande invention de cette période fut l'automobile d'Henry Ford et l'infrastructure qu'elle nécessitait. La situation est similaire à celle des années 1990, lorsque nous avons dû construire une infrastructure majeure pour faire face à Internet et à notre ère de l'information en construisant des commutateurs, des routeurs et des câbles à fibres optiques. Les voitures ne font pas exception.
La première voiture d'Henry Ford – un quatre-roues.
Ici, nous voyons ce qui était autrefois un chemin de terre en train d'être pavé. Les gens avaient besoin d’essence pour alimenter leurs véhicules, d’où la nécessité de stations-service. Vous disposez également d'ateliers de réparation, d'accessoires et bien plus encore. Le mode de vie de nombreuses personnes est né de l’invention de l’automobile, et c’est encore le cas aujourd’hui.
C’est également à cette époque que nous avons vu l’introduction d’appareils modernes sur lesquels nous comptons encore aujourd’hui, comme les machines à laver, les aspirateurs et les réfrigérateurs. Pour la première fois, les gens pourront acheter des denrées périssables dans les magasins et les conserver pendant une durée de conservation prolongée.
Mais où sont nos PCB ? Nous ne les avons toujours pas vus utilisés dans des appareils ou des voitures lancés pendant cette période. Cependant, en 1925, Charles Ducasse dépose un brevet décrivant le procédé d'ajout d'encre conductrice aux matériaux isolants. Cela aboutira plus tard à une carte de câblage imprimé (PWB). Ce brevet est la première application pratique similaire à un PCB, mais uniquement en tant que serpentin de chauffage plan. Nous n'avons pas encore établi de véritables connexions électriques entre la carte et les composants, mais nous nous en rapprochons.
Le PCB continue d’évoluer, étant cette fois utilisé comme serpentin de chauffage pour Charles Ducas.
Grande Dépression (années 1930)
En 1929, la bourse s’est effondrée, et toutes les grandes innovations de notre époque se sont effondrées. Nous assistons ici à une période de chômage supérieure à 25 %, à 25 000 faillites bancaires et à de nombreux problèmes dans le monde. Ce fut une période tragique pour l’humanité dans son ensemble, ouvrant la voie à la montée d’Hitler, de Mussolini, de Staline et à nos futurs conflits mondiaux. Les PCB étaient peut-être restés silencieux jusqu'à présent, mais tout est sur le point de changer.
La Grande Dépression a touché tout le monde, des banques aux travailleurs ordinaires.
Seconde Guerre mondiale (1939 – 1945)
La Seconde Guerre mondiale était en cours et les États-Unis ont rejoint la mêlée après le bombardement de Pearl Harbor en 1942. Ce qui est intéressant à propos de Pearl Harbor, c'est l'échec des communications qui a conduit à l'attaque. Les États-Unis avaient de bonnes preuves d’une crise imminente, mais toutes les méthodes de contact avec leur base militaire à Honolulu ont échoué et l’île a été prise au dépourvu.
À la suite de cet échec, le DoD a réalisé qu’il avait besoin d’un moyen de communication plus fiable. Cela a amené l’électronique au premier plan en tant que principal moyen de communication remplaçant le code Morse.
C'est également pendant la Seconde Guerre mondiale que l'on a assisté pour la première fois à l'utilisation de PCB dans les fusibles de proximité que nous connaissons aujourd'hui. L'appareil est utilisé pour les projectiles à grande vitesse qui nécessitent un tir de précision à longue distance dans le ciel ou sur terre. La fusée de proximité a été initialement développée par les Britanniques pour contrer l’avancée de l’armée hitlérienne. Il fut ensuite partagé avec les États-Unis où la conception et la fabrication furent perfectionnées.
L'une des premières applications militaires à utiliser des PCB a été les fusibles de proximité.
Pendant ce temps, nous avons également eu Paul Eisler, un Autrichien vivant au Royaume-Uni, qui a breveté une feuille de cuivre sur un substrat de verre non conducteur. Cela vous semble familier ? C'est un concept que nous utilisons encore aujourd'hui pour fabriquer des PCB avec isolation et cuivre en haut/en bas. Eisler a poussé cette idée encore plus loin lorsqu'il a construit une radio à partir de son PCB en 1943, ce qui ouvrirait la voie à de futures applications militaires.
Paul Eisler a construit une radio à partir du premier circuit imprimé (PCB).
Baby-boomers (années 1940)
Alors que la Seconde Guerre mondiale touchait à sa fin, nous avons vu nos soldats rentrer chez eux, fonder une famille et avoir toute une série d’enfants. Faites signe aux baby-boomers. C’est dans l’après-guerre que nous avons assisté à des améliorations massives des appareils existants tels que les aspirateurs, les machines à laver, les téléviseurs et les radios. Maintenant que la Grande Récession est derrière nous, de nombreux consommateurs peuvent enfin se permettre ces appareils chez eux.
Nous n’avons toujours pas vu de PCB de qualité grand public. Où sont les œuvres de Paul Eisler ? Jetez un œil à ce vieux téléviseur ci-dessous et vous verrez tous les composants, mais sans la base PCB sous-jacente.
Un vieux téléviseur Motorola de 1948, sans PCB.
Malgré le manque de PCB, nous avons assisté à l'arrivée du transistor aux Bell Labs en 1947. Il a fallu encore six ans en 1953 avant que l'appareil ne soit enfin utilisé en production, mais pourquoi si longtemps ? À cette époque, l’information était diffusée par le biais de revues, de conférences, etc. Avant l’ère de l’information, la diffusion de l’information prenait juste du temps.
Le premier transistor est né aux Laboratoires Bell en 1947.
L’ère de la guerre froide (1947 – 1991)
L’avènement de la guerre froide a marqué une période de tension considérable entre les États-Unis et l’Union soviétique. En raison des différences entre le capitalisme et le communisme, ces deux géants sont presque en guerre l’un contre l’autre et menacent le monde d’anéantissement nucléaire.
Pour rester en tête dans cette course aux armements, les deux parties doivent améliorer leur capacité à communiquer pour comprendre ce que fait l’ennemi. Nous voyons ici le PCB utilisé à son plein potentiel. En 1956, l’armée américaine a publié un brevet pour un « procédé d’assemblage de circuits ». Les fabricants disposent désormais d'un moyen à la fois de contenir des composants électroniques et d'établir des connexions entre les composants comportant des traces de cuivre.
Alors que les PCB commençaient à prendre leur essor dans le monde manufacturier, nous nous sommes retrouvés dans la première course spatiale au monde. La Russie a réalisé des réalisations étonnantes au cours de cette période, notamment :
1957 Lancement du premier satellite artificiel, Spoutnik
1959 Lancement de Luna 2, le premier vaisseau spatial à se rendre sur la Lune
En 1961, Youri Gagarine, le premier cosmonaute, est envoyé en orbite autour de la Terre.
Le premier satellite artificiel russe, Spoutnik, a été lancé en 1957.
Où est l’Amérique dans tout cela ? Généralement en retard, il faut généralement un an ou deux pour développer la même technologie. Pour combler cet écart, nous voyons le budget spatial américain quintupler en 1960. Nous avons également le célèbre discours du président Kennedy de 1962, dont une partie mérite d'être citée :
« Nous choisissons d'aller sur la lune ! Nous choisissons d’aller sur la Lune pour faire d’autres choses au cours de cette décennie, non pas parce qu’elles sont faciles, mais parce qu’elles sont difficiles ; parce que cet objectif nous aidera à organiser et à mesurer nos meilleures énergies et compétences, c'est pourquoi les défis sont ce que nous sommes prêts à relever, ce que nous ne sommes pas prêts à reporter et ce que nous sommes prêts à gagner. – John F. Kennedy, président des États-Unis, 12 septembre 1962
Tout cela a conduit à un moment historique dans l’histoire. Le 20 juillet 1969, le premier Américain atterrit sur la Lune.
Le premier homme sur la Lune, un moment historique pour l’humanité.
Pour en revenir aux PCB, en 1963, Hazeltyne Corporation a breveté la première technologie de trous traversants plaqués. Cela permettra aux composants d'être regroupés à proximité sur le PCB sans se soucier des connexions croisées. Nous avons également assisté à l'introduction de la technologie de montage en surface (SMT), développée par IBM. Ces assemblages denses ont été observés pour la première fois en pratique dans un propulseur de fusée Saturne.
1967 Premier brevet sur la technologie PCB traversant.
L'aube du microprocesseur (années 1970)
Les années 70 nous ont apporté le premier microprocesseur sous la forme d’un circuit intégré (IC). Ce système a été développé à l'origine par Jack Kilby de Texas Instruments en 1958. Kilby était nouveau chez TI, ses idées innovantes en matière de circuits intégrés ont donc été largement gardées secrètes. Cependant, lorsque les ingénieurs principaux de TI ont été envoyés à une réunion d'une semaine, Kilby est resté sur place et a couru avec les idées en tête. Ici, il a développé le premier circuit intégré dans les laboratoires de TI, et les ingénieurs de retour l'ont adoré.
Jack Kilby détient le premier circuit intégré.
Dans les années 1970, nous avons assisté pour la première fois à l’utilisation des circuits intégrés dans la fabrication électronique. À ce stade, si vous n'utilisez pas de PCB pour vos connexions, vous avez de gros problèmes.
L'aube de l'ère numérique (années 1980)
L'ère numérique a entraîné un énorme changement dans les médias que nous consommons, avec l'introduction d'appareils personnels tels que les disques, les VHS, les appareils photo, les consoles de jeux, les baladeurs, etc.
En 1980, la console de jeux vidéo Atari réalise les rêves des enfants.
Il est important de noter que les PCB étaient encore dessinés à la main à l’aide de tableaux lumineux et de pochoirs, mais ensuite les ordinateurs et l’EDA sont arrivés. Nous voyons ici des logiciels EDA comme Protel et EAGLE révolutionner la façon dont nous concevons et fabriquons des produits électroniques. Au lieu d'une photo du PCB, nous pouvons désormais enregistrer la conception sous forme de fichier texte Gerber, dont les coordonnées peuvent être saisies dans la machine de fabrication pour produire le PCB.
L'ère d'Internet (années 1990)
Dans les années 90, nous avons vu l’utilisation du silicium prendre son plein essor avec l’introduction du BGA. Nous pouvons désormais installer davantage de portes sur une seule puce et commencer à intégrer ensemble la mémoire et les systèmes sur puce (SoC). C’était aussi une période de forte miniaturisation de l’électronique. Nous n'avons vu aucune nouvelle fonctionnalité ajoutée au PCB, mais l'ensemble du processus de conception a commencé à changer et à évoluer, passant au CI.
Les concepteurs doivent désormais mettre en œuvre des stratégies de conception pour test (DFT) dans leurs mises en page. Il n'est pas facile de faire apparaître un composant et d'ajouter une ligne bleue. Les ingénieurs doivent concevoir leurs mises en page en pensant aux retouches futures. Tous ces composants sont-ils placés de manière à pouvoir être facilement retirés ? C’est une énorme préoccupation.
C’était aussi une époque où des boîtiers de composants plus petits comme le 0402 rendaient presque impossible le soudage manuel des circuits imprimés. Le concepteur vit désormais dans son logiciel EDA et le fabricant est responsable de la production physique et de l'assemblage.
Composants à montage en surface du plus grand au plus petit.
L'ère hybride (années 2000 et au-delà)
Passage à l'ère actuelle de l'électronique et de la conception de circuits imprimés ; ce que nous appelons l’ère hybride. Dans le passé, nous disposions de plusieurs appareils pour répondre à plusieurs besoins. Vous avez besoin d'une calculatrice ; vous achetez une calculatrice. Vous voulez jouer à des jeux vidéo ; vous achetez une console de jeux vidéo. Vous pouvez désormais acheter un smartphone et bénéficier de 30 niveaux différents de fonctionnalités intégrées. Cela peut paraître assez évident, mais c'est assez étonnant quand on voit tout ce que nos smartphones peuvent faire :
équipement de jeu carnet d'adresses e-mail lecteur de codes-barres lampe de poche cloche caméra navigation
Calendrier du lecteur de musique Carte du magnétoscope Navigateur Internet Calendrier Lecteur de film Calculatrice
Carnet de téléphone, enregistreur de tickets, répondeur, livres bancaires à messages courts
Nous sommes à l’ère de la consolidation des appareils, mais quelle est la prochaine étape ? Les PCB sont établis et nous avons des processus et des procédures pour presque tout. Les applications à haut débit deviennent la norme. On constate également que seulement 25 % des concepteurs de PCB ont moins de 45 ans, alors que 75 % se préparent à prendre leur retraite. L'industrie semble être en période de crise.
L’avenir de la conception de PCB sera-t-il celui des robots ? Peut-être dans un portable avec un circuit flexible ? Ou bien nous pourrions voir des protons remplacer les électrons par la photonique. D’après ce que nous savons sur les PCB physiques, cela pourrait même changer à l’avenir. Il n’est pas nécessaire de disposer d’un support physique pour permettre la connexion entre les composants, mais plutôt du potentiel de la technologie ondulatoire. Cela permettrait aux composants d'envoyer des signaux sans fil sans avoir besoin de cuivre.
Que nous réserve l’avenir ?
Personne ne sait vraiment où va l’avenir de la conception de PCB, ou même de l’électronique en général. Cela fait près de 130 ans que nos muscles manufacturiers ont commencé à fonctionner. Depuis lors, le monde a changé à jamais avec l’introduction de produits majeurs comme les voitures, les appareils électroménagers, les ordinateurs, les smartphones, etc. Il est révolu le temps où nous dépendions du charbon, du bois ou du pétrole pour nos moyens de subsistance et notre survie. Nous disposons désormais de gadgets électroniques capables de répondre à nos besoins quotidiens.
Mais que nous réserve l’avenir ? C'est une grande inconnue. Nous savons tous que chaque invention qui nous est présentée repose sur les épaules de ses prédécesseurs. Nos ancêtres ont amené la conception de PCB là où elle est aujourd'hui, et nous devons désormais innover et révolutionner la façon dont nous concevons et interagissons avec la technologie. L'avenir peut être n'importe quoi. L'avenir dépend de vous.
Heure de publication : 17 mars 2023