Kao i mnogi drugi veliki izumi kroz povijest,tiskana ploča (PCB)kakvu danas poznajemo temelji se na napretku ostvarenom kroz povijest.U našem malom kutku svijeta, možemo pratiti povijest PCB-a unatrag više od 130 godina, kada su veliki svjetski industrijski strojevi tek počinjali.Ono što ćemo obraditi u ovom blogu nije potpuna povijest, već važni trenuci koji su transformirali PCB u ono što je danas.
Zašto PCB?
S vremenom su se PCB-i razvili u alat za optimizaciju proizvodnje elektroničkih proizvoda.Ono što je nekoć bilo lako sastaviti ručno brzo je ustupilo mjesto mikroskopskim komponentama koje zahtijevaju mehaničku preciznost i učinkovitost.Uzmite dvije ploče prikazane na donjoj slici kao primjer.Jedna je stara ploča iz šezdesetih za kalkulatore.Druga je tipična matična ploča visoke gustoće koju ćete vidjeti u današnjim računalima.
PCB usporedba između kalkulatora iz 1968. i današnjih modernih matičnih ploča.
U kalkulatoru možemo imati 30+ tranzistora, ali na jednom čipu na matičnoj ploči pronaći ćete više od milijun tranzistora.Poanta je da je stopa napretka tehnologije i samog dizajna PCB-a impresivna.Sve na PCB-u kalkulatora sada može stati u jedan čip u današnjem dizajnu.Ovo skreće pozornost na nekoliko značajnih trendova u proizvodnji PCB-a:
Integriramo više funkcionalnosti u napredne uređaje kao što su integrirani sklopovi (IC) i mikroprocesori.
Pasivne komponente kao što su otpornici i kondenzatori smanjujemo na mikroskopsku razinu.
Sve ovo dovodi do povećane gustoće komponenti i složenosti na našim sklopnim pločama.
Svi ovi pomaci prvenstveno su potaknuti poboljšanjima u brzini i funkcionalnosti naših proizvoda.Očekujemo da će naši uređaji odgovoriti trenutno, čak i nekoliko sekundi kašnjenja može nas dovesti do bijesa.Što se tiče funkcionalnosti, razmislite o video igrama.U 80-ima ste vjerojatno igrali Pac-Mana u igraonici.Sada vidimo fotorealne prikaze stvarnosti.Napredak je jednostavno sulud.
Vizualni elementi videoigara danas su gotovo realistični.
Jasno je da su PCB-i evoluirali izravno kao odgovor na ono što očekujemo od naših uređaja.Trebamo brže, jeftinije, snažnije proizvode, a jedini način da ispunimo te zahtjeve je minijaturizacija i poboljšanje učinkovitosti proizvodnog procesa.Kada je počeo ovaj procvat elektronike i PCB-a?U osvit pozlaćenog doba.
Zlatno doba (1879. – 1900.)
Okončali smo američki građanski rat 60-ih, a sada američka proizvodnja cvjeta.U međuvremenu radimo što možemo, od hrane do odjeće, namještaja i šina.Brodska industrija je u ofenzivi, a naši najveći inženjeri smišljaju kako prevesti nekoga s istočne obale SAD-a na zapadnu obalu za 5 do 7 dana umjesto za 5 do 7 mjeseci.
Zbog željeznica putovanje od obale do obale traje danima umjesto mjesecima.
Tijekom tog vremena uveli smo i struju u dom, prvo u gradovima, a potom iu predgrađima i ruralnim područjima.Električna energija danas je zamjena za ugljen, drva i naftu.Zamislite život u New Yorku tijekom oštre zime, pokušavajući kuhati ili grijati se prljavim ugljenom ili hrpama drva za ogrjev.Struja je sve to promijenila.
Zanimljivo je da Standard Oil, koji monopolizira tržište nafte, ne isporučuje ulje za benzin.Njihovo tržište je ulje za kuhanje, prženje i paljenje.S pojavom električne energije, Standard Oil trebao je definirati novu upotrebu nafte, koja će doći s uvođenjem automobila.
U svibnju 1878. Standard Oil Company izdala je dionice i započeo je naftni monopol.
Tijekom pozlaćenog doba vidjeli smo neka velika otkrića u elektromagnetizmu.Izumili smo elektromotor koji električnu energiju pretvara u mehaničku.Također vidimo generatore, koji rade suprotno pretvarajući mehaničku energiju u električnu.
Bilo je to i vrijeme genijalnih izumitelja koji i danas imaju utjecaja na naš elektronički svijet, uključujući:
Thomas Edison izumio je žarulju 1879., film 1889. i mnoge druge inovacije.
Nikola Tesla izumio je električni motor 1888., a izvor izmjenične struje 1895.
Alexander Graham Bell izumio je telefon 1876.
Kodak Georgea Eastmana izumio je prvi potrošački fotoaparat 1884.
Herman Hollerith izumio je tablični stroj 1890. i osnovao IBM.
Tijekom ovog intenzivnog razdoblja inovacija, jedna od najvećih rasprava je ona između AC i DC.Teslina izmjenična struja s vremenom je postala idealna metoda za prijenos energije na velike udaljenosti.Međutim, zanimljivo je da se i danas bavimo AC-DC pretvorbom.
AC je možda dobio bitku, ali DC još uvijek dominira elektronikom.
Pogledajte bilo koji elektronički uređaj koji uključite u zid, trebate pretvoriti AC u DC.Ili, ako pogledate infrastrukturu potrebnu za solarne panele, oni generiraju električnu energiju u istosmjernoj struji, koja se mora pretvoriti natrag u izmjeničnu struju kao izvor napajanja i natrag u istosmjernu struju da bi je koristili naši uređaji.Moglo bi se gotovo reći da AC-DC rasprava nikad nije završila, upravo je uspostavljena ravnoteža između dvije suprotstavljene ideje.
U solarnoj ploči postoji mnogo promjena između izmjenične i istosmjerne struje.
Imajte na umu da izvorna ideja PCB-a nije izmišljena u pozlaćenom dobu.Međutim, bez proizvodnih mogućnosti ovog doba i široko rasprostranjenog utjecaja električne energije, PCB nikada ne bi bio ono što je danas.
Progresivno doba (1890. – 1920.)
Progresivno doba bilo je obilježeno razdobljem društvenih reformi, sa zakonodavstvom poput Shermanova antimonopolskog zakona koji je razbio monopol Standard Oila.Tada vidimo i prve PCB patente.Godine 1903. njemački izumitelj Albert Hanson prijavio se za britanski patent za uređaj opisan kao ravni vodič od folije na višeslojnoj izolacijskoj ploči.Zvuči poznato?
Crtež koji prikazuje prvi PCB patent Alberta Hansona.
Hansen također opisuje koncept primjene kroz rupu u svom patentu.Ovdje pokazuje da možete probušiti rupu u dva sloja s okomitim linijama kako biste napravili električni spoj.
Tijekom tog vremena počeli smo vidjeti kako Edison i drugi poslovni lideri čine veliki napor da uvedu električne uređaje u svakodnevne domove.Problem s ovim pritiskom je potpuni nedostatak standardizacije.Da živite u New Yorku ili New Jerseyju i koristite Edisonove izume električne energije za rasvjetu, grijanje ili kuhanje, što bi se dogodilo da ih koristite u drugom gradu?Ne mogu se koristiti jer svaki grad ima vlastitu konfiguraciju utičnica.
Problem je pogoršan i činjenicom da Edison ljudima nije želio prodati samo žarulju, već i uslugu.Edison bi vam mogao pružiti uslugu električne energije na mjesečnoj bazi;onda biste kupili žarulje, kućanske aparate itd. Naravno, nijedna od ovih usluga nije kompatibilna s drugim konkurentskim metodama.
Želimo zahvaliti Harveyu Hubbelu što je konačno okončao ovaj nered.Godine 1915. patentirao je standardnu zidnu utičnicu koja se i danas koristi.Sada nemamo toster ili grijaću ploču uključenu u utičnicu za žarulju.Ovo je velika pobjeda za standardizaciju industrije.
Zahvaljujući Harvey Hubbelu, sada imamo standardiziranu zidnu utičnicu za sve elektroničke uređaje.
Kao posljednja napomena, Progresivno je doba obilježeno Prvim svjetskim ratom. Ovaj je sukob isključivo usredotočen na mehove i rovovsko ratovanje.PCB koncept, pa čak ni osnovna elektronika, još se ne koristi u vojnim primjenama, ali uskoro će biti.
Burne dvadesete (1920-e)
Sa završetkom Prvog svjetskog rata, sada smo u burnim dvadesetima, koje su doživjele veliki procvat američkog gospodarstva.Prvi put u povijesti više ljudi živi u gradovima nego na farmama.Također počinjemo vidjeti kako se lanci i robne marke uvode diljem SAD-a.Možda imate obiteljsku trgovinu ili dvije u dva različita grada, ali sada imamo velike robne marke i trgovine koje su nacionalne.
Najveći izum tog razdoblja bio je automobil Henryja Forda i infrastruktura koja mu je bila potrebna.Situacija je slična onoj iz 1990-ih, kada smo morali izgraditi veliku infrastrukturu kako bismo se nosili s internetom i našim informacijskim dobom izgradnjom preklopnika, usmjerivača i optičkih kabela.Automobili nisu iznimka.
Prvi automobil Henryja Forda – četvorotočkaš.
Ovdje vidimo kako se asfaltira nekadašnji zemljani put.Ljudi su trebali benzin za pogon svojih vozila, otuda i potreba za benzinskim postajama.Također imate radionice za popravak, pribor i još mnogo toga.Cijeli način života mnogih ljudi potekao je iz izuma automobila, a tako je i danas.
Također smo u to vrijeme vidjeli uvođenje modernih uređaja na koje se i danas oslanjamo, kao što su perilice rublja, usisavači i hladnjaci.Po prvi put, ljudi će moći kupovati kvarljivu robu u trgovinama i čuvati je na produljeni rok trajanja.
Ali gdje su naši PCB-i?Još uvijek ih nismo vidjeli da se koriste u uređajima ili automobilima koji su lansirani u to vrijeme.Međutim, 1925. Charles Ducasse podnio je patent koji opisuje proces dodavanja vodljive tinte izolacijskim materijalima.To će kasnije rezultirati tiskanom pločom ožičenja (PWB).Ovaj patent je prva praktična primjena slična PCB-u, ali samo kao planarna grijaća spirala.Još uvijek nismo dobili nikakve stvarne električne veze između ploče i komponenti, ali smo blizu.
PCB se nastavio razvijati, ovaj put korišten kao grijaća zavojnica za Charlesa Ducasa.
Velika depresija (1930-ih)
Godine 1929. burza je naglo pala, a sve velike inovacije našeg vremena naglo su pale.Ovdje vidimo razdoblje nezaposlenosti iznad 25%, 25.000 bankrota banaka i mnogo nevolja diljem svijeta.Bilo je to tragično vrijeme za čovječanstvo u cjelini, utirući put usponu Hitlera, Mussolinija, Staljina i našim budućim svjetskim sukobima.PCB-i su možda šutjeli do sada, ali to će se promijeniti.
Velika depresija pogodila je sve, od banaka do običnih radnika.
Drugi svjetski rat (1939. – 1945.)
Drugi svjetski rat je bio u tijeku, a Sjedinjene Države pridružile su se sukobu nakon bombardiranja Pearl Harbora 1942. Ono što je zanimljivo u vezi Pearl Harbora je cjelokupni komunikacijski kvar koji je doveo do napada.SAD je imao dobre dokaze o neizbježnoj krizi, ali sve metode kontakta s njihovom vojnom bazom u Honoluluu bile su neuspješne, a otok je zatečen nespreman.
Kao rezultat ovog neuspjeha, Ministarstvo odbrane je shvatilo da im je potrebno pouzdanije sredstvo komunikacije.To je dovelo elektroniku u prvi plan kao primarno sredstvo komunikacije koje je zamijenilo Morseov kod.
Također smo tijekom Drugog svjetskog rata vidjeli prvu upotrebu PCB-a u bliskim osiguračima koje imamo danas.Uređaj se koristi za projektile velike brzine koji zahtijevaju preciznu paljbu na velikim udaljenostima na nebu ili na kopnu.Blizinski upaljač izvorno su razvili Britanci kako bi se suprotstavili napredovanju Hitlerove vojske.Kasnije je podijeljen sa Sjedinjenim Državama gdje su dizajn i proizvodnja usavršeni.
Jedna od prvih vojnih primjena koja je koristila PCB-e bili su blizinski osigurači.
Tijekom tog vremena također smo imali Paula Eislera, Austrijanca koji živi u UK-u, patentirajući bakrenu foliju na nevodljivoj staklenoj podlozi.Zvuči poznato?Ovo je koncept koji i danas koristimo za izradu PCB-a s izolacijom i bakrom na vrhu/dolje.Eisler je ovu ideju napravio korak dalje kada je 1943. napravio radio od svog PCB-a, što je utrlo put za buduće vojne primjene.
Paul Eisler napravio je radio od prve tiskane ploče (PCB).
Baby Boomers (1940-e)
Kako se Drugi svjetski rat bližio kraju, vidjeli smo kako se naši vojnici vraćaju kući, osnivaju obitelji i imaju hrpu djece.Pratite baby boomere.U poslijeratnom razdoblju vidjeli smo golema poboljšanja postojećih uređaja kao što su usisavači, perilice rublja, televizori i radiji.Sada kada je velika recesija iza nas, mnogi potrošači si konačno mogu priuštiti ove uređaje u svojim domovima.
Još uvijek nismo vidjeli PCB-e za potrošače.Gdje su djela Paula Eislera?Pogledajte ovaj stari TV ispod i vidjet ćete sve komponente, ali bez PCB temelja.
Stari Motorola TV iz 1948., bez PCB-a.
Unatoč nedostatku PCB-a, vidjeli smo dolazak tranzistora u Bell Labs 1947. Trebalo je još šest godina 1953. prije nego što je uređaj konačno korišten u proizvodnji, ali zašto tako dugo?U to su se vrijeme informacije širile putem časopisa, konferencija, itd. Prije informacijskog doba, za širenje informacija trebalo je samo vrijeme.
Prvi tranzistor rođen je u Bell Laboratories 1947.
Razdoblje hladnog rata (1947. – 1991.)
Dolazak ere Hladnog rata označio je značajno razdoblje napetosti između Sjedinjenih Država i Sovjetskog Saveza.Zbog razlika između kapitalizma i komunizma, ova dva diva su gotovo u međusobnom ratu i doveli su svijet u opasnost od nuklearnog uništenja.
Kako bi ostale u prednosti u ovoj utrci u naoružanju, obje strane moraju poboljšati svoju sposobnost komunikacije kako bi razumjele što neprijatelj radi.Ovdje vidimo da se PCB koristi do svog punog potencijala.Godine 1956. američka vojska objavila je patent za "proces sklapanja strujnog kruga".Proizvođači sada imaju način da drže elektroniku i uspostave veze između komponenti s bakrenim tragovima.
Kako su PCB-i počeli uzimati maha u svijetu proizvodnje, našli smo se u prvoj svjetskoj svemirskoj utrci.Rusija je u to vrijeme postigla neka nevjerojatna postignuća, uključujući:
1957. Lansiranje prvog umjetnog satelita Sputnika
1959. Lansiranje Lune 2, prve svemirske letjelice na Mjesec
Godine 1961. Jurij Gagarin, prvi kozmonaut, poslan je u orbitu oko Zemlje
Prvi ruski umjetni satelit, Sputnik, lansiran je 1957. godine.
Gdje je Amerika u svemu tome?Uglavnom zaostaje, obično je potrebno godinu ili dvije da se razvije ista tehnologija.Rješavajući ovaj jaz, vidimo da se američki svemirski proračun upeterostručio 1960. Također imamo slavni govor predsjednika Kennedyja iz 1962., čiji dio vrijedi citirati:
“Odlučili smo se otići na Mjesec!Odabrali smo otići na Mjesec kako bismo radili druge stvari u ovom desetljeću, ne zato što su lake, već zato što su teške;jer će ovaj cilj pomoći organizirati i izmjeriti našu najbolju energiju i vještine, zbog toga su izazovi ono što smo voljni prihvatiti, što ne želimo odgoditi i što smo voljni pobijediti.”– John F. Kennedy, predsjednik Sjedinjenih Država, 12. rujna 1962
Sve je to dovelo do prekretnice u povijesti.20. srpnja 1969. prvi američki čovjek sletio je na Mjesec.
Prvi čovjek na Mjesecu, povijesni trenutak za čovječanstvo.
Vraćajući se na PCB-e, 1963. godine tvrtka Hazeltyne Corporation patentirala je prvu tehnologiju pločastih otvora.Ovo će omogućiti da se komponente upakiraju blizu jedna drugoj na tiskanoj ploči bez brige o križnim spojevima.Također smo vidjeli uvođenje Surface Mount Technology (SMT), koju je razvio IBM.Ovi gusti sklopovi su prvi put viđeni u praksi u raketnom pojačivaču Saturn.
1967. Prvi patent PCB tehnologije s rupama.
Zora mikroprocesora (1970-e)
Sedamdesete su nam donijele prvi mikroprocesor u obliku integriranog kruga (IC).Ovo je izvorno razvio Jack Kilby iz Texas Instrumentsa 1958. godine. Kilby je bio nov u TI-ju, pa su njegove inovativne ideje za IC-ove uglavnom držane u tajnosti.Međutim, kad su viši inženjeri TI-ja poslani na jednotjedni sastanak, Kilby je ostao i pobjegao s idejama u glavi.Ovdje je razvio prvi IC u TI laboratorijima, a svidjeli su ga inženjeri koji su se vraćali.
Jack Kilby drži prvi integrirani krug.
U 1970-ima vidjeli smo prvu upotrebu IC-ova u proizvodnji elektronike.U ovom trenutku, ako ne koristite PCB za svoje veze, u velikoj ste nevolji.
Zora digitalnog doba (1980-e)
Digitalno doba donijelo je veliku promjenu u medijima koje konzumiramo, uvođenjem osobnih uređaja kao što su diskovi, VHS, kamere, igraće konzole, walkmani i još mnogo toga.
Godine 1980. konzola za video igre Atari ostvarila je dječje snove.
Važno je napomenuti da su se PCB-ovi još uvijek crtali ručno pomoću svjetlosnih ploča i šablona, ali onda su se pojavila računala i EDA.Ovdje vidimo da EDA softver poput Protela i EAGLEa revolucionira način na koji dizajniramo i proizvodimo elektroniku.Umjesto fotografije PCB-a, sada možemo spremiti dizajn kao Gerber tekstualnu datoteku, čije se koordinate mogu unijeti u strojeve za izradu PCB-a.
Doba interneta (1990-e)
U 90-ima smo vidjeli da je uporaba silicija u punom zamahu s uvođenjem BGA.Sada možemo staviti više vrata na jedan čip i početi zajedno ugrađivati memoriju i sustave na čipu (SoC).To je također bilo razdoblje visoke minijaturizacije elektronike.Nismo vidjeli nikakve nove značajke dodane PCB-u, ali se cijeli proces dizajna počeo mijenjati i razvijati, prelazeći na IC.
Dizajneri sada moraju implementirati strategije dizajna za testiranje (DFT) u svoje izglede.Nije lako otvoriti komponentu i dodati plavu liniju.Inženjeri moraju dizajnirati svoje izglede imajući na umu buduće prerade.Jesu li sve ove komponente postavljene tako da se mogu lako ukloniti?Ovo je velika briga.
Bilo je to također doba kada su manji paketi komponenti poput 0402 učinili ručno lemljenje tiskanih ploča gotovo nemogućim.Dizajner sada živi u svom EDA softveru, a proizvođač je odgovoran za fizičku proizvodnju i montažu.
Komponente za površinsku montažu od najvećih do najmanjih.
Hibridno doba (2000-e i kasnije)
Presjeci u današnju eru elektronike i PCB dizajna;ono što nazivamo hibridnom erom.U prošlosti smo imali više uređaja za različite potrebe.Potreban vam je kalkulator;kupiš kalkulator.Želite igrati video igrice;kupite konzolu za video igre.Sada možete kupiti pametni telefon i dobiti 30 različitih razina ugrađenih značajki.Ovo se može činiti prilično očiglednim, ali prilično je zapanjujuće kada zapravo vidite sve stvari koje naši pametni telefoni mogu:
oprema za igranje adresar e-pošta skener crtičnog koda svjetiljka zvono kamera navigacija
music player raspored VCR karta Internet preglednik kalendar movie player kalkulator
Telefonska bilježnica, ulaznice, snimač, automatska sekretarica, Bankovne knjige s kratkim porukama
U dobu smo konsolidacije uređaja, ali što je sljedeće?PCB-i su uspostavljeni i imamo procese i procedure za gotovo sve.Aplikacije velike brzine postaju norma.Također vidimo da je samo 25% PCB dizajnera mlađe od 45 godina, dok se 75% sprema otići u mirovinu.Čini se da je industrija u kriznom razdoblju.
Hoće li budućnost PCB dizajna biti roboti?Možda u nosivom uređaju sa savitljivim krugom?Ili možemo vidjeti kako protoni zamjenjuju elektrone fotonikom.Što se tiče onoga što znamo o fizičkim PCB-ima, to bi se moglo promijeniti u budućnosti.Ne postoji potreba za fizičkim medijem koji bi omogućio povezivanje komponenti, već potencijal valne tehnologije.To bi komponentama omogućilo bežično slanje signala bez potrebe za bakrom.
Što donosi budućnost?
Nitko zapravo ne zna kamo ide budućnost PCB dizajna, pa čak ni elektronike općenito.Prošlo je gotovo 130 godina otkako su naši proizvodni mišići počeli raditi.Od tada se svijet zauvijek promijenio uvođenjem velikih proizvoda kao što su automobili, uređaji, računala, pametni telefoni itd.Prošli su dani kada smo o ugljenu, drvu ili nafti ovisili o osnovnim sredstvima za život i preživljavanju.Sada imamo elektroničke naprave koje mogu zadovoljiti naše svakodnevne potrebe.
Ali što nosi budućnost?Ovo je velika nepoznanica.Svi znamo da svaki izum pred nama stoji na ramenima svojih prethodnika.Naši preci donijeli su PCB dizajn tamo gdje je danas, a sada moramo inovirati i revolucionirati način na koji dizajniramo i komuniciramo s tehnologijom.Budućnost može biti bilo što.Budućnost ovisi o vama.
Vrijeme objave: 17. ožujka 2023