Como muitas outras grandes invenções ao longo da história, oplaca de circuito impresso (PCB)tal como a conhecemos hoje baseia-se nos progressos alcançados ao longo da história. No nosso cantinho do mundo, podemos traçar a história dos PCBs há mais de 130 anos, quando as grandes máquinas industriais do mundo estavam apenas começando. O que abordaremos neste blog não é a história completa, mas sim os momentos importantes que transformaram o PCB no que é hoje.
Por que PCB?
Com o tempo, os PCBs evoluíram para uma ferramenta para otimizar a fabricação de produtos eletrônicos. O que antes era fácil de montar manualmente rapidamente deu lugar a componentes microscópicos que exigiam precisão mecânica e eficiência. Tomemos como exemplo as duas placas mostradas na figura abaixo. Um deles é um quadro antigo da década de 1960 para calculadoras. A outra é a típica placa-mãe de alta densidade que você verá nos computadores atuais.
Uma comparação de PCB entre uma calculadora de 1968 e as placas-mãe modernas de hoje.
Em uma calculadora podemos ter mais de 30 transistores, mas em um único chip de uma placa-mãe você encontrará mais de um milhão de transistores. A questão é que a taxa de avanço da tecnologia e do próprio design de PCB é impressionante. Tudo em uma PCB de calculadora agora pode caber em um único chip nos designs atuais. Isso chama a atenção para várias tendências notáveis na fabricação de PCB:
Estamos integrando mais funcionalidades em dispositivos avançados, como circuitos integrados (ICs) e microprocessadores.
Estamos reduzindo componentes passivos, como resistores e capacitores, ao nível microscópico.
Tudo isso leva ao aumento da densidade e complexidade dos componentes em nossas placas de circuito.
Todos esses avanços são impulsionados principalmente por melhorias na velocidade e na funcionalidade dos nossos produtos. Esperamos que nossos dispositivos respondam instantaneamente, mesmo alguns segundos de atraso podem nos levar ao frenesi. Para funcionalidade, considere os videogames. Nos anos 80, você provavelmente jogava Pac-Man em um fliperama. Agora estamos vendo representações fotorrealistas da realidade. O progresso é simplesmente insano.
Os visuais dos videogames são quase reais hoje em dia.
Está claro que os PCBs evoluíram em resposta direta ao que esperamos dos nossos dispositivos. Precisamos de produtos mais rápidos, mais baratos e mais potentes, e a única forma de satisfazer estas exigências é miniaturizar e melhorar a eficiência do processo de fabrico. Quando começou esse boom em eletrônicos e PCBs? No alvorecer da Era Dourada.
Era Dourada (1879 – 1900)
Terminamos a Guerra Civil Americana na década de 60 e agora a indústria transformadora americana está em expansão. Enquanto isso, estamos fazendo o que podemos, desde alimentos até roupas, móveis e grades. A indústria naval está na ofensiva e os nossos maiores engenheiros estão a descobrir como levar alguém da costa leste dos EUA para a costa oeste em 5 a 7 dias, em vez de 5 a 7 meses.
As ferrovias faziam com que as viagens de costa a costa levassem dias em vez de meses.
Durante este período, também trouxemos eletricidade para dentro de casa, primeiro nas cidades e depois nos subúrbios e nas áreas rurais. A electricidade é agora um substituto do carvão, da madeira e do petróleo. Pense em morar em Nova York durante o inverno rigoroso, tentando cozinhar ou se aquecer com carvões sujos ou pilhas de lenha. A eletricidade mudou tudo isso.
Um ponto interessante é que a Standard Oil, que monopoliza o mercado petrolífero, não fornece petróleo para gasolina. Seu mercado é óleo para cozinhar, fritar e iluminar. Com o advento da eletricidade, a Standard Oil precisou definir um novo uso para o petróleo, que viria com a introdução do automóvel.
Em maio de 1878, a Standard Oil Company emitiu ações e o monopólio do petróleo começou.
Durante a Era Dourada, vimos algumas grandes descobertas no eletromagnetismo. Inventamos o motor elétrico, que converte energia elétrica em energia mecânica. Vemos também geradores, que fazem o oposto, convertendo energia mecânica em energia elétrica.
Foi também uma época de inventores geniais que ainda hoje têm impacto no nosso mundo eletrônico, incluindo:
Thomas Edison inventou a lâmpada em 1879, o filme em 1889 e muitas outras inovações.
Nikola Tesla inventou o motor elétrico em 1888 e a fonte de energia CA em 1895.
Alexander Graham Bell inventou o telefone em 1876.
A Kodak de George Eastman inventou a primeira câmera de consumo em 1884.
Herman Hollerith inventou a máquina de tabulação em 1890 e fundou a IBM.
Durante este período intenso de inovação, um dos maiores debates é aquele entre AC e DC. A corrente alternada de Tesla acabou se tornando o método ideal para transmitir energia por longas distâncias. Curiosamente, porém, ainda hoje estamos lidando com a conversão AC-DC.
AC pode ter vencido a batalha, mas DC ainda domina a eletrônica.
Observe qualquer dispositivo eletrônico conectado à parede; você precisa converter CA em CC. Ou, se olharmos para a infra-estrutura necessária para os painéis solares, eles geram electricidade em CC, que tem de ser convertida de volta em CA como fonte de energia, e de volta em CC para ser utilizada pelos nossos dispositivos. Quase se poderia dizer que o debate AC-DC nunca acabou, um equilíbrio acabou de ser alcançado entre duas ideias opostas.
Há muitas idas e vindas entre CA e CC em um painel solar.
Observe que a ideia original do PCB não foi inventada na Era Dourada. No entanto, sem as capacidades de produção desta época e a influência generalizada da eletricidade, os PCB nunca seriam o que são hoje.
Era Progressiva (1890 – 1920)
A Era Progressista foi marcada por um período de reforma social, com legislação como a Lei Antitruste Sherman quebrando o monopólio da Standard Oil. É também quando vemos as primeiras patentes de PCB. Em 1903, o inventor alemão Albert Hanson solicitou uma patente britânica para um dispositivo descrito como um condutor de folha plana em uma placa isolante multicamadas. Parece familiar?
Desenho representando a primeira patente de PCB de Albert Hanson.
Hansen também descreve o conceito de aplicações através de furos em sua patente. Aqui ele mostra que você pode fazer um furo em duas camadas com linhas verticais para fazer uma conexão elétrica.
Durante esse período, começamos a ver Edison e outros líderes empresariais fazendo um grande esforço para trazer dispositivos elétricos para as casas do dia a dia. O problema desse impulso é a total falta de padronização. Se você morasse em Nova York ou Nova Jersey e usasse as invenções de eletricidade de Edison para iluminação, aquecimento ou cozinha, o que aconteceria se você as usasse em outra cidade? Eles não podem ser usados porque cada cidade tem sua própria configuração de soquete.
O problema também foi agravado pelo fato de Edison não querer apenas vender uma lâmpada às pessoas, mas também vender um serviço. Edison poderia fornecer serviço de eletricidade mensalmente; então você compraria lâmpadas, eletrodomésticos, etc. É claro que nenhum desses serviços é compatível com outros métodos concorrentes.
Queremos agradecer a Harvey Hubbel por finalmente pôr fim a esta confusão. Em 1915, ele patenteou o plugue padrão de tomada de parede ainda em uso hoje. Agora não temos uma torradeira ou um fogão elétrico conectado ao soquete de uma lâmpada. Esta é uma grande vitória para a padronização da indústria.
Graças a Harvey Hubbel, agora temos uma tomada padronizada para todos os dispositivos eletrônicos.
Como nota final, a Era Progressista foi marcada pela Primeira Guerra Mundial. Este conflito é puramente focado em mechas e na guerra de trincheiras. O conceito de PCB, ou mesmo de eletrônica básica, ainda não é usado em aplicações militares, mas será em breve.
Loucos anos 20 (década de 1920)
Com o fim da Primeira Guerra Mundial, estamos agora nos loucos anos 20, que assistiram a um enorme boom na economia americana. Pela primeira vez na história, mais pessoas vivem nas cidades do que nas quintas. Também estamos começando a ver redes e marcas sendo introduzidas nos EUA. Você pode ter uma ou duas lojas familiares em duas cidades diferentes, mas agora temos grandes marcas e lojas que se tornam nacionais.
A maior invenção deste período foi o automóvel de Henry Ford e a infra-estrutura necessária. A situação é semelhante à da década de 1990, quando tivemos de construir uma grande infra-estrutura para lidar com a Internet e a nossa era da informação através da construção de switches, routers e cabos de fibra óptica. Os carros não são exceção.
O primeiro carro de Henry Ford – um veículo de quatro rodas.
Aqui vemos o que antes era uma estrada de terra sendo pavimentada. As pessoas precisavam de gasolina para alimentar seus veículos, daí a necessidade de postos de gasolina. Você também tem oficinas, acessórios e muito mais. Todo o modo de vida de muitas pessoas originou-se da invenção do automóvel, e ainda o é hoje.
Foi também nesta altura que assistimos à introdução de aparelhos modernos com os quais ainda hoje contamos, como máquinas de lavar, aspiradores e frigoríficos. Pela primeira vez, as pessoas poderão comprar produtos perecíveis nas lojas e armazená-los por um prazo de validade prolongado.
Mas onde estão nossos PCBs? Ainda não os vimos usados em nenhum aparelho ou carro lançado nessa época. No entanto, em 1925, Charles Ducasse registrou uma patente que descrevia o processo de adição de tinta condutiva a materiais isolantes. Posteriormente, isso resultará em uma placa de fiação impressa (PWB). Esta patente é a primeira aplicação prática semelhante a uma PCB, mas apenas como bobina de aquecimento planar. Ainda não obtivemos nenhuma conexão elétrica real entre a placa e os componentes, mas estamos chegando perto.
O PCB continuou a evoluir, desta vez sendo usado como serpentina de aquecimento para Charles Ducas.
Grande Depressão (década de 1930)
Em 1929, o mercado de ações despencou e todas as grandes inovações do nosso tempo despencaram. Aqui vemos um período de desemprego acima de 25%, 25 mil falências de bancos e muitos problemas ao redor do mundo. Foi uma época trágica para a humanidade como um todo, abrindo caminho para a ascensão de Hitler, Mussolini, Estaline e dos nossos futuros conflitos mundiais. Os PCBs podem ter permanecido silenciosos até agora, mas tudo isso está prestes a mudar.
A Grande Depressão afetou a todos, desde os bancos aos trabalhadores comuns.
Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945)
A Segunda Guerra Mundial estava em andamento e os Estados Unidos entraram na briga após o bombardeio de Pearl Harbor em 1942. O que é interessante sobre Pearl Harbor é toda a falha de comunicação que levou ao ataque. Os EUA tinham boas evidências de uma crise iminente, mas todos os métodos de contacto com a sua base militar em Honolulu não tiveram sucesso e a ilha foi apanhada desprevenida.
Como resultado desta falha, o DoD percebeu que precisava de um meio de comunicação mais confiável. Isso trouxe a eletrônica para o primeiro plano como o principal meio de comunicação, substituindo o código Morse.
Foi também durante a Segunda Guerra Mundial que vimos o primeiro uso de PCBs nos fusíveis de proximidade que temos hoje. O dispositivo é usado para projéteis de alta velocidade que exigem disparos de precisão de longa distância no céu ou em terra. O detonador de proximidade foi originalmente desenvolvido pelos britânicos para conter o avanço do exército de Hitler. Posteriormente, foi compartilhado com os Estados Unidos, onde o design e a fabricação foram aperfeiçoados.
Uma das primeiras aplicações militares a usar PCBs foram os fusíveis de proximidade.
Durante esse período, Paul Eisler, um austríaco que mora no Reino Unido, patenteou uma folha de cobre sobre um substrato de vidro não condutor. Parece familiar? Este é um conceito que ainda usamos hoje para fazer PCBs com isolamento e cobre na parte superior/inferior. Eisler levou essa ideia um passo adiante quando construiu um rádio a partir de seu PCB em 1943, o que abriria caminho para futuras aplicações militares.
Paul Eisler construiu um rádio a partir da primeira placa de circuito impresso (PCB).
Baby Boomers (década de 1940)
À medida que a Segunda Guerra Mundial chegava ao fim, vimos nossos soldados voltarem para casa, constituirem famílias e terem um monte de filhos. Deixe os baby boomers. Foi na era pós-guerra que assistimos a grandes melhorias nos aparelhos existentes, como aspiradores de pó, máquinas de lavar, televisões e rádios. Agora que a Grande Recessão ficou para trás, muitos consumidores podem finalmente comprar esses dispositivos em suas casas.
Ainda não vimos PCBs de consumo. Onde estão as obras de Paul Eisler? Dê uma olhada nesta TV antiga abaixo e você verá todos os componentes, mas sem a base do PCB subjacente.
Uma antiga TV Motorola de 1948, sem PCB.
Apesar da falta de PCBs, vimos a chegada do transistor aos Bell Labs em 1947. Demorou mais seis anos em 1953 até que o dispositivo fosse finalmente usado em produção, mas por que tanto tempo? Naquela época, a informação era divulgada por meio de periódicos, conferências, etc. Antes da era da informação, a disseminação da informação demorava para se espalhar.
O primeiro transistor nasceu nos Laboratórios Bell em 1947.
Era da Guerra Fria (1947 – 1991)
O advento da era da Guerra Fria marcou um período considerável de tensão entre os Estados Unidos e a União Soviética. Devido às diferenças entre o capitalismo e o comunismo, estes dois gigantes estão quase em guerra um com o outro e colocaram o mundo sob a ameaça de aniquilação nuclear.
Para permanecerem à frente nesta corrida armamentista, ambos os lados devem melhorar a sua capacidade de comunicação para compreender o que o inimigo está a fazer. Aqui vemos o PCB sendo usado em todo o seu potencial. Em 1956, o Exército dos EUA publicou uma patente para um “processo de montagem de circuito”. Os fabricantes agora têm uma maneira de armazenar componentes eletrônicos e fazer conexões entre componentes com traços de cobre.
À medida que os PCBs começaram a decolar no mundo industrial, nos encontramos na primeira corrida espacial do mundo. A Rússia teve algumas conquistas surpreendentes durante este período, incluindo:
1957 Lançamento do primeiro satélite artificial, o Sputnik
1959 Lançamento da Luna 2, a primeira espaçonave rumo à Lua
Em 1961, Yuri Gagarin, o primeiro cosmonauta, foi enviado para orbitar a Terra
O primeiro satélite artificial da Rússia, o Sputnik, foi lançado em 1957.
Onde está a América em tudo isso? Principalmente atrasados, geralmente leva um ou dois anos para desenvolver a mesma tecnologia. Colmatando esta lacuna, vemos o orçamento espacial dos EUA crescer cinco vezes em 1960. Temos também o famoso discurso do Presidente Kennedy de 1962, parte do qual vale a pena citar:
“Nós escolhemos ir para a lua! Optamos por ir à Lua para fazer outras coisas nesta década, não porque sejam fáceis, mas porque são difíceis; porque esta meta ajudará a organizar e medir nossas melhores energias e habilidades, por isso Desafios são o que estamos dispostos a enfrentar, o que não estamos dispostos a adiar e o que estamos dispostos a vencer.” – John F. Kennedy, Presidente dos Estados Unidos, 12 de setembro de 1962
Tudo isso levou a um momento marcante na história. Em 20 de julho de 1969, o primeiro homem americano pousou na Lua.
O primeiro homem na Lua, um momento histórico para a humanidade.
Voltando aos PCBs, em 1963 tivemos a Hazeltyne Corporation patenteando a primeira tecnologia de furo passante revestido. Isso permitirá que os componentes sejam embalados próximos uns dos outros na PCB sem se preocupar com conexões cruzadas. Também vimos a introdução da Surface Mount Technology (SMT), desenvolvida pela IBM. Esses conjuntos densos foram vistos pela primeira vez na prática em um foguete propulsor Saturno.
1967 A primeira patente de tecnologia de PCB passante.
Amanhecer do Microprocessador (década de 1970)
A década de 70 trouxe-nos o primeiro microprocessador em forma de circuito integrado (CI). Este foi originalmente desenvolvido por Jack Kilby da Texas Instruments em 1958. Kilby era novo na TI, então suas ideias inovadoras para CIs foram mantidas em segredo. No entanto, quando os engenheiros seniores da TI foram enviados para uma reunião de uma semana, Kilby ficou para trás e seguiu com as ideias na cabeça. Aqui, ele desenvolveu o primeiro CI em laboratórios de TI, e os engenheiros que retornaram adoraram.
Jack Kilby detém o primeiro circuito integrado.
Na década de 1970, vimos o primeiro uso de CIs na fabricação de eletrônicos. Neste ponto, se você não estiver usando um PCB para suas conexões, você estará em apuros.
Amanhecer da Era Digital (década de 1980)
A era digital trouxe uma enorme mudança na mídia que consumimos, com a introdução de dispositivos pessoais como discos, VHS, câmeras, consoles de jogos, walkmans e muito mais.
Em 1980, o console de videogame Atari tornou realidade os sonhos das crianças.
É importante notar que os PCBs ainda eram desenhados à mão usando placas de luz e estênceis, mas depois surgiram os computadores e o EDA. Aqui vemos softwares EDA como Protel e EAGLE revolucionando a maneira como projetamos e fabricamos eletrônicos. Em vez de uma foto do PCB, agora podemos salvar o desenho como um arquivo de texto Gerber, cujas coordenadas podem ser inseridas na máquina de fabricação para produzir o PCB.
A Era da Internet (década de 1990)
Na década de 90, vimos o uso do silício entrar em pleno andamento com a introdução do BGA. Agora podemos colocar mais portas em um único chip e começar a incorporar memória e sistemas em chip (SoCs). Este também foi um período de alta miniaturização da eletrônica. Não vimos nenhum novo recurso adicionado ao PCB, mas todo o processo de design começou a mudar e evoluir, migrando para o IC.
Os designers agora devem implementar estratégias de design para teste (DFT) em seus layouts. Não é fácil abrir um componente e adicionar uma linha azul. Os engenheiros devem projetar seus layouts tendo em mente o retrabalho futuro. Todos esses componentes estão colocados de forma que possam ser facilmente removidos? Esta é uma grande preocupação.
Foi também uma época em que pacotes de componentes menores, como o 0402, tornavam quase impossível a soldagem manual de placas de circuito. O designer agora vive em seu software EDA e o fabricante é responsável pela produção física e montagem.
Componentes de montagem em superfície, do maior ao menor.
Era híbrida (anos 2000 e além)
Vá para a era atual da eletrônica e do design de PCB; o que chamamos de era híbrida. No passado, tínhamos vários dispositivos para diversas necessidades. Você precisa de uma calculadora; você compra uma calculadora. Você quer jogar videogame; você compra um console de videogame. Agora você pode comprar um smartphone e obter 30 níveis diferentes de recursos integrados. Isso pode parecer bastante óbvio, mas é surpreendente quando você realmente vê todas as coisas que nossos smartphones podem fazer:
equipamento de jogos catálogo de endereços e-mail scanner de código de barras lanterna sino câmera navegação
programação do reprodutor de música Mapa do videocassete Navegador de Internet calendário reprodutor de filmes calculadora
Caderno de telefone, gravador de bilhetes, secretária eletrônica, livros bancários de mensagens curtas
Estamos na era da consolidação de dispositivos, mas o que vem a seguir? Os PCBs estão estabelecidos e temos processos e procedimentos para quase tudo. Aplicações de alta velocidade estão se tornando a norma. Vemos também que apenas 25% dos designers de PCB têm menos de 45 anos, enquanto 75% estão se preparando para se aposentar. A indústria parece estar em um momento de crise.
O futuro do design de PCB serão os robôs? Talvez em um wearable com circuito flexível? Ou podemos ver prótons substituindo elétrons por fotônica. Pelo que sabemos sobre PCBs físicos, isso pode até mudar no futuro. Não há necessidade de um meio físico para permitir a conexão entre os componentes, mas sim do potencial da tecnologia das ondas. Isso permitiria que os componentes enviassem sinais sem fio, sem a necessidade de cobre.
O que o futuro reserva?
Ninguém sabe realmente para onde está indo o futuro do design de PCB, ou mesmo da eletrônica em geral. Já se passaram quase 130 anos desde que nossos músculos industriais começaram a funcionar. Desde então, o mundo mudou para sempre com a introdução de produtos importantes como carros, eletrodomésticos, computadores, smartphones e muito mais. Longe vão os dias em que dependíamos do carvão, da madeira ou do petróleo para todos os nossos meios de subsistência básicos e sobrevivência. Agora temos aparelhos eletrônicos que podem atender às nossas necessidades diárias.
Mas o que o futuro reserva? Esta é uma grande incógnita. Todos sabemos que cada invenção que temos diante de nós depende dos seus antecessores. Nossos ancestrais trouxeram o design de PCB para onde está hoje, e agora precisamos inovar e revolucionar a forma como projetamos e interagimos com a tecnologia. O futuro pode ser qualquer coisa. O futuro depende de você.
Horário da postagem: 17 de março de 2023