Как и многие другие великие изобретения в истории,печатная плата (PCB)в том виде, в каком мы знаем его сегодня, он основан на прогрессе, достигнутом на протяжении всей истории.В нашем маленьком уголке мира мы можем проследить историю печатных плат более чем на 130 лет назад, когда великие промышленные машины только начинали свою работу.В этом блоге мы расскажем не всю историю, а важные моменты, которые превратили печатную плату в то, чем она является сегодня.
Почему печатная плата?
Со временем печатные платы превратились в инструмент оптимизации производства электронных продуктов.То, что когда-то было легко собрать вручную, быстро уступило место микроскопическим компонентам, требующим механической точности и эффективности.В качестве примера возьмем две платы, показанные на рисунке ниже.Одна из них — старая доска 1960-х годов для калькуляторов.Другая типичная материнская плата высокой плотности, которую вы увидите в современных компьютерах.
Сравнение печатных плат калькулятора 1968 года и современных материнских плат.
В калькуляторе у нас может быть более 30 транзисторов, но на одном чипе материнской платы вы найдете более миллиона транзисторов.Дело в том, что темпы развития технологий и проектирования печатных плат впечатляют.Все на печатной плате калькулятора теперь может поместиться в один чип в современных конструкциях.Это привлекает внимание к нескольким заметным тенденциям в производстве печатных плат:
Мы интегрируем больше функций в передовые устройства, такие как интегральные схемы (ИС) и микропроцессоры.
Мы уменьшаем пассивные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, до микроскопического уровня.
Все это приводит к увеличению плотности и сложности компонентов на наших печатных платах.
Все эти достижения в первую очередь связаны с улучшением скорости и функциональности наших продуктов.Мы ожидаем, что наши устройства будут реагировать мгновенно, даже несколько секунд задержки могут довести нас до исступления.Для функциональности рассмотрите видеоигры.В 80-х вы, вероятно, играли в Pac-Man в игровых автоматах.Теперь мы видим фотореалистичные изображения реальности.Прогресс просто сумасшедший.
В наши дни визуальные эффекты видеоигр почти как живые.
Понятно, что печатные платы развились в прямом ответе на то, что мы ожидаем от наших устройств.Нам нужны более быстрые, дешевые и мощные продукты, и единственный способ удовлетворить эти требования — миниатюризировать и повысить эффективность производственного процесса.Когда начался бум электроники и печатных плат?На заре позолоченного века.
Золотой век (1879 – 1900)
Мы закончили Гражданскую войну в США в 60-х, и сейчас американское производство процветает.А пока делаем, что можем, от еды до одежды, мебели и рельсов.Судоходная отрасль находится в наступлении, и наши лучшие инженеры выясняют, как доставить кого-то с восточного побережья США на западное побережье за 5–7 дней вместо 5–7 месяцев.
По железным дорогам путешествие от побережья к побережью занимало дни, а не месяцы.
За это время мы также провели электричество в дома, сначала в городах, а затем в пригородах и сельской местности.В настоящее время электричество заменяет уголь, древесину и нефть.Подумайте о том, чтобы жить в Нью-Йорке суровой зимой, пытаясь готовить или согреваться грязными углями или кучами дров.Электричество все изменило.
Интересен тот факт, что Standard Oil, монополизировавшая нефтяной рынок, не поставляет нефть в обмен на бензин.Их рынок — масло для приготовления пищи, жарки и освещения.С появлением электричества Standard Oil необходимо было определить новое использование нефти, которое появится с появлением автомобиля.
В мае 1878 года Standard Oil Company выпустила акции, и началась нефтяная монополия.
В позолоченный век мы стали свидетелями некоторых великих открытий в области электромагнетизма.Мы изобрели электродвигатель, который преобразует электрическую энергию в механическую.Мы также видим генераторы, которые делают обратное, преобразуя механическую энергию в электрическую.
Это было также время гениальных изобретателей, которые до сих пор оказывают влияние на наш электронный мир, в том числе:
Томас Эдисон изобрел лампочку в 1879 году, кино в 1889 году и многие другие изобретения.
Никола Тесла изобрел электродвигатель в 1888 году и источник переменного тока в 1895 году.
Александр Грэм Белл изобрел телефон в 1876 году.
Компания Kodak Джорджа Истмана изобрела первую потребительскую камеру в 1884 году.
Герман Холлерит изобрел счетную машину в 1890 году и впоследствии основал IBM.
В этот интенсивный период инноваций одним из самых больших споров является спор между переменным и постоянным током.Переменный ток Теслы со временем стал идеальным методом передачи энергии на большие расстояния.Интересно, однако, что мы все еще имеем дело с преобразованием переменного тока в постоянный и сегодня.
AC, возможно, выиграл битву, но DC по-прежнему доминирует в электронике.
Посмотрите на любое электронное устройство, которое вы подключаете к стене, вам нужно преобразовать переменный ток в постоянный.Или, если вы посмотрите на инфраструктуру, необходимую для солнечных панелей, они генерируют электричество в постоянном токе, которое должно быть преобразовано обратно в переменный ток в качестве источника питания и обратно в постоянный ток для использования нашими устройствами.Можно даже сказать, что дебаты AC-DC никогда не заканчивались, только что был достигнут баланс между двумя противоположными идеями.
Между переменным и постоянным током в солнечной панели много переходов.
Обратите внимание, что первоначальная идея печатной платы была изобретена не в позолоченном веке.Однако без производственных возможностей той эпохи и широкого влияния электричества печатные платы никогда не были бы такими, какими они являются сегодня.
Прогрессивная эра (1890-1920)
Прогрессивная эра была отмечена периодом социальных реформ, когда такие законы, как Антимонопольный закон Шермана, разрушили монополию Standard Oil.Это также время, когда мы видим первые патенты на печатные платы.В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хэнсон подал заявку на получение британского патента на устройство, описанное как плоский проводник из фольги на многослойной изоляционной плате.Звучит знакомо?
Рисунок, изображающий первый патент Альберта Хэнсона на печатную плату.
Хансен также описывает концепцию сквозных отверстий в своем патенте.Здесь он показывает, что вы можете пробить отверстие в двух слоях вертикальными линиями, чтобы создать электрическое соединение.
В это время мы начали видеть, как Эдисон и другие бизнес-лидеры прилагают большие усилия для внедрения электрических устройств в повседневные дома.Проблема этого толчка в полном отсутствии стандартизации.Если бы вы жили в Нью-Йорке или Нью-Джерси и использовали изобретения Эдисона в области электричества для освещения, отопления или приготовления пищи, что бы произошло, если бы вы использовали их в другом городе?Их нельзя использовать, потому что в каждом городе своя конфигурация сокетов.
Проблема усугублялась еще и тем фактом, что Эдисон не просто хотел продать людям лампочку, он также хотел продать услугу.Edison может предоставлять вам электричество ежемесячно;тогда вы бы купили лампочки, бытовую технику и т. д. Конечно, ни одна из этих услуг не совместима с другими конкурирующими методами.
Мы хотим поблагодарить Харви Хаббела за то, что он, наконец, положил конец этому беспорядку.В 1915 году он запатентовал стандартную настенную вилку, которая используется до сих пор.Теперь у нас нет тостера или плиты, подключенной к розетке лампочки.Это огромная победа для отраслевой стандартизации.
Благодаря Харви Хаббелу у нас теперь есть стандартная настенная розетка для всех электронных устройств.
И последнее замечание: Прогрессивная эра была отмечена Первой мировой войной. Этот конфликт сосредоточен исключительно на мехах и окопной войне.Концепция печатных плат или даже базовой электроники пока не используется в военных приложениях, но скоро будет.
Ревущие двадцатые (1920-е)
С окончанием Первой мировой войны мы живем в бурные двадцатые, когда в американской экономике наблюдался огромный бум.Впервые в истории в городах проживает больше людей, чем на фермах.Мы также начинаем видеть сети и бренды, представленные в США.У вас может быть семейный магазин или два в двух разных городах, но теперь у нас есть крупные бренды и магазины, которые выходят на национальный уровень.
Величайшим изобретением этого периода был автомобиль Генри Форда и необходимая для него инфраструктура.Ситуация аналогична 1990-м годам, когда нам пришлось построить крупную инфраструктуру, чтобы справиться с Интернетом и нашим информационным веком, создав коммутаторы, маршрутизаторы и оптоволоконные кабели.Автомобили не являются исключением.
Первый автомобиль Генри Форда – четырехколесный.
Здесь мы видим то, что когда-то было асфальтированной грунтовой дорогой.Люди нуждались в бензине для питания своих автомобилей, отсюда и потребность в заправочных станциях.У вас также есть ремонтные мастерские, аксессуары и многое другое.Весь образ жизни многих людей берет свое начало с изобретения автомобиля и остается им по сей день.
Также в это время мы увидели появление современной бытовой техники, на которую мы все еще полагаемся сегодня, такой как стиральные машины, пылесосы и холодильники.Впервые люди смогут покупать скоропортящиеся товары в магазинах и хранить их в течение длительного срока годности.
Но где наши печатные платы?Мы до сих пор не видели, чтобы они использовались в какой-либо технике или автомобилях, выпущенных за это время.Однако в 1925 году Чарльз Дюкасс подал заявку на патент, в котором описывался процесс добавления проводящих чернил в изоляционные материалы.Позже это приведет к созданию печатной платы (PWB).Этот патент является первым практическим применением, подобным печатной плате, но только в качестве плоского нагревательного змеевика.У нас пока нет реальных электрических соединений между платой и компонентами, но мы приближаемся к этому.
Печатная плата продолжала развиваться, на этот раз она использовалась в качестве нагревательного змеевика для Чарльза Дюка.
Великая депрессия (1930-е годы)
В 1929 году фондовый рынок рухнул, как и все великие инновации нашего времени.Здесь мы видим период безработицы выше 25%, 25 000 банкротств банков и массу неприятностей по всему миру.Это было трагическое время для человечества в целом, проложившее дорогу возвышению Гитлера, Муссолини, Сталина и нашим грядущим мировым конфликтам.Печатные платы, возможно, молчали до сих пор, но скоро все изменится.
Великая депрессия затронула всех, от банков до простых рабочих.
Вторая мировая война (1939 – 1945)
Шла Вторая мировая война, и Соединенные Штаты присоединились к битве после бомбардировки Перл-Харбора в 1942 году. Что интересно в Перл-Харборе, так это полный сбой связи, который привел к нападению.У США были веские доказательства надвигающегося кризиса, но все методы связи с их военной базой в Гонолулу не увенчались успехом, и остров был застигнут врасплох.
В результате этой неудачи Министерство обороны поняло, что им нужны более надежные средства связи.Это выдвинуло электронику на передний план в качестве основного средства связи, заменившего азбуку Морзе.
Также во время Второй мировой войны мы увидели первое использование печатных плат в бесконтактных взрывателях, которые мы имеем сегодня.Устройство используется для высокоскоростных снарядов, требующих дальнего прицельного огня в небе или на земле.Неконтактный взрыватель был первоначально разработан британцами для противодействия наступлению гитлеровской армии.Позже он был передан в Соединенные Штаты, где дизайн и производство были усовершенствованы.
Одним из первых военных приложений, в которых использовались печатные платы, были бесконтактные взрыватели.
В это время у нас также был Пол Эйслер, австриец, живущий в Великобритании, который запатентовал медную фольгу на непроводящей стеклянной подложке.Звучит знакомо?Эту концепцию мы до сих пор используем для изготовления печатных плат с изоляцией и медью сверху/снизу.Эйслер сделал еще один шаг в этой идее, когда в 1943 году построил радиоприемник из своей печатной платы, что проложило путь для будущих военных применений.
Пол Эйслер построил радио из первой печатной платы (PCB).
Бэби-бумеры (1940-е годы)
Когда Вторая мировая война подошла к концу, мы увидели, как наши солдаты вернулись домой, завели семьи и завели целую кучу детей.Послушайте бэби-бумеров.Именно в послевоенную эпоху мы увидели массовые усовершенствования существующих приборов, таких как пылесосы, стиральные машины, телевизоры и радиоприемники.Теперь, когда Великая рецессия позади, многие потребители наконец-то могут позволить себе эти устройства в своих домах.
Мы до сих пор не видели печатных плат потребительского класса.Где произведения Пола Эйслера?Взгляните на этот старый телевизор ниже, и вы увидите все компоненты, но без базовой печатной платы.
Старый телевизор Motorola 1948 года выпуска, без печатной платы.
Несмотря на отсутствие печатных плат, транзистор появился в Bell Labs в 1947 году. В 1953 году потребовалось еще шесть лет, прежде чем устройство наконец начали использовать в производстве, но почему так долго?В те дни информация распространялась через журналы, конференции и т. д. До наступления информационного века для распространения информации требовалось время.
Первый транзистор был создан в Bell Laboratories в 1947 году.
Эпоха холодной войны (1947–1991)
Наступление эры холодной войны ознаменовало значительный период напряженности в отношениях между Соединенными Штатами и Советским Союзом.Из-за различий между капитализмом и коммунизмом эти два гиганта практически находятся в состоянии войны друг с другом и поставили мир под угрозу ядерного уничтожения.
Чтобы оставаться впереди в этой гонке вооружений, обе стороны должны улучшить свои возможности общения, чтобы понять, что делает противник.Здесь мы видим, что печатная плата используется в полной мере.В 1956 году армия США опубликовала патент на «процесс сборки схемы».У производителей теперь есть способ как удерживать электронику, так и выполнять соединения между компонентами с помощью медных дорожек.
Когда печатные платы начали набирать обороты в мире производства, мы оказались в первой в мире космической гонке.За это время у России было несколько удивительных достижений, в том числе:
1957 Запуск первого искусственного спутника Земли.
1959 Запуск Луны-2, первого космического корабля на Луну.
В 1961 году на орбиту Земли был отправлен первый космонавт Юрий Гагарин.
Первый искусственный спутник России «Спутник» был запущен в 1957 году.
Где во всем этом Америка?В основном отстают, на разработку той же технологии обычно уходит год-два.Восполняя этот пробел, мы видим пятикратный рост космического бюджета США в 1960 году. У нас также есть знаменитая речь президента Кеннеди 1962 года, часть которой стоит процитировать:
«Мы выбираем полет на Луну!Мы решили отправиться на Луну, чтобы заняться другими делами в этом десятилетии не потому, что это легко, а потому, что это сложно;потому что эта цель поможет организовать и измерить наши лучшие силы и навыки, из-за этого вызовы — это то, что мы готовы взять на себя, что мы не хотим откладывать и что мы хотим победить».– Джон Ф. Кеннеди, президент США, 12 сентября 1962 г.
Все это привело к знаменательному моменту в истории.20 июля 1969 года первый американец высадился на Луне.
Первый человек на Луне, исторический момент для человечества.
Возвращаясь к печатным платам, в 1963 году корпорация Hazeltyne запатентовала первую технологию сквозных отверстий с покрытием.Это позволит размещать компоненты близко друг к другу на печатной плате, не беспокоясь о перекрестных соединениях.Мы также увидели внедрение технологии поверхностного монтажа (SMT), разработанной IBM.Эти плотные сборки были впервые замечены на практике в ракетном ускорителе «Сатурн».
1967 Первый патент на технологию сквозных печатных плат.
Рассвет микропроцессора (1970-е)
70-е годы принесли нам первый микропроцессор в виде интегральной схемы (ИС).Первоначально он был разработан Джеком Килби из Texas Instruments в 1958 году. Килби был новичком в TI, поэтому его новаторские идеи для ИС в основном держались в секрете.Однако, когда старших инженеров TI отправили на недельное совещание, Килби остался и побежал с идеями в голове.Здесь он разработал первую микросхему в лабораториях TI, и вернувшимся инженерам она понравилась.
Джек Килби держит первую интегральную схему.
В 1970-х годах мы увидели первое использование интегральных схем в производстве электроники.На данный момент, если вы не используете печатную плату для своих соединений, у вас большие проблемы.
Рассвет цифровой эпохи (1980-е)
Эпоха цифровых технологий привела к огромным изменениям в средствах массовой информации, которые мы потребляем, с появлением персональных устройств, таких как диски, видеокассеты, камеры, игровые приставки, плееры и многое другое.
В 1980 году детская игровая приставка Atari воплотила в жизнь детские мечты.
Важно отметить, что печатные платы все еще рисовались вручную с использованием световых досок и трафаретов, но затем появились компьютеры и EDA.Здесь мы видим, как программное обеспечение EDA, такое как Protel и EAGLE, коренным образом меняет способы проектирования и производства электроники.Вместо фотографии печатной платы теперь мы можем сохранить проект в виде текстового файла Gerber, координаты которого можно ввести в производственное оборудование для производства печатной платы.
Эпоха Интернета (1990-е)
В 90-х годах мы увидели, что использование кремния стало полным ходом с появлением BGA.Теперь мы можем разместить больше вентилей на одном чипе и начать объединять память и системы-на-кристалле (SoC).Это также был период высокой миниатюризации электроники.Мы не увидели каких-либо новых функций, добавленных к печатной плате, но весь процесс проектирования начал меняться и развиваться, переходя на ИС.
Теперь дизайнеры должны внедрять в свои макеты стратегии «дизайн для тестирования» (DFT).Выделить компонент и добавить синюю линию непросто.Инженеры должны проектировать свои макеты с учетом будущих доработок.Все ли эти компоненты размещены таким образом, чтобы их можно было легко снять?Это огромная проблема.
Это была также эпоха, когда небольшие пакеты компонентов, такие как 0402, делали ручную пайку печатных плат практически невозможной.Дизайнер теперь живет в своем программном обеспечении EDA, а производитель отвечает за физическое производство и сборку.
Компоненты для поверхностного монтажа от самых больших до самых маленьких.
Гибридная эра (2000-е и далее)
Переход к сегодняшней эре электроники и дизайна печатных плат;то, что мы называем гибридной эрой.В прошлом у нас было несколько устройств для разных нужд.Вам нужен калькулятор;Вы покупаете калькулятор.Вы хотите играть в видеоигры;вы покупаете игровую приставку.Теперь вы можете купить смартфон и получить 30 различных уровней встроенных функций.Это может показаться довольно очевидным, но это довольно поразительно, когда вы действительно видите все, на что способны наши смартфоны:
игровое оборудование адресная книга электронная почта сканер штрих-кода фонарик звонок камера навигация
музыкальный плеер расписание видеомагнитофон карта интернет браузер календарь киноплеер калькулятор
Телефон Блокнот Билеты Регистратор Автоответчик Короткие сообщения Банковские книги
Мы живем в эпоху консолидации устройств, но что дальше?ПХД установлены, и у нас есть процессы и процедуры почти для всего.Высокоскоростные приложения становятся нормой.Мы также видим, что только 25% проектировщиков печатных плат моложе 45 лет, а 75% готовятся к пенсионному возрасту.Похоже, отрасль переживает кризис.
Будет ли будущее проектирования печатных плат роботами?Может в носимом с гибкой схемой?Или мы можем увидеть, как протоны заменяют электроны фотоникой.Насколько мы знаем о физических печатных платах, это может даже измениться в будущем.Нет необходимости в физической среде для обеспечения связи между компонентами, а скорее в потенциале волновой технологии.Это позволило бы компонентам передавать сигналы по беспроводной связи без использования меди.
Что будет в будущем?
Никто на самом деле не знает, куда движется будущее проектирования печатных плат или даже электроники в целом.Прошло почти 130 лет с тех пор, как наши производственные мышцы начали работать.С тех пор мир навсегда изменился с появлением таких основных продуктов, как автомобили, бытовая техника, компьютеры, смартфоны и многое другое.Прошли те времена, когда все наши основные средства к существованию и выживание зависели от угля, древесины или нефти.Теперь у нас есть электронные гаджеты, которые могут удовлетворить наши повседневные потребности.
Но что ждет нас в будущем?Это большое неизвестное.Все мы знаем, что каждое изобретение, стоящее перед нами, стоит на плечах его предшественников.Наши предки принесли дизайн печатных плат туда, где он есть сегодня, и теперь нам нужно внедрять инновации и революционизировать то, как мы проектируем и взаимодействуем с технологиями.Будущее может быть любым.Будущее зависит от вас.
Время публикации: 17 марта 2023 г.