Eins og margar aðrar frábærar uppfinningar í gegnum söguna, þáprentað hringrás (PCB)eins og við þekkjum það í dag byggir á framförum í gegnum tíðina.Í okkar litla heimshorni getum við rakið sögu PCB meira en 130 ár aftur í tímann, þegar frábæru iðnaðarvélar heimsins voru rétt að byrja.Það sem við munum fjalla um í þessu bloggi er ekki öll sagan, heldur mikilvægu augnablikin sem umbreyttu PCB í það sem það er í dag.
Af hverju PCB?
Með tímanum hafa PCB þróast í tæki til að hámarka framleiðslu á rafeindavörum.Það sem einu sinni var auðvelt að setja saman í höndunum vék fljótt fyrir smásæjum hlutum sem kröfðust vélrænnar nákvæmni og skilvirkni.Tökum töflurnar tvær sem sýndar eru á myndinni hér að neðan sem dæmi.Eitt er gamalt töflu frá sjöunda áratugnum fyrir reiknivélar.Hitt er hið dæmigerða móðurborð með mikilli þéttleika sem þú sérð í tölvum nútímans.
PCB samanburður á reiknivél frá 1968 og nútíma móðurborðum í dag.
Í reiknivél gætum við haft 30+ smára, en á einni flís á móðurborði finnurðu yfir milljón smára.Aðalatriðið er að hraði framfara í tækni og PCB hönnun sjálfri er áhrifamikill.Allt á reiknivél PCB getur nú passað í eina flís í hönnun nútímans.Þetta vekur athygli á nokkrum athyglisverðum þróun í PCB framleiðslu:
Við erum að samþætta meiri virkni í háþróuð tæki eins og samþætt rafrás (IC) og örgjörva.
Við erum að minnka óvirka íhluti eins og viðnám og þétta niður í smásjá.
Allt þetta leiðir til aukinnar íhlutaþéttleika og flókinnar á rafrásum okkar.
Allar þessar framfarir eru fyrst og fremst knúnar áfram af endurbótum á hraða og virkni vara okkar.Við gerum ráð fyrir að tækin okkar bregðist samstundis, jafnvel nokkrar sekúndna seinkun getur gert okkur æði.Fyrir virkni skaltu íhuga tölvuleiki.Á níunda áratugnum lékstu líklega Pac-Man í spilakassa.Núna erum við að sjá raunveruleikamyndir.Framfarirnar eru bara geðveikar.
Myndefni tölvuleikja er nánast líflegt þessa dagana.
Það er ljóst að PCB hefur þróast í beinu viðbragði við það sem við búumst við af tækjum okkar.Við þurfum hraðari, ódýrari og öflugri vörur og eina leiðin til að mæta þessum kröfum er að smækka og bæta skilvirkni framleiðsluferlisins.Hvenær hófst þessi uppsveifla í rafeindatækni og PCB?Við upphaf gylltrar aldar.
Gilded Age (1879 - 1900)
Við bundum enda á bandaríska borgarastyrjöldina á sjöunda áratugnum og nú er bandarísk framleiðsla í uppsveiflu.Á meðan erum við að gera það sem við getum, allt frá mat til föt, húsgögn og teina.Skipaiðnaðurinn er í sókn og okkar færustu verkfræðingar eru að finna út hvernig á að koma einhverjum frá austurströnd Bandaríkjanna til vesturstrandarinnar á 5 til 7 dögum í stað 5 til 7 mánaða.
Járnbrautir létu ferðalög frá strönd til strandar taka daga í stað mánaða.
Á þessum tíma komum við líka með rafmagn inn á heimilið, fyrst í borgum og síðan í úthverfi og dreifbýli.Rafmagn kemur nú í stað kola, timburs og olíu.Hugsaðu þér að búa í New York á erfiðum vetri, reyna að elda eða halda á þér hita með skítugum kolum eða hrúgum af eldiviði.Rafmagn breytti þessu öllu.
Athyglisvert er að Standard Oil, sem einokar olíumarkaðinn, útvegar ekki olíu fyrir bensín.Markaður þeirra er olía til eldunar, steikingar og lýsingar.Með tilkomu rafmagns þurfti Standard Oil að skilgreina nýja notkun fyrir olíu, sem myndi koma með kynningu á bílnum.
Í maí 1878 gaf Standard Oil Company út hlutabréf og olíueinokunin hófst.
Á gullöldinni sáum við nokkrar frábærar uppgötvanir í rafsegulfræði.Við fundum upp rafmótorinn sem breytir raforku í vélræna orku.Við sjáum líka rafala, sem gera hið gagnstæða með því að breyta vélrænni orku í raforku.
Þetta var líka tími snillinga uppfinningamanna sem hafa enn áhrif á rafræna heiminn okkar í dag, þar á meðal:
Thomas Edison fann upp peruna árið 1879, myndina árið 1889 og margar aðrar nýjungar.
Nikola Tesla fann upp rafmótorinn árið 1888 og rafstraumgjafann árið 1895.
Alexander Graham Bell fann upp símann árið 1876.
Kodak frá George Eastman fann upp fyrstu neytendamyndavélina árið 1884.
Herman Hollerith fann upp töfluvélina árið 1890 og hélt áfram að stofna IBM.
Á þessu mikla nýsköpunartímabili er ein stærsta umræðan milli AC og DC.Rasstraumur Tesla varð á endanum tilvalin aðferð til að senda kraft yfir langar vegalengdir.Athyglisvert er þó að við erum enn að fást við AC-DC umbreytingu í dag.
AC kann að hafa unnið bardagann, en DC er enn ríkjandi í rafeindatækni.
Horfðu á hvaða rafeindatæki sem þú tengir við vegginn, þú þarft að breyta AC í DC.Eða, ef þú horfir á innviðina sem þarf fyrir sólarrafhlöður, framleiða þau rafmagn í DC, sem þarf að breyta aftur í AC sem aflgjafa og aftur í DC til að tækin okkar geti notað.Það má næstum segja að AC-DC umræðunni hafi aldrei verið lokið, það var bara búið að finna jafnvægi á milli tveggja andstæðra hugmynda.
Það er mikið fram og til baka á milli AC og DC í sólarplötu.
Athugaðu að upprunalega hugmyndin um PCB var ekki fundin upp á gylltu öldinni.Hins vegar, án framleiðslugetu þessa tímabils og víðtækra áhrifa raforku, væri PCB aldrei það sem það er í dag.
Framsækið tímabil (1890 - 1920)
Framsækið tímabil einkenndist af tímabili félagslegra umbóta, með löggjöf eins og Sherman Antitrust Act sem braut upp einokun Standard Oil.Þetta er líka þegar við sjáum fyrstu PCB einkaleyfin.Árið 1903 sótti þýski uppfinningamaðurinn Albert Hanson um breskt einkaleyfi fyrir tæki sem lýst er sem flötum filmuleiðara á fjöllaga einangrunarplötu.Hljómar kunnuglega?
Teikning sem sýnir fyrsta PCB einkaleyfi Albert Hanson.
Hansen lýsir einnig hugmyndinni um notkun í gegnum holu í einkaleyfi sínu.Hér sýnir hann að hægt er að stinga gat í tveimur lögum með lóðréttum línum til að koma á rafmagnstengingu.
Á þessum tíma fórum við að sjá Edison og aðra leiðtoga fyrirtækja leggja mikla áherslu á að koma rafmagnstækjum inn á hversdagsleg heimili.Vandamálið við þessa ýtt er algjör skortur á stöðlun.Ef þú byggir í New York eða New Jersey og notaðir uppfinningar Edisons um rafmagn til að lýsa, hita eða elda, hvað myndi gerast ef þú notaðir þær í annarri borg?Ekki er hægt að nota þá vegna þess að hver bær hefur sína eigin innstungu.
Vandamálið varð líka verra af því að Edison vildi ekki bara selja fólki ljósaperu, hann vildi líka selja þjónustu.Edison gæti veitt þér rafmagnsþjónustu mánaðarlega;þá myndirðu kaupa ljósaperur, heimilistæki o.s.frv. Auðvitað er engin af þessum þjónustum í samræmi við aðrar samkeppnisaðferðir.
Við viljum þakka Harvey Hubbel fyrir að hafa loksins bundið enda á þetta rugl.Árið 1915 fékk hann einkaleyfi á venjulegu innstungunni sem enn er í notkun í dag.Nú erum við ekki með brauðrist eða hitaplötu tengt við innstunguna fyrir ljósaperur.Þetta er mikill sigur fyrir stöðlun iðnaðarins.
Þökk sé Harvey Hubbel höfum við nú staðlaða innstungu fyrir öll rafeindatæki.
Að lokum má nefna að framfaratímabilið einkenndist af fyrri heimsstyrjöldinni. Þessi átök beinast eingöngu að vélbúnaði og skotgrafahernaði.PCB hugtakið, eða jafnvel grunn rafeindatækni, er ekki notað í hernaðarforritum ennþá, en það mun brátt verða það.
Roaring Twenties (1920)
Þegar fyrri heimsstyrjöldinni lauk erum við nú á hinum öskrandi tuttugusta áratugnum, þar sem mikill uppgangur varð í bandarísku hagkerfi.Í fyrsta skipti í sögunni búa fleiri í borgum en á bæjum.Við erum líka farin að sjá keðjur og vörumerki kynnt í Bandaríkjunum.Þú gætir verið með fjölskylduverslun eða tvær í tveimur mismunandi bæjum, en nú erum við með helstu vörumerki og verslanir sem fara inn á landsvísu.
Mesta uppfinning þessa tímabils var bíll Henry Ford og innviðirnir sem hann krafðist.Ástandið er svipað og á tíunda áratugnum þegar við þurftum að byggja upp stóra innviði til að takast á við internetið og upplýsingaöld okkar með því að smíða rofa, beina og ljósleiðara.Bílar eru engin undantekning.
Fyrsti bíll Henry Ford – fjórhjól.
Hér sjáum við það sem einu sinni var malarvegur sem var malbikaður.Fólk þurfti bensín til að knýja ökutæki sín, þess vegna þörfin fyrir bensínstöðvar.Þú ert líka með viðgerðarverkstæði, fylgihluti og fleira.Allur lífsstíll margra er sprottinn af uppfinningu bifreiðarinnar og er það enn í dag.
Það var líka á þessum tíma sem við sáum innleiðingu nútímatækja sem við treystum enn á í dag, eins og þvottavélar, ryksugu og ísskápa.Í fyrsta sinn mun fólk geta keypt viðkvæmar vörur í verslunum og geymt þær til lengri geymsluþols.
En hvar eru PCB-efnin okkar?Við höfum enn ekki séð þá notaða í nein tæki eða bíla sem voru settir á markað á þessum tíma.Hins vegar, árið 1925, lagði Charles Ducasse inn einkaleyfi sem lýsti ferlinu við að bæta leiðandi bleki í einangrunarefni.Þetta mun síðar leiða til prentaðs raflagnaspjalds (PWB).Þetta einkaleyfi er fyrsta hagnýta notkunin sem líkist PCB, en aðeins sem slétt hitaspóla.Við höfum ekki fengið neinar raunverulegar rafmagnstengingar á milli borðsins og íhlutanna ennþá, en við erum að nálgast það.
PCB hélt áfram að þróast og var að þessu sinni notað sem upphitunarspóla fyrir Charles Ducas.
Kreppan mikla (1930)
Árið 1929 hrundi hlutabréfamarkaðurinn og allar stóru nýjungar samtímans hrundu.Hér sjáum við tímabil atvinnuleysi yfir 25%, 25.000 bankahrun og mikil vandræði um allan heim.Þetta var hörmulegur tími fyrir mannkynið í heild sinni, sem ruddi brautina fyrir uppgang Hitlers, Mussolini, Stalíns og heimsátaka okkar í framtíðinni.PCB getur hafa verið þögul þar til nú, en það er allt að breytast.
Kreppan mikla hafði áhrif á alla, allt frá bönkum til venjulegs launafólks.
Seinni heimsstyrjöldin (1939 - 1945)
Seinni heimsstyrjöldin var í gangi og Bandaríkin bættust í slaginn eftir sprengjuárásina á Pearl Harbor árið 1942. Það sem er athyglisvert við Pearl Harbor er allur samskiptabrestur sem leiddi til árásarinnar.BNA höfðu góðar vísbendingar um yfirvofandi kreppu, en allar aðferðir við að hafa samband við herstöð þeirra í Honolulu báru ekki árangur og eyjan var gripin óvarinn.
Sem afleiðing af þessari bilun áttaði DoD að þeir þyrftu áreiðanlegri samskiptamáta.Þetta kom rafeindatækni í fremstu röð sem aðal samskiptamiðillinn í stað Morse kóða.
Það var líka í seinni heimsstyrjöldinni sem við sáum fyrstu notkun PCB í nálægðaröryggi sem við höfum í dag.Tækið er notað fyrir háhraða skotfæri sem krefjast nákvæmnisskots í langa fjarlægð á himni eða á landi.Nálægðarljósið var upphaflega þróað af Bretum til að vinna gegn framrás hers Hitlers.Það var síðar deilt með Bandaríkjunum þar sem hönnun og framleiðsla var fullkomin.
Eitt af fyrstu herforritunum til að nota PCB voru nálægðaröryggi.
Á þessum tíma fengum við einnig Paul Eisler, Austurríkismann sem býr í Bretlandi, til að fá einkaleyfi á koparþynnu á óleiðandi glerundirlagi.Hljómar kunnuglega?Þetta er hugtak sem við notum enn í dag til að búa til PCB með einangrun og kopar að ofan/neðst.Eisler tók þessa hugmynd skrefinu lengra þegar hann smíðaði útvarp úr PCB sínu árið 1943, sem myndi ryðja brautina fyrir framtíðarhernaðarforrit.
Paul Eisler smíðaði útvarp úr fyrsta prentplötunni (PCB).
Baby Boomers (1940)
Þegar síðari heimsstyrjöldin var að ljúka sáum við hermennina okkar koma heim, stofna fjölskyldur og eignast fullt af börnum.Kynntu þér baby boomers.Það var á tímum eftirstríðsins sem við sáum miklar endurbætur á núverandi tækjum eins og ryksugu, þvottavélar, sjónvörp og útvarp.Nú þegar kreppan mikli er að baki hafa margir neytendur loksins efni á þessum tækjum á heimilum sínum.
Við höfum enn ekki séð PCB-efni fyrir neytendur.Hvar eru verk Paul Eisler?Skoðaðu þetta gamla sjónvarp hér að neðan og þú munt sjá alla íhlutina, en án undirliggjandi PCB grunnsins.
Gamalt Motorola sjónvarp frá 1948, án PCB.
Þrátt fyrir skort á PCB sáum við komu smárasins til Bell Labs árið 1947. Það liðu sex ár í viðbót árið 1953 áður en tækið var loksins notað í framleiðslu, en hvers vegna svona langur tími?Í þá daga var upplýsingum miðlað í gegnum tímarit, ráðstefnur o.s.frv. Fyrir upplýsingaöld tók aðeins tíma að dreifa upplýsingum.
Fyrsti smárinn fæddist í Bell Laboratories árið 1947.
Kalda stríðstímabilið (1947 - 1991)
Tilkoma kalda stríðsins markaði töluvert tímabil spennu milli Bandaríkjanna og Sovétríkjanna.Vegna munarins á kapítalisma og kommúnisma, eru þessir tveir risar nánast í stríði hver við annan og hafa sett heiminn í hættu á kjarnorkueyðingu.
Til að vera á undan í þessu vígbúnaðarkapphlaupi verða báðir aðilar að bæta getu sína til að hafa samskipti til að skilja hvað óvinurinn er að gera.Hér sjáum við PCB notað til fulls.Árið 1956 gaf bandaríski herinn út einkaleyfi fyrir „hringrásarsamsetningarferli“.Framleiðendur hafa nú leið til að bæði halda rafeindatækni og gera tengingar milli íhluta með koparsporum.
Þegar PCB-efni fóru að taka kipp í framleiðsluheiminum lentum við í fyrsta geimkapphlaupi heimsins.Rússland hefur náð ótrúlegum afrekum á þessum tíma, þar á meðal:
1957 Fyrsta gervihnötturinn, Spútnik, var skotinn á loft
1959 Sjó Luna 2, fyrsta geimfarinu til tunglsins
Árið 1961 var Yuri Gagarin, fyrsti geimfarinn, sendur á braut um jörðu
Fyrsti gervi gervihnöttur Rússlands, Spútnik, var skotinn á loft árið 1957.
Hvar er Ameríka í þessu öllu?Aðallega eftirbátur, það tekur venjulega eitt eða tvö ár að þróa sömu tækni.Til að bregðast við þessu bili sjáum við bandaríska geimferðaáætlun fimmfaldast árið 1960. Við höfum líka hina frægu ræðu Kennedy forseta frá 1962, en hluta hennar er vert að vitna í:
„Við veljum að fara til tunglsins!Við veljum að fara til tunglsins til að gera aðra hluti á þessum áratug, ekki vegna þess að þeir eru auðveldir, heldur vegna þess að þeir eru erfiðir;vegna þess að þetta markmið mun hjálpa til við að skipuleggja og mæla bestu krafta okkar og færni, vegna þessa eru áskoranir það sem við erum tilbúin að taka á okkur, það sem við erum ekki tilbúin að fresta og það sem við erum tilbúin að vinna.“– John F. Kennedy, forseti Bandaríkjanna, 12. september 1962
Allt þetta leiddi til tímamóta í sögunni.Þann 20. júlí 1969 lenti fyrsti bandaríski maðurinn á tunglinu.
Fyrsti maðurinn á tunglinu, söguleg stund fyrir mannkynið.
Þegar við snúum aftur til PCB, árið 1963 fengum við Hazeltyne Corporation einkaleyfi á fyrstu húðuðu gegnumgötutæknina.Þetta gerir kleift að pakka íhlutum þétt saman á PCB án þess að hafa áhyggjur af krosstengingum.Við sáum einnig kynningu á Surface Mount Technology (SMT), þróað af IBM.Þessar þéttu samsetningar sáust fyrst í reynd í Satúrnus eldflaugarörvun.
1967 Fyrsta einkaleyfið fyrir PCB tækni í gegnum gatið.
Dawn of the Microprocessor (1970)
Á áttunda áratugnum færði okkur fyrsta örgjörvann í formi samþættrar hringrásar (IC).Þetta var upphaflega þróað af Jack Kilby frá Texas Instruments árið 1958. Kilby var nýr hjá TI, svo nýstárlegar hugmyndir hans um ICs voru að mestu geymdar.Hins vegar, þegar yfirverkfræðingar TI voru sendir á vikulangan fund, sat Kilby eftir og hljóp með hugmyndirnar í hausnum.Hér þróaði hann fyrsta IC í TI rannsóknarstofum og verkfræðingarnir sem komu aftur elskaði það.
Jack Kilby er með fyrstu samþættu hringrásina.
Á áttunda áratugnum sáum við fyrstu notkun IC í rafeindaframleiðslu.Á þessum tímapunkti, ef þú ert ekki að nota PCB fyrir tengingar þínar, ertu í miklum vandræðum.
Dawn of the Digital Age (1980)
Stafræna öldin hefur valdið miklum breytingum á fjölmiðlum sem við neytum, með tilkomu persónulegra tækja eins og diska, VHS, myndavéla, leikjatölva, vasadiskó og fleira.
Árið 1980 lét Atari tölvuleikjatölvan láta drauma barna rætast.
Það er mikilvægt að hafa í huga að PCB voru enn handteiknuð með ljósatöflum og stenslum, en svo komu tölvur og EDA.Hér sjáum við EDA hugbúnað eins og Protel og EAGLE gjörbylta því hvernig við hönnum og framleiðum rafeindatækni.Í stað myndar af PCB, getum við nú vistað hönnunina sem Gerber textaskrá, sem hægt er að slá inn hnitin í framleiðsluvélinni til að framleiða PCB.
Internetöld (1990)
Á tíunda áratugnum sáum við notkun kísils koma í fullan gang með tilkomu BGA.Nú getum við sett fleiri hlið á einni flís og byrjað að fella inn minni og kerfi á flís (SoCs) saman.Þetta var líka tímabil mikillar smæðingar rafeindatækni.Við sáum enga nýja eiginleika bætt við PCB, en allt hönnunarferlið byrjaði að breytast og þróast og færðist yfir á IC.
Hönnuðir verða nú að innleiða hönnun-fyrir-próf (DFT) áætlanir í skipulagi sínu.Það er ekki auðvelt að skjóta íhlut og bæta við blári línu.Verkfræðingar verða að hanna útlit sitt með framtíðarendurvinnslu í huga.Eru allir þessir íhlutir settir þannig að auðvelt sé að fjarlægja þá?Þetta er mikið áhyggjuefni.
Það var líka tímabil þegar smærri íhlutapakkar eins og 0402 gerðu handlóðun á rafrásum næstum ómöguleg.Hönnuðurinn býr nú í EDA hugbúnaðinum sínum og framleiðandinn ber ábyrgð á líkamlegri framleiðslu og samsetningu.
Yfirborðsfestingar íhlutir frá stærstu til minnstu.
Hybrid tímabil (2000 og lengra)
Skerið til nútíma rafeindatækni og PCB hönnunar;það sem við köllum blendingatímabilið.Áður höfðum við mörg tæki fyrir margar þarfir.Þú þarft reiknivél;þú kaupir reiknivél.Þú vilt spila tölvuleiki;þú kaupir tölvuleikjatölvu.Nú geturðu keypt snjallsíma og fengið 30 mismunandi stig af innbyggðum eiginleikum.Þetta gæti virst nokkuð augljóst, en það er frekar ótrúlegt þegar þú sérð í raun allt það sem snjallsímarnir okkar geta gert:
leikjabúnaður heimilisfangabók Tölvupóst strikamerki skanni vasaljós bjalla myndavél flakk
tónlistarspilara áætlun VCR kort Dagatal netvafra kvikmyndaspilara reiknivél
Símabók miðar upptökutæki símsvari Smáskilaboð bankabækur
Við erum á tímum sameiningar tækja, en hvað er næst?PCB er komið á fót og við höfum ferla og verklagsreglur fyrir nánast allt.Háhraðaforrit eru að verða normið.Við sjáum líka að aðeins 25% PCB hönnuða eru undir 45 ára aldri en 75% eru að undirbúa eftirlaun.Iðnaðurinn virðist vera á krepputímum.
Verður framtíð PCB hönnunar vélmenni?Kannski í wearable með flex hringrás?Eða við gætum séð róteindir skipta út rafeindum fyrir ljóseindir.Eins og langt eins og það sem við vitum um líkamleg PCB, gæti það jafnvel breyst í framtíðinni.Það er engin þörf fyrir líkamlegan miðil til að gera tengingu milli íhluta kleift, heldur möguleika bylgjutækninnar.Þetta myndi gera íhlutum kleift að senda merki þráðlaust án þess að þurfa kopar.
Hvað mun framtíðin bera í skauti sér?
Enginn veit í raun hvert framtíð PCB hönnunar, eða jafnvel rafeindatækni almennt, stefnir.Það eru næstum 130 ár síðan framleiðsluvöðvarnir okkar fóru að virka.Síðan þá hefur heimurinn breyst að eilífu með tilkomu helstu vara eins og bíla, tæki, tölvur, snjallsíma og fleira.Þeir dagar eru liðnir þegar við vorum háð kolum, timbri eða olíu fyrir öll grunnlíf okkar og lífsafkomu.Nú höfum við rafrænar græjur sem geta uppfyllt daglegar þarfir okkar.
En hvað ber framtíðin í skauti sér?Þetta er stór óþekkt.Við vitum öll að sérhver uppfinning sem framundan er stendur á herðum forvera sinna.Forfeður okkar komu með PCB hönnun á þann stað sem hún er í dag og nú þurfum við að gera nýjungar og gjörbylta því hvernig við hönnum og höfum samskipti við tækni.Framtíðin getur verið hvað sem er.Framtíðin veltur á þér.
Pósttími: 17. mars 2023