Net als veel andere grote uitvindingen door de geschiedenis heen, is deprintplaat (PCB)zoals we die vandaag de dag kennen, is gebaseerd op vooruitgang die door de geschiedenis heen is geboekt. In ons kleine hoekje van de wereld kunnen we de geschiedenis van PCB's meer dan 130 jaar terugvoeren, toen de grootste industriële machines ter wereld nog maar net begonnen waren. Wat we in deze blog behandelen is niet de volledige geschiedenis, maar de belangrijke momenten die de PCB hebben getransformeerd tot wat hij nu is.
Waarom PCB?
In de loop van de tijd zijn PCB's uitgegroeid tot een hulpmiddel voor het optimaliseren van de productie van elektronische producten. Wat ooit eenvoudig met de hand te monteren was, maakte al snel plaats voor microscopisch kleine componenten die mechanische precisie en efficiëntie vereisten. Neem als voorbeeld de twee planken in de onderstaande afbeelding. De ene is een oud bord uit de jaren zestig voor rekenmachines. De andere is het typische moederbord met hoge dichtheid dat je in moderne computers tegenkomt.
Een PCB-vergelijking tussen een rekenmachine uit 1968 en de moderne moederborden van vandaag.
In een rekenmachine hebben we misschien meer dan 30 transistors, maar op één enkele chip op een moederbord vind je meer dan een miljoen transistors. Het punt is dat de vooruitgang op het gebied van technologie en PCB-ontwerp zelf indrukwekkend is. In de huidige ontwerpen past alles op de printplaat van een rekenmachine nu in één enkele chip. Dit vestigt de aandacht op een aantal opmerkelijke trends in de PCB-productie:
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 ontwikkelingen worden voornamelijk gedreven door verbeteringen in de snelheid en functionaliteit van onze producten. We verwachten dat onze apparaten onmiddellijk reageren; zelfs een paar seconden vertraging kan ons in paniek brengen. Denk voor functionaliteit aan videogames. In de jaren 80 speelde je waarschijnlijk Pac-Man in een speelhal. Nu zien we fotorealistische representaties van de werkelijkheid. De vooruitgang is gewoon krankzinnig.
De beelden van videogames zijn tegenwoordig bijna levensecht.
Het is duidelijk dat PCB's zijn geëvolueerd als 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 het miniaturiseren en verbeteren van de efficiëntie van het productieproces. Wanneer begon deze hausse in elektronica en PCB's? Aan het begin van het vergulde tijdperk.
Vergulde eeuw (1879 – 1900)
We beëindigden de Amerikaanse Burgeroorlog in de jaren zestig, en nu bloeit de Amerikaanse productie. In de tussentijd doen we wat we kunnen, van eten tot kleding, meubels en rails. De scheepvaartindustrie is in het offensief 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 zorgden ervoor dat reizen van kust tot kust dagen in plaats van maanden duurden.
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 steenkool, hout en olie. Denk aan het leven in New York tijdens de strenge winter, waar je probeert te koken of warm te blijven met vuile kolen of stapels brandhout. Elektriciteit veranderde dat allemaal.
Een interessant punt is dat Standard Oil, dat de oliemarkt monopoliseert, geen olie voor benzine levert. Hun markt is olie voor koken, braden en verlichten. Met de komst van elektriciteit moest Standard Oil een nieuw gebruik van 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 op het gebied van 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 in 1888 de elektromotor uit en in 1895 de wisselstroombron.
Alexander Graham Bell vond de telefoon uit in 1876.
Kodak van George Eastman vond in 1884 de eerste consumentencamera uit.
Herman Hollerith vond de tabelleermachine uit in 1890 en richtte vervolgens IBM op.
Tijdens deze intense periode van innovatie is een van de grootste debatten die tussen AC en DC. Tesla's wisselstroom werd uiteindelijk de ideale methode voor het overbrengen van stroom over lange afstanden. Interessant is echter dat we vandaag de dag nog steeds te maken hebben met AC-DC-conversie.
AC heeft misschien de strijd gewonnen, maar DC domineert nog steeds de elektronica.
Kijk naar elk elektronisch apparaat dat u op de muur aansluit: u moet wisselstroom naar gelijkstroom omzetten. Of, als je kijkt naar de infrastructuur die nodig is voor zonnepanelen: ze wekken elektriciteit op in gelijkstroom, die weer moet worden omgezet naar wisselstroom als stroombron, en weer terug naar gelijkstroom zodat onze apparaten deze kunnen gebruiken. Je zou bijna kunnen zeggen dat het AC-DC-debat nooit voorbij is; er is zojuist een evenwicht bereikt tussen twee tegengestelde ideeën.
Er is veel heen en weer tussen AC en DC in een zonnepaneel.
Merk op dat het oorspronkelijke idee van de PCB niet in het vergulde tijdperk 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 als de Sherman Antitrust Act het monopolie van Standard Oil doorbrak. Dit is ook het moment waarop 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 vlakke foliegeleider op een meerlaagse isolatieplaat. Klinkt bekend?
Tekening met 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 in twee lagen een gat kunt ponsen met verticale lijnen om zo een elektrische verbinding te maken.
Gedurende deze tijd zagen we dat Edison en andere bedrijfsleiders grote inspanningen deden om elektrische apparaten in de dagelijkse huizen te brengen. Het probleem met deze drang is het complete gebrek aan standaardisatie. Als je in New York of New Jersey zou wonen en Edisons uitvindingen op het gebied van elektriciteit zou gebruiken voor verlichting, verwarming of koken, wat zou er dan 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, maar ook een dienst. Edison kan u maandelijks van elektriciteit voorzien; dan zou je lampen, apparaten, enz. kopen. Uiteraard is geen van deze diensten compatibel met andere concurrerende methoden.
We willen Harvey Hubbel bedanken voor het eindelijk beëindigen van 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 gloeilampfitting. Dit is een enorme overwinning voor de standaardisatie in de industrie.
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 dat zal binnenkort wel het geval zijn.
Roaring Twenties (jaren twintig)
Met het einde van de Eerste Wereldoorlog bevinden we ons nu in de Roaring Twenties, waarin een enorme bloei in de Amerikaanse economie plaatsvond. Voor het eerst in de geschiedenis wonen er meer mensen in steden dan op boerderijen. We zien ook dat er in de VS ketens en merken worden geïntroduceerd. Je hebt misschien een of twee familiewinkels in twee verschillende steden, maar nu hebben we grote merken en winkels die nationaal opereren.
De grootste uitvinding van deze periode was de auto van Henry Ford en de infrastructuur die daarvoor nodig was. De situatie is vergelijkbaar met die in de jaren negentig, toen we een grote infrastructuur moesten bouwen om met het internet en ons informatietijdperk om te gaan, door het bouwen van switches, routers en glasvezelkabels. Auto's zijn geen uitzondering.
De eerste auto van Henry Ford: een vierwieler.
Hier zien we dat wat ooit een onverharde weg was, wordt geasfalteerd. 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 nog steeds zo.
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 gebruikt in apparaten of auto's die in deze periode zijn gelanceerd. In 1925 diende Charles Ducasse echter een patent in waarin het proces werd beschreven 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 PCB bleef evolueren en werd deze keer gebruikt als verwarmingsspiraal voor Charles Ducas.
Grote Depressie (jaren dertig)
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 werknemers.
Tweede Wereldoorlog (1939 – 1945)
De Tweede Wereldoorlog was in volle 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 het hele communicatieprobleem dat tot de aanval heeft geleid. 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 het Ministerie van Defensie dat ze een betrouwbaarder communicatiemiddel nodig hadden. Hierdoor kwam elektronica op de voorgrond als het belangrijkste communicatiemiddel ter vervanging van de morsecode.
Het was ook tijdens de Tweede Wereldoorlog dat we voor het eerst PCB's zagen in nabijheidszekeringen die we vandaag de dag hebben. Het apparaat wordt gebruikt voor projectielen met hoge snelheid die precisievuur over lange afstanden in de lucht of op het land vereisen. De nabijheidsontsteker werd oorspronkelijk door de Britten ontwikkeld 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 Groot-Brittannië woonde, die koperfolie patenteerde 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- en onderkant. Eisler ging nog een stap verder met dit idee toen hij in 1943 een radio uit zijn PCB bouwde, die de weg zou vrijmaken 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 hele hoop kinderen krijgen. Leve 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 in huis kopen.
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 PCB-basis.
Een oude Motorola TV uit 1948, geen printplaat.
Ondanks het ontbreken van printjes zagen we in 1947 wel de komst van de transistor bij Bell Labs. In 1953 duurde het nog eens 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 in 1947 bij Bell Laboratories geboren.
Tijdperk van de 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 het kapitalisme en het communisme zijn deze twee reuzen bijna in oorlog met elkaar 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 doet. Hier zien we dat de PCB optimaal wordt benut. In 1956 publiceerde het Amerikaanse leger een patent voor een ‘circuitassemblageproces’. Fabrikanten hebben nu een manier om elektronica vast te houden en verbindingen te maken tussen componenten met kopersporen.
Toen PCB's een vlucht namen in de productiewereld, bevonden we ons in de eerste ruimterace ter wereld. Rusland heeft in deze periode een aantal verbazingwekkende prestaties geleverd, waaronder:
1957 Lancering van de eerste kunstmatige satelliet, de 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, de Spoetnik, werd in 1957 gelanceerd.
Waar is Amerika in dit alles? Omdat ze vooral achterlopen, duurt het meestal een jaar of twee om dezelfde technologie te ontwikkelen. Als we deze kloof aanpakken, zien we het Amerikaanse ruimtevaartbudget in 1960 vervijfvoudigen. We hebben ook de beroemde toespraak van president Kennedy uit 1962, waarvan een deel de moeite waard is om te citeren:
“Wij 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 energieën en vaardigheden te organiseren en te meten. Uitdagingen zijn wat we bereid zijn aan te gaan, wat we niet bereid zijn uit te stellen en wat we bereid zijn te 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.
Terugkomend op PCB's: in 1963 lieten we Hazeltyne Corporation de eerste geplateerde through-hole-technologie patenteren. Hierdoor kunnen componenten dicht bij elkaar op de PCB worden verpakt zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over kruisverbindingen. Ook zagen we de introductie van Surface Mount Technology (SMT), ontwikkeld door IBM. Deze dichte assemblages werden voor het eerst in de praktijk gezien in een Saturn-raketbooster.
1967 Het eerste patent op PCB-technologie met doorlopende gaten.
Dageraad van de microprocessor (jaren 70)
De jaren '70 brachten ons de eerste microprocessor in de vorm van een geïntegreerd circuit (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 bleven grotendeels verborgen. Toen de senior engineers van TI echter naar een vergadering van een week werden gestuurd, bleef Kilby achter en ging met de ideeën in zijn hoofd aan de slag. Hier ontwikkelde hij de eerste IC in TI-laboratoria, en de terugkerende ingenieurs waren er dol op.
Jack Kilby bezit het eerste geïntegreerde circuit.
In de jaren zeventig zagen we het eerste gebruik van IC’s in de elektronicaproductie. Als u op dit moment geen PCB gebruikt voor uw verbindingen, zit u in grote problemen.
Aanbreken 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 de dromen van kinderen waar.
Het is belangrijk op te merken dat PCB's nog steeds met de hand werden getekend met behulp van lightboards en stencils, maar toen kwamen computers en EDA. Hier zien we dat 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 in de fabricagemachines kunnen worden ingevoerd om de printplaat te produceren.
Het internettijdperk (jaren negentig)
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 één chip plaatsen en beginnen met het samen inbedden van geheugen en systemen-op-chip (SoC's). Dit was ook een periode van hoge miniaturisatie van de elektronica. We zagen geen nieuwe functies aan de PCB toegevoegd, 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 eruit te halen en een blauwe lijn toe te voegen. Ingenieurs moeten hun lay-outs ontwerpen met toekomstige aanpassingen in gedachten. Zijn al deze onderdelen zo geplaatst dat ze gemakkelijk verwijderd kunnen worden? Dit is een grote zorg.
Het was ook een tijdperk waarin kleinere componentpakketten 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 assemblage.
Opbouwcomponenten van groot naar klein.
Hybride tijdperk (jaren 2000 en daarna)
Terug naar het huidige tijdperk van elektronica en PCB-ontwerp; wat wij 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 beschikken over 30 verschillende niveaus van ingebouwde functies. Dit lijkt misschien voor de hand liggend, maar het is behoorlijk verbazingwekkend als je ziet wat onze smartphones allemaal kunnen:
gamingapparatuur adresboek e-mail barcodescanner zaklamp bel cameranavigatie
muziekspeler schema videorecorder kaart internetbrowser kalender filmspeler rekenmachine
Telefoon notebook kaartjes recorder antwoordapparaat Kort bericht bankboekjes
We bevinden ons in het tijdperk van apparaatconsolidatie, maar wat nu? PCB's zijn gemaakt en we hebben voor bijna alles processen en procedures. Hogesnelheidstoepassingen worden de norm. We zien ook dat slechts 25% van de PCB-ontwerpers jonger is dan 45 jaar, terwijl 75% zich voorbereidt op pensionering. Het lijkt erop dat de sector zich in een crisistijd bevindt.
Zal de toekomst van PCB-ontwerp robots zijn? Misschien in een wearable met een flexcircuit? Of we zouden kunnen zien 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 juist het potentieel van golftechnologie. Hierdoor kunnen componenten draadloos signalen 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 voor al ons levensonderhoud en overleving afhankelijk waren van steenkool, hout of olie. 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 hebben het PCB-ontwerp gebracht tot 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