Seperti banyak penemuan besar lainnya sepanjang sejarah,papan sirkuit tercetak (PCB)seperti yang kita ketahui saat ini didasarkan pada kemajuan yang dicapai sepanjang sejarah. Di sudut kecil dunia ini, kita dapat menelusuri sejarah PCB lebih dari 130 tahun yang lalu, ketika mesin-mesin industri besar di dunia baru saja dimulai. Yang akan kami bahas di blog ini bukanlah sejarah lengkapnya, melainkan momen-momen penting yang mengubah PCB menjadi seperti sekarang ini.
Mengapa PCB?
Seiring berjalannya waktu, PCB telah berkembang menjadi alat untuk mengoptimalkan pembuatan produk elektronik. Apa yang dulunya mudah dirakit dengan tangan dengan cepat digantikan oleh komponen mikroskopis yang memerlukan presisi dan efisiensi mekanis. Ambil dua papan yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini sebagai contoh. Salah satunya adalah papan tua dari tahun 1960an untuk kalkulator. Yang lainnya adalah motherboard dengan kepadatan tinggi yang biasa Anda lihat di komputer masa kini.
Perbandingan PCB antara kalkulator tahun 1968 dan motherboard modern saat ini.
Dalam sebuah kalkulator kita mungkin memiliki 30+ transistor, tetapi pada satu chip di motherboard Anda akan menemukan lebih dari satu juta transistor. Intinya, laju kemajuan teknologi dan desain PCB itu sendiri sangat mengesankan. Segala sesuatu di kalkulator PCB sekarang dapat dimasukkan ke dalam satu chip dalam desain masa kini. Hal ini menarik perhatian pada beberapa tren penting dalam pembuatan PCB:
Kami mengintegrasikan lebih banyak fungsi ke dalam perangkat canggih seperti sirkuit terpadu (IC) dan mikroprosesor.
Kami mengecilkan komponen pasif seperti resistor dan kapasitor hingga ke tingkat mikroskopis.
Semua ini mengarah pada peningkatan kepadatan dan kompleksitas komponen pada papan sirkuit kami.
Semua kemajuan ini terutama didorong oleh peningkatan kecepatan dan fungsionalitas produk kami. Kami berharap perangkat kami merespons secara instan, bahkan penundaan beberapa detik pun dapat membuat kami menjadi gila. Untuk fungsionalitas, pertimbangkan video game. Di tahun 80an, Anda mungkin memainkan Pac-Man di arcade. Sekarang kita melihat representasi fotoreal dari realitas. Kemajuannya sungguh gila.
Visual video game hampir seperti aslinya saat ini.
Jelas bahwa PCB telah berevolusi sebagai respons langsung terhadap apa yang kita harapkan dari perangkat kita. Kita membutuhkan produk yang lebih cepat, lebih murah, dan lebih bertenaga, dan satu-satunya cara untuk memenuhi permintaan ini adalah dengan memperkecil dan meningkatkan efisiensi proses produksi. Kapan booming elektronik dan PCB ini dimulai? Di awal Zaman Emas.
Zaman Emas (1879 – 1900)
Kita mengakhiri Perang Saudara Amerika pada tahun 60an, dan sekarang manufaktur Amerika sedang booming. Sementara itu, kami melakukan apa yang kami bisa, mulai dari makanan hingga pakaian, perabotan, dan rel kereta api. Industri perkapalan sedang menyerang, dan teknisi terhebat kami sedang mencari cara untuk membawa seseorang dari pantai timur AS ke pantai barat dalam 5 hingga 7 hari, bukan 5 hingga 7 bulan.
Rel kereta api membuat perjalanan dari pantai ke pantai memakan waktu berhari-hari, bukan berbulan-bulan.
Selama ini, kami juga menyalurkan listrik ke rumah, pertama di kota, lalu di pinggiran kota dan pedesaan. Listrik kini menjadi pengganti batu bara, kayu, dan minyak. Bayangkan tinggal di New York selama musim dingin yang keras, mencoba memasak atau menghangatkan diri dengan batu bara kotor atau tumpukan kayu bakar. Listrik mengubah semua itu.
Hal yang menarik adalah Standard Oil, yang memonopoli pasar minyak, tidak memasok minyak untuk bensin. Pasar mereka adalah minyak untuk memasak, menggoreng, dan penerangan. Dengan munculnya listrik, Standard Oil perlu menentukan kegunaan baru minyak, yang akan muncul seiring dengan diperkenalkannya mobil.
Pada bulan Mei 1878, Standard Oil Company menerbitkan saham, dan monopoli minyak dimulai.
Selama Zaman Emas kita melihat beberapa penemuan besar dalam bidang elektromagnetisme. Kami menemukan motor listrik, yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Kita juga melihat generator yang melakukan hal sebaliknya dengan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Itu juga merupakan masa para penemu jenius yang masih memberikan pengaruh pada dunia elektronik kita saat ini, termasuk:
Thomas Edison menemukan bola lampu pada tahun 1879, film pada tahun 1889, dan masih banyak inovasi lainnya.
Nikola Tesla menemukan motor listrik pada tahun 1888 dan sumber listrik AC pada tahun 1895.
Alexander Graham Bell menemukan telepon pada tahun 1876.
Kodak karya George Eastman menemukan kamera konsumen pertama pada tahun 1884.
Herman Hollerith menemukan mesin tabulasi pada tahun 1890 dan kemudian mendirikan IBM.
Selama periode inovasi yang intens ini, salah satu perdebatan terbesar adalah antara AC dan DC. Arus bolak-balik Tesla akhirnya menjadi metode ideal untuk mentransmisikan daya dalam jarak jauh. Menariknya, kita masih berurusan dengan konversi AC-DC hingga saat ini.
AC mungkin memenangkan pertarungan, tetapi DC masih mendominasi elektronik.
Lihatlah perangkat elektronik apa pun yang Anda colokkan ke dinding, Anda perlu mengubah AC ke DC. Atau, jika Anda melihat infrastruktur yang diperlukan untuk panel surya, panel surya menghasilkan listrik dalam DC, yang harus diubah kembali menjadi AC sebagai sumber listrik, dan kembali ke DC agar perangkat kita dapat digunakan. Bisa dibilang perdebatan AC-DC tidak pernah berakhir, keseimbangan baru saja tercapai antara dua gagasan yang berlawanan.
Ada banyak bolak-balik antara AC dan DC di panel surya.
Perhatikan bahwa ide asli PCB tidak ditemukan pada Zaman Emas. Namun, tanpa kemampuan manufaktur di era ini, dan pengaruh listrik yang luas, PCB tidak akan pernah bisa seperti sekarang ini.
Era Progresif (1890 – 1920)
Era Progresif ditandai dengan periode reformasi sosial, dengan undang-undang seperti Sherman Antitrust Act yang mematahkan monopoli Standard Oil. Ini juga saat kita melihat paten PCB pertama. Pada tahun 1903, penemu Jerman Albert Hanson mengajukan paten Inggris untuk perangkat yang digambarkan sebagai konduktor foil datar pada papan isolasi multilayer. Kedengarannya familier?
Gambar yang menggambarkan paten PCB pertama Albert Hanson.
Hansen juga menjelaskan konsep aplikasi through-hole dalam patennya. Di sini dia menunjukkan bahwa Anda dapat membuat lubang dalam dua lapisan dengan garis vertikal untuk membuat sambungan listrik.
Pada masa ini, kami mulai melihat Edison dan para pemimpin bisnis lainnya melakukan upaya besar untuk menghadirkan perangkat listrik ke rumah sehari-hari. Masalah dengan dorongan ini adalah kurangnya standarisasi. Jika Anda tinggal di New York atau New Jersey dan menggunakan penemuan listrik Edison untuk penerangan, pemanas atau memasak, apa yang akan terjadi jika Anda menggunakannya di kota lain? Mereka tidak dapat digunakan karena setiap kota memiliki konfigurasi soketnya sendiri.
Masalahnya juga diperburuk oleh kenyataan bahwa Edison tidak hanya ingin menjual bola lampu kepada orang-orang, ia juga ingin menjual jasa. Edison dapat memberi Anda layanan listrik setiap bulan; maka Anda akan membeli bola lampu, peralatan, dll. Tentu saja, tidak satu pun dari layanan ini yang kompatibel dengan metode pesaing lainnya.
Kami ingin berterima kasih kepada Harvey Hubbel karena akhirnya mengakhiri kekacauan ini. Pada tahun 1915, ia mematenkan colokan stopkontak standar yang masih digunakan sampai sekarang. Sekarang kita tidak memiliki pemanggang roti atau piring panas yang dicolokkan ke soket bola lampu. Ini adalah kemenangan besar bagi standardisasi industri.
Berkat Harvey Hubbel, kami kini memiliki stopkontak standar untuk semua perangkat elektronik.
Sebagai catatan terakhir, Era Progresif ditandai dengan Perang Dunia I. Konflik ini murni terfokus pada mekanisme dan perang parit. Konsep PCB, atau bahkan elektronik dasar, belum digunakan dalam aplikasi militer, tetapi akan segera digunakan.
Gemuruh Dua Puluh (1920-an)
Dengan berakhirnya Perang Dunia I, kita sekarang berada di era Roaring Twenties, yang menyaksikan ledakan besar dalam perekonomian Amerika. Untuk pertama kalinya dalam sejarah, lebih banyak orang tinggal di kota dibandingkan di pertanian. Kami juga mulai melihat rantai dan merek diperkenalkan di seluruh Amerika. Anda mungkin memiliki satu atau dua toko keluarga di dua kota berbeda, namun kini kami memiliki merek dan toko besar yang berskala nasional.
Penemuan terbesar pada periode ini adalah mobil Henry Ford dan infrastruktur yang dibutuhkannya. Situasinya mirip dengan tahun 1990an, ketika kita harus membangun infrastruktur besar untuk menghadapi internet dan era informasi dengan membangun switch, router, dan kabel serat optik. Tak terkecuali mobil.
Mobil pertama Henry Ford – kendaraan roda empat.
Di sini kita melihat apa yang dulunya jalan tanah sedang diaspal. Masyarakat membutuhkan bensin untuk menggerakkan kendaraannya, oleh karena itu perlu adanya pompa bensin. Anda juga memiliki bengkel, aksesoris, dan banyak lagi. Seluruh cara hidup banyak orang bermula dari penemuan mobil, dan hal tersebut masih berlaku sampai sekarang.
Pada masa inilah kita melihat diperkenalkannya peralatan modern yang masih kita andalkan hingga saat ini, seperti mesin cuci, penyedot debu, dan lemari es. Untuk pertama kalinya, masyarakat dapat membeli barang-barang yang mudah rusak di toko dan menyimpannya untuk jangka waktu yang lebih lama.
Tapi di mana PCB kita? Kami masih belum melihatnya digunakan pada peralatan atau mobil apa pun yang diluncurkan selama ini. Namun, pada tahun 1925, Charles Ducasse mengajukan paten yang menjelaskan proses penambahan tinta konduktif pada bahan isolasi. Ini nantinya akan menghasilkan papan kabel tercetak (PWB). Paten ini merupakan aplikasi praktis pertama yang mirip dengan PCB, tetapi hanya sebagai koil pemanas planar. Kami belum mendapatkan sambungan listrik nyata antara papan dan komponennya, tapi kami sudah semakin dekat.
PCB terus berkembang, kali ini digunakan sebagai koil pemanas untuk Charles Ducas.
Depresi Hebat (1930-an)
Pada tahun 1929, pasar saham anjlok, dan semua inovasi besar di zaman kita anjlok. Di sini kita melihat periode pengangguran di atas 25%, 25.000 bank bangkrut, dan banyak masalah di seluruh dunia. Ini adalah masa yang tragis bagi umat manusia secara keseluruhan, yang membuka jalan bagi kebangkitan Hitler, Mussolini, Stalin, dan konflik-konflik dunia di masa depan. PCB mungkin diam sampai sekarang, tapi itu semua akan berubah.
Depresi Hebat berdampak pada semua orang, mulai dari bank hingga pekerja biasa.
Perang Dunia II (1939 – 1945)
Perang Dunia II sedang berlangsung, dan Amerika Serikat ikut terlibat setelah pemboman Pearl Harbor pada tahun 1942. Yang menarik tentang Pearl Harbor adalah kegagalan komunikasi secara keseluruhan yang menyebabkan serangan tersebut. AS mempunyai bukti kuat akan terjadinya krisis, namun semua metode kontak dengan pangkalan militer mereka di Honolulu tidak berhasil, dan pulau tersebut menjadi lengah.
Akibat kegagalan ini, Departemen Pertahanan menyadari bahwa mereka membutuhkan sarana komunikasi yang lebih andal. Hal ini menjadikan elektronik sebagai alat komunikasi utama yang menggantikan kode Morse.
Pada masa Perang Dunia II juga kita melihat penggunaan pertama PCB pada sekring jarak dekat yang kita miliki saat ini. Perangkat ini digunakan untuk proyektil berkecepatan tinggi yang memerlukan penembakan presisi jarak jauh di langit atau di darat. Proximity fuze awalnya dikembangkan oleh Inggris untuk melawan kemajuan tentara Hitler. Pesawat ini kemudian dibagikan ke Amerika Serikat di mana desain dan pembuatannya disempurnakan.
Salah satu aplikasi militer pertama yang menggunakan PCB adalah sekering jarak.
Selama waktu ini, kami juga memiliki Paul Eisler, seorang Austria yang tinggal di Inggris, yang mematenkan foil tembaga pada substrat kaca non-konduktif. Kedengarannya familier? Ini adalah konsep yang masih kami gunakan hingga saat ini untuk membuat PCB dengan insulasi dan tembaga di bagian atas/bawah. Eisler mengambil ide ini selangkah lebih maju ketika dia membuat radio dari PCB-nya pada tahun 1943, yang akan membuka jalan bagi aplikasi militer di masa depan.
Paul Eisler membuat radio dari papan sirkuit cetak (PCB) pertama.
Generasi Baby Boom (1940-an)
Menjelang berakhirnya Perang Dunia II, kami melihat tentara kami pulang, berkeluarga, dan memiliki banyak anak. Isyarat pada generasi baby boomer. Pada era pascaperang kita melihat perbaikan besar-besaran pada peralatan yang ada seperti penyedot debu, mesin cuci, televisi, dan radio. Kini, setelah Resesi Hebat telah berlalu, banyak konsumen yang akhirnya mampu membeli perangkat ini di rumah mereka.
Kami masih belum melihat PCB tingkat konsumen. Dimana karya Paul Eisler? Lihatlah TV lama di bawah ini dan Anda akan melihat semua komponennya, tetapi tanpa dasar PCB yang mendasarinya.
TV Motorola lama dari tahun 1948, tanpa PCB.
Meskipun kurangnya PCB, kami melihat kedatangan transistor di Bell Labs pada tahun 1947. Butuh enam tahun lagi pada tahun 1953 sebelum perangkat tersebut akhirnya digunakan dalam produksi, tetapi mengapa begitu lama? Pada masa itu, informasi disebarluaskan melalui jurnal, konferensi, dll. Sebelum era informasi, penyebaran informasi hanya membutuhkan waktu untuk menyebar.
Transistor pertama lahir di Bell Laboratories pada tahun 1947.
Era Perang Dingin (1947 – 1991)
Munculnya era Perang Dingin menandai periode ketegangan yang cukup besar antara Amerika Serikat dan Uni Soviet. Karena perbedaan antara kapitalisme dan komunisme, kedua raksasa ini hampir berperang satu sama lain dan menempatkan dunia di bawah ancaman pemusnahan nuklir.
Untuk tetap menjadi yang terdepan dalam perlombaan senjata ini, kedua belah pihak harus meningkatkan kemampuan komunikasi mereka untuk memahami apa yang sedang dilakukan musuh. Di sini kita melihat PCB digunakan secara maksimal. Pada tahun 1956, Angkatan Darat AS menerbitkan paten untuk “proses perakitan sirkuit”. Produsen kini memiliki cara untuk menyimpan barang elektronik dan membuat sambungan antar komponen dengan jejak tembaga.
Saat PCB mulai populer di dunia manufaktur, kami berada dalam perlombaan luar angkasa pertama di dunia. Rusia telah menorehkan beberapa prestasi luar biasa selama ini, antara lain:
1957 Peluncuran satelit buatan pertama, Sputnik
1959 Peluncuran Luna 2, pesawat ruang angkasa pertama ke Bulan
Pada tahun 1961 Yuri Gagarin, kosmonot pertama, dikirim ke orbit Bumi
Satelit buatan pertama Rusia, Sputnik, diluncurkan pada tahun 1957.
Di manakah posisi Amerika dalam semua ini? Terutama tertinggal, biasanya diperlukan waktu satu atau dua tahun untuk mengembangkan teknologi yang sama. Untuk mengatasi kesenjangan ini, kita melihat anggaran ruang angkasa AS tumbuh lima kali lipat pada tahun 1960. Kita juga melihat pidato Presiden Kennedy yang terkenal pada tahun 1962, yang sebagiannya patut dikutip:
“Kami memilih untuk pergi ke bulan! Kita memilih pergi ke bulan untuk melakukan hal-hal lain pada dekade ini, bukan karena hal itu mudah, namun karena hal itu sulit; karena tujuan ini akan membantu mengatur dan mengukur tenaga dan keterampilan terbaik kita, oleh karena itu Tantangan adalah apa yang bersedia kita ambil, apa yang tidak ingin kita tunda, dan apa yang ingin kita menangkan.” – John F.Kennedy, Presiden Amerika Serikat, 12 September 1962
Semua ini mengarah pada momen penting dalam sejarah. Pada tanggal 20 Juli 1969, manusia Amerika pertama mendarat di bulan.
Manusia pertama di bulan, momen bersejarah bagi umat manusia.
Kembali ke PCB, pada tahun 1963 kami meminta Hazeltyne Corporation mematenkan teknologi lubang tembus berlapis pertama. Hal ini akan memungkinkan komponen untuk dikemas berdekatan pada PCB tanpa khawatir akan adanya koneksi silang. Kami juga melihat diperkenalkannya Surface Mount Technology (SMT), yang dikembangkan oleh IBM. Kumpulan padat ini pertama kali terlihat dalam praktik di pendorong roket Saturnus.
1967 Paten teknologi PCB lubang pertama.
Fajar Mikroprosesor (1970-an)
Tahun 70an menghadirkan mikroprosesor pertama dalam bentuk sirkuit terpadu (IC). Ini awalnya dikembangkan oleh Jack Kilby dari Texas Instruments pada tahun 1958. Kilby masih baru di TI, jadi ide inovatifnya untuk IC sebagian besar dirahasiakan. Namun, ketika para insinyur senior TI dikirim ke pertemuan selama seminggu, Kilby tetap tinggal dan menjalankan ide-ide di kepalanya. Di sini, ia mengembangkan IC pertama di laboratorium TI, dan para insinyur yang kembali menyukainya.
Jack Kilby memegang sirkuit terpadu pertama.
Pada tahun 1970-an, kita melihat penggunaan IC pertama kali dalam manufaktur elektronik. Pada titik ini, jika Anda tidak menggunakan PCB untuk koneksi Anda, Anda berada dalam masalah besar.
Fajar Era Digital (1980-an)
Era digital telah membawa perubahan besar dalam media yang kita konsumsi, dengan diperkenalkannya perangkat pribadi seperti CD, VHS, kamera, konsol game, walkman, dan banyak lagi.
Pada tahun 1980, konsol video game Atari mewujudkan impian anak-anak.
Penting untuk dicatat bahwa PCB masih digambar dengan tangan menggunakan papan lampu dan stensil, tetapi kemudian muncullah komputer dan EDA. Di sini kita melihat perangkat lunak EDA seperti Protel dan EAGLE merevolusi cara kita merancang dan memproduksi barang elektronik. Alih-alih foto PCB, kini kita dapat menyimpan desain sebagai file teks Gerber, yang koordinatnya dapat dimasukkan ke dalam mesin fabrikasi untuk memproduksi PCB.
Era Internet (1990-an)
Pada tahun 90an, kita melihat penggunaan silikon mencapai puncaknya dengan diperkenalkannya BGA. Sekarang kita dapat memasukkan lebih banyak gerbang ke dalam satu chip dan mulai menyatukan memori dan system-on-chip (SoCs). Ini juga merupakan periode miniaturisasi elektronik yang tinggi. Kami tidak melihat fitur baru apa pun yang ditambahkan ke PCB, namun seluruh proses desain mulai berubah dan berkembang, berpindah ke IC.
Desainer sekarang harus menerapkan strategi design-for-test (DFT) ke dalam tata letak mereka. Tidak mudah untuk memunculkan komponen dan menambahkan garis biru. Insinyur harus merancang tata letak mereka dengan mempertimbangkan pengerjaan ulang di masa depan. Apakah semua komponen ini ditempatkan sedemikian rupa sehingga mudah dilepas? Ini merupakan kekhawatiran besar.
Itu juga merupakan era ketika paket komponen yang lebih kecil seperti 0402 membuat penyolderan papan sirkuit dengan tangan hampir tidak mungkin dilakukan. Perancang sekarang menggunakan perangkat lunak EDA miliknya dan pabrikan bertanggung jawab atas produksi fisik dan perakitan.
Komponen pemasangan permukaan dari yang terbesar hingga terkecil.
Era hybrid (2000an dan seterusnya)
Sesuai dengan era elektronik dan desain PCB saat ini; apa yang kita sebut era hibrida. Di masa lalu, kami memiliki banyak perangkat untuk berbagai kebutuhan. Anda memerlukan kalkulator; Anda membeli kalkulator. Anda ingin bermain video game; Anda membeli konsol video game. Sekarang Anda dapat membeli ponsel cerdas dan mendapatkan 30 tingkatan fitur bawaan yang berbeda. Ini mungkin tampak cukup jelas, namun cukup mengejutkan ketika Anda benar-benar melihat semua hal yang dapat dilakukan ponsel cerdas kita:
peralatan permainan buku alamat email pemindai kode batang senter navigasi kamera bel
jadwal pemutar musik Peta VCR Internet browser kalender pemutar film kalkulator
Mesin penjawab perekam tiket buku catatan telepon Buku perbankan pesan singkat
Kita berada di era konsolidasi perangkat, tapi apa selanjutnya? PCB telah dibuat dan kami memiliki proses dan prosedur untuk hampir semua hal. Aplikasi berkecepatan tinggi menjadi hal biasa. Kami juga melihat hanya 25% desainer PCB yang berusia di bawah 45 tahun, sementara 75% sedang bersiap untuk pensiun. Industri ini tampaknya berada dalam masa krisis.
Akankah masa depan desain PCB menjadi robot? Mungkin di perangkat yang dapat dikenakan dengan sirkuit fleksibel? Atau kita mungkin melihat proton menggantikan elektron dengan fotonik. Sejauh yang kita ketahui tentang PCB fisik, hal itu mungkin berubah di masa depan. Tidak diperlukan media fisik untuk memungkinkan koneksi antar komponen, melainkan potensi teknologi gelombang. Ini akan memungkinkan komponen mengirim sinyal secara nirkabel tanpa memerlukan tembaga.
Apa yang akan terjadi di masa depan?
Tidak ada yang benar-benar tahu ke mana arah masa depan desain PCB, atau bahkan elektronik secara umum. Sudah hampir 130 tahun sejak otot produksi kami mulai bekerja. Sejak itu, dunia telah berubah selamanya dengan diperkenalkannya produk-produk besar seperti mobil, peralatan, komputer, ponsel pintar, dan banyak lagi. Lewatlah sudah hari-hari ketika kita bergantung pada batu bara, kayu atau minyak untuk semua penghidupan dan kelangsungan hidup kita. Saat ini kita mempunyai gadget elektronik yang dapat memenuhi kebutuhan kita sehari-hari.
Tapi apa yang akan terjadi di masa depan? Ini adalah hal yang tidak diketahui. Kita semua tahu bahwa setiap penemuan sebelum kita berada di pundak para pendahulunya. Nenek moyang kita membawa desain PCB seperti sekarang ini, dan sekarang kita perlu berinovasi dan merevolusi cara kita mendesain dan berinteraksi dengan teknologi. Masa depan bisa berupa apa saja. Masa depan tergantung pada Anda.
Waktu posting: 17 Maret 2023