Como muitas outras grandes invenções ao longo da história, oplaca de circuito impresso (PCB)como a conhecemos hoje, baseia-se no progresso feito ao longo da história.Em 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 os momentos importantes que transformaram o PCB no que é hoje.
Por que PCB?
Com o tempo, os PCBs se transformaram em uma ferramenta para otimizar a fabricação de produtos eletrônicos.O que antes era fácil de montar à mão rapidamente deu lugar a componentes microscópicos que exigiam precisão mecânica e eficiência.Tome como exemplo as duas placas mostradas na figura abaixo.Uma delas é uma placa antiga 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 em uma placa-mãe você encontrará mais de um milhão de transistores.A questão é que a taxa de avanço na tecnologia e no 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 encolhendo componentes passivos, como resistores e capacitores, até o 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 funcionalidade de nossos produtos.Esperamos que nossos dispositivos respondam instantaneamente, mesmo alguns segundos de atraso podem nos levar ao frenesi.Para funcionalidade, considere videogames.Nos anos 80, você provavelmente jogou Pac-Man em um fliperama.Agora estamos vendo representações fotorrealistas da realidade.O progresso é simplesmente insano.
Os visuais dos videogames são quase realistas hoje em dia.
É claro que os PCBs evoluíram em resposta direta ao que esperamos de nossos dispositivos.Precisamos de produtos mais rápidos, baratos e poderosos, e a única maneira de atender a essas demandas é miniaturizar e melhorar a eficiência do processo de fabricação.Quando esse boom em eletrônicos e PCBs começou?No alvorecer da Era Dourada.
Era Dourada (1879 – 1900)
Terminamos a Guerra Civil Americana nos anos 60 e agora a manufatura americana está crescendo.Entretanto, vamos fazendo o que podemos, desde comida a roupa, móveis e grades.A indústria naval está na ofensiva e nossos maiores engenheiros estão descobrindo 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 as viagens de costa a costa levarem dias em vez de meses.
Nesse período, também levamos eletricidade para dentro de casa, primeiro nas cidades e depois nos subúrbios e nas áreas rurais.A eletricidade é agora um substituto para o carvão, madeira e petróleo.Pense em morar em Nova York durante o inverno rigoroso, tentando cozinhar ou se aquecer com brasas sujas ou pilhas de lenha.A eletricidade mudou tudo isso.
Um ponto interessante é que a Standard Oil, que monopoliza o mercado de petróleo, não fornece óleo para a 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.Também vemos geradores, que fazem o oposto, convertendo energia mecânica em energia elétrica.
Foi também uma época de inventores geniais que ainda hoje causam impacto em 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 alimentação 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.
Nesse intenso período de inovação, um dos maiores debates é entre CA e CC.A corrente alternada de Tesla acabou se tornando o método ideal para transmitir energia por longas distâncias.Curiosamente, no entanto, ainda estamos lidando com a conversão AC-DC hoje.
A CA pode ter vencido a batalha, mas a CC ainda domina a eletrônica.
Olhe para qualquer dispositivo eletrônico que você conecte na parede, você precisa converter AC para DC.Ou, se você observar a infraestrutura necessária para os painéis solares, eles geram eletricidade em CC, que deve ser convertida novamente em CA como fonte de energia e novamente em CC para uso de nossos dispositivos.Você quase 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 fabricação desta época e a ampla influência da eletricidade, os PCBs 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 multicamada.Soa familiar?
Desenho representando a primeira patente de PCB de Albert Hanson.
Hansen também descreve o conceito de aplicações through-hole 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 tempo, começamos a ver Edison e outros líderes empresariais fazendo um grande esforço para trazer dispositivos elétricos para as casas comuns.O problema com esse push é a total falta de padronização.Se você morasse em Nova York ou Nova Jersey e usasse as invenções de eletricidade de Edison para iluminar, aquecer ou cozinhar, 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 que Edison não queria apenas vender uma lâmpada para as pessoas, ele também queria vender um serviço.A Edison poderia fornecer serviços de eletricidade mensalmente;então você compraria lâmpadas, eletrodomésticos, etc. Claro, nenhum desses serviços é compatível com outros métodos concorrentes.
Queremos agradecer a Harvey Hubbel por finalmente acabar com essa bagunça.Em 1915, ele patenteou o plugue de tomada de parede padrão ainda em uso hoje.Agora não temos uma torradeira ou fogão ligado a uma tomada de lâmpada.Esta é uma grande vitória para a padronização da indústria.
Graças a Harvey Hubbel, agora temos uma tomada de parede padronizada para todos os dispositivos eletrônicos.
Como nota final, a Era Progressiva foi marcada pela Primeira Guerra Mundial. Este conflito é puramente focado em mechs e guerra de trincheiras.O conceito de PCB, ou mesmo eletrônica básica, ainda não é utilizado 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 viram um grande boom na economia americana.Pela primeira vez na história, mais pessoas vivem em cidades do que em fazendas.Também estamos começando a ver redes e marcas sendo introduzidas nos EUA.Você pode ter uma loja familiar ou duas em duas cidades diferentes, mas agora temos grandes marcas e lojas nacionais.
A maior invenção desse período foi o automóvel de Henry Ford e a infraestrutura que ele exigia.A situação é semelhante à dos anos 1990, quando tivemos que construir uma grande infraestrutura para lidar com a internet e nossa era da informação construindo switches, roteadores e cabos de fibra ótica.Os carros não são exceção.
O primeiro carro de Henry Ford – um quadriciclo.
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 se originou da invenção do automóvel, e ainda é hoje.
Foi também nessa época que vimos a introdução de aparelhos modernos nos quais ainda hoje contamos, como máquinas de lavar, aspiradores de pó e geladeiras.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 eletrodoméstico ou carro lançado durante esse período.No entanto, em 1925, Charles Ducasse registrou uma patente que descrevia o processo de adição de tinta condutora a materiais isolantes.Posteriormente, isso resultará em uma placa de fiação impressa (PWB).Esta patente é a primeira aplicação prática semelhante a um PCB, mas apenas como uma bobina de aquecimento planar.Ainda não conseguimos nenhuma conexão elétrica real entre a placa e os componentes, mas estamos chegando perto.
O PCB continuou a evoluir, desta vez sendo usado como uma bobina de aquecimento para Charles Ducas.
Grande Depressão (década de 1930)
Em 1929, o mercado de ações despencou e todas as grandes inovações de nosso tempo despencaram.Aqui vemos um período de desemprego acima de 25%, 25.000 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, Stalin e nossos futuros conflitos mundiais.Os PCBs podem ter estado em silêncio até agora, mas isso está prestes a mudar.
A Grande Depressão afetou a todos, de bancos a 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 contato com sua base militar em Honolulu não tiveram sucesso e a ilha foi pega de surpresa.
Como resultado dessa 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 em fusíveis de proximidade que temos hoje.O dispositivo é usado para projéteis de alta velocidade que requerem fogo de precisão de longa distância no céu ou em terra.A espoleta de proximidade foi originalmente desenvolvida 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 tempo, também tivemos Paul Eisler, um austríaco que mora no Reino Unido, patenteando uma folha de cobre em um substrato de vidro não condutor.Soa familiar?Este é um conceito que usamos até hoje para fazer PCBs com isolamento e cobre na parte superior/inferior.Eisler levou essa ideia um passo adiante quando construiu um rádio com 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)
Com o fim da Segunda Guerra Mundial, vimos nossos soldados voltarem para casa, constituir família e ter um monte de filhos.Cue os baby boomers.Foi no pós-guerra que vimos grandes melhorias nos aparelhos existentes, como aspiradores de pó, máquinas de lavar, televisões e rádios.Agora que a Grande Recessão já passou, 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 PCB subjacente.
Uma velha TV Motorola de 1948, sem PCB.
Apesar da falta de PCBs, vimos a chegada do transistor na Bell Labs em 1947. Demorou mais seis anos em 1953 antes que o dispositivo fosse finalmente usado na produção, mas por que tanto tempo?Naqueles dias, a informação era disseminada através de jornais, conferências, etc. Antes da era da informação, a disseminação da informação levava apenas tempo 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, esses dois gigantes estão quase em guerra entre si e colocaram o mundo sob ameaça de aniquilação nuclear.
Para ficar à frente nesta corrida armamentista, ambos os lados devem melhorar sua capacidade de comunicação para entender o que o inimigo está fazendo.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 circuitos”.Os fabricantes agora têm uma maneira de segurar eletrônicos e fazer conexões entre componentes com traços de cobre.
Quando os PCBs começaram a decolar no mundo da manufatura, nos encontramos na primeira corrida espacial do mundo.A Rússia teve algumas conquistas incríveis durante esse período, incluindo:
1957 Lançamento do primeiro satélite artificial, Sputnik
1959 Lançamento da Luna 2, a primeira espaçonave para a 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 ficando para trás, geralmente leva um ano ou dois para desenvolver a mesma tecnologia.Abordando essa lacuna, vemos o orçamento espacial dos EUA crescer cinco vezes em 1960. Também temos o famoso discurso do presidente Kennedy em 1962, parte do qual vale a pena citar:
"Nós escolhemos ir à lua!Escolhemos ir à lua para fazer outras coisas nesta década, não porque sejam fáceis, mas porque são difíceis;porque esta meta vai ajudar 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, a Hazeltyne Corporation patenteou a primeira tecnologia de furo passante revestida.Isso permitirá que os componentes sejam colocados juntos no PCB sem se preocupar com conexões cruzadas.Também vimos a introdução da Surface Mount Technology (SMT), desenvolvida pela IBM.Essas densas montagens foram vistas pela primeira vez na prática em um foguete Saturno.
1967 A primeira patente de tecnologia de PCB through-hole.
Amanhecer do microprocessador (década de 1970)
A década de 70 nos trouxe o primeiro microprocessador na forma de um circuito integrado (CI).Isso foi originalmente desenvolvido por Jack Kilby da Texas Instruments em 1958. Kilby era novo na TI, então suas ideias inovadoras para ICs 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 correu com as ideias em sua cabeça.Aqui, ele desenvolveu o primeiro IC 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 ICs na fabricação de eletrônicos.Neste ponto, se você não estiver usando um PCB para suas conexões, estará em apuros.
Alvorecer da Era Digital (década de 1980)
A era digital trouxe uma grande 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 realizava os sonhos das crianças.
É importante observar que os PCBs ainda eram desenhados à mão usando placas de luz e estênceis, mas depois surgiram os computadores e o EDA.Aqui vemos software EDA como Protel e EAGLE revolucionar a forma como projetamos e fabricamos produtos eletrônicos.Em vez de uma foto do PCB, agora podemos salvar o projeto como um arquivo de texto Gerber, cujas coordenadas podem ser inseridas no maquinário de fabricação para produzir o PCB.
A Era da Internet (década de 1990)
Nos anos 90, vimos o uso do silício atingir seu auge com a introdução do BGA.Agora podemos encaixar mais portas em um único chip e começar a incorporar memória e sistemas em chip (SoCs) juntos.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, passando 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 com retrabalho futuro em mente.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 a soldagem manual de placas de circuito quase impossível.O designer agora mora em seu software EDA e o fabricante é responsável pela produção física e montagem.
Componentes de montagem em superfície do maior para o menor.
Era híbrida (anos 2000 e além)
Corta para a era atual da eletrônica e do design de PCB;o que chamamos de era híbrida.No passado, tínhamos vários dispositivos para várias 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 bastante surpreendente quando você realmente vê todas as coisas que nossos smartphones podem fazer:
equipamento de jogo livro de endereços e-mail scanner de código de barras lanterna campainha câmera de navegação
reprodutor de música agenda VCR mapa Navegador de Internet calendário reprodutor de filmes calculadora
Caderno telefônico gravador de tíquetes 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.Também vemos que apenas 25% dos projetistas de PCBs 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 um circuito flexível?Ou podemos ver prótons substituindo elétrons por fotônica.Tanto quanto sabemos sobre PCBs físicos, isso pode até mudar no futuro.Não há a necessidade de um meio físico para possibilitar a conexão entre os componentes, mas sim o 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 realmente sabe 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 de fabricação começaram a funcionar.Desde então, o mundo mudou para sempre com a introdução de grandes produtos como carros, eletrodomésticos, computadores, smartphones e muito mais.Longe vão os dias em que dependíamos de carvão, madeira ou petróleo para todos os nossos meios de subsistência 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 nós sabemos que todas as invenções diante de nós estão sobre os ombros de seus predecessores.Nossos ancestrais trouxeram o design de PCB para onde está hoje, e agora precisamos inovar e revolucionar a maneira como projetamos e interagimos com a tecnologia.O futuro pode ser qualquer coisa.O futuro depende de você.
Horário de postagem: 17 de março de 2023