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 ripercorrere la storia dei PCB a più di 130 anni fa, quando le grandi macchine industriali del mondo erano appena agli inizi. Ciò di cui parleremo in questo blog non è la storia completa, ma i momenti importanti che hanno trasformato il PCB in quello che è oggi.
Perchè PCB?
Nel corso del tempo, i PCB si sono evoluti in uno strumento per ottimizzare la produzione di prodotti elettronici. Ciò che un tempo era facile da assemblare a mano, ha rapidamente lasciato il posto a componenti microscopici che richiedevano precisione ed efficienza meccanica. Prendiamo come esempio le due schede mostrate nella figura seguente. Una è una vecchia lavagna 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 di una scheda madre ne troverai più di un milione. Il punto è che il tasso di progresso nella tecnologia e nella progettazione stessa dei PCB è impressionante. Tutto ciò che è presente sul PCB di una calcolatrice ora può 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 (IC) e microprocessori.
Stiamo riducendo i componenti passivi come resistori e condensatori fino al livello microscopico.
Tutto ciò porta ad una maggiore densità e complessità dei componenti sui nostri circuiti stampati.
Tutti questi progressi sono principalmente guidati da miglioramenti nella velocità e nella funzionalità dei nostri prodotti. Ci aspettiamo che i nostri dispositivi rispondano istantaneamente, anche pochi secondi di ritardo possono portarci alla frenesia. Per quanto riguarda la 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 pazzesco.
Le immagini dei videogiochi sono quasi realistiche al giorno d'oggi.
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 posto fine alla guerra civile americana negli anni ’60 e ora l’industria manifatturiera americana è in forte espansione. Nel frattempo stiamo facendo quello che possiamo, dal cibo ai vestiti, dai mobili alle rotaie. L'industria marittima 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 il viaggio da una costa all'altra richiedesse giorni invece che mesi.
In questo periodo abbiamo portato l’energia elettrica anche nelle case, prima nelle città e poi nelle periferie e nelle zone rurali. L’elettricità è ora un sostituto del carbone, del legno e del petrolio. Pensa a vivere a New York durante il rigido inverno, cercando di cucinare o scaldarti 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 per illuminare. Con l’avvento dell’elettricità, la Standard Oil dovette definire un nuovo utilizzo 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 assistito ad alcune grandi scoperte nel campo dell'elettromagnetismo. Abbiamo inventato il motore elettrico, che converte l'energia elettrica in energia meccanica. Vediamo anche i generatori, che fanno il contrario convertendo l'energia meccanica in energia elettrica.
È stato anche un periodo di inventori geniali che ancora oggi hanno un impatto sul nostro mondo elettronico, tra cui:
Thomas Edison ha inventato la lampadina nel 1879, il film nel 1889 e molte altre innovazioni.
Nikola Tesla inventò il motore elettrico nel 1888 e la fonte di energia elettrica nel 1895.
Alexander Graham Bell inventò il telefono nel 1876.
La Kodak di George Eastman inventò la prima macchina fotografica consumer nel 1884.
Herman Hollerith inventò la macchina tabulatrice nel 1890 e fondò l'IBM.
Durante questo intenso periodo di innovazione, uno dei più grandi dibattiti 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.
L’AC potrebbe aver vinto la battaglia, ma la DC domina ancora l’elettronica.
Guarda qualsiasi dispositivo elettronico che colleghi al muro, devi convertire la corrente alternata in corrente continua. Oppure, se si guarda all’infrastruttura richiesta per i pannelli solari, essi generano elettricità in corrente continua, che deve essere riconvertita in corrente alternata come fonte di alimentazione, e di nuovo in corrente continua per essere utilizzata dai nostri dispositivi. Si potrebbe quasi dire che il dibattito AC-DC non sia mai finito, che sia stato appena trovato un equilibrio tra due idee opposte.
C'è molto avanti e indietro tra AC e DC 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 quelli che sono oggi.
Era progressista (1890 – 1920)
L'era progressista fu segnata da un periodo di riforme sociali, con leggi come lo Sherman Antitrust Act che ruppero il monopolio della Standard Oil. Questo è anche il periodo in cui 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. Ti sembra familiare?
Disegno raffigurante il primo brevetto PCB di Albert Hanson.
Hansen descrive anche il concetto delle applicazioni a foro passante nel suo brevetto. Qui mostra che è possibile praticare un foro in due strati con linee verticali per effettuare 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 completa mancanza di standardizzazione. Se vivessi a New York o nel New Jersey e utilizzassi le invenzioni di Edison sull'elettricità 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 prese.
Il problema era aggravato anche dal fatto che Edison non voleva vendere solo una lampadina, ma voleva anche vendere un servizio. Edison potrebbe fornirti il servizio elettrico su base mensile; poi 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 spina standard per presa a muro ancora in uso oggi. Ora non abbiamo un tostapane o una piastra elettrica collegata alla presa di una lampadina. 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 segnata dalla prima guerra mondiale. Questo conflitto è esclusivamente incentrato sui mech e sulla guerra di trincea. Il concetto di PCB, o anche l'elettronica di base, non è ancora utilizzato nelle applicazioni militari, ma lo sarà presto.
I ruggenti anni '20 (anni '20)
Con la fine della Prima Guerra Mondiale, siamo ormai 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 catene e marchi introdotti negli Stati Uniti. Potresti avere uno o due negozi di famiglia in due città diverse, ma ora abbiamo marchi e negozi importanti che arrivano a livello nazionale.
La più grande invenzione di questo periodo fu l'automobile di Henry Ford e l'infrastruttura di cui aveva bisogno. La situazione è simile a quella degli anni ’90, quando abbiamo dovuto costruire un’importante infrastruttura per far fronte a Internet e alla nostra era dell’informazione costruendo switch, router e cavi in fibra ottica. Le auto non fanno eccezione.
La prima macchina di Henry Ford: una quattro ruote.
Qui vediamo quella che una volta era una strada sterrata in fase di asfaltatura. Le persone avevano bisogno di benzina per alimentare i propri veicoli, da qui la necessità di stazioni di servizio. Hai anche officine di riparazione, accessori e altro ancora. L'intero stile di vita di molte persone ha avuto origine dall'invenzione dell'automobile, ed è così ancora oggi.
È stato anche durante questo periodo che abbiamo assistito all’introduzione di elettrodomestici moderni sui quali facciamo ancora affidamento oggi, come lavatrici, aspirapolvere e frigoriferi. Per la prima volta le persone potranno acquistare beni deperibili nei negozi e conservarli per una maggiore durata.
Ma dove sono i nostri PCB? Non li abbiamo ancora visti utilizzati in nessun apparecchio o automobile 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 risulterà successivamente in una scheda di cablaggio stampato (PWB). Questo brevetto è la prima applicazione pratica simile a un PCB, ma solo come serpentina di riscaldamento planare. Non abbiamo ancora ottenuto alcun collegamento elettrico tra la scheda e i componenti, ma ci siamo vicini.
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 crollarono tutte le grandi innovazioni del nostro tempo. Qui vediamo un periodo di disoccupazione superiore al 25%, 25.000 fallimenti bancari e molti problemi in tutto il mondo. Fu un momento tragico per l’umanità nel suo complesso, che aprì la strada all’ascesa di Hitler, Mussolini, Stalin e ai nostri futuri conflitti mondiali. I PCB potrebbero essere rimasti in silenzio fino ad ora, ma tutto sta per cambiare.
La Grande Depressione colpì tutti, dalle banche ai lavoratori comuni.
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 delle comunicazioni 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 di sorpresa.
Come risultato di questo fallimento, il Dipartimento della Difesa si rese conto che avevano bisogno di un mezzo di comunicazione più affidabile. Ciò portò l’elettronica in primo piano come principale mezzo di comunicazione in sostituzione del codice Morse.
Fu anche durante la Seconda Guerra Mondiale che si vide il primo utilizzo dei 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 terra. La spoletta di prossimità fu originariamente sviluppata dagli inglesi per contrastare l'avanzata dell'esercito di Hitler. Successivamente venne condiviso con gli Stati Uniti dove ne venne perfezionata la progettazione e la manifattura.
Una delle prime applicazioni militari a utilizzare i PCB furono i fusibili di prossimità.
Durante questo periodo, Paul Eisler, un austriaco residente nel Regno Unito, brevettò un foglio di rame su un substrato di vetro non conduttivo. Ti sembra familiare? Questo è un concetto che utilizziamo ancora oggi per realizzare PCB con isolamento e rame nella parte superiore/inferiore. Eisler fece un ulteriore passo avanti con questa idea quando nel 1943 costruì una radio dal suo PCB, che avrebbe aperto la strada a future applicazioni militari.
Paul Eisler costruì una radio utilizzando il primo circuito stampato (PCB).
Baby Boomer (anni '40)
Mentre la seconda guerra mondiale volgeva al termine, abbiamo visto i nostri soldati tornare a casa, creare famiglie e avere un sacco di figli. Indica i baby boomer. È stato nel dopoguerra che abbiamo assistito a enormi miglioramenti negli elettrodomestici esistenti come aspirapolvere, lavatrici, televisori e radio. Ora che la Grande Recessione è alle 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 questo vecchio televisore 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 assistito all'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 nacque ai Bell Laboratories nel 1947.
Era della Guerra Fredda (1947 – 1991)
L’avvento della Guerra Fredda segnò un periodo considerevole di tensione tra gli Stati Uniti e l’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 di annientamento nucleare.
Per restare al passo in questa corsa agli armamenti, entrambe le parti devono migliorare la propria capacità di comunicare per capire cosa sta facendo il nemico. Qui vediamo il PCB utilizzato al massimo delle sue potenzialità. Nel 1956, l’esercito americano pubblicò un brevetto per un “processo di assemblaggio di circuiti”. I produttori ora hanno un modo sia per sostenere i componenti elettronici sia per effettuare connessioni tra componenti con tracce di rame.
Quando i PCB cominciarono a decollare nel mondo della produzione, ci ritrovammo nella prima corsa allo spazio del mondo. La Russia ha ottenuto alcuni risultati straordinari durante questo periodo, tra cui:
1957 Lancio del primo satellite artificiale, lo Sputnik
1959 Lancio di Luna 2, la prima navicella spaziale sulla Luna
Nel 1961 Yuri Gagarin, il primo cosmonauta, fu inviato in orbita attorno alla Terra
Il primo satellite artificiale russo, lo Sputnik, fu 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. Per colmare questa lacuna, vediamo il budget spaziale degli Stati Uniti quintuplicarsi 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 competenze, perché 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 di assemblare i componenti vicini tra loro sul PCB senza preoccuparsi delle connessioni incrociate. Abbiamo anche visto l'introduzione della Surface Mount Technology (SMT), sviluppata da IBM. Questi assemblaggi densi furono visti per la prima volta in pratica in un razzo Saturn.
1967 Il primo brevetto sulla 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 della Texas Instruments nel 1958. Kilby era nuovo in TI, quindi le sue idee innovative per i circuiti integrati furono in gran parte tenute nascoste. Tuttavia, quando gli ingegneri senior di TI furono inviati a una riunione di una settimana, Kilby rimase indietro e continuò a lavorare con le idee in testa. Qui sviluppò il primo circuito integrato nei laboratori TI e gli ingegneri ritornati lo adorarono.
Jack Kilby possiede il primo circuito integrato.
Negli anni ’70 abbiamo visto il primo utilizzo dei circuiti integrati nella produzione elettronica. A questo punto, se non utilizzi un PCB per le connessioni, sei in grossi guai.
L'alba dell'era digitale (anni '80)
L’era digitale ha comportato 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 pannelli luminosi e stencil, ma poi sono arrivati i computer e l'EDA. Qui vediamo software EDA come Protel ed EAGLE rivoluzionare il modo in cui progettiamo e produciamo elettronica. Invece di una foto del PCB, ora possiamo salvare il progetto come file di testo Gerber, le cui coordinate possono essere inserite nei macchinari di fabbricazione per produrre il PCB.
L'era di Internet (anni '90)
Negli anni '90 abbiamo visto l'uso del silicio entrare in pieno svolgimento con l'introduzione del BGA. Ora possiamo montare più porte su un singolo chip e iniziare a incorporare insieme memoria e sistemi su chip (SoC). Questo fu anche un periodo di elevata 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 all'IC.
I progettisti devono ora implementare strategie di progettazione per test (DFT) nei loro layout. Non è facile far apparire un componente e aggiungere una linea blu. Gli ingegneri devono progettare i loro layout tenendo presente le rielaborazioni future. Tutti questi componenti sono posizionati in modo tale da poter essere facilmente rimossi? Questa è una grande preoccupazione.
Era anche un'epoca in cui pacchetti di componenti più piccoli come lo 0402 rendevano quasi impossibile la saldatura manuale dei circuiti stampati. Il progettista 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 PCB; 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 si vedono effettivamente tutte le cose che i nostri smartphone possono fare:
attrezzature da gioco rubrica e-mail scanner di codici a barre torcia elettrica campana fotocamera navigazione
programma del lettore musicale Mappa del videoregistratore Calendario del browser Internet Calcolatore del lettore di film
Quaderno telefonico, registratore di biglietti, segreteria telefonica, Libretti bancari con messaggi brevi
Siamo nell'era del consolidamento dei dispositivi, ma quale sarà il prossimo passo? I PCB sono stabiliti e disponiamo di processi e procedure per quasi tutto. Le applicazioni ad alta velocità stanno diventando la norma. Notiamo inoltre che solo il 25% dei progettisti 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 PCB sarà quello dei robot? Magari in un indossabile con circuito flessibile? Oppure potremmo vedere i protoni sostituire gli elettroni con la fotonica. Per quanto sappiamo sui PCB fisici, ciò potrebbe persino cambiare in futuro. Per consentire il collegamento tra i componenti non è necessario un mezzo fisico, bensì il potenziale della tecnologia delle onde. Ciò consentirebbe ai componenti di inviare segnali in modalità wireless senza la necessità di rame.
Cosa riserverà il futuro?
Nessuno sa veramente dove sia diretto il futuro della progettazione PCB, o anche dell’elettronica in generale. Sono trascorsi quasi 130 anni da quando i nostri muscoli produttivi hanno iniziato a funzionare. 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 sussistenza e per la sopravvivenza. Ora disponiamo di gadget elettronici in grado di soddisfare le nostre esigenze quotidiane.
Ma cosa ci riserva il futuro? Questa è una grande incognita. Sappiamo tutti che ogni invenzione davanti a noi poggia sulle spalle dei suoi predecessori. I nostri antenati hanno portato la progettazione PCB dove si trova 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.
Orario di pubblicazione: 17 marzo 2023