Podobnie jak wiele innych wielkich wynalazków w całej historii,płytka drukowana (PCB)jak wiemy dzisiaj, opiera się na postępie dokonanym w historii.W naszym małym zakątku świata możemy prześledzić historię PCB sprzed ponad 130 lat, kiedy to wielkie światowe maszyny przemysłowe dopiero zaczynały działać.To, co omówimy na tym blogu, nie jest pełną historią, ale ważnymi momentami, które przekształciły PCB w to, czym jest dzisiaj.
Dlaczego PCB?
Z biegiem czasu płytki PCB przekształciły się w narzędzie do optymalizacji produkcji wyrobów elektronicznych.To, co kiedyś było łatwe do ręcznego złożenia, szybko ustąpiło miejsca mikroskopijnym komponentom wymagającym mechanicznej precyzji i wydajności.Weźmy jako przykład dwie tablice pokazane na poniższym rysunku.Jedna to stara tablica do kalkulatorów z lat 60.Druga to typowa płyta główna o dużej gęstości, którą można spotkać we współczesnych komputerach.
Porównanie PCB między kalkulatorem z 1968 roku a dzisiejszymi nowoczesnymi płytami głównymi.
W kalkulatorze możemy mieć ponad 30 tranzystorów, ale na jednym chipie na płycie głównej znajdziesz ponad milion tranzystorów.Rzecz w tym, że tempo rozwoju technologii i samego projektowania PCB jest imponujące.W dzisiejszych projektach wszystko na płytce drukowanej kalkulatora może teraz zmieścić się w jednym chipie.Zwraca to uwagę na kilka znaczących trendów w produkcji PCB:
Integrujemy więcej funkcji z zaawansowanymi urządzeniami, takimi jak układy scalone (IC) i mikroprocesory.
Zmniejszamy elementy pasywne, takie jak rezystory i kondensatory, do poziomu mikroskopijnego.
Wszystko to prowadzi do zwiększonej gęstości i złożoności komponentów na naszych płytkach drukowanych.
Wszystkie te postępy wynikają przede wszystkim z poprawy szybkości i funkcjonalności naszych produktów.Oczekujemy, że nasze urządzenia będą reagowały natychmiast, nawet kilkusekundowe opóźnienie może doprowadzić nas do szału.Jeśli chodzi o funkcjonalność, rozważ gry wideo.W latach 80. prawdopodobnie grałeś w Pac-Mana w salonie gier.Teraz widzimy fotorealistyczne reprezentacje rzeczywistości.Postęp jest po prostu niesamowity.
Oprawa wizualna gier wideo jest obecnie niemal realistyczna.
Oczywiste jest, że płytki PCB ewoluowały w bezpośredniej odpowiedzi na to, czego oczekujemy od naszych urządzeń.Potrzebujemy szybszych, tańszych, mocniejszych produktów, a jedynym sposobem na zaspokojenie tych wymagań jest miniaturyzacja i poprawa wydajności procesu produkcyjnego.Kiedy zaczął się ten boom na elektronikę i PCB?U zarania epoki pozłacanej.
Wiek pozłacany (1879 – 1900)
Zakończyliśmy wojnę secesyjną w latach 60., a teraz amerykańska produkcja kwitnie.W międzyczasie robimy, co możemy, od jedzenia po ubrania, meble i szyny.Branża żeglugowa jest w ofensywie, a nasi najlepsi inżynierowie zastanawiają się, jak przewieźć kogoś ze wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych na zachodnie w ciągu 5 do 7 dni zamiast 5 do 7 miesięcy.
Koleje sprawiły, że podróż z wybrzeża na wybrzeże zajęła dni zamiast miesięcy.
W tym czasie doprowadziliśmy również elektryczność do domów, najpierw w miastach, a następnie na przedmieściach i na obszarach wiejskich.Energia elektryczna jest obecnie substytutem węgla, drewna i ropy naftowej.Pomyśl o życiu w Nowym Jorku podczas surowej zimy, próbując gotować lub ogrzać się za pomocą brudnych węgli lub stosów drewna na opał.Elektryczność wszystko zmieniła.
Ciekawostką jest to, że Standard Oil, który monopolizuje rynek ropy naftowej, nie dostarcza ropy do benzyny.Ich rynkiem zbytu jest olej do gotowania, smażenia i oświetlenia.Wraz z pojawieniem się elektryczności firma Standard Oil musiała zdefiniować nowe zastosowanie ropy naftowej, co miało nastąpić wraz z wprowadzeniem samochodu.
W maju 1878 roku Standard Oil Company wyemitowała akcje i rozpoczął się monopol na ropę.
W epoce pozłacanej byliśmy świadkami kilku wielkich odkryć w dziedzinie elektromagnetyzmu.Wynaleźliśmy silnik elektryczny, który zamienia energię elektryczną na energię mechaniczną.Widzimy również generatory, które działają odwrotnie, przekształcając energię mechaniczną w energię elektryczną.
Był to również czas genialnych wynalazców, którzy do dziś mają wpływ na nasz elektroniczny świat, m.in.:
Thomas Edison wynalazł żarówkę w 1879 r., film w 1889 r. i wiele innych innowacji.
Nikola Tesla wynalazł silnik elektryczny w 1888 roku, a źródło prądu przemiennego w 1895 roku.
Alexander Graham Bell wynalazł telefon w 1876 roku.
Kodak George'a Eastmana wynalazł pierwszy aparat konsumencki w 1884 roku.
Herman Hollerith wynalazł maszynę do tworzenia tabel w 1890 roku i założył IBM.
W tym intensywnym okresie innowacji jedną z największych debat jest debata między prądem przemiennym a prądem stałym.Prąd przemienny Tesli ostatecznie stał się idealną metodą przesyłania energii na duże odległości.Co jednak ciekawe, z konwersją AC-DC mamy do czynienia do dziś.
AC może i wygrał bitwę, ale DC nadal dominuje w elektronice.
Spójrz na każde urządzenie elektroniczne, które podłączasz do ściany, musisz przekonwertować prąd zmienny na prąd stały.Lub, jeśli spojrzysz na infrastrukturę wymaganą dla paneli słonecznych, generują one prąd stały, który musi zostać przekształcony z powrotem na prąd zmienny jako źródło zasilania iz powrotem na prąd stały, aby nasze urządzenia mogły z niego korzystać.Można niemal powiedzieć, że debata AC-DC nigdy się nie skończyła, równowaga między dwoma przeciwstawnymi ideami została właśnie osiągnięta.
W panelu słonecznym istnieje wiele zmian między prądem przemiennym a stałym.
Należy pamiętać, że oryginalny pomysł PCB nie został wymyślony w epoce pozłacanej.Jednak bez możliwości produkcyjnych tamtej epoki i powszechnego wpływu elektryczności, PCB nigdy nie byłyby tym, czym są dzisiaj.
Era progresywna (1890-1920)
Era Postępu była naznaczona okresem reform społecznych, kiedy ustawodawstwo, takie jak Sherman Antitrust Act, złamało monopol Standard Oil.Wtedy też pojawiają się pierwsze patenty PCB.W 1903 roku niemiecki wynalazca Albert Hanson złożył wniosek o brytyjski patent na urządzenie opisane jako płaski przewodnik foliowy na wielowarstwowej płycie izolacyjnej.Brzmi znajomo?
Rysunek przedstawiający pierwszy patent na PCB Alberta Hansona.
Hansen opisuje również w swoim patencie koncepcję aplikacji z otworami przelotowymi.Tutaj pokazuje, że można wybić dziurę w dwóch warstwach pionowymi liniami, aby wykonać połączenie elektryczne.
W tym czasie zauważyliśmy, że Edison i inni liderzy biznesowi mocno naciskają na wprowadzanie urządzeń elektrycznych do codziennych domów.Problem z tym naciskiem polega na całkowitym braku standaryzacji.Gdybyś mieszkał w Nowym Jorku lub New Jersey i wykorzystywał wynalazki Edisona w zakresie elektryczności do oświetlenia, ogrzewania lub gotowania, co by się stało, gdybyś użył ich w innym mieście?Nie można ich używać, ponieważ każde miasto ma własną konfigurację gniazd.
Problem pogarszał również fakt, że Edison chciał nie tylko sprzedawać ludziom żarówkę, ale także usługę.Edison może świadczyć usługi elektryczne co miesiąc;wtedy kupiłbyś żarówki, sprzęt AGD itp. Oczywiście żadna z tych usług nie jest kompatybilna z innymi konkurencyjnymi metodami.
Chcemy podziękować Harveyowi Hubbelowi za zakończenie tego bałaganu.W 1915 roku opatentował standardową wtyczkę do gniazdka ściennego, która jest nadal w użyciu.Teraz nie mamy tostera ani płyty grzejnej podłączonej do gniazdka żarówki.To ogromna wygrana dla normalizacji przemysłu.
Dzięki Harveyowi Hubbelowi mamy teraz znormalizowane gniazdko ścienne dla wszystkich urządzeń elektronicznych.
Na koniec, Era Postępu została naznaczona I wojną światową. Konflikt ten koncentruje się wyłącznie na mechach i wojnie okopowej.Koncepcja PCB, a nawet podstawowa elektronika, nie jest jeszcze wykorzystywana w zastosowaniach wojskowych, ale wkrótce będzie.
Szalone lata dwudzieste (1920)
Wraz z końcem I wojny światowej jesteśmy teraz w szalonych latach dwudziestych, w których nastąpił ogromny rozkwit amerykańskiej gospodarki.Po raz pierwszy w historii więcej ludzi mieszka w miastach niż na farmach.Zaczynamy też widzieć sieci i marki wprowadzane w całych Stanach Zjednoczonych.Możesz mieć sklep rodzinny lub dwa w dwóch różnych miastach, ale teraz mamy główne marki i sklepy o zasięgu ogólnokrajowym.
Największym wynalazkiem tego okresu był samochód Henry'ego Forda i potrzebna mu infrastruktura.Sytuacja jest podobna do tej z lat 90., kiedy musieliśmy zbudować dużą infrastrukturę, aby poradzić sobie z Internetem i naszą erą informacji, budując przełączniki, routery i kable światłowodowe.Samochody nie są wyjątkiem.
Pierwszy samochód Henry'ego Forda – czterokołowiec.
Tutaj widzimy to, co kiedyś było brukowaną drogą gruntową.Ludzie potrzebowali benzyny do zasilania swoich pojazdów, stąd potrzeba stacji benzynowych.Masz również warsztaty naprawcze, akcesoria i nie tylko.Cały sposób życia wielu ludzi wywodzi się z wynalezienia samochodu i tak jest do dziś.
W tym czasie wprowadzono również nowoczesne urządzenia, na których polegamy do dziś, takie jak pralki, odkurzacze i lodówki.Po raz pierwszy ludzie będą mogli kupować łatwo psujące się towary w sklepach i przechowywać je przez dłuższy okres przydatności do spożycia.
Ale gdzie są nasze PCB?Nadal nie widzieliśmy ich używanych w żadnych urządzeniach lub samochodach wprowadzonych na rynek w tym czasie.Jednak w 1925 roku Charles Ducasse złożył patent opisujący proces dodawania przewodzącego atramentu do materiałów izolacyjnych.To później zaowocuje drukowaną płytką okablowania (PWB).Ten patent jest pierwszym praktycznym zastosowaniem podobnym do PCB, ale tylko jako płaska cewka grzejna.Nie uzyskaliśmy jeszcze żadnych rzeczywistych połączeń elektrycznych między płytą a komponentami, ale jesteśmy coraz bliżej.
Płytka drukowana nadal ewoluowała, tym razem była używana jako cewka grzewcza dla Charlesa Ducasa.
Wielki Kryzys (lata 30. XX wieku)
W 1929 roku giełda gwałtownie spadła, a wszystkie wielkie innowacje naszych czasów spadły.Tutaj widzimy okres bezrobocia powyżej 25%, 25 000 bankructw i wiele kłopotów na całym świecie.Był to tragiczny czas dla całej ludzkości, torujący drogę do powstania Hitlera, Mussoliniego, Stalina i przyszłych konfliktów światowych.PCB mogły do tej pory milczeć, ale to wszystko ma się zmienić.
Wielki Kryzys dotknął wszystkich, od banków po zwykłych pracowników.
II wojna światowa (1939 – 1945)
Trwała II wojna światowa, a Stany Zjednoczone dołączyły do niej po zbombardowaniu Pearl Harbor w 1942 roku. W Pearl Harbor interesująca jest cała awaria komunikacji, która doprowadziła do ataku.Stany Zjednoczone miały dobre dowody na zbliżający się kryzys, ale wszystkie metody kontaktu z ich bazą wojskową w Honolulu zawiodły, a wyspa została zaskoczona.
W wyniku tego niepowodzenia Departament Obrony zdał sobie sprawę, że potrzebuje bardziej niezawodnego środka komunikacji.To sprawiło, że elektronika znalazła się na pierwszym planie jako główny środek komunikacji, zastępując alfabet Morse'a.
Również podczas II wojny światowej po raz pierwszy zobaczyliśmy zastosowanie PCB w bezpiecznikach zbliżeniowych, które mamy dzisiaj.Urządzenie służy do pocisków o dużej prędkości, które wymagają precyzyjnego ognia z dużej odległości na niebie lub na lądzie.Zapalnik zbliżeniowy został pierwotnie opracowany przez Brytyjczyków w celu przeciwdziałania postępowi armii Hitlera.Później udostępniono go Stanom Zjednoczonym, gdzie udoskonalono projekt i produkcję.
Jednym z pierwszych zastosowań wojskowych wykorzystujących PCB były bezpieczniki zbliżeniowe.
W tym czasie Paul Eisler, Austriak mieszkający w Wielkiej Brytanii, opatentował folię miedzianą na nieprzewodzącym podłożu szklanym.Brzmi znajomo?Jest to koncepcja, której używamy do dziś, aby wykonać płytki PCB z izolacją i miedzią na górze/dole.Eisler poszedł o krok dalej, kiedy w 1943 roku zbudował radio ze swojej płytki drukowanej, co utorowało drogę przyszłym zastosowaniom wojskowym.
Paul Eisler zbudował radio z pierwszej płytki drukowanej (PCB).
Wyżu demograficznego (1940)
Kiedy II wojna światowa dobiegała końca, widzieliśmy, jak nasi żołnierze wracają do domów, zakładają rodziny i mają gromadkę dzieci.Daj sygnał baby boomersom.To właśnie w okresie powojennym byliśmy świadkami ogromnych ulepszeń istniejących urządzeń, takich jak odkurzacze, pralki, telewizory i radia.Teraz, gdy Wielka Recesja jest już za nami, wielu konsumentów może wreszcie pozwolić sobie na te urządzenia w swoich domach.
Nadal nie widzieliśmy PCB klasy konsumenckiej.Gdzie są prace Paula Eislera?Spójrz na ten stary telewizor poniżej, a zobaczysz wszystkie komponenty, ale bez podstawowej podstawy PCB.
Stary telewizor Motorola z 1948 roku, bez PCB.
Pomimo braku płytek PCB tranzystor pojawił się w Bell Labs w 1947 roku. W 1953 roku minęło jeszcze sześć lat, zanim urządzenie zostało ostatecznie wykorzystane w produkcji, ale dlaczego tak długo?W tamtych czasach informacje były rozpowszechniane za pośrednictwem czasopism, konferencji itp. Przed erą informacji rozpowszechnianie informacji wymagało czasu.
Pierwszy tranzystor powstał w Bell Laboratories w 1947 roku.
Era zimnej wojny (1947 – 1991)
Nadejście ery zimnej wojny oznaczało znaczny okres napięć między Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim.Ze względu na różnice między kapitalizmem a komunizmem, ci dwaj giganci toczą ze sobą niemal wojnę i zagrozili światu nuklearną zagładą.
Aby utrzymać przewagę w tym wyścigu zbrojeń, obie strony muszą poprawić swoją zdolność komunikowania się, aby zrozumieć, co robi wróg.Tutaj widzimy, jak PCB wykorzystuje swój pełny potencjał.W 1956 roku armia amerykańska opublikowała patent na „proces montażu obwodów”.Producenci mają teraz sposób zarówno na trzymanie elektroniki, jak i wykonywanie połączeń między komponentami za pomocą miedzianych ścieżek.
Gdy PCB zaczęły pojawiać się w świecie wytwórczym, znaleźliśmy się w pierwszym na świecie wyścigu kosmicznym.Rosja miała w tym czasie kilka niesamowitych osiągnięć, w tym:
1957 Wystrzelenie pierwszego sztucznego satelity Sputnik
1959 Wystrzelenie Luna 2, pierwszego statku kosmicznego na Księżyc
W 1961 roku Jurij Gagarin, pierwszy kosmonauta, został wysłany na orbitę okołoziemską
Pierwszy sztuczny satelita Rosji, Sputnik, został wystrzelony w 1957 roku.
Gdzie w tym wszystkim jest Ameryka?Głównie pozostając w tyle, opracowanie tej samej technologii zajmuje zwykle rok lub dwa.Zajmując się tą luką, widzimy pięciokrotny wzrost amerykańskiego budżetu kosmicznego w 1960 roku. Mamy też słynne przemówienie prezydenta Kennedy'ego z 1962 roku, którego część warto zacytować:
„Wybraliśmy lot na księżyc!Wybieramy się na Księżyc, aby robić inne rzeczy w tej dekadzie, nie dlatego, że są łatwe, ale dlatego, że są trudne;ponieważ ten cel pomoże zorganizować i zmierzyć naszą najlepszą energię i umiejętności, ponieważ Wyzwania są tym, czego jesteśmy gotowi podjąć, czego nie chcemy odkładać i co jesteśmy gotowi wygrać.– John F. Kennedy, prezydent Stanów Zjednoczonych, 12 września 1962 r
Wszystko to doprowadziło do przełomowego momentu w historii.20 lipca 1969 roku pierwszy Amerykanin wylądował na Księżycu.
Pierwszy człowiek na Księżycu, historyczny moment dla ludzkości.
Wracając do płytek drukowanych, w 1963 roku firma Hazeltyne Corporation opatentowała pierwszą technologię platerowanych otworów przelotowych.Umożliwi to upakowanie komponentów blisko siebie na płytce drukowanej bez martwienia się o połączenia krzyżowe.Widzieliśmy również wprowadzenie technologii montażu powierzchniowego (SMT), opracowanej przez IBM.Te gęste zespoły po raz pierwszy zaobserwowano w praktyce we wzmacniaczu rakietowym Saturn.
1967 Pierwszy patent na technologię PCB z otworami przelotowymi.
Świt mikroprocesora (lata 70.)
Lata 70. przyniosły nam pierwszy mikroprocesor w postaci układu scalonego (IC).Zostało to pierwotnie opracowane przez Jacka Kilby'ego z Texas Instruments w 1958 roku. Kilby był nowy w TI, więc jego innowacyjne pomysły na układy scalone były w dużej mierze trzymane w tajemnicy.Kiedy jednak starsi inżynierowie TI zostali wysłani na tygodniowe spotkanie, Kilby został i biegł z pomysłami w głowie.Tutaj opracował pierwszy układ scalony w laboratoriach TI, a powracający inżynierowie go pokochali.
Jack Kilby posiada pierwszy układ scalony.
W latach 70. po raz pierwszy zobaczyliśmy zastosowanie układów scalonych w produkcji elektroniki.W tym momencie, jeśli nie używasz PCB do swoich połączeń, masz duże kłopoty.
Świt ery cyfrowej (lata 80.)
Era cyfrowa przyniosła ogromne zmiany w mediach, które konsumujemy, wraz z wprowadzeniem urządzeń osobistych, takich jak płyty, kasety VHS, aparaty fotograficzne, konsole do gier, walkmany i inne.
W 1980 roku konsola do gier wideo Atari spełniła marzenia dzieci.
Należy zauważyć, że PCB nadal rysowano ręcznie przy użyciu lekkich tablic i szablonów, ale potem pojawiły się komputery i EDA.Tutaj widzimy, jak oprogramowanie EDA, takie jak Protel i EAGLE, rewolucjonizuje sposób, w jaki projektujemy i produkujemy elektronikę.Zamiast zdjęcia płytki PCB możemy teraz zapisać projekt jako plik tekstowy Gerber, którego współrzędne można wprowadzić do maszyny produkcyjnej w celu wyprodukowania płytki PCB.
Era Internetu (lata 90.)
W latach 90. wraz z wprowadzeniem BGA byliśmy świadkami pełnego rozkwitu wykorzystania krzemu.Teraz możemy zmieścić więcej bramek na jednym chipie i zacząć łączyć razem pamięć i systemy na chipie (SoC).Był to również okres dużej miniaturyzacji elektroniki.Nie zauważyliśmy żadnych nowych funkcji dodanych do PCB, ale cały proces projektowania zaczął się zmieniać i ewoluować, przenosząc się do układu scalonego.
Projektanci muszą teraz wdrażać strategie projektowania do testowania (DFT) w swoich układach.Nie jest łatwo wyskoczyć komponent i dodać niebieską linię.Inżynierowie muszą projektować swoje układy z myślą o przyszłych przeróbkach.Czy wszystkie te elementy są umieszczone w taki sposób, aby można je było łatwo wyjąć?To ogromny problem.
Była to również epoka, w której mniejsze pakiety komponentów, takie jak 0402, prawie uniemożliwiały ręczne lutowanie płytek drukowanych.Projektant żyje teraz w swoim oprogramowaniu EDA, a producent jest odpowiedzialny za fizyczną produkcję i montaż.
Elementy do montażu powierzchniowego od największych do najmniejszych.
Era hybrydowa (2000 i później)
Przejdź do dzisiejszej ery elektroniki i projektowania płytek drukowanych;co nazywamy erą hybrydową.W przeszłości mieliśmy wiele urządzeń do różnych potrzeb.Potrzebujesz kalkulatora;kupujesz kalkulator.Chcesz grać w gry wideo;kupujesz konsolę do gier wideo.Teraz możesz kupić smartfon i uzyskać 30 różnych poziomów wbudowanych funkcji.Może się to wydawać oczywiste, ale jest to zdumiewające, gdy widzisz wszystkie rzeczy, które potrafią nasze smartfony:
sprzęt do gier książka adresowa e-mail skaner kodów kreskowych latarka dzwonek kamera nawigacja
harmonogram odtwarzacza muzyki magnetowid mapa przeglądarka internetowa kalendarz odtwarzacz filmów kalkulator
Telefon notatnik rejestrator biletów automatyczna sekretarka Księgi bankowe krótkich wiadomości
Jesteśmy w epoce konsolidacji urządzeń, ale co dalej?Płytki PCB są ustalone i mamy procesy i procedury dla prawie wszystkiego.Szybkie aplikacje stają się normą.Widzimy również, że tylko 25% projektantów PCB ma mniej niż 45 lat, a 75% przygotowuje się do przejścia na emeryturę.Wydaje się, że branża przeżywa kryzys.
Czy przyszłością projektowania PCB będą roboty?Może w urządzeniu do noszenia z elastycznym obwodem?Albo możemy zobaczyć, jak protony zastępują elektrony fotoniką.Jeśli chodzi o to, co wiemy o fizycznych PCB, to może się to nawet zmienić w przyszłości.Nie ma potrzeby fizycznego nośnika, aby umożliwić połączenie między komponentami, ale raczej potencjał technologii falowej.Pozwoliłoby to komponentom na bezprzewodowe wysyłanie sygnałów bez potrzeby stosowania miedzi.
Co przyniesie przyszłość?
Nikt tak naprawdę nie wie, dokąd zmierza przyszłość projektowania PCB, a nawet ogólnie elektroniki.Minęło prawie 130 lat, odkąd nasze mięśnie produkcyjne zaczęły działać.Od tego czasu świat zmienił się na zawsze wraz z wprowadzeniem głównych produktów, takich jak samochody, urządzenia, komputery, smartfony i wiele innych.Dawno minęły czasy, kiedy byliśmy zależni od węgla, drewna lub ropy naftowej dla wszystkich naszych podstawowych środków do życia i przetrwania.Teraz mamy elektroniczne gadżety, które mogą zaspokoić nasze codzienne potrzeby.
Ale co przyniesie przyszłość?To wielka niewiadoma.Wszyscy wiemy, że każdy wynalazek przed nami stoi na barkach swoich poprzedników.Nasi przodkowie doprowadzili projektowanie PCB do miejsca, w którym jest dzisiaj, a teraz musimy wprowadzić innowacje i zrewolucjonizować sposób, w jaki projektujemy i wchodzimy w interakcję z technologią.Przyszłość może być dowolna.Przyszłość zależy od Ciebie.
Czas postu: 17 marca 2023 r