Come molte altre grandi invenzioni nel corso della storia, ilcircuito stampato (PCB)come lo conosciamo oggi si basa sui progressi compiuti nel corso della storia.Nel nostro piccolo angolo di mondo, possiamo tracciare la storia dei PCB indietro di oltre 130 anni, quando le grandi macchine industriali del mondo erano appena agli inizi.Quello che tratteremo in questo blog non è la storia completa, ma i momenti importanti che hanno trasformato il PCB in quello che è oggi.
Perché PCB?
Nel corso del tempo, i PCB si sono evoluti in uno strumento per ottimizzare la produzione di prodotti elettronici.Ciò che una volta era facile da assemblare a mano ha rapidamente lasciato il posto a componenti microscopici che richiedono precisione meccanica ed efficienza.Prendi le due schede mostrate nella figura sotto come esempio.Una è una vecchia scheda degli anni '60 per calcolatrici.L'altra è la tipica scheda madre ad alta densità che vedrai nei computer di oggi.
Un confronto PCB tra una calcolatrice del 1968 e le moderne schede madri di oggi.
In una calcolatrice potremmo avere più di 30 transistor, ma su un singolo chip su una scheda madre troverai oltre un milione di transistor.Il punto è che il tasso di avanzamento nella tecnologia e nella progettazione di circuiti stampati è impressionante.Tutto su un PCB per calcolatrice può ora essere inserito in un singolo chip nei progetti odierni.Ciò attira l'attenzione su diverse tendenze importanti nella produzione di PCB:
Stiamo integrando più funzionalità in dispositivi avanzati come circuiti integrati (CI) e microprocessori.
Stiamo riducendo i componenti passivi come resistori e condensatori fino al livello microscopico.
Tutto ciò porta a una maggiore densità e complessità dei componenti sui nostri circuiti stampati.
Tutti questi progressi sono guidati principalmente da miglioramenti nella velocità e nella funzionalità dei nostri prodotti.Ci aspettiamo che i nostri dispositivi rispondano all'istante, anche pochi secondi di ritardo possono farci impazzire.Per funzionalità, considera i videogiochi.Negli anni '80, probabilmente giocavi a Pac-Man in una sala giochi.Ora stiamo vedendo rappresentazioni fotorealistiche della realtà.Il progresso è semplicemente folle.
Le immagini dei videogiochi sono quasi realistiche in questi giorni.
È chiaro che i PCB si sono evoluti in risposta diretta a ciò che ci aspettiamo dai nostri dispositivi.Abbiamo bisogno di prodotti più veloci, più economici e più potenti e l'unico modo per soddisfare queste esigenze è miniaturizzare e migliorare l'efficienza del processo di produzione.Quando è iniziato questo boom dell'elettronica e dei PCB?All'alba dell'età dell'oro.
Età dell'oro (1879-1900)
Abbiamo concluso la guerra civile americana negli anni '60 e ora la produzione americana è in piena espansione.Nel frattempo, stiamo facendo quello che possiamo, dal cibo ai vestiti, mobili e binari.L'industria delle spedizioni è all'offensiva e i nostri più grandi ingegneri stanno cercando di capire come portare qualcuno dalla costa orientale degli Stati Uniti alla costa occidentale in 5-7 giorni invece che in 5-7 mesi.
Le ferrovie facevano sì che i viaggi da costa a costa richiedessero giorni anziché mesi.
In questo periodo abbiamo portato l'energia elettrica anche nelle case, prima nelle città e poi nelle periferie e nelle campagne.L'elettricità è ora un sostituto del carbone, del legno e del petrolio.Pensa di vivere a New York durante il rigido inverno, cercando di cucinare o riscaldarti con carboni sporchi o cataste di legna da ardere.L'elettricità ha cambiato tutto questo.
Un punto interessante è che la Standard Oil, che monopolizza il mercato petrolifero, non fornisce petrolio per la benzina.Il loro mercato è l'olio per cucinare, friggere e illuminare.Con l'avvento dell'elettricità, la Standard Oil aveva bisogno di definire un nuovo uso del petrolio, che sarebbe arrivato con l'introduzione dell'automobile.
Nel maggio 1878, la Standard Oil Company emise azioni e iniziò il monopolio del petrolio.
Durante l'età dell'oro abbiamo visto alcune grandi scoperte nell'elettromagnetismo.Abbiamo inventato il motore elettrico, che converte l'energia elettrica in energia meccanica.Vediamo anche generatori, che fanno il contrario convertendo l'energia meccanica in energia elettrica.
Era anche un periodo di inventori geniali che hanno ancora un impatto sul nostro mondo elettronico oggi, tra cui:
Thomas Edison ha inventato la lampadina nel 1879, il film nel 1889 e molte altre innovazioni.
Nikola Tesla ha inventato il motore elettrico nel 1888 e la fonte di alimentazione CA nel 1895.
Alexander Graham Bell ha inventato il telefono nel 1876.
La Kodak di George Eastman ha inventato la prima fotocamera consumer nel 1884.
Herman Hollerith ha inventato la macchina tabulatore nel 1890 e ha continuato a fondare IBM.
Durante questo intenso periodo di innovazione, uno dei dibattiti più grandi è quello tra AC e DC.La corrente alternata di Tesla alla fine divenne il metodo ideale per trasmettere energia su lunghe distanze.È interessante notare, tuttavia, che oggi abbiamo ancora a che fare con la conversione AC-DC.
AC potrebbe aver vinto la battaglia, ma DC domina ancora l'elettronica.
Guarda qualsiasi dispositivo elettronico che colleghi al muro, devi convertire AC in DC.Oppure, se guardi all'infrastruttura richiesta per i pannelli solari, generano elettricità in CC, che deve essere riconvertita in CA come fonte di alimentazione e di nuovo in CC per essere utilizzata dai nostri dispositivi.Si potrebbe quasi dire che il dibattito AC-DC non è mai finito, è stato appena raggiunto un equilibrio tra due idee opposte.
C'è molto avanti e indietro tra CA e CC in un pannello solare.
Si noti che l'idea originale del PCB non è stata inventata nell'età dell'oro.Tuttavia, senza le capacità produttive di quest'epoca e la diffusa influenza dell'elettricità, i PCB non sarebbero mai quello che sono oggi.
Era progressista (1890-1920)
L'era progressista è stata contrassegnata da un periodo di riforme sociali, con leggi come lo Sherman Antitrust Act che hanno infranto il monopolio della Standard Oil.Questo è anche quando vediamo i primi brevetti PCB.Nel 1903, l'inventore tedesco Albert Hanson fece domanda per un brevetto britannico per un dispositivo descritto come un conduttore a lamina piatta su un pannello isolante multistrato.Suona familiare?
Disegno raffigurante il primo brevetto PCB di Albert Hanson.
Hansen descrive anche il concetto di applicazioni a foro passante nel suo brevetto.Qui mostra che puoi fare un buco in due strati con linee verticali per fare un collegamento elettrico.
Durante questo periodo, abbiamo iniziato a vedere Edison e altri leader aziendali fare una grande spinta per portare i dispositivi elettrici nelle case di tutti i giorni.Il problema di questa spinta è la totale mancanza di standardizzazione.Se vivessi a New York o nel New Jersey e utilizzassi le invenzioni dell'elettricità di Edison per l'illuminazione, il riscaldamento o la cucina, cosa accadrebbe se le utilizzassi in un'altra città?Non possono essere utilizzati perché ogni città ha la propria configurazione di presa.
Il problema era anche aggravato dal fatto che Edison non voleva solo vendere alla gente una lampadina, voleva anche vendere un servizio.Edison potrebbe fornirti il servizio elettrico su base mensile;quindi compreresti lampadine, elettrodomestici, ecc. Naturalmente, nessuno di questi servizi è compatibile con altri metodi concorrenti.
Vogliamo ringraziare Harvey Hubbel per aver finalmente posto fine a questo pasticcio.Nel 1915 brevettò la presa a muro standard ancora oggi in uso.Ora non abbiamo un tostapane o una piastra elettrica collegata a una presa per lampadine.Questa è una grande vittoria per la standardizzazione del settore.
Grazie ad Harvey Hubbel, ora disponiamo di una presa a muro standardizzata per tutti i dispositivi elettronici.
Come nota finale, l'era progressista è stata contrassegnata dalla prima guerra mondiale. Questo conflitto si concentra esclusivamente sui mech e sulla guerra di trincea.Il concetto PCB, o anche l'elettronica di base, non è ancora utilizzato nelle applicazioni militari, ma lo sarà presto.
Anni ruggenti (anni '20)
Con la fine della prima guerra mondiale, siamo ora nei ruggenti anni Venti, che videro un enorme boom dell'economia americana.Per la prima volta nella storia, più persone vivono nelle città che nelle fattorie.Stiamo anche iniziando a vedere l'introduzione di catene e marchi negli Stati Uniti.Potresti avere uno o due negozi di famiglia in due città diverse, ma ora abbiamo grandi marchi e negozi che diventano nazionali.
La più grande invenzione di questo periodo fu l'automobile di Henry Ford e l'infrastruttura necessaria.La situazione è simile agli anni '90, quando abbiamo dovuto costruire una grande infrastruttura per affrontare Internet e la nostra era dell'informazione costruendo switch, router e cavi in fibra ottica.Le auto non fanno eccezione.
La prima auto di Henry Ford: un veicolo a quattro ruote.
Qui vediamo quella che una volta era una strada sterrata che viene asfaltata.Le persone avevano bisogno di benzina per alimentare i loro veicoli, da qui la necessità di distributori di benzina.Hai anche officine di riparazione, accessori e altro ancora.L'intero stile di vita di molte persone ha avuto origine dall'invenzione dell'automobile, e lo è ancora oggi.
È stato anche durante questo periodo che abbiamo visto l'introduzione di elettrodomestici moderni su cui facciamo affidamento ancora oggi, come lavatrici, aspirapolvere e frigoriferi.Per la prima volta, le persone potranno acquistare merci deperibili nei negozi e conservarle per una maggiore durata.
Ma dove sono i nostri PCB?Non li abbiamo ancora visti utilizzati in nessun elettrodomestico o auto lanciata in questo periodo.Tuttavia, nel 1925, Charles Ducasse depositò un brevetto che descriveva il processo di aggiunta di inchiostro conduttivo ai materiali isolanti.Ciò si tradurrà in seguito in una scheda a circuito stampato (PWB).Questo brevetto è la prima applicazione pratica simile a un PCB, ma solo come bobina di riscaldamento planare.Non abbiamo ancora ottenuto alcun collegamento elettrico effettivo tra la scheda e i componenti, ma ci stiamo avvicinando.
Il PCB ha continuato ad evolversi, questa volta utilizzato come serpentina di riscaldamento per Charles Ducas.
Grande Depressione (anni '30)
Nel 1929 il mercato azionario crollò e tutte le grandi innovazioni del nostro tempo crollarono.Qui assistiamo a un periodo di disoccupazione superiore al 25%, 25.000 fallimenti bancari e molti guai in tutto il mondo.È stato un momento tragico per l'umanità nel suo insieme, aprendo la strada all'ascesa di Hitler, Mussolini, Stalin e ai nostri futuri conflitti mondiali.I PCB potrebbero essere stati silenziosi fino ad ora, ma tutto sta per cambiare.
La Grande Depressione ha colpito tutti, dalle banche ai lavoratori ordinari.
Seconda Guerra Mondiale (1939-1945)
La seconda guerra mondiale era in corso e gli Stati Uniti si unirono alla mischia dopo il bombardamento di Pearl Harbor nel 1942. La cosa interessante di Pearl Harbor è l'intero fallimento della comunicazione che portò all'attacco.Gli Stati Uniti avevano buone prove di una crisi imminente, ma tutti i metodi di contatto con la loro base militare a Honolulu non hanno avuto successo e l'isola è stata colta alla sprovvista.
Come risultato di questo fallimento, il DoD si è reso conto di aver bisogno di un mezzo di comunicazione più affidabile.Ciò ha portato l'elettronica in prima linea come principale mezzo di comunicazione che sostituisce il codice Morse.
È stato anche durante la seconda guerra mondiale che abbiamo visto il primo utilizzo di PCB nei fusibili di prossimità che abbiamo oggi.Il dispositivo viene utilizzato per proiettili ad alta velocità che richiedono fuoco di precisione a lunga distanza nel cielo o sulla terraferma.La spoletta di prossimità è stata originariamente sviluppata dagli inglesi per contrastare l'avanzata dell'esercito di Hitler.Successivamente è stato condiviso con gli Stati Uniti dove è stato perfezionato il design e la produzione.
Una delle prime applicazioni militari a utilizzare i PCB sono stati i fusibili di prossimità.
Durante questo periodo, abbiamo avuto anche Paul Eisler, un austriaco residente nel Regno Unito, che ha brevettato una lamina di rame su un substrato di vetro non conduttivo.Suona familiare?Questo è un concetto che usiamo ancora oggi per realizzare PCB con isolamento e rame sopra/sotto.Eisler portò questa idea un ulteriore passo avanti quando costruì una radio dal suo PCB nel 1943, che avrebbe aperto la strada a future applicazioni militari.
Paul Eisler costruì una radio dal primo circuito stampato (PCB).
Baby boomer (anni '40)
Mentre la seconda guerra mondiale volgeva al termine, abbiamo visto i nostri soldati tornare a casa, mettere su famiglia e avere un sacco di bambini.Indica i baby boomer.È stato nel dopoguerra che abbiamo visto enormi miglioramenti agli elettrodomestici esistenti come aspirapolvere, lavatrici, televisori e radio.Ora che la Grande Recessione è alle nostre spalle, molti consumatori possono finalmente permettersi questi dispositivi nelle loro case.
Non abbiamo ancora visto PCB di livello consumer.Dove sono le opere di Paul Eisler?Dai un'occhiata a questa vecchia TV qui sotto e vedrai tutti i componenti, ma senza la base PCB sottostante.
Un vecchio televisore Motorola del 1948, senza PCB.
Nonostante la mancanza di PCB, abbiamo visto l'arrivo del transistor ai Bell Labs nel 1947. Ci sono voluti altri sei anni nel 1953 prima che il dispositivo fosse finalmente utilizzato nella produzione, ma perché così tanto tempo?A quei tempi, le informazioni venivano diffuse attraverso riviste, conferenze, ecc. Prima dell'era dell'informazione, la diffusione delle informazioni richiedeva solo tempo per diffondersi.
Il primo transistor è nato ai Bell Laboratories nel 1947.
Era della guerra fredda (1947-1991)
L'avvento dell'era della Guerra Fredda segnò un considerevole periodo di tensione tra Stati Uniti e Unione Sovietica.A causa delle differenze tra capitalismo e comunismo, questi due giganti sono quasi in guerra tra loro e hanno messo il mondo sotto la minaccia dell'annientamento nucleare.
Per stare al passo con questa corsa agli armamenti, entrambe le parti devono migliorare la loro capacità di comunicare per capire cosa sta facendo il nemico.Qui vediamo il PCB utilizzato al massimo del suo potenziale.Nel 1956, l'esercito degli Stati Uniti pubblicò un brevetto per un "processo di assemblaggio di circuiti".I produttori ora hanno un modo sia per contenere l'elettronica che per effettuare collegamenti tra componenti con tracce di rame.
Quando i PCB iniziarono a decollare nel mondo della produzione, ci trovammo nella prima corsa allo spazio del mondo.La Russia ha ottenuto alcuni risultati sorprendenti durante questo periodo, tra cui:
1957 Lancio del primo satellite artificiale, lo Sputnik
1959 Lancio di Luna 2, il primo veicolo spaziale sulla Luna
Nel 1961 Yuri Gagarin, il primo cosmonauta, fu inviato in orbita attorno alla Terra
Il primo satellite artificiale della Russia, lo Sputnik, lanciato nel 1957.
Dov'è l'America in tutto questo?Principalmente in ritardo, di solito ci vogliono un anno o due per sviluppare la stessa tecnologia.Affrontando questo divario, vediamo il budget spaziale degli Stati Uniti crescere di cinque volte nel 1960. Abbiamo anche il famoso discorso del presidente Kennedy del 1962, parte del quale vale la pena citare:
“Abbiamo scelto di andare sulla luna!Scegliamo di andare sulla luna per fare altre cose in questo decennio, non perché siano facili, ma perché sono difficili;perché questo obiettivo aiuterà a organizzare e misurare le nostre migliori energie e capacità, per questo le sfide sono ciò che siamo disposti ad affrontare, ciò che non siamo disposti a rimandare e ciò che siamo disposti a vincere.– John F. Kennedy, Presidente degli Stati Uniti, 12 settembre 1962
Tutto ciò ha portato a un momento fondamentale nella storia.Il 20 luglio 1969 il primo uomo americano sbarcò sulla luna.
Il primo uomo sulla luna, un momento storico per l'umanità.
Tornando ai PCB, nel 1963 la Hazeltyne Corporation brevettò la prima tecnologia a foro passante placcato.Ciò consentirà ai componenti di essere imballati uno vicino all'altro sul PCB senza preoccuparsi delle connessioni incrociate.Abbiamo anche assistito all'introduzione della Surface Mount Technology (SMT), sviluppata da IBM.Questi densi gruppi sono stati visti per la prima volta in pratica in un razzo Saturno.
1967 Il primo brevetto di tecnologia PCB a foro passante.
L'alba del microprocessore (anni '70)
Gli anni '70 ci hanno portato il primo microprocessore sotto forma di circuito integrato (IC).Questo è stato originariamente sviluppato da Jack Kilby di Texas Instruments nel 1958. Kilby era nuovo in TI, quindi le sue idee innovative per i circuiti integrati erano in gran parte tenute nascoste.Tuttavia, quando gli ingegneri senior di TI sono stati inviati a una riunione di una settimana, Kilby è rimasto indietro e ha corso con le idee in testa.Qui sviluppò il primo circuito integrato nei laboratori TI e gli ingegneri di ritorno lo adorarono.
Jack Kilby detiene il primo circuito integrato.
Negli anni '70 abbiamo assistito al primo utilizzo dei circuiti integrati nella produzione di componenti elettronici.A questo punto, se non stai usando un PCB per le tue connessioni, sei in grossi guai.
L'alba dell'era digitale (anni '80)
L'era digitale ha portato a un enorme cambiamento nei media che consumiamo, con l'introduzione di dispositivi personali come dischi, VHS, fotocamere, console di gioco, walkman e altro ancora.
Nel 1980, la console per videogiochi Atari ha realizzato i sogni dei bambini.
È importante notare che i PCB venivano ancora disegnati a mano utilizzando lavagne luminose e stencil, ma poi sono arrivati i computer e l'EDA.Qui vediamo software EDA come Protel e EAGLE rivoluzionare il modo in cui progettiamo e produciamo l'elettronica.Invece di una foto del PCB, ora possiamo salvare il progetto come file di testo Gerber, le cui coordinate possono essere inserite nel macchinario di fabbricazione per produrre il PCB.
L'era di Internet (anni '90)
Negli anni '90, abbiamo visto l'uso del silicio entrare a pieno regime con l'introduzione del BGA.Ora possiamo montare più porte su un singolo chip e iniziare a incorporare memoria e sistemi su chip (SoC) insieme.Questo è stato anche un periodo di alta miniaturizzazione dell'elettronica.Non abbiamo visto alcuna nuova funzionalità aggiunta al PCB, ma l'intero processo di progettazione ha iniziato a cambiare ed evolversi, passando al circuito integrato.
I progettisti devono ora implementare strategie di progettazione per test (DFT) nei loro layout.Non è facile estrarre un componente e aggiungere una linea blu.Gli ingegneri devono progettare i loro layout tenendo conto delle future rielaborazioni.Tutti questi componenti sono posizionati in modo tale da poter essere facilmente rimossi?Questa è una grande preoccupazione.
Era anche un'era in cui pacchetti di componenti più piccoli come lo 0402 rendevano quasi impossibile la saldatura manuale dei circuiti stampati.Il designer ora vive nel suo software EDA e il produttore è responsabile della produzione fisica e dell'assemblaggio.
Componenti a montaggio superficiale dal più grande al più piccolo.
Era ibrida (anni 2000 e oltre)
Passiamo all'era odierna dell'elettronica e della progettazione di circuiti stampati;quella che chiamiamo l'era ibrida.In passato avevamo più dispositivi per molteplici esigenze.Hai bisogno di una calcolatrice;compri una calcolatrice.Vuoi giocare ai videogiochi;compri una console per videogiochi.Ora puoi acquistare uno smartphone e ottenere 30 diversi livelli di funzionalità integrate.Questo potrebbe sembrare abbastanza ovvio, ma è piuttosto sorprendente quando vedi effettivamente tutte le cose che i nostri smartphone possono fare:
attrezzatura da gioco rubrica indirizzi e-mail scanner di codici a barre torcia campanello fotocamera navigazione
Programma del lettore musicale Mappa del videoregistratore Calendario del browser Internet Calcolatore del lettore di film
Segreteria telefonica registratore biglietti taccuino Libretti bancari per brevi messaggi
Siamo nell'era del consolidamento dei dispositivi, ma cosa c'è dopo?I PCB sono stabiliti e abbiamo processi e procedure per quasi tutto.Le applicazioni ad alta velocità stanno diventando la norma.Vediamo anche che solo il 25% dei progettisti di PCB ha meno di 45 anni, mentre il 75% si prepara ad andare in pensione.Il settore sembra essere in un momento di crisi.
Il futuro della progettazione di PCB saranno i robot?Forse in un indossabile con un circuito flessibile?Oppure potremmo vedere i protoni sostituire gli elettroni con la fotonica.Per quanto ne sappiamo sui PCB fisici, ciò potrebbe anche cambiare in futuro.Non è necessario un supporto fisico per consentire la connessione tra i componenti, ma piuttosto le potenzialità della tecnologia delle onde.Ciò consentirebbe ai componenti di inviare segnali in modalità wireless senza la necessità del rame.
Cosa riserverà il futuro?
Nessuno sa davvero dove sia diretto il futuro della progettazione di PCB, o anche dell'elettronica in generale.Sono passati quasi 130 anni da quando i nostri muscoli manifatturieri hanno iniziato a lavorare.Da allora, il mondo è cambiato per sempre con l'introduzione di prodotti importanti come automobili, elettrodomestici, computer, smartphone e altro ancora.Sono finiti i giorni in cui dipendevamo dal carbone, dal legname o dal petrolio per tutti i nostri mezzi di sostentamento e sopravvivenza di base.Ora abbiamo gadget elettronici in grado di soddisfare le nostre esigenze quotidiane.
Ma cosa riserva il futuro?Questa è una grande incognita.Sappiamo tutti che ogni invenzione davanti a noi si regge sulle spalle dei suoi predecessori.I nostri antenati hanno portato il design PCB dove è oggi, e ora dobbiamo innovare e rivoluzionare il modo in cui progettiamo e interagiamo con la tecnologia.Il futuro può essere qualsiasi cosa.Il futuro dipende da te.
Tempo di pubblicazione: 17 marzo 2023