Net als vele andere grote uitvindingen door de geschiedenis heen, is deprintplaat (PCB)zoals we die nu kennen, is gebaseerd op de vooruitgang die in de loop van de geschiedenis is geboekt.In ons kleine hoekje van de wereld kunnen we de geschiedenis van PCB's meer dan 130 jaar terugvoeren, toen 's werelds grootste industriële machines nog maar net begonnen waren.Wat we in deze blog behandelen is niet de volledige geschiedenis, maar de belangrijke momenten die de printplaat hebben getransformeerd tot wat het nu is.
Waarom PCB?
PCB's zijn in de loop van de tijd geëvolueerd tot een hulpmiddel voor het optimaliseren van de fabricage van elektronische producten.Wat ooit eenvoudig met de hand te monteren was, maakte al snel plaats voor microscopische componenten die mechanische precisie en efficiëntie vereisten.Neem als voorbeeld de twee borden in de onderstaande afbeelding.Een daarvan is een oud bord uit de jaren zestig voor rekenmachines.De andere is het typische moederbord met hoge dichtheid dat u in de computers van vandaag zult zien.
Een PCB-vergelijking tussen een rekenmachine uit 1968 en moderne moederborden van vandaag.
In een rekenmachine hebben we misschien meer dan 30 transistors, maar op een enkele chip op een moederbord vind je meer dan een miljoen transistors.Het punt is dat de snelheid van vooruitgang in technologie en PCB-ontwerp zelf indrukwekkend is.Alles op de printplaat van een rekenmachine past nu in een enkele chip in de ontwerpen van vandaag.Dit vestigt de aandacht op een aantal opmerkelijke trends in de productie van PCB's:
We integreren meer functionaliteit in geavanceerde apparaten zoals geïntegreerde schakelingen (IC's) en microprocessors.
We verkleinen passieve componenten zoals weerstanden en condensatoren tot op microscopisch niveau.
Dit alles leidt tot een grotere componentdichtheid en complexiteit op onze printplaten.
Al deze vorderingen worden voornamelijk gedreven door verbeteringen in de snelheid en functionaliteit van onze producten.We verwachten dat onze apparaten onmiddellijk reageren, zelfs een vertraging van een paar seconden kan ons tot waanzin drijven.Overweeg voor functionaliteit videogames.In de jaren 80 speelde je waarschijnlijk Pac-Man in een speelhal.Nu zien we fotorealistische weergaven van de werkelijkheid.De vooruitgang is gewoon krankzinnig.
Videogamebeelden zijn tegenwoordig bijna levensecht.
Het is duidelijk dat PCB's zijn geëvolueerd in directe reactie op wat we van onze apparaten verwachten.We hebben snellere, goedkopere en krachtigere producten nodig, en de enige manier om aan deze eisen te voldoen is door het fabricageproces te verkleinen en de efficiëntie ervan te verbeteren.Wanneer begon deze hausse in elektronica en printplaten?Aan het begin van het vergulde tijdperk.
Vergulde leeftijd (1879 - 1900)
We beëindigden de Amerikaanse burgeroorlog in de jaren 60 en nu bloeit de Amerikaanse productie.Ondertussen doen we wat we kunnen, van eten tot kleding, meubels en rails.De scheepvaartindustrie is in de aanval en onze beste ingenieurs zijn aan het uitzoeken hoe ze iemand van de oostkust van de VS naar de westkust kunnen krijgen in 5 tot 7 dagen in plaats van 5 tot 7 maanden.
Spoorwegen maakten reizen van kust tot kust dagen in plaats van maanden.
Gedurende deze tijd brachten we ook elektriciteit in huis, eerst in de steden en daarna in de buitenwijken en op het platteland.Elektriciteit is nu een substituut voor kolen, hout en olie.Denk aan het leven in New York tijdens de strenge winter, proberen te koken of warm te blijven met vuile kolen of stapels brandhout.Elektriciteit heeft dat allemaal veranderd.
Een interessant punt is dat Standard Oil, dat de oliemarkt monopoliseert, geen olie voor benzine levert.Hun markt is olie voor koken, braden en verlichting.Met de komst van elektriciteit moest Standard Oil een nieuw gebruik voor olie definiëren, wat zou komen met de introductie van de auto.
In mei 1878 gaf Standard Oil Company aandelen uit en begon het oliemonopolie.
Tijdens het vergulde tijdperk zagen we enkele grote ontdekkingen in elektromagnetisme.We hebben de elektromotor uitgevonden, die elektrische energie omzet in mechanische energie.We zien ook generatoren, die het tegenovergestelde doen door mechanische energie om te zetten in elektrische energie.
Het was ook een tijd van geniale uitvinders die vandaag de dag nog steeds een impact hebben op onze elektronische wereld, waaronder:
Thomas Edison vond de gloeilamp uit in 1879, de film in 1889 en vele andere innovaties.
Nikola Tesla vond de elektromotor uit in 1888 en de wisselstroombron in 1895.
Alexander Graham Bell vond in 1876 de telefoon uit.
Kodak van George Eastman vond in 1884 de eerste consumentencamera uit.
Herman Hollerith vond in 1890 de tabelleermachine uit en richtte vervolgens IBM op.
Tijdens deze intense periode van innovatie is een van de grootste debatten die tussen AC en DC.De wisselstroom van Tesla werd uiteindelijk de ideale methode om stroom over lange afstanden over te brengen.Interessant is echter dat we vandaag nog steeds te maken hebben met AC-DC-conversie.
AC heeft de strijd misschien gewonnen, maar DC domineert nog steeds de elektronica.
Kijk naar elk elektronisch apparaat dat u op de muur aansluit, u moet AC naar DC converteren.Of, als je kijkt naar de infrastructuur die nodig is voor zonnepanelen, ze wekken elektriciteit op in gelijkstroom, die weer moet worden omgezet in wisselstroom als stroombron, en weer in gelijkstroom om onze apparaten te kunnen gebruiken.Je zou bijna kunnen zeggen dat het AC-DC-debat nooit voorbij was, er was net een evenwicht gevonden tussen twee tegengestelde ideeën.
Er wordt veel heen en weer geslingerd tussen AC en DC in een zonnepaneel.
Merk op dat het oorspronkelijke idee van de PCB niet in de Gilded Age is uitgevonden.Zonder de productiemogelijkheden van dit tijdperk en de wijdverbreide invloed van elektriciteit zouden PCB's echter nooit zijn wat ze nu zijn.
Progressief tijdperk (1890 - 1920)
Het progressieve tijdperk werd gekenmerkt door een periode van sociale hervormingen, waarbij wetgeving zoals de Sherman Antitrust Act het monopolie van Standard Oil doorbrak.Dit is ook wanneer we de eerste PCB-patenten zien.In 1903 vroeg de Duitse uitvinder Albert Hanson een Brits patent aan voor een apparaat dat wordt beschreven als een platte foliegeleider op een meerlagige isolatieplaat.Klinkt bekend?
Tekening van het eerste PCB-patent van Albert Hanson.
Hansen beschrijft ook het concept van through-hole toepassingen in zijn patent.Hier laat hij zien dat je met verticale lijnen een gat in twee lagen kunt ponsen om een elektrische verbinding te maken.
Gedurende deze tijd begonnen we te zien dat Edison en andere bedrijfsleiders een grote stap zetten om elektrische apparaten in alledaagse huizen te brengen.Het probleem met deze push is het complete gebrek aan standaardisatie.Als je in New York of New Jersey woonde en Edisons uitvindingen van elektriciteit gebruikte voor verlichting, verwarming of koken, wat zou er gebeuren als je ze in een andere stad zou gebruiken?Ze kunnen niet worden gebruikt omdat elke stad zijn eigen socketconfiguratie heeft.
Het probleem werd nog verergerd door het feit dat Edison mensen niet alleen een gloeilamp wilde verkopen, hij wilde ook een dienst verkopen.Edison kan u maandelijks van stroom voorzien;dan zou je gloeilampen, apparaten, enz. Kopen. Natuurlijk zijn geen van deze diensten compatibel met andere concurrerende methoden.
We willen Harvey Hubbel bedanken dat hij eindelijk een einde heeft gemaakt aan deze puinhoop.In 1915 patenteerde hij de standaard stopcontactstekker die nog steeds in gebruik is.Nu hebben we geen broodrooster of kookplaat aangesloten op een gloeilamp.Dit is een enorme overwinning voor industriestandaardisatie.
Dankzij Harvey Hubbel hebben we nu een gestandaardiseerd stopcontact voor alle elektronische apparaten.
Als laatste opmerking: het progressieve tijdperk werd gekenmerkt door de Eerste Wereldoorlog. Dit conflict is puur gericht op mechs en loopgravenoorlog.Het PCB-concept, of zelfs basiselektronica, wordt nog niet gebruikt in militaire toepassingen, maar zal dat binnenkort wel zijn.
Roaring Twenties (1920)
Met het einde van de Eerste Wereldoorlog bevinden we ons nu in de roaring twenties, waarin de Amerikaanse economie een enorme vlucht nam.Voor het eerst in de geschiedenis wonen er meer mensen in steden dan op boerderijen.We beginnen ook ketens en merken te zien die in de VS worden geïntroduceerd.Je hebt misschien een familiewinkel of twee in twee verschillende steden, maar nu hebben we grote merken en winkels die nationaal gaan.
De grootste uitvinding van deze periode was de auto van Henry Ford en de infrastructuur die daarvoor nodig was.De situatie is vergelijkbaar met de jaren negentig, toen we een grote infrastructuur moesten bouwen om het internet en ons informatietijdperk het hoofd te bieden door schakelaars, routers en glasvezelkabels te bouwen.Auto's zijn geen uitzondering.
De eerste auto van Henry Ford: een vierwieler.
Hier zien we wat eens een onverharde weg was die geplaveid werd.Mensen hadden benzine nodig om hun voertuigen van stroom te voorzien, vandaar de behoefte aan benzinestations.Je hebt ook reparatiewerkplaatsen, accessoires en meer.De hele manier van leven van veel mensen is ontstaan door de uitvinding van de auto, en dat is het nog steeds.
Het was ook in deze tijd dat we de introductie zagen van moderne apparaten waar we vandaag de dag nog steeds op vertrouwen, zoals wasmachines, stofzuigers en koelkasten.Voor het eerst kunnen mensen bederfelijke goederen in winkels kopen en deze voor een langere houdbaarheid bewaren.
Maar waar zijn onze PCB's?We hebben ze nog steeds niet gezien in apparaten of auto's die in deze periode zijn gelanceerd.In 1925 diende Charles Ducasse echter een patent in dat het proces beschreef van het toevoegen van geleidende inkt aan isolatiematerialen.Dit zal later resulteren in een printplaat (PWB).Dit patent is de eerste praktische toepassing vergelijkbaar met een PCB, maar alleen als een vlakke verwarmingsspiraal.We hebben nog geen echte elektrische verbindingen tussen het bord en de componenten, maar we komen in de buurt.
De printplaat bleef evolueren en werd deze keer gebruikt als verwarmingsspiraal voor Charles Ducas.
Grote Depressie (1930)
In 1929 kelderde de aandelenmarkt en alle grote innovaties van onze tijd kelderden.Hier zien we een periode van werkloosheid boven de 25%, 25.000 bankfaillissementen en veel problemen over de hele wereld.Het was een tragische tijd voor de mensheid als geheel, die de weg vrijmaakte voor de opkomst van Hitler, Mussolini, Stalin en onze toekomstige wereldconflicten.PCB's waren tot nu toe misschien stil, maar dat gaat allemaal veranderen.
De Grote Depressie trof iedereen, van banken tot gewone arbeiders.
Tweede Wereldoorlog (1939 – 1945)
De Tweede Wereldoorlog was aan de gang en de Verenigde Staten mengden zich in de strijd na het bombardement op Pearl Harbor in 1942. Wat interessant is aan Pearl Harbor is de hele communicatiefout die tot de aanval leidde.De VS hadden goede aanwijzingen voor een dreigende crisis, maar alle contactmethoden met hun militaire basis in Honolulu waren niet succesvol en het eiland werd overrompeld.
Als gevolg van deze mislukking besefte de DoD dat ze een betrouwbaarder communicatiemiddel nodig hadden.Dit bracht elektronica op de voorgrond als het belangrijkste communicatiemiddel ter vervanging van morsecode.
Het was ook tijdens de Tweede Wereldoorlog dat we het eerste gebruik zagen van PCB's in nabijheidszekeringen die we vandaag hebben.Het apparaat wordt gebruikt voor projectielen met hoge snelheid die nauwkeurig vuur over lange afstanden in de lucht of op het land vereisen.De nabijheidsontsteker is oorspronkelijk ontwikkeld door de Britten om de opmars van Hitlers leger tegen te gaan.Het werd later gedeeld met de Verenigde Staten, waar het ontwerp en de fabricage werden geperfectioneerd.
Een van de eerste militaire toepassingen waarbij PCB's werden gebruikt, waren nabijheidszekeringen.
Gedurende deze tijd hadden we ook Paul Eisler, een Oostenrijker die in het Verenigd Koninkrijk woont, patent op koperfolie op een niet-geleidend glassubstraat.Klinkt bekend?Dit is een concept dat we vandaag de dag nog steeds gebruiken om PCB's te maken met isolatie en koper aan de boven-/onderzijde.Eisler ging een stap verder met dit idee toen hij in 1943 een radio bouwde van zijn printplaat, die de weg vrijmaakte voor toekomstige militaire toepassingen.
Paul Eisler bouwde een radio uit de eerste printplaat (PCB).
Babyboomers (jaren 40)
Toen de Tweede Wereldoorlog ten einde liep, zagen we onze soldaten thuiskomen, gezinnen stichten en een heleboel kinderen krijgen.Cue de babyboomers.Het was in het naoorlogse tijdperk dat we enorme verbeteringen zagen aan bestaande apparaten zoals stofzuigers, wasmachines, televisies en radio's.Nu de Grote Recessie achter ons ligt, kunnen veel consumenten deze apparaten eindelijk thuis betalen.
We hebben nog steeds geen PCB's van consumentenkwaliteit gezien.Waar zijn de werken van Paul Eisler?Bekijk deze oude tv hieronder en je ziet alle componenten, maar zonder de onderliggende printplaat.
Een oude Motorola TV uit 1948, geen printplaat.
Ondanks het ontbreken van PCB's zagen we de komst van de transistor bij Bell Labs in 1947. Het duurde in 1953 nog zes jaar voordat het apparaat eindelijk in productie werd genomen, maar waarom zo lang?In die tijd werd informatie verspreid via tijdschriften, conferenties, enz. Vóór het informatietijdperk had de verspreiding van informatie gewoon tijd nodig om zich te verspreiden.
De eerste transistor werd geboren in Bell Laboratories in 1947.
Koude Oorlog (1947 - 1991)
De komst van het tijdperk van de Koude Oorlog markeerde een aanzienlijke periode van spanning tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie.Vanwege de verschillen tussen kapitalisme en communisme zijn deze twee reuzen bijna met elkaar in oorlog en hebben ze de wereld bedreigd met nucleaire vernietiging.
Om voorop te blijven in deze wapenwedloop, moeten beide partijen hun communicatievermogen verbeteren om te begrijpen wat de vijand aan het doen is.Hier zien we dat de printplaat volledig wordt benut.In 1956 publiceerde het Amerikaanse leger een patent voor een 'circuitassemblageproces'.Fabrikanten hebben nu een manier om zowel elektronica vast te houden als verbindingen te maken tussen componenten met koperen sporen.
Toen PCB's een vlucht begonnen te nemen in de productiewereld, bevonden we ons in 's werelds eerste ruimterace.Rusland heeft in deze periode een aantal geweldige prestaties geleverd, waaronder:
1957 Lancering van de eerste kunstmatige satelliet, Spoetnik
1959 Lancering van Luna 2, het eerste ruimtevaartuig naar de maan
In 1961 werd Yuri Gagarin, de eerste kosmonaut, in een baan om de aarde gestuurd
De eerste kunstmatige satelliet van Rusland, Spoetnik, werd gelanceerd in 1957.
Waar is Amerika in dit alles?Voornamelijk achterblijvend, duurt het meestal een jaar of twee om dezelfde technologie te ontwikkelen.Om deze kloof te dichten, zien we het Amerikaanse ruimtebudget vervijfvoudigen in 1960. We hebben ook de beroemde toespraak van president Kennedy uit 1962, waarvan een deel de moeite waard is om te citeren:
“We kiezen ervoor om naar de maan te gaan!We kiezen ervoor om dit decennium naar de maan te gaan om andere dingen te doen, niet omdat ze gemakkelijk zijn, maar omdat ze moeilijk zijn;omdat dit doel ons zal helpen onze beste energie en vaardigheden te organiseren en te meten, daarom zijn uitdagingen wat we bereid zijn aan te gaan, wat we niet willen uitstellen en wat we willen winnen.– John F. Kennedy, president van de Verenigde Staten, 12 september 1962
Dit alles leidde tot een mijlpaal in de geschiedenis.Op 20 juli 1969 landde de eerste Amerikaanse man op de maan.
De eerste man op de maan, een historisch moment voor de mensheid.
Om terug te gaan naar PCB's, in 1963 hadden we Hazeltyne Corporation patent op de eerste plated through-hole technologie.Hierdoor kunnen componenten dicht bij elkaar op de printplaat worden verpakt zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over cross-connects.We zagen ook de introductie van Surface Mount Technology (SMT), ontwikkeld door IBM.Deze dichte samenstellingen werden voor het eerst in de praktijk gezien in een Saturn-raketaanjager.
1967 Het eerste doorlopende PCB-technologieoctrooi.
Dageraad van de microprocessor (jaren 70)
De jaren '70 brachten ons de eerste microprocessor in de vorm van een geïntegreerde schakeling (IC).Dit werd oorspronkelijk ontwikkeld door Jack Kilby van Texas Instruments in 1958. Kilby was nieuw bij TI, dus zijn innovatieve ideeën voor IC's werden grotendeels verborgen gehouden.Toen de senior ingenieurs van TI echter naar een vergadering van een week werden gestuurd, bleef Kilby achter en rende met de ideeën in zijn hoofd.Hier ontwikkelde hij de eerste IC in TI-labs, en de terugkerende ingenieurs waren er dol op.
Jack Kilby heeft de eerste geïntegreerde schakeling.
In de jaren zeventig zagen we het eerste gebruik van IC's bij de productie van elektronica.Als u op dit moment geen PCB gebruikt voor uw verbindingen, zit u in grote problemen.
Dageraad van het digitale tijdperk (jaren 80)
Het digitale tijdperk heeft een enorme verandering teweeggebracht in de media die we consumeren, met de introductie van persoonlijke apparaten zoals schijven, VHS, camera's, gameconsoles, walkmans en meer.
In 1980 maakte de Atari-videogameconsole kinderdromen waar.
Het is belangrijk op te merken dat PCB's nog steeds met de hand werden getekend met behulp van lichtborden en stencils, maar toen kwamen computers en EDA.Hier zien we EDA-software zoals Protel en EAGLE een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we elektronica ontwerpen en produceren.In plaats van een foto van de printplaat kunnen we het ontwerp nu opslaan als een Gerber-tekstbestand, waarvan de coördinaten kunnen worden ingevoerd in de fabricagemachines om de printplaat te produceren.
Het internettijdperk (jaren 90)
In de jaren 90 zagen we het gebruik van silicium in volle gang komen met de introductie van de BGA.Nu kunnen we meer poorten op een enkele chip plaatsen en beginnen met het samenvoegen van geheugen en systemen-op-chip (SoC's).Dit was ook een periode van hoge miniaturisatie van elektronica.We zagen geen nieuwe functies toegevoegd aan de printplaat, maar het hele ontwerpproces begon te veranderen en te evolueren, en verhuisde naar de IC.
Ontwerpers moeten nu design-for-test (DFT)-strategieën in hun lay-outs implementeren.Het is niet eenvoudig om een component te laten verschijnen en een blauwe lijn toe te voegen.Ingenieurs moeten hun lay-outs ontwerpen met het oog op toekomstige aanpassingen.Zijn al deze componenten zo geplaatst dat ze gemakkelijk kunnen worden verwijderd?Dit is een grote zorg.
Het was ook een tijdperk waarin kleinere componentenpakketten zoals de 0402 het handmatig solderen van printplaten bijna onmogelijk maakten.De ontwerper woont nu in zijn EDA-software en de fabrikant is verantwoordelijk voor de fysieke productie en montage.
Componenten voor opbouwmontage van groot naar klein.
Hybride tijdperk (jaren 2000 en daarna)
Terug naar het huidige tijdperk van elektronica en PCB-ontwerp;wat we het hybride tijdperk noemen.In het verleden hadden we meerdere apparaten voor meerdere behoeften.Je hebt een rekenmachine nodig;je koopt een rekenmachine.Je wilt videogames spelen;je koopt een videogameconsole.Nu kunt u een smartphone kopen en 30 verschillende niveaus van ingebouwde functies krijgen.Dit lijkt misschien vrij voor de hand liggend, maar het is best verbazingwekkend als je ziet wat onze smartphones allemaal kunnen:
spelapparatuur adresboek e-mail barcode scanner zaklamp bel camera navigatie
schema muziekspeler VCR-kaart Internetbrowser kalender filmspelercalculator
Telefoon notitieboekje kaartjesrecorder antwoordapparaat Kort bericht bankboeken
We bevinden ons in het tijdperk van apparaatconsolidatie, maar wat nu?PCB's zijn vastgesteld en we hebben voor bijna alles processen en procedures.High-speed applicaties worden de norm.We zien ook dat slechts 25% van de PCB-ontwerpers jonger is dan 45 jaar, terwijl 75% zich voorbereidt op pensionering.De sector lijkt in een tijd van crisis te verkeren.
Zal de toekomst van PCB-ontwerp robots zijn?Misschien in een wearable met een flexcircuit?Of we zien misschien dat protonen elektronen vervangen door fotonica.Voor zover we weten over fysieke PCB's, zou dat in de toekomst zelfs kunnen veranderen.Er is geen fysiek medium nodig om de verbinding tussen componenten mogelijk te maken, maar eerder het potentieel van golftechnologie.Hierdoor zouden componenten draadloos signalen kunnen verzenden zonder dat er koper nodig is.
Wat zal de toekomst brengen?
Niemand weet echt waar de toekomst van PCB-ontwerp, of zelfs elektronica in het algemeen, naartoe gaat.Het is bijna 130 jaar geleden dat onze productiespieren begonnen te werken.Sindsdien is de wereld voor altijd veranderd met de introductie van belangrijke producten zoals auto's, apparaten, computers, smartphones en meer.Voorbij zijn de dagen dat we afhankelijk waren van steenkool, hout of olie voor al ons basisonderhoud en overleven.Nu hebben we elektronische gadgets die aan onze dagelijkse behoeften kunnen voldoen.
Maar wat brengt de toekomst?Dit is een grote onbekende.We weten allemaal dat elke uitvinding die voor ons ligt op de schouders van zijn voorgangers staat.Onze voorouders brachten PCB-ontwerp naar waar het nu is, en nu moeten we innoveren en een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we ontwerpen en omgaan met technologie.De toekomst kan van alles zijn.De toekomst hangt van jou af.
Posttijd: 17 maart 2023