Mint sok más nagyszerű találmány a történelem során, anyomtatott áramköri lap (PCB)ahogy ma ismerjük, a történelem során elért haladáson alapul.A mi kis világunkban a PCB-k történetét több mint 130 éves múltra tekinthetjük vissza, amikor a világ nagy ipari gépei még csak elkezdődtek.Ebben a blogban nem a teljes történelemmel fogunk foglalkozni, hanem azokkal a fontos pillanatokkal, amelyek a NYÁK-ot olyanná változtatták, amilyen ma.
Miért PCB?
Idővel a PCB-k az elektronikai termékek gyártásának optimalizálására szolgáló eszközzé fejlődtek.Az egykor könnyen kézzel összeszerelhető elemek gyorsan átadták a helyüket a mikroszkopikus, mechanikai pontosságot és hatékonyságot igénylő alkatrészeknek.Vegyük példaként az alábbi ábrán látható két táblát.Az egyik egy régi tábla az 1960-as évekből, számológépekhez.A másik a tipikus nagy sűrűségű alaplap, amelyet a mai számítógépekben láthatunk.
Egy 1968-as számológép és a mai modern alaplapok PCB összehasonlítása.
Egy számológépben 30+ tranzisztorunk lehet, de az alaplap egyetlen chipjén több mint egymillió tranzisztor található.A lényeg az, hogy a technológia és maga a PCB-tervezés fejlődési üteme lenyűgöző.A számológép PCB-jén minden elfér egyetlen chipben a mai kivitelben.Ez felhívja a figyelmet a PCB-gyártás több figyelemre méltó trendjére:
Több funkcionalitást integrálunk olyan fejlett eszközökbe, mint például az integrált áramkörök (IC-k) és a mikroprocesszorok.
A passzív alkatrészeket, például az ellenállásokat és a kondenzátorokat mikroszkopikus szintre zsugorítjuk.
Mindez megnövekedett alkatrészsűrűséghez és bonyolultsághoz vezet áramköri lapjainkon.
Mindezen előrelépések mögött elsősorban termékeink sebességének és funkcionalitásának fejlesztése áll.Elvárjuk, hogy készülékeink azonnal reagáljanak, néhány másodperces késés is őrületbe kergethet bennünket.A funkcionalitás érdekében fontolja meg a videojátékokat.A 80-as években valószínűleg a Pac-Man játéktermekben játszottál.Most a valóság fotorealisztikus ábrázolásait látjuk.A haladás egyszerűen őrült.
A videojátékok látványvilága manapság szinte élethű.
Nyilvánvaló, hogy a PCB-k közvetlen válaszként fejlődtek ki arra, amit eszközeinktől elvárunk.Gyorsabb, olcsóbb, erősebb termékekre van szükségünk, és ezeknek az igényeknek az egyetlen módja a gyártási folyamat miniatürizálása és hatékonyságának javítása.Mikor kezdődött az elektronika és a nyomtatott áramköri lapok fellendülése?Az aranyozott kor hajnalán.
Aranyozott kor (1879-1900)
A hatvanas években véget vetettünk az amerikai polgárháborúnak, és most az amerikai gyártás virágzik.Addig is megteszünk, amit lehet, élelmiszertől a ruhákig, bútorokig és sínekig.A hajózási ipar támadásban van, és a legnagyobb mérnökeink azon dolgoznak, hogyan juttassunk el valakit az Egyesült Államok keleti partjairól a nyugati partokra 5-7 hónap helyett 5-7 nap alatt.
A vasutak a parttól a másikig hónapok helyett napokat vesz igénybe.
Ez idő alatt az otthonokba is bevittük az áramot, először a városokban, majd a külvárosokban és vidéken.A villamos energia ma már a szén, a fa és az olaj helyettesítője.Gondoljon arra, hogy New Yorkban él a zord tél idején, és megpróbál főzni, vagy koszos szénnel vagy halom tűzifával melegíteni.Az elektromosság mindent megváltoztatott.
Érdekesség, hogy az olajpiacot monopolizáló Standard Oil nem szállít olajat benzinhez.A piacuk a főzéshez, sütéshez és világításhoz használt olaj.Az elektromosság megjelenésével a Standard Oilnak új felhasználási módot kellett meghatároznia az olaj számára, amely az autó bevezetésével járna.
1878 májusában a Standard Oil Company részvényeket bocsátott ki, és megkezdődött az olajmonopólium.
Az aranyozott korban nagy felfedezéseket láthattunk az elektromágnesesség terén.Feltaláltuk az elektromos motort, amely az elektromos energiát mechanikai energiává alakítja.Látunk generátorokat is, amelyek az ellenkezőjét teszik, mivel a mechanikai energiát elektromos energiává alakítják át.
Ez volt a zseniális feltalálók ideje is, akik még ma is hatással vannak elektronikus világunkra, többek között:
Thomas Edison feltalálta az izzót 1879-ben, a filmet 1889-ben, és sok más újítást.
Nikola Tesla 1888-ban találta fel az elektromos motort és 1895-ben a váltakozó áramú áramforrást.
Alexander Graham Bell 1876-ban találta fel a telefont.
George Eastman Kodakja 1884-ben találta fel az első fogyasztói fényképezőgépet.
Herman Hollerith 1890-ben feltalálta a táblázatkezelő gépet, majd megalapította az IBM-et.
Az innováció ezen intenzív időszakában az egyik legnagyobb vita az AC és a DC között zajlik.A Tesla váltakozó árama végül ideális módszerré vált az energia nagy távolságokra történő továbbítására.Érdekes módon azonban még ma is foglalkozunk AC-DC konverzióval.
Lehet, hogy az AC megnyerte a csatát, de a DC továbbra is uralja az elektronikát.
Nézze meg bármelyik elektronikus eszközt, amelyet a falra csatlakoztat, át kell alakítania az AC-t egyenárammá.Vagy ha megnézzük a napelemekhez szükséges infrastruktúrát, akkor egyenáramban termelnek áramot, amit áramforrásként vissza kell alakítani váltóárammá, és vissza kell alakítani egyenárammá, hogy eszközeink használhassák.Szinte azt mondhatnánk, hogy az AC-DC vita soha nem ért véget, éppen most sikerült egyensúlyt teremteni két ellentétes elképzelés között.
Egy napelemben sok az AC és DC között oda-vissza.
Vegye figyelembe, hogy a PCB eredeti ötletét nem az aranyozott korban találták fel.A korszak gyártási képességei és az elektromosság széles körben elterjedt hatása nélkül azonban a PCB-k soha nem lennének olyanok, mint ma.
Progresszív korszak (1890-1920)
A progresszív korszakot a társadalmi reformok időszaka jellemezte, amikor a Sherman Antitrust Act-hez hasonló jogszabályok megtörték a Standard Oil monopóliumát.Ekkor látjuk az első PCB szabadalmakat is.1903-ban Albert Hanson német feltaláló brit szabadalmat kért egy többrétegű szigetelőlapon lévő lapos fóliavezetőként leírt eszközre.Ismerős?
Albert Hanson első PCB szabadalmát ábrázoló rajz.
Hansen szabadalmában az átmenő lyukak alkalmazásának fogalmát is leírja.Itt megmutatja, hogy két rétegben függőleges vonalakkal lehet lyukat ütni az elektromos csatlakozáshoz.
Ez idő alatt kezdtük látni, hogy Edison és más üzleti vezetők nagy erőfeszítéseket tettek annak érdekében, hogy az elektromos eszközöket a mindennapi otthonokba vigyék.Ezzel a nyomással a probléma a szabványosítás teljes hiánya.Ha New Yorkban vagy New Jersey-ben élnél, és Edison elektromos árammal kapcsolatos találmányait használnád világításra, fűtésre vagy főzésre, mi történne, ha egy másik városban használnád őket?Nem használhatók, mert minden városnak saját aljzatkonfigurációja van.
A problémát az is tovább rontotta, hogy Edison nem csak egy izzót akart eladni az embereknek, hanem egy szolgáltatást is.Az Edison havi rendszerességgel biztosíthat Önnek villamosenergia-szolgáltatást;akkor izzókat, készülékeket stb. vásárolna. Természetesen ezen szolgáltatások egyike sem kompatibilis más versengő módszerekkel.
Szeretnénk megköszönni Harvey Hubbelnek, hogy végre véget vetett ennek a zűrzavarnak.1915-ben szabadalmaztatta a ma is használatos szabványos fali csatlakozódugót.Most már nincs kenyérpirítónk vagy főzőlapunk, amelyik villanykörte foglalatba van bedugva.Ez óriási győzelem az ipari szabványosítás számára.
Harvey Hubbelnek köszönhetően most már szabványos fali aljzattal rendelkezünk minden elektronikus eszközhöz.
Utolsó megjegyzésként a progresszív korszakot az I. világháború jellemezte. Ez a konfliktus tisztán a mechekre és a lövészárok-háborúra összpontosul.A PCB-koncepciót, sőt az alapvető elektronikát katonai alkalmazásokban még nem használják, de hamarosan igen.
Roaring Twenties (1920-as évek)
Az első világháború befejeztével most a dübörgő húszas években járunk, amely hatalmas fellendülést mutatott az amerikai gazdaságban.A történelem során először többen élnek városokban, mint tanyákon.Azt is kezdjük látni, hogy láncokat és márkákat vezetnek be az Egyesült Államokban.Lehet, hogy van egy-két családi üzlete két különböző városban, de most már vannak nagyobb márkáink és üzleteink, amelyek országosak.
Ennek az időszaknak a legnagyobb találmánya Henry Ford autója és az ehhez szükséges infrastruktúra volt.A helyzet hasonló az 1990-es évekhez, amikor egy jelentős infrastruktúrát kellett kiépíteni az internet és információs korunk kezelésére kapcsolók, útválasztók és optikai kábelek építésével.Az autók sem kivételek.
Henry Ford első autója – egy négykerekű.
Itt láthatjuk, hogy az egykor földutat aszfaltozzák.Az embereknek benzinre volt szükségük járműveik meghajtásához, ezért van szükség benzinkutakra.Vannak javítóműhelyek, tartozékok és egyebek is.Sok ember egész életvitele az autó feltalálásából ered, és így van ma is.
Ebben az időben mutatkoztak be olyan modern készülékek is, amelyekre ma is számítunk, mint például a mosógépek, porszívók és hűtőszekrények.Az emberek először vásárolhatnak romlandó árut az üzletekben, és hosszabb ideig tárolhatják azokat.
De hol vannak a PCB-ink?Még mindig nem láttuk, hogy ez idő alatt piacra dobott készülékekben vagy autókban használták volna őket.1925-ben azonban Charles Ducasse szabadalmat nyújtott be, amely leírta a vezetőképes tinta szigetelőanyagokhoz való hozzáadásának folyamatát.Ez később nyomtatott huzalozási kártyát (PWB) eredményez.Ez a szabadalom az első olyan gyakorlati alkalmazás, amely hasonló a PCB-hez, de csak sík fűtőtekercsként.Még nem kaptunk tényleges elektromos kapcsolatot a tábla és az alkatrészek között, de közeledünk.
A PCB tovább fejlődött, ezúttal Charles Ducas fűtőtekercseként használták.
Nagy gazdasági világválság (1930-as évek)
1929-ben a tőzsde nagyot zuhant, és korunk összes nagy újítása zuhant.Itt 25 feletti munkanélküliségi időszakot, 25 000 bankcsődöt és sok bajt látunk világszerte.Tragikus időszak volt ez az emberiség egésze számára, amely utat nyitott Hitler, Mussolini, Sztálin felemelkedése és jövőbeli világkonfliktusaink előtt.Lehet, hogy a PCB-k eddig hallgattak, de ez most megváltozik.
A nagy gazdasági világválság mindenkit érintett, a bankoktól a hétköznapi munkásokig.
világháború (1939-1945)
A második világháború zajlott, és az Egyesült Államok csatlakozott a harchoz Pearl Harbor 1942-es bombázása után. Pearl Harbor érdekessége az a teljes kommunikációs hiba, amely a támadáshoz vezetett.Az Egyesült Államoknak jó bizonyítékai voltak a közelgő válságra, de a honolului katonai bázisukkal való kapcsolatfelvétel minden módszere sikertelen volt, és a szigetet váratlanul érte.
A kudarc eredményeként a DoD rájött, hogy megbízhatóbb kommunikációs eszközre van szükségük.Ezzel előtérbe került az elektronika, mint a morze-kódot felváltó elsődleges kommunikációs eszköz.
Ugyancsak a második világháború idején tapasztalhattuk a PCB-k első alkalmazását a mai proximity biztosítékokban.Az eszközt nagy sebességű lövedékekhez használják, amelyek nagy távolságú precíziós tüzet igényelnek égen vagy szárazföldön.A proximity fuze-t eredetileg a britek fejlesztették ki, hogy megakadályozzák Hitler hadseregének előretörését.Később megosztották az Egyesült Államokkal, ahol tökéletesítették a tervezést és a gyártást.
Az egyik első PCB-t használó katonai alkalmazás a közeli biztosítékok voltak.
Ez idő alatt az Egyesült Királyságban élő osztrák Paul Eisler is szabadalmaztatta a rézfóliát nem vezető üveghordozóra.Ismerős?Ez az a koncepció, amelyet ma is használunk szigetelő és felül/alsó rézzel ellátott PCB-k gyártására.Eisler egy lépéssel tovább vitte ezt az ötletet, amikor 1943-ban egy rádiót épített a PCB-jéből, amely előkészítette az utat a jövőbeni katonai alkalmazások számára.
Paul Eisler rádiót épített az első nyomtatott áramköri lapból (PCB).
Baby Boom (1940-es évek)
Amikor a második világháború a végéhez közeledett, láttuk, hogy katonáink hazatérnek, családot alapítanak, és egy csomó gyereket szülnek.Figyeld a baby boomokat.A háború utáni korszakban jelentős fejlesztéseket tapasztaltunk a meglévő készülékeken, például a porszívókon, mosógépeken, televíziókon és rádiókon.Most, hogy a nagy recesszió mögöttünk van, sok fogyasztó végre megengedheti magának ezeket az eszközöket otthonában.
Még mindig nem láttunk fogyasztói minőségű PCB-ket.Hol vannak Paul Eisler művei?Vessen egy pillantást erre a régi TV-re alább, és látni fogja az összes alkatrészt, de a mögöttes PCB alap nélkül.
Egy régi Motorola TV 1948-ból, PCB nélkül.
A PCB-k hiánya ellenére 1947-ben láttuk a tranzisztor megérkezését a Bell Labs-hoz. 1953-ban további hat évbe telt, mire az eszközt végre gyártásba kezdték, de miért ilyen sokáig?Akkoriban az információkat folyóiratokon, konferenciákon stb. terjesztették. Az információs korszak előtt az információ terjedésének csak idő kellett, hogy elterjedjen.
Az első tranzisztor a Bell Laboratories-ban született 1947-ben.
A hidegháború korszaka (1947-1991)
A hidegháború beköszöntével jelentős feszültség uralkodott az Egyesült Államok és a Szovjetunió között.A kapitalizmus és a kommunizmus közötti különbségek miatt ez a két óriás szinte háborúban áll egymással, és a világot a nukleáris megsemmisítés veszélye fenyegette.
Ahhoz, hogy elöl maradhasson ebben a fegyverkezési versenyben, mindkét félnek fejlesztenie kell kommunikációs képességét, hogy megértse, mit tesz az ellenség.Itt azt látjuk, hogy a NYÁK-ban a benne rejlő lehetőségeket kihasználják.1956-ban az amerikai hadsereg szabadalmat adott ki egy „áramkör-összeállítási eljárásra”.A gyártóknak most már lehetőségük van az elektronikát megtartani, és réznyomokkal összekapcsolni az alkatrészeket.
Ahogy a PCB-k elkezdtek feltörni a gyártó világban, a világ első űrversenyében találtuk magunkat.Oroszország elképesztő eredményeket ért el ezalatt az idő alatt, többek között:
1957 Az első mesterséges műhold, a Szputnyik felbocsátása
1959 A Luna 2, az első űrhajó felbocsátása a Holdra
1961-ben Jurij Gagarint, az első űrhajóst küldték Föld körüli pályára
Oroszország első mesterséges műholdja, a Szputnyik 1957-ben lőtt fel.
Hol van ebben az egészben Amerika?Főleg lemaradva általában egy-két évbe telik ugyanazon technológia kifejlesztése.Ezt a szakadékot orvosolva azt látjuk, hogy az Egyesült Államok űrköltségvetése 1960-ban ötszörösére nőtt. Megvan még a híres 1962-es Kennedy elnök beszéd is, amelynek egy részét érdemes idézni:
„Azt választjuk, hogy felmegyünk a Holdra!Úgy döntünk, hogy a Holdra megyünk, hogy más dolgokat csináljunk ebben az évtizedben, nem azért, mert könnyűek, hanem azért, mert nehézek;mert ez a cél segít megszervezni és mérni legjobb energiáinkat és képességeinket, ezért a kihívások azok, amelyeket hajlandóak vagyunk vállalni, amit nem vagyunk hajlandóak elhalasztani, és amit hajlandóak vagyunk megnyerni.”– John F. Kennedy, az Egyesült Államok elnöke, 1962. szeptember 12
Mindez a történelem meghatározó pillanatához vezetett.1969. július 20-án az első amerikai ember landolt a Holdon.
Az első ember a Holdon, történelmi pillanat az emberiség számára.
Visszatérve a PCB-kre, 1963-ban a Hazeltyne Corporation szabadalmaztatta az első bevonatos átmenőlyuk-technológiát.Ez lehetővé teszi, hogy az alkatrészek egymáshoz közel helyezkedjenek el a NYÁK-on anélkül, hogy aggódnának a keresztcsatlakozások miatt.Láthattuk továbbá az IBM által kifejlesztett Surface Mount Technology (SMT) bevezetését.Ezeket a sűrű szerelvényeket először egy Saturn rakétaerősítőben látták a gyakorlatban.
1967 Az első átmenő furatú PCB technológiai szabadalom.
A mikroprocesszor hajnala (1970-es évek)
A 70-es évek elhozták nekünk az első mikroprocesszort integrált áramkör (IC) formájában.Ezt eredetileg Jack Kilby, a Texas Instruments munkatársa fejlesztette ki 1958-ban. Kilby új volt a TI-ben, így az IC-kre vonatkozó innovatív ötleteit nagyrészt titokban tartották.Amikor azonban a TI vezető mérnökeit egy hetes megbeszélésre küldték, Kilby hátramaradt, és az ötletekkel a fejében futott.Itt fejlesztette ki az első IC-t a TI laborokban, és a visszatérő mérnökök imádták.
Jack Kilby birtokolja az első integrált áramkört.
Az 1970-es években láttuk először az IC-ket az elektronikai gyártásban.Ezen a ponton, ha nem használ PCB-t a kapcsolatokhoz, nagy bajban van.
A digitális kor hajnala (1980-as évek)
A digitális korszak hatalmas változást hozott az általunk fogyasztott médiában, olyan személyes eszközök megjelenésével, mint a lemezek, VHS, kamerák, játékkonzolok, walkmanek stb.
1980-ban az Atari videojáték-konzol vált valóra a gyerekek álmait.
Fontos megjegyezni, hogy a PCB-ket még mindig kézzel rajzolták fénytáblákkal és sablonokkal, de aztán megjelentek a számítógépek és az EDA.Itt azt látjuk, hogy az EDA szoftverek, mint például a Protel és az EAGLE forradalmasítják az elektronika tervezését és gyártását.A NYÁK-ról készült fotó helyett most Gerber szövegfájlként menthetjük el a tervet, melynek koordinátáit be lehet vinni a gyártógépbe a NYÁK előállításához.
Az internet korszaka (1990-es évek)
A 90-es években láttuk, hogy a szilícium használata teljes lendülettel indult el a BGA bevezetésével.Mostantól több kaput is elhelyezhetünk egyetlen lapkán, és elkezdhetjük a memória és a rendszerek a chipen (SoC) beágyazását.Ez az elektronika nagymértékű miniatürizálásának időszaka is volt.Nem láttunk új funkciókat hozzáadni a PCB-hez, de az egész tervezési folyamat elkezdett változni és fejlődni, átkerült az IC-re.
A tervezőknek most be kell építeniük a tesztelésre tervezett (DFT) stratégiákat az elrendezéseikbe.Nem könnyű feldobni egy komponenst és hozzáadni egy kék vonalat.A mérnököknek a jövőbeli átalakításokat szem előtt tartva kell megtervezniük elrendezéseiket.Mindezek az alkatrészek úgy vannak elhelyezve, hogy könnyen eltávolíthatók legyenek?Ez óriási aggodalomra ad okot.
Ez volt az a korszak is, amikor a kisebb alkatrészcsomagok, mint a 0402 szinte lehetetlenné tették az áramköri lapok kézi forrasztását.A tervező most az EDA szoftverében él, a gyártó pedig felelős a fizikai gyártásért és összeszerelésért.
Felületre szerelhető alkatrészek a legnagyobbtól a legkisebbig.
Hibrid korszak (2000-es évek és utána)
Vágás az elektronika és a PCB tervezés mai korszakához;amit hibrid korszaknak nevezünk.A múltban több eszközünk volt többféle igényre.Számológépre van szüksége;veszel egy számológépet.Videojátékokkal szeretne játszani;veszel egy videojáték-konzolt.Most vásárolhat okostelefont, és 30 különböző szintű beépített funkcióhoz juthat.Ez elég nyilvánvalónak tűnhet, de elég megdöbbentő, ha látod, hogy az okostelefonok mi mindenre képesek:
játékfelszerelés címjegyzék e-mail vonalkód olvasó zseblámpa csengő kamera navigáció
zenelejátszó menetrend Videomagnó térkép Internet böngésző naptár filmlejátszó számológép
Telefonos jegyzetfüzet jegyek felvevő üzenetrögzítő Rövid üzenetű banki könyvek
Az eszközkonszolidáció korszakát éljük, de mi következik?A PCB-ket létrehozták, és szinte mindenre vannak folyamataink és eljárásaink.A nagysebességű alkalmazások már megszokottá válnak.Azt is látjuk, hogy a NYÁK-tervezők mindössze 25%-a 45 év alatti, 75%-uk pedig nyugdíjba készül.Úgy tűnik, hogy az ipar válságos időszakban van.
A PCB tervezés jövője a robotoké lesz?Esetleg flex áramkörű hordhatóban?Vagy láthatjuk, hogy protonok helyettesítik az elektronokat fotonikával.Amennyire a fizikai PCB-kről tudunk, ez még változhat a jövőben.Nincs szükség fizikai közegre, amely lehetővé teszi az alkatrészek közötti kapcsolatot, sokkal inkább a hullámtechnológiában rejlő lehetőségekre van szükség.Ez lehetővé tenné, hogy az alkatrészek vezeték nélkül küldjenek jeleket réz nélkül.
Mit hoz a jövő?
Senki sem tudja igazán, merre tart a PCB tervezés, vagy általában az elektronika jövője.Közel 130 év telt el azóta, hogy a termelő izmaink működni kezdtek.Azóta a világ örökre megváltozott az olyan nagy termékek bevezetésével, mint az autók, készülékek, számítógépek, okostelefonok és egyebek.Elmúltak azok az idők, amikor minden alapvető megélhetésünk és túlélésünk a széntől, a fától vagy az olajtól függött.Most már olyan elektronikus kütyükkel rendelkezünk, amelyek kielégítik napi szükségleteinket.
De mit hoz a jövő?Ez egy nagy ismeretlen.Mindannyian tudjuk, hogy minden előttünk álló találmány az elődök vállán áll.Őseink elhozták a PCB-tervezést oda, ahol ma van, és most meg kell újítanunk és forradalmasítanunk kell a tervezést és a technológiával való interakciót.A jövő bármi lehet.A jövő tőled függ.
Feladás időpontja: 2023. március 17