Som mange andre store oppfinnelser gjennom historien, harkretskort (PCB)slik vi kjenner det i dag er basert på fremskritt gjort gjennom historien.I vårt lille hjørne av verden kan vi spore PCB-historien tilbake mer enn 130 år, da verdens store industrimaskiner så vidt var i gang.Det vi skal dekke i denne bloggen er ikke hele historien, men de viktige øyeblikkene som forvandlet PCB til hva det er i dag.
Hvorfor PCB?
Over tid har PCB utviklet seg til å bli et verktøy for å optimalisere produksjonen av elektroniske produkter.Det som en gang var enkelt å montere for hånd, ga raskt plass til mikroskopiske komponenter som krevde mekanisk presisjon og effektivitet.Ta de to brettene vist i figuren nedenfor som et eksempel.Den ene er en gammel tavle fra 1960-tallet for kalkulatorer.Den andre er det typiske hovedkortet med høy tetthet du vil se i dagens datamaskiner.
En PCB-sammenligning mellom en kalkulator fra 1968 og dagens moderne hovedkort.
I en kalkulator kan vi ha 30+ transistorer, men på en enkelt brikke på et hovedkort finner du over en million transistorer.Poenget er at fremskrittet innen teknologi og PCB-design i seg selv er imponerende.Alt på en kalkulator PCB kan nå passe inn i en enkelt brikke i dagens design.Dette trekker oppmerksomheten til flere bemerkelsesverdige trender innen PCB-produksjon:
Vi integrerer mer funksjonalitet i avanserte enheter som integrerte kretser (ICer) og mikroprosessorer.
Vi krymper passive komponenter som motstander og kondensatorer ned til mikroskopisk nivå.
Alt dette fører til økt komponenttetthet og kompleksitet på våre kretskort.
Alle disse fremskrittene er først og fremst drevet av forbedringer i hastigheten og funksjonaliteten til produktene våre.Vi forventer at enhetene våre svarer umiddelbart, selv noen få sekunders forsinkelse kan drive oss til vanvidd.For funksjonalitet bør du vurdere videospill.På 80-tallet spilte du sannsynligvis Pac-Man på en spillehall.Nå ser vi fotorealistiske representasjoner av virkeligheten.Fremgangen er bare vanvittig.
Videospillbilder er nesten naturtro i disse dager.
Det er tydelig at PCB har utviklet seg som direkte respons på det vi forventer av enhetene våre.Vi trenger raskere, billigere og kraftigere produkter, og den eneste måten å møte disse kravene er å miniatyrisere og forbedre effektiviteten til produksjonsprosessen.Når startet denne boomen innen elektronikk og PCB?Ved begynnelsen av den forgyldte tidsalder.
Gilded Age (1879 – 1900)
Vi avsluttet den amerikanske borgerkrigen på 60-tallet, og nå blomstrer amerikansk produksjon.I mellomtiden gjør vi det vi kan, fra mat til klær, møbler og skinner.Skipsfartsindustrien er på offensiven, og våre beste ingeniører finner ut hvordan de kan få noen fra østkysten av USA til vestkysten på 5 til 7 dager i stedet for 5 til 7 måneder.
Jernbaner fikk reise fra kyst til kyst til å ta dager i stedet for måneder.
I løpet av denne tiden brakte vi også strøm inn i hjemmet, først i byene og deretter i forstedene og på landsbygda.Elektrisitet er nå en erstatning for kull, ved og olje.Tenk på å bo i New York under den harde vinteren, prøve å lage mat eller holde varmen med skitne kull eller vedhauger.Elektrisiteten endret alt dette.
Et interessant poeng er at Standard Oil, som monopoliserer oljemarkedet, ikke leverer olje til bensin.Markedet deres er olje for matlaging, steking og belysning.Med bruken av elektrisitet, trengte Standard Oil å definere en ny bruk for olje, som ville komme med introduksjonen av bilen.
I mai 1878 utstedte Standard Oil Company aksjer, og oljemonopolet begynte.
I løpet av den forgyldte tidsalder så vi noen store oppdagelser innen elektromagnetisme.Vi oppfant den elektriske motoren, som omdanner elektrisk energi til mekanisk energi.Vi ser også generatorer, som gjør det motsatte ved å konvertere mekanisk energi til elektrisk energi.
Det var også en tid med geniale oppfinnere som fortsatt har en innvirkning på vår elektroniske verden i dag, inkludert:
Thomas Edison oppfant lyspæren i 1879, filmen i 1889 og mange andre innovasjoner.
Nikola Tesla oppfant den elektriske motoren i 1888 og AC-strømkilden i 1895.
Alexander Graham Bell oppfant telefonen i 1876.
George Eastmans Kodak oppfant det første forbrukerkameraet i 1884.
Herman Hollerith oppfant tabuleringsmaskinen i 1890 og fortsatte med å grunnlegge IBM.
I løpet av denne intense perioden med innovasjon er en av de største debattene den mellom AC og DC.Teslas vekselstrøm ble etter hvert den ideelle metoden for å overføre kraft over lange avstander.Interessant nok har vi imidlertid fortsatt å gjøre med AC-DC-konvertering i dag.
AC kan ha vunnet kampen, men DC dominerer fortsatt elektronikk.
Se på hvilken som helst elektronisk enhet du kobler til veggen, du må konvertere AC til DC.Eller, hvis du ser på infrastrukturen som kreves for solcellepaneler, genererer de elektrisitet i DC, som må konverteres tilbake til AC som strømkilde, og tilbake til DC for at enhetene våre skal bruke.Man kan nesten si at AC-DC-debatten aldri var over, det var nettopp funnet en balanse mellom to motsatte ideer.
Det er mye frem og tilbake mellom AC og DC i et solcellepanel.
Legg merke til at den opprinnelige ideen om PCB ikke ble oppfunnet i den forgyldte tidsalderen.Men uten produksjonsevnen til denne epoken, og den utbredte innflytelsen fra elektrisitet, ville PCB aldri vært hva de er i dag.
Progressive Era (1890 – 1920)
Den progressive epoken var preget av en periode med sosial reform, med lovgivning som Sherman Antitrust Act som brøt opp Standard Oils monopol.Det er også da vi ser de første PCB-patentene.I 1903 søkte den tyske oppfinneren Albert Hanson om et britisk patent for en enhet beskrevet som en flat folieleder på en flerlags isolasjonsplate.Høres kjent ut?
Tegning som viser Albert Hansons første PCB-patent.
Hansen beskriver også konseptet med gjennomhullsapplikasjoner i sitt patent.Her viser han at man kan slå hull i to lag med vertikale linjer for å lage en elektrisk forbindelse.
I løpet av denne tiden begynte vi å se Edison og andre bedriftsledere gjøre et stort fremstøt for å bringe elektriske enheter inn i hverdagens hjem.Problemet med denne pushen er den fullstendige mangelen på standardisering.Hvis du bodde i New York eller New Jersey og brukte Edisons oppfinnelser av elektrisitet til belysning, oppvarming eller matlaging, hva ville skje hvis du brukte dem i en annen by?De kan ikke brukes fordi hver by har sin egen socketkonfigurasjon.
Problemet ble også forverret av det faktum at Edison ikke bare ønsket å selge folk en lyspære, han ønsket også å selge en tjeneste.Edison kan gi deg strømservice på månedlig basis;da ville du kjøpt lyspærer, hvitevarer osv. Selvfølgelig er ingen av disse tjenestene kompatible med andre konkurrerende metoder.
Vi vil takke Harvey Hubbel for at han endelig fikk slutt på dette rotet.I 1915 patenterte han standard stikkontakten som fortsatt er i bruk i dag.Nå har vi ikke en brødrister eller kokeplate koblet til en lyspærekontakt.Dette er en stor gevinst for industristandardisering.
Takket være Harvey Hubbel har vi nå et standardisert vegguttak for alle elektroniske enheter.
Som et siste notat, ble den progressive epoken preget av første verdenskrig. Denne konflikten er rent fokusert på mekanikk og skyttergravskrigføring.PCB-konseptet, eller til og med grunnleggende elektronikk, brukes ikke i militære applikasjoner ennå, men det vil det snart bli.
Roaring Twenties (1920-tallet)
Med slutten av første verdenskrig er vi nå i de brølende tjueårene, som så en enorm boom i den amerikanske økonomien.For første gang i historien bor det flere mennesker i byer enn på gårder.Vi begynner også å se kjeder og merker bli introdusert over hele USA.Du har kanskje en familiebutikk eller to i to forskjellige byer, men nå har vi store merker og butikker som er nasjonale.
Den største oppfinnelsen i denne perioden var Henry Fords bil og infrastrukturen den krevde.Situasjonen ligner på 1990-tallet, da vi måtte bygge en stor infrastruktur for å håndtere internett og informasjonsalderen vår ved å bygge brytere, rutere og fiberoptiske kabler.Biler er intet unntak.
Henry Fords første bil – en firehjuling.
Her ser vi det som en gang var en grusvei blir asfaltert.Folk trengte bensin for å drive kjøretøyene sine, derav behovet for bensinstasjoner.Du har også verksteder, tilbehør og mer.Mange menneskers hele livsstil stammer fra oppfinnelsen av bilen, og er det fortsatt i dag.
Det var også i løpet av denne tiden vi så introduksjonen av moderne apparater som vi fortsatt er avhengige av i dag, som vaskemaskiner, støvsugere og kjøleskap.For første gang vil folk kunne kjøpe bedervelige varer i butikk og lagre dem i lengre holdbarhet.
Men hvor er PCB-ene våre?Vi har fortsatt ikke sett dem brukt i noen apparater eller biler lansert i løpet av denne tiden.Men i 1925 innleverte Charles Ducasse et patent som beskrev prosessen med å tilsette ledende blekk til isolasjonsmaterialer.Dette vil senere resultere i et trykt ledningskort (PWB).Dette patentet er den første praktiske applikasjonen som ligner på et PCB, men bare som en plan varmespiral.Vi har ikke fått noen faktiske elektriske forbindelser mellom brettet og komponentene ennå, men vi nærmer oss.
PCB fortsatte å utvikle seg, denne gangen ble det brukt som varmespiral for Charles Ducas.
Great Depression (1930-tallet)
I 1929 stupte børsen, og alle vår tids store nyvinninger stupte.Her ser vi en periode med arbeidsledighet over 25 %, 25 000 bankkonkurser og mye trøbbel rundt om i verden.Det var en tragisk tid for menneskeheten som helhet, og banet vei for fremveksten av Hitler, Mussolini, Stalin og våre fremtidige verdenskonflikter.PCB kan ha vært stille til nå, men det er i ferd med å endre seg.
Den store depresjonen rammet alle, fra banker til vanlige arbeidere.
andre verdenskrig (1939 – 1945)
Andre verdenskrig var i gang, og USA ble med i kampen etter bombingen av Pearl Harbor i 1942. Det som er interessant med Pearl Harbor er hele kommunikasjonssvikten som førte til angrepet.USA hadde gode bevis på en overhengende krise, men alle metoder for kontakt med deres militærbase i Honolulu var mislykket, og øya ble overrumplet.
Som et resultat av denne feilen innså DoD at de trengte et mer pålitelig kommunikasjonsmiddel.Dette brakte elektronikk i forkant som det primære kommunikasjonsmiddelet som erstatter morsekode.
Det var også under andre verdenskrig vi så den første bruken av PCB i nærsikringer som vi har i dag.Enheten brukes til høyhastighetsprosjektiler som krever langdistanse presisjonsild i himmelen eller på land.Nærhetsrøret ble opprinnelig utviklet av britene for å motvirke fremrykningen av Hitlers hær.Den ble senere delt med USA hvor design og produksjon ble perfeksjonert.
En av de første militære applikasjonene som brukte PCB var nærsikringer.
I løpet av denne tiden hadde vi også Paul Eisler, en østerriker bosatt i Storbritannia, som patenterte kobberfolie på et ikke-ledende glasssubstrat.Høres kjent ut?Dette er et konsept vi fortsatt bruker i dag for å lage PCB med isolasjon og kobber på topp/bunn.Eisler tok denne ideen et skritt videre da han bygde en radio av PCB-en sin i 1943, som ville bane vei for fremtidige militære applikasjoner.
Paul Eisler bygde en radio av det første trykte kretskortet (PCB).
Baby Boomers (1940-tallet)
Da andre verdenskrig nærmet seg slutten, så vi soldatene våre komme hjem, stifte familier og få en hel haug med barn.Se på babyboomerne.Det var i etterkrigstiden vi så massive forbedringer av eksisterende apparater som støvsugere, vaskemaskiner, fjernsyn og radioer.Nå som den store resesjonen er bak oss, har mange forbrukere endelig råd til disse enhetene i hjemmene sine.
Vi har fortsatt ikke sett PCB-er av forbrukerkvalitet.Hvor er verkene til Paul Eisler?Ta en titt på denne gamle TV-en nedenfor, og du vil se alle komponentene, men uten det underliggende PCB-fundamentet.
En gammel Motorola TV fra 1948, uten PCB.
Til tross for mangelen på PCB, så vi ankomsten av transistoren til Bell Labs i 1947. Det tok ytterligere seks år i 1953 før enheten endelig ble brukt i produksjon, men hvorfor så lang tid?På den tiden ble informasjon formidlet gjennom tidsskrifter, konferanser osv. Før informasjonsalderen tok det bare tid å spre informasjon.
Den første transistoren ble født på Bell Laboratories i 1947.
Den kalde krigen (1947–1991)
Innkomsten av den kalde krigen markerte en betydelig periode med spenning mellom USA og Sovjetunionen.På grunn av forskjellene mellom kapitalisme og kommunisme, er disse to gigantene nesten i krig med hverandre og har satt verden under trussel om atomutslettelse.
For å ligge i forkant i dette våpenkappløpet, må begge sider forbedre sin evne til å kommunisere for å forstå hva fienden gjør.Her ser vi at PCB blir brukt til sitt fulle potensial.I 1956 publiserte den amerikanske hæren et patent for en "kretsmonteringsprosess."Produsenter har nå en måte å både holde elektronikk og lage forbindelser mellom komponenter med kobberspor.
Da PCB begynte å ta av i produksjonsverdenen, befant vi oss i verdens første romkappløp.Russland har hatt noen fantastiske prestasjoner i løpet av denne tiden, inkludert:
1957 Lansering av den første kunstige satellitten, Sputnik
1959 Lansering av Luna 2, det første romfartøyet til månen
I 1961 ble Yuri Gagarin, den første kosmonauten, sendt for å gå i bane rundt jorden
Russlands første kunstige satellitt, Sputnik, ble skutt opp i 1957.
Hvor er Amerika i alt dette?Hovedsakelig henger det etter, det tar vanligvis et år eller to å utvikle den samme teknologien.For å ta tak i dette gapet ser vi det amerikanske rombudsjettet femdobles i 1960. Vi har også den berømte president Kennedy-talen fra 1962, en del av denne er verdt å sitere:
«Vi velger å dra til månen!Vi velger å dra til månen for å gjøre andre ting dette tiåret, ikke fordi de er enkle, men fordi de er vanskelige;fordi dette målet vil hjelpe til med å organisere og måle våre beste energier og ferdigheter, på grunn av dette er utfordringer det vi er villige til å ta på oss, hva vi ikke er villige til å utsette, og hva vi er villige til å vinne.»– John F. Kennedy, president i USA, 12. september 1962
Alt dette førte til et landemerkeøyeblikk i historien.20. juli 1969 landet den første amerikanske mannen på månen.
Det første mennesket på månen, et historisk øyeblikk for menneskeheten.
Går tilbake til PCB, i 1963 fikk vi Hazeltyne Corporation patent på den første belagte gjennomhullsteknologien.Dette gjør at komponenter kan pakkes tett sammen på PCB-en uten å bekymre deg for krysskoblinger.Vi så også introduksjonen av Surface Mount Technology (SMT), utviklet av IBM.Disse tette sammenstillingene ble først sett i praksis i en Saturn-rakettforsterker.
1967 Det første gjennomhullede PCB-teknologipatentet.
Dawn of the Microprocessor (1970-tallet)
70-tallet brakte oss den første mikroprosessoren i form av en integrert krets (IC).Dette ble opprinnelig utviklet av Jack Kilby fra Texas Instruments i 1958. Kilby var ny for TI, så hans innovative ideer for IC-er ble stort sett holdt skjult.Men da TIs senioringeniører ble sendt til et ukelangt møte, ble Kilby igjen og løp med ideene i hodet.Her utviklet han den første IC i TI-laboratorier, og de returnerende ingeniørene elsket den.
Jack Kilby har den første integrerte kretsen.
På 1970-tallet så vi den første bruken av IC-er i elektronikkproduksjon.På dette tidspunktet, hvis du ikke bruker et PCB for tilkoblingene dine, er du i store problemer.
Dawn of the Digital Age (1980-tallet)
Den digitale tidsalderen har ført til en enorm endring i mediene vi bruker, med introduksjonen av personlige enheter som plater, VHS, kameraer, spillkonsoller, walkmans og mer.
I 1980 gjorde Atari videospillkonsoll barnas drømmer til virkelighet.
Det er viktig å merke seg at PCB fortsatt ble tegnet for hånd ved hjelp av lette tavler og sjablonger, men så kom datamaskiner og EDA.Her ser vi EDA-programvare som Protel og EAGLE revolusjonere måten vi designer og produserer elektronikk på.I stedet for et bilde av PCB, kan vi nå lagre designet som en Gerber-tekstfil, hvis koordinater kan legges inn i fabrikasjonsmaskineriet for å produsere PCB.
Internetttiden (1990-tallet)
På 90-tallet så vi bruken av silisium komme i full gang med introduksjonen av BGA.Nå kan vi montere flere porter på en enkelt brikke og begynne å bygge inn minne og system-on-chip (SoCs) sammen.Dette var også en periode med høy miniatyrisering av elektronikk.Vi så ingen nye funksjoner lagt til PCB, men hele designprosessen begynte å endre seg og utvikle seg, og flyttet til IC.
Designere må nå implementere design-for-test-strategier (DFT) i layoutene sine.Det er ikke lett å sette inn en komponent og legge til en blå linje.Ingeniører må designe layoutene sine med fremtidig omarbeid i tankene.Er alle disse komponentene plassert på en slik måte at de lett kan fjernes?Dette er en stor bekymring.
Det var også en epoke da mindre komponentpakker som 0402 gjorde håndlodding av kretskort nesten umulig.Designeren bor nå i sin EDA-programvare og produsenten er ansvarlig for den fysiske produksjonen og monteringen.
Overflatemonterte komponenter fra største til minste.
Hybrid-æra (2000-tallet og utover)
Kutt til dagens æra av elektronikk og PCB-design;det vi kaller hybridtiden.Tidligere hadde vi flere enheter for flere behov.Du trenger en kalkulator;du kjøper en kalkulator.Du vil spille videospill;du kjøper en videospillkonsoll.Nå kan du kjøpe en smarttelefon og få 30 forskjellige nivåer med innebygde funksjoner.Dette kan virke ganske åpenbart, men det er ganske forbløffende når du faktisk ser alle tingene våre smarttelefoner kan gjøre:
spillutstyr adressebok e-post strekkodeskanner lommelykt bjelle kameranavigering
musikkspiller tidsplan VCR kart Nettleser kalender filmspiller kalkulator
Telefon notebook billetter opptaker telefonsvarer Kort melding bank bøker
Vi er i enhetskonsolideringens tidsalder, men hva er det neste?PCB er etablert og vi har prosesser og prosedyrer for nesten alt.Høyhastighetsapplikasjoner er i ferd med å bli normen.Vi ser også at kun 25 % av PCB-designerne er under 45 år, mens 75 % forbereder seg på å gå av med pensjon.Bransjen ser ut til å være inne i en krisetid.
Vil fremtiden til PCB-design være roboter?Kanskje i en wearable med en flex-krets?Eller vi kan se protoner erstatte elektroner med fotonikk.Så langt vi vet om fysiske PCB, kan det til og med endre seg i fremtiden.Det er ikke behov for et fysisk medium for å muliggjøre forbindelsen mellom komponenter, men heller potensialet til bølgeteknologi.Dette vil tillate komponenter å sende signaler trådløst uten behov for kobber.
Hva vil fremtiden bringe?
Ingen vet egentlig hvor fremtiden for PCB-design, eller til og med elektronikk generelt, er på vei.Det har gått nesten 130 år siden produksjonsmusklene våre begynte å virke.Siden den gang har verden endret seg for alltid med introduksjonen av store produkter som biler, hvitevarer, datamaskiner, smarttelefoner og mer.Borte er tidene da vi var avhengige av kull, tømmer eller olje for alle våre grunnleggende levebrød og overlevelse.Nå har vi elektroniske dingser som kan dekke våre daglige behov.
Men hva bringer fremtiden?Dette er en stor ukjent.Vi vet alle at hver oppfinnelse foran oss står på skuldrene til sine forgjengere.Våre forfedre brakte PCB-design dit det er i dag, og nå må vi innovere og revolusjonere måten vi designer og samhandler med teknologi.Fremtiden kan være hva som helst.Fremtiden avhenger av deg.
Innleggstid: 17. mars 2023