Seperti banyak ciptaan hebat lain sepanjang sejarah, thepapan litar bercetak (PCB)seperti yang kita ketahui hari ini adalah berdasarkan kemajuan yang dicapai sepanjang sejarah.Di sudut kecil dunia kita, kita boleh menjejaki sejarah PCB sejak lebih 130 tahun lalu, ketika mesin perindustrian hebat dunia baru bermula.Apa yang akan kami kupas dalam blog ini bukanlah sejarah yang lengkap, tetapi detik-detik penting yang mengubah PCB menjadi seperti sekarang.
Mengapa PCB?
Dari masa ke masa, PCB telah berkembang menjadi alat untuk mengoptimumkan pembuatan produk elektronik.Apa yang dahulunya mudah dipasang dengan tangan dengan cepat memberi laluan kepada komponen mikroskopik yang memerlukan ketepatan dan kecekapan mekanikal.Ambil dua papan yang ditunjukkan dalam rajah di bawah sebagai contoh.Satu adalah papan lama dari tahun 1960-an untuk kalkulator.Yang lain ialah papan induk berketumpatan tinggi biasa yang anda akan lihat dalam komputer hari ini.
Perbandingan PCB antara kalkulator 1968 dan papan induk moden hari ini.
Dalam kalkulator kita mungkin mempunyai 30+ transistor, tetapi pada satu cip pada papan induk anda akan menemui lebih sejuta transistor.Intinya ialah, kadar kemajuan dalam teknologi dan reka bentuk PCB itu sendiri mengagumkan.Segala-galanya pada PCB kalkulator kini boleh dimuatkan ke dalam satu cip dalam reka bentuk hari ini.Ini menarik perhatian kepada beberapa trend yang ketara dalam pembuatan PCB:
Kami sedang menyepadukan lebih banyak fungsi ke dalam peranti lanjutan seperti litar bersepadu (IC) dan mikropemproses.
Kami mengecilkan komponen pasif seperti perintang dan kapasitor ke tahap mikroskopik.
Semua ini membawa kepada peningkatan ketumpatan dan kerumitan komponen pada papan litar kami.
Semua kemajuan ini didorong terutamanya oleh peningkatan dalam kelajuan dan kefungsian produk kami.Kami menjangkakan peranti kami bertindak balas serta-merta, walaupun beberapa saat kelewatan boleh menyebabkan kami menjadi kecoh.Untuk kefungsian, pertimbangkan permainan video.Pada tahun 80-an, anda mungkin bermain Pac-Man di arked.Sekarang kita melihat perwakilan fotoreal realiti.Kemajuan hanya gila.
Visual permainan video hampir seperti hidup pada hari ini.
Jelas sekali bahawa PCB telah berkembang sebagai tindak balas langsung kepada apa yang kami harapkan daripada peranti kami.Kami memerlukan produk yang lebih cepat, lebih murah, lebih berkuasa, dan satu-satunya cara untuk memenuhi permintaan ini ialah mengecilkan dan meningkatkan kecekapan proses pembuatan.Bilakah ledakan dalam elektronik dan PCB ini bermula?Pada awal Zaman Gilded.
Zaman Gilded (1879 – 1900)
Kami menamatkan Perang Saudara Amerika pada tahun 60-an, dan kini pembuatan Amerika berkembang pesat.Sementara itu, kami melakukan apa yang kami mampu, dari makanan hingga pakaian, perabot dan rel.Industri perkapalan sedang menceroboh, dan jurutera terhebat kami sedang memikirkan cara untuk membawa seseorang dari pantai timur AS ke pantai barat dalam masa 5 hingga 7 hari dan bukannya 5 hingga 7 bulan.
Kereta api membuat perjalanan dari pantai ke pantai mengambil masa berhari-hari dan bukannya berbulan-bulan.
Pada masa ini, kami juga membawa elektrik ke rumah, pertama di bandar dan kemudian di pinggir bandar dan luar bandar.Elektrik kini menjadi pengganti arang batu, kayu dan minyak.Fikirkan tinggal di New York semasa musim sejuk yang teruk, cuba memasak atau memanaskan badan dengan arang kotor atau timbunan kayu api.Elektrik mengubah semua itu.
Perkara yang menarik ialah Minyak Standard, yang memonopoli pasaran minyak, tidak membekalkan minyak untuk petrol.Pasaran mereka ialah minyak untuk memasak, menggoreng dan menyala.Dengan kemunculan tenaga elektrik, Standard Oil perlu mentakrifkan kegunaan baharu minyak, yang akan datang dengan pengenalan kereta itu.
Pada Mei 1878, Syarikat Minyak Standard mengeluarkan saham, dan monopoli minyak bermula.
Semasa Zaman Gilded kita melihat beberapa penemuan hebat dalam elektromagnetisme.Kami mencipta motor elektrik, yang menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal.Kami juga melihat penjana, yang melakukan sebaliknya dengan menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik.
Ia juga merupakan zaman pencipta genius yang masih memberi kesan kepada dunia elektronik kita hari ini, termasuk:
Thomas Edison mencipta mentol pada tahun 1879, filem pada tahun 1889, dan banyak inovasi lain.
Nikola Tesla mencipta motor elektrik pada tahun 1888 dan sumber kuasa AC pada tahun 1895.
Alexander Graham Bell mencipta telefon pada tahun 1876.
Kodak George Eastman mencipta kamera pengguna pertama pada tahun 1884.
Herman Hollerith mencipta mesin penjadualan pada tahun 1890 dan terus mengasaskan IBM.
Dalam tempoh inovasi yang sengit ini, salah satu perdebatan terbesar ialah antara AC dan DC.Arus ulang alik Tesla akhirnya menjadi kaedah yang ideal untuk menghantar kuasa pada jarak jauh.Menariknya, bagaimanapun, kami masih berurusan dengan penukaran AC-DC hari ini.
AC mungkin telah memenangi pertempuran, tetapi DC masih menguasai elektronik.
Lihat mana-mana peranti elektronik yang anda pasangkan ke dinding, anda perlu menukar AC kepada DC.Atau, jika anda melihat infrastruktur yang diperlukan untuk panel solar, ia menjana elektrik di DC, yang perlu ditukar kembali kepada AC sebagai sumber kuasa, dan kembali ke DC untuk digunakan oleh peranti kami.Anda hampir boleh mengatakan perdebatan AC-DC tidak pernah berakhir, keseimbangan baru sahaja dicapai antara dua idea yang bertentangan.
Terdapat banyak bolak-balik antara AC dan DC dalam panel solar.
Perhatikan bahawa idea asal PCB tidak dicipta pada Zaman Gilded.Walau bagaimanapun, tanpa keupayaan pembuatan era ini, dan pengaruh elektrik yang meluas, PCB tidak akan menjadi seperti sekarang.
Era Progresif (1890 – 1920)
Era Progresif ditandai dengan tempoh pembaharuan sosial, dengan undang-undang seperti Akta Antitrust Sherman memecah monopoli Standard Oil.Ini juga apabila kita melihat paten PCB pertama.Pada tahun 1903, pencipta Jerman Albert Hanson memohon paten British untuk peranti yang digambarkan sebagai konduktor foil rata pada papan penebat berbilang lapisan.Bunyi biasa?
Lukisan yang menggambarkan paten PCB pertama Albert Hanson.
Hansen juga menerangkan konsep aplikasi lubang telus dalam patennya.Di sini dia menunjukkan bahawa anda boleh menebuk lubang dalam dua lapisan dengan garis menegak untuk membuat sambungan elektrik.
Pada masa ini, kami mula melihat Edison dan pemimpin perniagaan lain berusaha keras untuk membawa peranti elektrik ke dalam rumah setiap hari.Masalah dengan dorongan ini adalah kekurangan penyeragaman sepenuhnya.Jika anda tinggal di New York atau New Jersey dan menggunakan ciptaan elektrik Edison untuk pencahayaan, pemanasan atau memasak, apakah yang akan berlaku jika anda menggunakannya di bandar lain?Mereka tidak boleh digunakan kerana setiap bandar mempunyai konfigurasi soket sendiri.
Masalah itu juga menjadi lebih teruk oleh fakta bahawa Edison bukan sahaja mahu menjual mentol kepada orang ramai, dia juga mahu menjual perkhidmatan.Edison boleh memberi anda perkhidmatan elektrik setiap bulan;maka anda akan membeli mentol lampu, peralatan, dsb. Sudah tentu, tiada perkhidmatan ini serasi dengan kaedah bersaing lain.
Kami ingin mengucapkan terima kasih kepada Harvey Hubbel kerana akhirnya menamatkan kekacauan ini.Pada tahun 1915, beliau telah mempatenkan plag soket dinding standard yang masih digunakan hari ini.Sekarang kami tidak mempunyai pembakar roti atau plat panas yang dipasang pada soket mentol lampu.Ini adalah kemenangan besar untuk penyeragaman industri.
Terima kasih kepada Harvey Hubbel, kami kini mempunyai saluran keluar dinding piawai untuk semua peranti elektronik.
Sebagai nota akhir, Era Progresif ditandai dengan Perang Dunia I. Konflik ini tertumpu semata-mata pada mech dan peperangan parit.Konsep PCB, atau elektronik asas, belum lagi digunakan dalam aplikasi ketenteraan, tetapi ia akan digunakan tidak lama lagi.
Dua Puluh Mengaum (1920-an)
Dengan berakhirnya Perang Dunia I, kita kini berada di Roaring Twenties, yang menyaksikan ledakan besar dalam ekonomi Amerika.Buat pertama kali dalam sejarah, lebih ramai orang tinggal di bandar berbanding di ladang.Kami juga mula melihat rangkaian dan jenama diperkenalkan di seluruh AS.Anda mungkin mempunyai satu atau dua kedai keluarga di dua bandar berbeza, tetapi kini kami mempunyai jenama dan kedai utama yang menjadi nasional.
Ciptaan terhebat pada zaman ini ialah kereta Henry Ford dan infrastruktur yang diperlukan.Keadaan ini serupa dengan tahun 1990-an, apabila kami terpaksa membina infrastruktur utama untuk menangani internet dan zaman maklumat kami dengan membina suis, penghala dan kabel gentian optik.Kereta tidak terkecuali.
Kereta pertama Henry Ford – sebuah kereta empat roda.
Di sini kita melihat apa yang dahulunya adalah jalan tanah yang diturap.Orang ramai memerlukan petrol untuk menghidupkan kenderaan mereka, justeru keperluan untuk stesen minyak.Anda juga mempunyai kedai pembaikan, aksesori dan banyak lagi.Keseluruhan cara hidup ramai orang berpunca daripada ciptaan kereta, dan ia masih berlaku sehingga kini.
Pada masa inilah juga kita melihat pengenalan peralatan moden yang masih kita harapkan hari ini, seperti mesin basuh, pembersih vakum dan peti sejuk.Buat pertama kalinya, orang ramai akan dapat membeli barangan mudah rosak di kedai dan menyimpannya untuk jangka hayat yang lebih lama.
Tetapi di manakah PCB kita?Kami masih belum melihatnya digunakan dalam mana-mana peralatan atau kereta yang dilancarkan pada masa ini.Walau bagaimanapun, pada tahun 1925, Charles Ducasse memfailkan paten yang menerangkan proses menambah dakwat konduktif kepada bahan penebat.Ini kemudiannya akan menghasilkan papan pendawaian bercetak (PWB).Paten ini adalah aplikasi praktikal pertama yang serupa dengan PCB, tetapi hanya sebagai gegelung pemanasan planar.Kami belum mendapat sebarang sambungan elektrik sebenar antara papan dan komponen lagi, tetapi kami semakin hampir.
PCB terus berkembang, kali ini digunakan sebagai gegelung pemanas untuk Charles Ducas.
Kemurungan Besar (1930-an)
Pada tahun 1929, pasaran saham menjunam, dan semua inovasi hebat pada zaman kita merudum.Di sini kita melihat tempoh pengangguran melebihi 25%, 25,000 kegagalan bank, dan banyak masalah di seluruh dunia.Ia adalah masa yang tragis bagi manusia secara keseluruhan, membuka jalan bagi kebangkitan Hitler, Mussolini, Stalin, dan konflik dunia masa depan kita.PCB mungkin senyap sehingga kini, tetapi itu semua akan berubah.
Kemelesetan Besar memberi kesan kepada semua orang, daripada bank kepada pekerja biasa.
Perang Dunia II (1939 – 1945)
Perang Dunia II sedang berlangsung, dan Amerika Syarikat menyertai pergaduhan selepas pengeboman Pearl Harbor pada tahun 1942. Apa yang menarik tentang Pearl Harbor ialah keseluruhan kegagalan komunikasi yang membawa kepada serangan itu.AS mempunyai bukti yang baik tentang krisis yang akan berlaku, tetapi semua kaedah hubungan dengan pangkalan tentera mereka di Honolulu tidak berjaya, dan pulau itu tidak berjaga-jaga.
Akibat kegagalan ini, DoD menyedari bahawa mereka memerlukan cara komunikasi yang lebih dipercayai.Ini membawa elektronik ke hadapan sebagai alat komunikasi utama yang menggantikan kod Morse.
Semasa Perang Dunia II juga, kita melihat penggunaan pertama PCB dalam fius berdekatan yang kita ada hari ini.Peranti ini digunakan untuk peluru berkelajuan tinggi yang memerlukan tembakan ketepatan jarak jauh di langit atau di darat.Fuze proximity pada asalnya dibangunkan oleh British untuk menentang kemaraan tentera Hitler.Ia kemudiannya dikongsi dengan Amerika Syarikat di mana reka bentuk dan pembuatan telah disempurnakan.
Salah satu aplikasi ketenteraan pertama yang menggunakan PCB ialah fius kedekatan.
Pada masa ini, kami juga mempunyai Paul Eisler, seorang Austria yang tinggal di UK, mematenkan kerajang tembaga pada substrat kaca bukan konduktif.Bunyi biasa?Ini adalah konsep yang masih kita gunakan hari ini untuk membuat PCB dengan penebat dan tembaga di bahagian atas/bawah.Eisler mengambil idea ini lebih jauh apabila dia membina radio daripada PCBnya pada tahun 1943, yang akan membuka jalan untuk aplikasi ketenteraan masa hadapan.
Paul Eisler membina radio daripada papan litar bercetak (PCB) pertama.
Baby Boomers (1940-an)
Ketika Perang Dunia II semakin hampir, kami melihat askar kami pulang ke rumah, memulakan keluarga, dan mempunyai ramai anak.Isyarat baby boomer.Pada era selepas perang, kita melihat penambahbaikan besar-besaran pada peralatan sedia ada seperti pembersih vakum, mesin basuh, televisyen dan radio.Memandangkan Kemelesetan Besar telah berlalu, ramai pengguna akhirnya mampu membeli peranti ini di rumah mereka.
Kami masih belum melihat PCB gred pengguna.Di manakah karya Paul Eisler?Lihat TV lama ini di bawah dan anda akan melihat semua komponen, tetapi tanpa asas PCB asas.
TV Motorola lama dari 1948, tiada PCB.
Walaupun kekurangan PCB, kami telah melihat ketibaan transistor di Bell Labs pada tahun 1947. Ia mengambil masa enam tahun lagi pada tahun 1953 sebelum peranti itu akhirnya digunakan dalam pengeluaran, tetapi mengapa begitu lama?Pada zaman itu, maklumat disebarkan melalui jurnal, persidangan dan sebagainya. Sebelum zaman maklumat, penyebaran maklumat hanya mengambil masa untuk disebarkan.
Transistor pertama dilahirkan di Bell Laboratories pada tahun 1947.
Era Perang Dingin (1947 – 1991)
Kemunculan era Perang Dingin menandakan tempoh ketegangan yang agak besar antara Amerika Syarikat dan Kesatuan Soviet.Disebabkan perbezaan antara kapitalisme dan komunisme, kedua-dua gergasi ini hampir berperang antara satu sama lain dan telah meletakkan dunia di bawah ancaman pemusnahan nuklear.
Untuk kekal di hadapan dalam perlumbaan senjata ini, kedua-dua pihak mesti meningkatkan keupayaan mereka untuk berkomunikasi untuk memahami apa yang dilakukan oleh musuh.Di sini kita melihat PCB digunakan sepenuhnya.Pada tahun 1956, Tentera AS menerbitkan paten untuk "proses pemasangan litar."Pengilang kini mempunyai cara untuk memegang elektronik dan membuat sambungan antara komponen dengan kesan tembaga.
Apabila PCB mula berlepas dalam dunia pembuatan, kami mendapati diri kami berada dalam perlumbaan angkasa lepas yang pertama di dunia.Rusia mempunyai beberapa pencapaian yang menakjubkan pada masa ini, termasuk:
1957 Pelancaran satelit buatan pertama, Sputnik
1959 Pelancaran Luna 2, kapal angkasa pertama ke Bulan
Pada tahun 1961 Yuri Gagarin, angkasawan pertama, dihantar ke orbit Bumi
Satelit buatan pertama Rusia, Sputnik, dilancarkan pada tahun 1957.
Di manakah Amerika dalam semua ini?Terutamanya ketinggalan, biasanya mengambil masa satu atau dua tahun untuk membangunkan teknologi yang sama.Menangani jurang ini, kami melihat belanjawan angkasa AS meningkat lima kali ganda pada tahun 1960. Kami juga mempunyai ucapan Presiden Kennedy 1962 yang terkenal, sebahagian daripadanya patut dipetik:
“Kami memilih untuk pergi ke bulan!Kami memilih untuk pergi ke bulan untuk melakukan perkara lain pada dekad ini, bukan kerana ia mudah, tetapi kerana ia sukar;kerana matlamat ini akan membantu mengatur dan mengukur tenaga dan kemahiran terbaik kami, kerana ini Cabaran adalah apa yang kami sanggup hadapi, apa yang kami tidak sanggup tangguhkan, dan apa yang kami sanggup menangi.”– John F. Kennedy, Presiden Amerika Syarikat, 12 September 1962
Semua ini membawa kepada detik penting dalam sejarah.Pada 20 Julai 1969, lelaki Amerika pertama mendarat di bulan.
Lelaki pertama di bulan, detik bersejarah bagi umat manusia.
Berbalik kepada PCB, pada tahun 1963 kami telah mempatenkan Hazeltyne Corporation teknologi lubang tembus pertama.Ini akan membolehkan komponen dibungkus rapat pada PCB tanpa perlu risau tentang sambungan silang.Kami juga melihat pengenalan Surface Mount Technology (SMT), yang dibangunkan oleh IBM.Perhimpunan padat ini mula-mula dilihat dalam amalan dalam penggalak roket Zuhal.
1967 Paten teknologi PCB melalui lubang pertama.
Fajar Mikropemproses (1970-an)
Tahun 70-an membawa kita mikropemproses pertama dalam bentuk litar bersepadu (IC).Ini pada asalnya dibangunkan oleh Jack Kilby dari Texas Instruments pada tahun 1958. Kilby baru dalam TI, jadi idea-idea inovatifnya untuk IC sebahagian besarnya dirahsiakan.Walau bagaimanapun, apabila jurutera kanan TI dihantar ke mesyuarat selama seminggu, Kilby tinggal di belakang dan berlari dengan idea-idea di kepalanya.Di sini, dia membangunkan IC pertama dalam makmal TI, dan jurutera yang kembali menyukainya.
Jack Kilby memegang litar bersepadu pertama.
Pada tahun 1970-an, kami melihat penggunaan pertama IC dalam pembuatan elektronik.Pada ketika ini, jika anda tidak menggunakan PCB untuk sambungan anda, anda menghadapi masalah besar.
Fajar Zaman Digital (1980-an)
Era digital telah membawa perubahan besar dalam media yang kami gunakan, dengan pengenalan peranti peribadi seperti cakera, VHS, kamera, konsol permainan, walkman dan banyak lagi.
Pada tahun 1980, konsol permainan video Atari menjadikan impian kanak-kanak menjadi kenyataan.
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa PCB masih dilukis dengan tangan menggunakan papan cahaya dan stensil, tetapi kemudian komputer dan EDA datang bersama-sama.Di sini kami melihat perisian EDA seperti Protel dan EAGLE merevolusikan cara kami mereka bentuk dan mengeluarkan elektronik.Daripada foto PCB, kami kini boleh menyimpan reka bentuk sebagai fail teks Gerber, yang koordinatnya boleh dimasukkan ke dalam jentera fabrikasi untuk menghasilkan PCB.
Zaman Internet (1990-an)
Pada tahun 90-an, kami melihat penggunaan silikon mula berkembang pesat dengan pengenalan BGA.Kini kita boleh memuatkan lebih banyak gerbang pada satu cip dan mula membenamkan memori dan sistem pada cip (SoC) bersama-sama.Ini juga merupakan tempoh pengecilan elektronik yang tinggi.Kami tidak melihat sebarang ciri baharu ditambahkan pada PCB, tetapi keseluruhan proses reka bentuk mula berubah dan berkembang, beralih kepada IC.
Pereka bentuk kini mesti melaksanakan strategi reka bentuk untuk ujian (DFT) ke dalam reka letak mereka.Bukan mudah untuk memunculkan komponen dan menambah garis biru.Jurutera mesti mereka bentuk susun atur mereka dengan memikirkan kerja semula masa hadapan.Adakah semua komponen ini diletakkan sedemikian rupa supaya ia mudah dikeluarkan?Ini adalah kebimbangan besar.
Ia juga merupakan era apabila pakej komponen yang lebih kecil seperti 0402 membuat pematerian tangan papan litar hampir mustahil.Pereka bentuk kini tinggal dalam perisian EDAnya dan pengilang bertanggungjawab untuk pengeluaran dan pemasangan fizikal.
Komponen lekapan permukaan daripada terbesar kepada terkecil.
Era hibrid (2000-an dan seterusnya)
Dipotong mengikut era elektronik dan reka bentuk PCB hari ini;apa yang kita panggil era hibrid.Pada masa lalu, kami mempunyai berbilang peranti untuk pelbagai keperluan.Anda memerlukan kalkulator;anda membeli kalkulator.Anda mahu bermain permainan video;anda membeli konsol permainan video.Kini anda boleh membeli telefon pintar dan mendapatkan 30 peringkat ciri terbina dalam yang berbeza.Ini mungkin kelihatan agak jelas, tetapi ia agak mengejutkan apabila anda benar-benar melihat semua perkara yang boleh dilakukan oleh telefon pintar kami:
buku alamat peralatan permainan e-mel pengimbas kod bar lampu suluh loceng navigasi kamera
jadual pemain muzik Peta VCR kalendar pelayar Internet kalkulator pemain filem
Mesin penjawab perakam tiket buku nota telefon Buku perbankan pesanan ringkas
Kita berada dalam zaman penyatuan peranti, tetapi apa yang seterusnya?PCB telah ditubuhkan dan kami mempunyai proses dan prosedur untuk hampir semua perkara.Aplikasi berkelajuan tinggi menjadi kebiasaan.Kami juga melihat bahawa hanya 25% pereka PCB berumur di bawah 45 tahun, manakala 75% sedang bersedia untuk bersara.Industri ini nampaknya berada dalam masa krisis.
Adakah masa depan reka bentuk PCB akan menjadi robot?Mungkin dalam boleh pakai dengan litar lentur?Atau kita mungkin melihat proton menggantikan elektron dengan fotonik.Setakat apa yang kita tahu tentang PCB fizikal, itu mungkin berubah pada masa hadapan.Tidak perlu medium fizikal untuk membolehkan sambungan antara komponen, sebaliknya potensi teknologi gelombang.Ini akan membolehkan komponen menghantar isyarat secara wayarles tanpa memerlukan tembaga.
Apakah masa depan yang akan berlaku?
Tiada siapa yang benar-benar tahu ke mana arah tuju reka bentuk PCB, malah elektronik secara amnya.Sudah hampir 130 tahun sejak otot pembuatan kami mula berfungsi.Sejak itu, dunia telah berubah selama-lamanya dengan pengenalan produk utama seperti kereta, peralatan, komputer, telefon pintar dan banyak lagi.Sudah berlalu hari-hari apabila kita bergantung kepada arang batu, kayu atau minyak untuk semua mata pencarian asas dan kelangsungan hidup kita.Kini kita mempunyai gajet elektronik yang boleh memenuhi keperluan harian kita.
Tetapi apakah masa depan yang ada?Ini adalah perkara besar yang tidak diketahui.Kita semua tahu bahawa setiap ciptaan di hadapan kita berdiri di atas bahu pendahulunya.Nenek moyang kami membawa reka bentuk PCB seperti sekarang, dan kini kami perlu berinovasi dan merevolusikan cara kami mereka bentuk dan berinteraksi dengan teknologi.Masa depan boleh jadi apa sahaja.Masa depan bergantung pada anda.
Masa siaran: Mac-17-2023