Как и многие другие великие изобретения в истории,печатная плата (PCB)в том виде, в каком мы знаем его сегодня, основано на прогрессе, достигнутом на протяжении всей истории. В нашем маленьком уголке мира мы можем проследить историю печатных плат, насчитывающую более 130 лет, когда величайшие в мире промышленные машины только зарождались. В этом блоге мы рассмотрим не полную 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 для калькуляторов 1960-х годов. Другая — типичная материнская плата высокой плотности, которую можно увидеть в современных компьютерах.
Сравнение печатной платы калькулятора 1968 года и современных материнских плат.
В калькуляторе 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. В современных конструкциях все, что есть на печатной плате калькулятора, теперь может уместиться в одном чипе. Это привлекает внимание к нескольким заметным тенденциям в производстве печатных плат:
Мы интегрируем больше функциональных возможностей в современные 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 обусловлены улучшением скорости и функциональности наших продуктов. Мы ожидаем, что наши устройства будут реагировать мгновенно, даже несколько секунд задержки могут привести нас в бешенство. Если говорить о функциональности, рассмотрите видеоигры. В 80-х вы, вероятно, играли в Pac-Man на игровых автоматах. Теперь мы видим фотореалистичные представления реальности. Прогресс просто сумасшедший.
В наши дни визуальные эффекты видеоигр почти реалистичны.
Понятно, что развитие печатных плат является прямым ответом на то, чего 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 этот бум в области электроники и печатных плат? На заре Позолоченного века.
Позолоченный век (1879 – 1900)
Мы закончили Гражданскую войну в США в 60-е годы, и сейчас американское производство процветает. А пока мы делаем все, что можем: от еды до одежды, мебели и рельсов. Судоходная отрасль находится в наступлении, и наши лучшие инженеры придумывают, как доставить кого-то с восточного побережья США на западное за 5–7 дней вместо 5–7 месяцев.
Благодаря 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. Электричество теперь заменяет уголь, древесину и нефть. Подумайте о том, как вы живете в Нью-Йорке суровой зимой и пытаетесь приготовить еду или согреться с помощью грязных углей или груды дров. Электричество все изменило.
Интересный момент: Standard Oil, монополизирующая нефтяной рынок, не поставляет масло для бензина. Их рынок — масло для приготовления пищи, жарки и освещения. С появлением электричества «Стандард Ойл» нужно было определить новое применение нефти, которое появилось с появлением автомобиля.
В мае 1878 года компания Standard Oil 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, фильм в 1889 году и многие другие инновации.
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 крупнейших споров является спор между переменным и постоянным током. Переменный ток Теслы со временем стал идеальным методом передачи энергии на большие расстояния. Однако интересно, что сегодня мы все еще имеем дело с преобразованием переменного тока в постоянный.
Возможно, переменный ток и выиграл битву, но постоянный ток по-прежнему доминирует в электронике.
Посмотрите на любое электронное устройство, которое вы подключаете к стене: вам необходимо преобразовать переменный ток в постоянный. Или, если вы посмотрите на инфраструктуру, необходимую для солнечных панелей, они генерируют электроэнергию постоянного тока, которую необходимо преобразовать обратно в переменный ток в качестве источника питания, а затем обратно в постоянный ток, чтобы наши устройства могли использовать его. Можно 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 происходит много взаимодействий.
Заметим, что первоначальная идея печатной платы была изобретена не в «Позолоченный век». Однако без производственных возможностей той эпохи и широкого влияния электричества печатные платы никогда не были бы такими, какими они являются сегодня.
Прогрессивная эпоха (1890 – 1920)
Прогрессивная эра ознаменовалась периодом социальных реформ, когда такие законы, как Антимонопольный закон Шермана, разрушили монополию Standard Oil. Именно тогда мы видим первые патенты на печатные платы. В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хансон подал заявку на британский патент на устройство, описываемое как плоский проводник из фольги на многослойной изолирующей плате. Звучит знакомо?
Рисунок, изображающий первый патент Альберта Хэнсона на печатную плату.
Хансен также описывает концепцию применения сквозных отверстий в своем патенте. Здесь он показывает, что можно проделать отверстие в два слоя с вертикальными линиями, чтобы выполнить электрическое соединение.
За это время мы начали видеть, как Эдисон и другие бизнес-лидеры предпринимают большие усилия по внедрению электрических устройств в повседневные дома. Проблема с этим толчком – полное отсутствие стандартизации. Если бы вы жили в Нью-Йорке или Нью-Джерси и использовали электрические изобретения Эдисона для освещения, отопления или приготовления пищи, что бы произошло, если бы вы использовали их в другом городе? Их нельзя использовать, поскольку в каждом городе своя конфигурация сокетов.
Проблема усугублялась еще и тем, что Эдисон хотел продавать людям не только лампочки, но и услуги. Эдисон мог бы ежемесячно обеспечивать вас электроэнергией; тогда вы будете покупать 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 вилку для настенной розетки, которая используется до сих пор. Теперь у нас нет тостера или электроплитки, включенной в розетку лампочки. Это огромная победа для отраслевой стандартизации.
Благодаря Харви Хаббелу у нас теперь есть стандартная розетка для всех электронных устройств.
В заключение отметим, что Прогрессивная эра ознаменовалась Первой мировой войной. Этот конфликт сосредоточен исключительно на роботах и позиционной войне. Концепция печатной платы или даже базовой электроники еще не используется в военных целях, но скоро она будет использоваться.
Ревущие двадцатые (1920-е)
После окончания Первой мировой войны мы оказались в «ревущих двадцатых», когда в американской экономике наблюдался огромный бум. Впервые в истории в городах живет больше людей, чем на фермах. Мы также начинаем видеть, как сети и бренды появляются по всей территории США. У вас может быть один или два семейных магазина 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, создавая 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. Людям нужен был бензин для питания своих транспортных средств, отсюда и необходимость в заправочных станциях. У вас также есть ремонтные мастерские, аксессуары и многое другое. Весь образ жизни многих людей начался с изобретения автомобиля и продолжается до сих пор.
Именно в это время мы стали свидетелями появления современной бытовой техники, которой мы пользуемся до сих пор, такой как стиральные машины, пылесосы и холодильники. Впервые люди смогут покупать в магазинах скоропортящиеся продукты и хранить их в течение длительного срока годности.
Но где наши печатные платы? Мы до сих пор не видели, чтобы они использовались в каких-либо приборах или автомобилях, выпущенных за это время. Однако в 1925 году Шарль Дюкасс подал патент, описывающий процесс добавления проводящих чернил в изоляционные материалы. Позже это приведет к созданию печатной платы (PWB). Этот патент является первым практическим применением, аналогичным печатной плате, но только в виде плоской нагревательной катушки. У нас пока нет реальных электрических соединений между платой и компонентами, но мы уже близки к этому.
Печатная плата продолжала развиваться, на этот раз она использовалась в качестве нагревательной катушки для Чарльза Дукаса.
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 множество проблем по всему миру. Это было трагическое время для человечества в целом, проложившее путь к возвышению Гитлера, Муссолини, Сталина и нашим будущим мировым конфликтам. Возможно, печатные платы до сих пор молчали, 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 ней после бомбардировки Перл-Харбора в 1942 году. Что интересно в Перл-Харборе, так это полный отказ связи, который привел к нападению. У США были веские доказательства неминуемого кризиса, но все методы связи с их военной базой в Гонолулу оказались безуспешными, и остров был застигнут врасплох.
В результате этой неудачи Министерство обороны осознало, что им нужно более надежное средство связи. Это выдвинуло электронику на первый план в качестве основного средства связи, заменившего азбуку Морзе.
Также во время Второй мировой войны мы впервые увидели использование печатных плат в бесконтактных предохранителях, которые мы имеем сегодня. Устройство используется для высокоскоростных снарядов, требующих прицельной стрельбы на большие дистанции в небе или на земле. Неконтактный взрыватель изначально был разработан британцами для противодействия наступлению гитлеровской армии. Позже его передали Соединенным Штатам, где конструкция и производство были усовершенствованы.
Одним из первых военных применений печатных плат были бесконтактные предохранители.
В это время у нас также был Пол Эйслер, австриец, живущий в Великобритании, запатентовавший 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 развил эту идею еще дальше, когда в 1943 году построил радиоприемник из своей печатной платы, который проложил путь для будущих военных приложений.
Пол Эйслер построил радио из первой печатной платы (PCB).
Бэби-бумеры (1940-е)
Когда Вторая мировая война подошла к концу, мы увидели, как наши солдаты вернулись домой, завели семьи и завели целую кучу детей. Подайте сигнал бэби-бумерам. Именно в послевоенную эпоху мы стали свидетелями масштабных усовершенствований существующей бытовой техники, такой как пылесосы, стиральные машины, телевизоры и радиоприемники. Теперь, когда Великая рецессия позади, многие потребители наконец-то могут позволить себе эти устройства у себя дома.
Мы до сих пор не видели печатных плат потребительского класса. Где работы Пола Эйслера? Взгляните на этот старый телевизор ниже, и вы увидите все компоненты, но без основной печатной платы.
Старый телевизор Motorola 1948 года выпуска, без печатной платы.
Несмотря на отсутствие печатных плат, мы стали свидетелями появления транзистора в Bell Labs в 1947 году. В 1953 году потребовалось еще шесть лет, прежде чем устройство наконец было использовано в производстве, но почему так долго? В те дни информация распространялась через журналы, конференции и т. д. До информационной эпохи распространение информации просто требовало времени.
Первый транзистор родился в Bell Laboratories в 1947 году.
Эпоха холодной войны (1947–1991)
Наступление эпохи холодной войны ознаменовало значительный период напряженности между Соединенными Штатами и Советским Союзом. Из-за различий между капитализмом и коммунизмом эти два гиганта почти 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». Теперь у производителей есть возможность как хранить электронику, так и соединять компоненты с помощью медных дорожек.
Когда печатные платы начали набирать популярность в производственном мире, мы оказались в первой в мире космической гонке. За это время Россия добилась ряда удивительных достижений, в том числе:
1957 г. Запуск первого искусственного спутника Земли «Спутник».
1959 г. Запуск «Луны-2», первого космического корабля на Луну.
В 1961 году на орбиту Земли был отправлен первый космонавт Юрий Гагарин.
Первый российский искусственный спутник Земли «Спутник» был запущен в 1957 году.
Где во всем этом Америка? В основном отстают, на разработку одной и той же технологии обычно уходит год-два. Чтобы устранить этот разрыв, мы видим, что космический бюджет США увеличился в пять раз в 1960 году. У нас также есть знаменитая речь президента Кеннеди 1962 года, часть которой стоит процитировать:
«Мы выбираем полет на Луну! В этом десятилетии мы решили отправиться на Луну, чтобы заняться другими делами, не потому, что это легко, а потому, что это сложно; потому что эта цель поможет организовать и измерить наши лучшие силы и навыки, потому что вызовы — это то, что мы готовы принять, то, что мы не готовы откладывать, и то, что мы готовы победить». – Джон Ф. Кеннеди, президент США, 12 сентября 1962 г.
Все это привело к знаковому моменту в истории. 20 июля 1969 года на Луну высадился первый американец.
Первый человек на Луне – исторический момент для человечества.
Возвращаясь к печатным платам, в 1963 году компания Hazeltyne Corporation запатентовала первую технологию сквозных отверстий с металлическим покрытием. Это позволит размещать компоненты на печатной плате близко друг к другу, не беспокоясь о перекрестных соединениях. Мы также стали свидетелями внедрения технологии поверхностного монтажа (SMT), разработанной IBM. Эти плотные сборки впервые были замечены на практике в ракете-носителе Сатурна.
1967 г. Получен 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 инновационные идеи в отношении микросхем по большей части держались в секрете. Однако, когда старших инженеров TI отправили на недельное совещание, Килби остался и обдумывал идеи. Здесь он разработал первую микросхему в лабораториях TI, и вернувшимся инженерам она понравилась.
Джек Килби владеет первой интегральной схемой.
В 1970-х годах мы увидели первое использование микросхем в производстве электроники. На этом этапе, если вы не используете печатную плату для своих соединений, у вас большие проблемы.
На заре цифровой эпохи (1980-е)
Цифровая эпоха привела к огромным изменениям в средствах массовой информации, которые мы потребляем, с появлением персональных устройств, таких как диски, видеокассеты, камеры, игровые консоли, плееры и многое другое.
В 1980 году игровая консоль Atari воплотила детские мечты в реальность.
Важно отметить, что печатные платы по-прежнему 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 подходы к проектированию и производству электроники. Вместо фотографии печатной платы мы теперь 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-е годы мы стали свидетелями того, как 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 никаких новых функций, добавленных к печатной плате, но весь процесс проектирования начал меняться и развиваться с переходом на микросхему.
Теперь дизайнеры должны внедрять в свои макеты стратегии «проектирование для тестирования» (DFT). Нелегко вытащить компонент и добавить синюю линию. Инженеры должны проектировать свои макеты с учетом будущих доработок. Все ли эти компоненты размещены таким образом, чтобы их можно было легко снять? Это вызывает огромную озабоченность.
Это была также эпоха, когда меньшие по размеру корпуса компонентов, такие как 0402, делали ручную пайку печатных плат практически невозможной. Теперь дизайнер живет в своем программном обеспечении EDA, а производитель отвечает за физическое производство и сборку.
Компоненты для поверхностного монтажа от большего к меньшему.
Гибридная эра (2000-е и далее)
Переходим к сегодняшней эпохе электроники и проектирования печатных плат; то, что мы называем гибридной эрой. Раньше у нас было несколько устройств для разных нужд. Вам нужен калькулятор; вы покупаете калькулятор. Вы хотите играть в видеоигры; вы покупаете игровую консоль. Теперь вы можете купить смартфон и получить 30 различных уровней встроенных функций. Это может показаться довольно очевидным, но это просто поразительно, когда вы действительно видите все, на что способны наши смартфоны:
игровое оборудование адресная книга электронная почта сканер штрих-кода фонарик звонок камера навигация
расписание музыкального плеера Карта видеомагнитофона Интернет-браузер календарь кинопроигрыватель калькулятор
Телефонный блокнот, записывающее устройство, автоответчик, банковские книги для коротких сообщений
Мы живем в эпоху консолидации устройств, но что дальше? PCB созданы, и у нас есть процессы и процедуры практически для всего. Высокоскоростные приложения становятся нормой. Мы также видим, что только 25% разработчиков печатных плат моложе 45 лет, а 75% готовятся выйти на пенсию. Судя по всему, отрасль переживает кризис.
Будет ли будущее дизайна печатных плат за роботами? Может быть, в носимом устройстве с гибкой схемой? Или мы могли бы увидеть, как протоны заменяют электроны фотоникой. Что касается того, что мы знаем о физических печатных платах, это может даже измениться в будущем. Для связи между компонентами не нужна физическая среда, а скорее потенциал волновой технологии. Это позволит компонентам передавать сигналы по беспроводной сети без необходимости использования медных проводов.
Что ждет нас в будущем?
Никто на самом деле не знает, куда движется будущее дизайна 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 мы зависели от угля, древесины или нефти как источника средств к существованию и выживания. Теперь у нас есть электронные гаджеты, которые могут удовлетворить наши повседневные потребности.
Но что ждет нас в будущем? Это большая неизвестность. Мы все знаем, что каждое изобретение, существующее до нас, стоит на плечах своих предшественников. Наши предки довели дизайн печатных плат до того уровня, в котором он находится сегодня, и теперь нам необходимо внедрять инновации и революционизировать способы проектирования и взаимодействия с технологиями. Будущее может быть каким угодно. Будущее зависит от вас.
Время публикации: 17 марта 2023 г.