Ca multe alte mari invenții de-a lungul istoriei,placă de circuit imprimat (PCB)așa cum îl cunoaștem astăzi se bazează pe progresele înregistrate de-a lungul istoriei.În micul nostru colț de lume, putem urmări istoria PCB-urilor de mai bine de 130 de ani, când marile mașini industriale din lume tocmai începeau.Ceea ce vom acoperi în acest blog nu este istoria completă, ci momentele importante care au transformat PCB-ul în ceea ce este astăzi.
De ce PCB?
De-a lungul timpului, PCB-urile au evoluat într-un instrument de optimizare a producției de produse electronice.Ceea ce odată era ușor de asamblat manual, a făcut loc rapid componentelor microscopice care necesitau precizie mecanică și eficiență.Luați ca exemplu cele două plăci prezentate în figura de mai jos.Una este o placă veche din anii 1960 pentru calculatoare.Cealaltă este placa de bază tipică de înaltă densitate pe care o veți vedea în computerele de astăzi.
O comparație PCB între un calculator din 1968 și plăcile de bază moderne de astăzi.
Într-un calculator s-ar putea să avem peste 30 de tranzistori, dar pe un singur cip de pe o placă de bază veți găsi peste un milion de tranzistori.Ideea este că rata de progres în tehnologie și design PCB în sine este impresionantă.Totul de pe un PCB al calculatorului se poate încadra acum într-un singur cip în modelele de astăzi.Acest lucru atrage atenția asupra mai multor tendințe notabile în producția de PCB:
Integram mai multe funcționalități în dispozitive avansate, cum ar fi circuitele integrate (IC) și microprocesoarele.
Reducem componentele pasive, cum ar fi rezistențele și condensatorii, până la nivelul microscopic.
Toate acestea duc la creșterea densității și complexității componentelor pe plăcile noastre de circuite.
Toate aceste progrese sunt determinate în primul rând de îmbunătățiri ale vitezei și funcționalității produselor noastre.Ne așteptăm ca dispozitivele noastre să răspundă instantaneu, chiar și câteva secunde de întârziere ne pot duce într-o frenezie.Pentru funcționalitate, luați în considerare jocurile video.În anii 80, probabil ai jucat Pac-Man la o sala de jocuri.Acum vedem reprezentări fotoreale ale realității.Progresul este pur și simplu nebunesc.
Imaginile jocurilor video sunt aproape reale în zilele noastre.
Este clar că PCB-urile au evoluat ca răspuns direct la ceea ce ne așteptăm de la dispozitivele noastre.Avem nevoie de produse mai rapide, mai ieftine, mai puternice, iar singura modalitate de a satisface aceste cerințe este miniaturizarea și îmbunătățirea eficienței procesului de fabricație.Când a început acest boom în electronică și PCB-uri?În zorii Epocii de Aur.
Epoca de Aur (1879 – 1900)
Am încheiat războiul civil american în anii 60, iar acum producția americană este în plină expansiune.Între timp, facem tot ce putem, de la mâncare la haine, mobilă și șine.Industria de transport maritim este în ofensivă, iar cei mai mari ingineri ai noștri își dau seama cum să ducă pe cineva de pe coasta de est a SUA pe coasta de vest în 5 până la 7 zile în loc de 5 până la 7 luni.
Căile ferate care călătoresc de la coastă la coastă durează zile în loc de luni.
În acest timp, am adus și energie electrică în casă, mai întâi în orașe și apoi în suburbii și zonele rurale.Electricitatea este acum un substitut pentru cărbune, lemn și petrol.Gândiți-vă să locuiți în New York în timpul iernii aspre, încercând să gătiți sau să vă încălziți cu cărbuni murdari sau grămezi de lemne de foc.Electricitatea a schimbat toate astea.
Un punct interesant este că Standard Oil, care monopolizează piața petrolului, nu furnizează petrol pentru benzină.Piața lor este uleiul pentru gătit, prăjit și iluminat.Odată cu apariția electricității, Standard Oil a trebuit să definească o nouă utilizare a petrolului, care va veni odată cu introducerea automobilului.
În mai 1878, Standard Oil Company a emis acțiuni și a început monopolul petrolului.
În timpul Epocii de Aur am văzut câteva mari descoperiri în electromagnetism.Am inventat motorul electric, care transformă energia electrică în energie mecanică.Vedem și generatoare, care fac invers, transformând energia mecanică în energie electrică.
A fost, de asemenea, o perioadă a inventatorilor geniali care încă au un impact asupra lumii noastre electronice de astăzi, inclusiv:
Thomas Edison a inventat becul în 1879, filmul în 1889 și multe alte inovații.
Nikola Tesla a inventat motorul electric în 1888 și sursa de curent alternativ în 1895.
Alexander Graham Bell a inventat telefonul în 1876.
Kodak de la George Eastman a inventat prima cameră pentru consumatori în 1884.
Herman Hollerith a inventat mașina de tabelare în 1890 și a fondat IBM.
În această perioadă intensă de inovare, una dintre cele mai mari dezbateri este cea dintre AC și DC.Curentul alternativ al lui Tesla a devenit în cele din urmă metoda ideală pentru transmiterea puterii pe distanțe lungi.Interesant, totuși, avem de-a face și astăzi cu conversia AC-DC.
Poate că AC a câștigat bătălia, dar DC încă domină electronica.
Uitați-vă la orice dispozitiv electronic pe care îl conectați la perete, trebuie să convertiți AC în DC.Sau, dacă te uiți la infrastructura necesară pentru panourile solare, acestea generează electricitate în DC, care trebuie convertită înapoi în AC ca sursă de energie și înapoi în DC pentru ca dispozitivele noastre să poată fi utilizate.Aproape că ai putea spune că dezbaterea AC-DC nu s-a terminat niciodată, tocmai se găsise un echilibru între două idei opuse.
Există o mulțime de dus-întors între AC și DC într-un panou solar.
Rețineți că ideea originală a PCB nu a fost inventată în Epoca de Aur.Cu toate acestea, fără capacitățile de producție ale acestei epoci și influența pe scară largă a electricității, PCB-urile nu ar fi niciodată ceea ce sunt astăzi.
Era progresivă (1890 – 1920)
Era Progresivă a fost marcată de o perioadă de reformă socială, cu legislații precum Sherman Antitrust Act rupând monopolul Standard Oil.Acesta este și momentul în care vedem primele brevete PCB.În 1903, inventatorul german Albert Hanson a solicitat un brevet britanic pentru un dispozitiv descris ca un conductor de folie plat pe o placă izolatoare multistrat.Suna familiar?
Desen ilustrând primul brevet PCB al lui Albert Hanson.
Hansen descrie, de asemenea, conceptul de aplicații prin găuri traversante în brevetul său.Aici el arată că puteți perfora o gaură în două straturi cu linii verticale pentru a face o conexiune electrică.
În acest timp, am început să-l vedem pe Edison și alți lideri de afaceri făcând un mare impuls pentru a aduce dispozitive electrice în casele de zi cu zi.Problema cu acest impuls este lipsa totală de standardizare.Dacă ai locui în New York sau New Jersey și ai folosi invențiile lui Edison ale electricității pentru iluminat, încălzire sau gătit, ce s-ar întâmpla dacă le-ai folosi în alt oraș?Ele nu pot fi folosite deoarece fiecare oraș are propria configurație de priză.
Problema a fost agravată și de faptul că Edison nu a vrut doar să vândă oamenilor un bec, ci a vrut să vândă și un serviciu.Edison vă poate furniza lunar serviciul de energie electrică;atunci ai cumpăra becuri, electrocasnice etc. Desigur, niciunul dintre aceste servicii nu este compatibil cu alte metode concurente.
Vrem să-i mulțumim lui Harvey Hubbel pentru că a pus în sfârșit capăt acestei încurcături.În 1915, el a brevetat ștecherul standard de priză de perete, care se folosește și astăzi.Acum nu avem un prăjitor de pâine sau o plită de încălzire conectată la o priză de bec.Acesta este un câștig uriaș pentru standardizarea industriei.
Datorită lui Harvey Hubbel, avem acum o priză de perete standardizată pentru toate dispozitivele electronice.
Ca o notă finală, Era Progresivă a fost marcată de Primul Război Mondial. Acest conflict este concentrat exclusiv pe mech și războiul de tranșee.Conceptul PCB, sau chiar electronica de bază, nu este încă folosit în aplicații militare, dar va fi în curând.
Roaring Twenties (anii 1920)
Odată cu sfârșitul Primului Război Mondial, ne aflăm acum în anii 20, care au cunoscut un boom imens în economia americană.Pentru prima dată în istorie, mai mulți oameni trăiesc în orașe decât în ferme.De asemenea, începem să vedem lanțuri și mărci introduse în SUA.S-ar putea să aveți un magazin de familie sau două în două orașe diferite, dar acum avem mărci importante și magazine care sunt naționale.
Cea mai mare invenție a acestei perioade a fost automobilul lui Henry Ford și infrastructura de care avea nevoie.Situația este similară cu cea din anii 1990, când a trebuit să construim o infrastructură majoră pentru a face față internetului și a erei noastre informaționale prin construirea de comutatoare, routere și cabluri de fibră optică.Mașinile nu fac excepție.
Prima mașină a lui Henry Ford – un vehicul cu patru roți.
Aici vedem ce a fost cândva un drum de pământ în curs de asfaltare.Oamenii aveau nevoie de benzină pentru a-și alimenta vehiculele, de unde și nevoia de benzinării.Aveți și ateliere de reparații, accesorii și multe altele.Întregul mod de viață al multor oameni a apărut din invenția automobilului și este și astăzi.
Tot în această perioadă am văzut introducerea aparatelor moderne pe care ne bazăm și astăzi, precum mașini de spălat, aspiratoare și frigidere.Pentru prima dată, oamenii vor putea cumpăra bunuri perisabile din magazine și le vor putea păstra pentru o perioadă de valabilitate extinsă.
Dar unde sunt PCB-urile noastre?Încă nu le-am văzut folosite în niciun aparat electrocasnic sau mașini lansate în acest timp.Cu toate acestea, în 1925, Charles Ducasse a depus un brevet care descria procesul de adăugare a cernelii conductoare la materialele izolante.Acest lucru va avea ca rezultat ulterior o placă de cablare imprimată (PWB).Acest brevet este prima aplicație practică similară cu un PCB, dar numai ca bobină de încălzire plană.Nu am obținut încă conexiuni electrice reale între placă și componente, dar ne apropiem.
PCB-ul a continuat să evolueze, de data aceasta fiind folosit ca bobină de încălzire pentru Charles Ducas.
Marea Depresiune (1930)
În 1929, bursa s-a prăbușit și toate marile inovații ale vremurilor noastre s-au prăbușit.Aici vedem o perioadă de șomaj peste 25%, 25.000 de falimentări bancare și multe probleme în întreaga lume.A fost o perioadă tragică pentru întreaga umanitate, deschizând calea pentru ascensiunea lui Hitler, Mussolini, Stalin și viitoarele noastre conflicte mondiale.Poate că PCB-urile au fost tăcute până acum, dar totul este pe cale să se schimbe.
Marea Depresiune a afectat pe toată lumea, de la bănci la muncitorii de rând.
Al Doilea Război Mondial (1939 – 1945)
Al Doilea Război Mondial era în desfășurare, iar Statele Unite s-au alăturat luptei după bombardarea Pearl Harbor în 1942. Ce este interesant la Pearl Harbor este întregul eșec de comunicare care a dus la atac.SUA aveau dovezi bune ale unei crize iminente, dar toate metodele de contact cu baza lor militară din Honolulu au fost nereușite, iar insula a fost luată cu garda jos.
Ca urmare a acestui eșec, DoD și-a dat seama că au nevoie de un mijloc de comunicare mai fiabil.Acest lucru a adus electronica în prim-plan ca mijloc principal de comunicare care înlocuiește codul Morse.
Tot în timpul celui de-al Doilea Război Mondial am văzut prima utilizare a PCB-urilor în siguranțe de proximitate pe care le avem astăzi.Dispozitivul este utilizat pentru proiectile de mare viteză care necesită foc de precizie la distanță lungă pe cer sau pe uscat.Fuzeta de proximitate a fost dezvoltată inițial de britanici pentru a contracara avansul armatei lui Hitler.Mai târziu a fost împărtășită cu Statele Unite, unde designul și fabricarea au fost perfecționate.
Una dintre primele aplicații militare care a folosit PCB-uri au fost siguranțe de proximitate.
În acest timp, l-am avut și pe Paul Eisler, un austriac care locuiește în Marea Britanie, care patenta folie de cupru pe un substrat de sticlă neconductiv.Suna familiar?Acesta este un concept pe care îl folosim și astăzi pentru a face PCB-uri cu izolație și cupru în partea de sus/de jos.Eisler a dus această idee cu un pas mai departe când a construit un radio din PCB-ul său în 1943, care ar deschide calea pentru viitoare aplicații militare.
Paul Eisler a construit un radio din prima placă de circuit imprimat (PCB).
Baby Boomers (anii 1940)
Pe măsură ce al Doilea Război Mondial se apropia de sfârșit, i-am văzut pe soldații noștri venind acasă, întemeind familii și au o grămadă de copii.Acordați-i pe baby boomers.În epoca postbelică am văzut îmbunătățiri masive la aparatele existente, cum ar fi aspiratoarele, mașinile de spălat, televizoarele și radiourile.Acum că Marea Recesiune a trecut în urmă, mulți consumatori își pot permite în sfârșit aceste dispozitive în casele lor.
Încă nu am văzut PCB-uri de consum.Unde sunt lucrările lui Paul Eisler?Aruncă o privire la acest televizor vechi de mai jos și vei vedea toate componentele, dar fără fundația PCB de bază.
Un televizor Motorola vechi din 1948, fără PCB.
În ciuda lipsei PCB-urilor, am văzut sosirea tranzistorului la Bell Labs în 1947. Au fost nevoie de încă șase ani în 1953 până când dispozitivul a fost în sfârșit folosit în producție, dar de ce atât de mult?În acele vremuri, informația era diseminată prin reviste, conferințe etc. Înainte de era informațională, răspândirea informațiilor a durat doar timp pentru a se răspândi.
Primul tranzistor s-a născut la Bell Laboratories în 1947.
Epoca Războiului Rece (1947 – 1991)
Apariția epocii Războiului Rece a marcat o perioadă considerabilă de tensiune între Statele Unite și Uniunea Sovietică.Din cauza diferențelor dintre capitalism și comunism, acești doi giganți sunt aproape în război unul cu celălalt și au pus lumea sub amenințarea anihilării nucleare.
Pentru a rămâne în frunte în această cursă a înarmărilor, ambele părți trebuie să își îmbunătățească capacitatea de a comunica pentru a înțelege ce face inamicul.Aici vedem că PCB-ul este folosit la întregul său potențial.În 1956, armata SUA a publicat un brevet pentru un „proces de asamblare a circuitelor”.Producătorii au acum o modalitate de a ține electronice și de a realiza conexiuni între componente cu urme de cupru.
Pe măsură ce PCB-urile au început să descopere în lumea producției, ne-am trezit în prima cursă spațială din lume.Rusia a avut câteva realizări uimitoare în acest timp, inclusiv:
1957 Lansarea primului satelit artificial, Sputnik
1959 Lansarea Luna 2, prima navă spațială pe Lună
În 1961, Yuri Gagarin, primul cosmonaut, a fost trimis să orbiteze Pământul
Primul satelit artificial al Rusiei, Sputnik, a fost lansat în 1957.
Unde este America în toate astea?În principal în urmă, este nevoie de un an sau doi pentru a dezvolta aceeași tehnologie.Remediind acest decalaj, vedem că bugetul spațial al SUA crește de cinci ori în 1960. Avem și celebrul discurs al președintelui Kennedy din 1962, din care o parte merită citată:
„Alegăm să mergem pe Lună!Alegem să mergem pe Lună pentru a face alte lucruri în acest deceniu, nu pentru că sunt ușoare, ci pentru că sunt grele;pentru că acest obiectiv ne va ajuta să organizăm și să ne măsurăm cele mai bune energii și abilități, din acest motiv provocările sunt ceea ce suntem dispuși să ne asumăm, ceea ce nu suntem dispuși să amânăm și ceea ce suntem dispuși să câștigăm.”– John F. Kennedy, președintele Statelor Unite, 12 septembrie 1962
Toate acestea au dus la un moment de referință în istorie.Pe 20 iulie 1969, primul bărbat american a aterizat pe Lună.
Primul om de pe Lună, un moment istoric pentru omenire.
Revenind la PCB-uri, în 1963, Hazeltyne Corporation a brevetat prima tehnologie cu orificii prin placare.Acest lucru va permite componentelor să fie împachetate strâns împreună pe PCB fără să vă faceți griji cu privire la conexiunile încrucișate.Am văzut, de asemenea, introducerea tehnologiei de montare la suprafață (SMT), dezvoltată de IBM.Aceste ansambluri dense au fost văzute pentru prima dată în practică într-un propulsor de rachetă Saturn.
1967 Primul brevet de tehnologie PCB cu orificii traversante.
Zorii microprocesorului (anii 1970)
Anii 70 ne-au adus primul microprocesor sub forma unui circuit integrat (IC).Acesta a fost dezvoltat inițial de Jack Kilby de la Texas Instruments în 1958. Kilby era nou în TI, așa că ideile sale inovatoare pentru circuite integrate au fost în mare parte ținute sub secret.Cu toate acestea, când inginerii seniori ai TI au fost trimiși la o întâlnire de o săptămână, Kilby a rămas în urmă și a fugit cu ideile în cap.Aici, el a dezvoltat primul IC în laboratoarele TI, iar inginerilor care au revenit le-a plăcut.
Jack Kilby deține primul circuit integrat.
În anii 1970, am văzut prima utilizare a circuitelor integrate în fabricarea de electronice.În acest moment, dacă nu utilizați un PCB pentru conexiunile dvs., aveți mari probleme.
Zorii erei digitale (anii 1980)
Era digitală a adus o schimbare uriașă în mediile pe care le consumăm, odată cu introducerea dispozitivelor personale precum discuri, VHS, camere foto, console de jocuri, walkman-uri și multe altele.
În 1980, consola de jocuri video Atari a făcut ca visele copiilor să devină realitate.
Este important de remarcat că PCB-urile erau încă desenate manual folosind plăci luminoase și șabloane, dar apoi au apărut computerele și EDA.Aici vedem software-ul EDA precum Protel și EAGLE revoluționând modul în care proiectăm și fabricăm electronice.În loc de o fotografie a PCB-ului, acum putem salva designul ca fișier text Gerber, ale cărui coordonate pot fi introduse în mașina de fabricație pentru a produce PCB-ul.
Era Internetului (anii 1990)
În anii '90, am văzut că utilizarea siliciului a intrat în plină desfășurare odată cu introducerea BGA.Acum putem monta mai multe porți pe un singur cip și putem începe să încorporam împreună memorie și sisteme pe cip (SoC).Aceasta a fost, de asemenea, o perioadă de miniaturizare ridicată a electronicii.Nu am văzut nicio caracteristică nouă adăugată la PCB, dar întregul proces de proiectare a început să se schimbe și să evolueze, trecând la IC.
Designerii trebuie acum să implementeze strategii de design-for-test (DFT) în layout-urile lor.Nu este ușor să scoți o componentă și să adaugi o linie albastră.Inginerii trebuie să își proiecteze layout-urile ținând cont de reluări viitoare.Sunt toate aceste componente amplasate în așa fel încât să poată fi îndepărtate cu ușurință?Aceasta este o mare îngrijorare.
A fost, de asemenea, o epocă în care pachetele de componente mai mici precum 0402 făceau aproape imposibilă lipirea manuală a plăcilor de circuite.Designerul locuiește acum în software-ul său EDA, iar producătorul este responsabil pentru producția fizică și asamblarea.
Componente montate la suprafață de la cel mai mare la cel mai mic.
Era hibridă (anii 2000 și mai departe)
În epoca actuală a designului electronic și PCB;ceea ce numim era hibridă.În trecut, aveam mai multe dispozitive pentru nevoi multiple.Ai nevoie de un calculator;cumperi un calculator.Vrei să joci jocuri video;cumperi o consolă de jocuri video.Acum puteți cumpăra un smartphone și puteți obține 30 de niveluri diferite de funcții încorporate.Acest lucru poate părea destul de evident, dar este destul de uimitor când vezi de fapt toate lucrurile pe care smartphone-urile noastre le pot face:
echipament de jocuri agendă de adrese e-mail scaner de coduri de bare lanternă sonerie cameră de navigare
program player muzical hartă VCR browser Internet calendar player calculator calculator
Blocnotes telefonice bilete recorder robot telefonic Registre bancare cu mesaje scurte
Suntem în era consolidării dispozitivelor, dar ce urmează?PCB-urile sunt stabilite și avem procese și proceduri pentru aproape orice.Aplicațiile de mare viteză devin norma.De asemenea, vedem că doar 25% dintre designerii PCB au sub 45 de ani, în timp ce 75% se pregătesc să se pensioneze.Industria pare să fie într-o perioadă de criză.
Viitorul designului PCB va fi roboții?Poate într-un purtabil cu un circuit flexibil?Sau am putea vedea că protonii înlocuiesc electronii cu fotonici.Din câte știm despre PCB-urile fizice, asta s-ar putea chiar schimba în viitor.Nu este nevoie de un mediu fizic care să permită conexiunea dintre componente, ci mai degrabă de potențialul tehnologiei unde.Acest lucru ar permite componentelor să trimită semnale fără fir, fără a fi nevoie de cupru.
Ce va rezerva viitorul?
Nimeni nu știe cu adevărat încotro se îndreaptă viitorul designului PCB-ului sau chiar al electronicii în general.Au trecut aproape 130 de ani de când mușchii noștri de producție au început să funcționeze.De atunci, lumea s-a schimbat pentru totdeauna odată cu introducerea unor produse majore precum mașini, electrocasnice, computere, smartphone-uri și multe altele.Au trecut vremurile în care depindeam de cărbune, cherestea sau petrol pentru toate mijloacele noastre de existență și supraviețuirea de bază.Acum avem gadget-uri electronice care ne pot satisface nevoile zilnice.
Dar ce ne rezervă viitorul?Aceasta este o mare necunoscută.Știm cu toții că fiecare invenție dinaintea noastră stă pe umerii predecesorilor săi.Strămoșii noștri au adus designul PCB acolo unde este astăzi, iar acum trebuie să inovăm și să revoluționăm modul în care proiectăm și interacționăm cu tehnologia.Viitorul poate fi orice.Viitorul depinde de tine.
Ora postării: 17-mar-2023