Rovnako ako mnoho iných veľkých vynálezov v histórii,doska plošných spojov (PCB)ako ju poznáme dnes, je založená na pokroku dosiahnutom v histórii.V našom malom kúte sveta môžeme sledovať históriu PCB späť viac ako 130 rokov, keď sa veľké svetové priemyselné stroje ešte len začínali.To, čomu sa budeme v tomto blogu venovať, nie je úplná história, ale dôležité momenty, ktoré pretvorili PCB do dnešnej podoby.
Prečo PCB?
PCB sa postupom času vyvinuli v nástroj na optimalizáciu výroby elektronických produktov.To, čo sa kedysi ľahko montovalo ručne, rýchlo ustúpilo mikroskopickým komponentom vyžadujúcim mechanickú presnosť a efektivitu.Vezmite dve dosky zobrazené na obrázku nižšie ako príklad.Jedna je stará tabuľa zo 60. rokov minulého storočia na kalkulačky.Druhou je typická základná doska s vysokou hustotou, ktorú uvidíte v dnešných počítačoch.
Porovnanie PCB medzi kalkulačkou z roku 1968 a dnešnými modernými základnými doskami.
V kalkulačke by sme mohli mať 30+ tranzistorov, ale na jedinom čipe na základnej doske nájdete viac ako milión tranzistorov.Ide o to, že rýchlosť pokroku v oblasti technológie a samotného dizajnu PCB je pôsobivá.Všetko na PCB kalkulačky sa teraz v dnešných dizajnoch zmestí do jedného čipu.To upozorňuje na niekoľko pozoruhodných trendov vo výrobe DPS:
Do pokročilých zariadení, ako sú integrované obvody (IC) a mikroprocesory, integrujeme viac funkcií.
Pasívne komponenty, ako sú odpory a kondenzátory, zmenšujeme na mikroskopickú úroveň.
To všetko vedie k zvýšenej hustote a zložitosti komponentov na našich doskách plošných spojov.
Všetky tieto pokroky sú primárne poháňané vylepšeniami v rýchlosti a funkčnosti našich produktov.Očakávame, že naše zariadenia budú reagovať okamžite, dokonca aj niekoľkosekundové oneskorenie nás môže priviesť do šialenstva.Pre funkčnosť zvážte videohry.V 80. rokoch ste pravdepodobne hrali Pac-Mana v arkáde.Teraz vidíme fotoreálne zobrazenia reality.Pokrok je jednoducho šialený.
Vizuály videohier sú v dnešnej dobe takmer živé.
Je jasné, že PCB sa vyvinuli v priamej reakcii na to, čo očakávame od našich zariadení.Potrebujeme rýchlejšie, lacnejšie a výkonnejšie produkty a jediný spôsob, ako splniť tieto požiadavky, je miniaturizácia a zlepšenie efektívnosti výrobného procesu.Kedy začal tento boom elektroniky a PCB?Na úsvite pozláteného veku.
Zlatý vek (1879 – 1900)
Americkú občiansku vojnu sme ukončili v 60. rokoch a teraz americká výroba prekvitá.Medzitým robíme, čo môžeme, od jedla po oblečenie, nábytok a koľajnice.Lodný priemysel je v ofenzíve a naši najlepší inžinieri zisťujú, ako dostať niekoho z východného pobrežia USA na západné pobrežie za 5 až 7 dní namiesto 5 až 7 mesiacov.
Železnice spôsobili, že cesta od pobrežia k pobrežiu trvala dni namiesto mesiacov.
Počas tohto obdobia sme zaviedli elektrinu aj do domácností, najskôr v mestách a potom na predmestia a vidiek.Elektrina je v súčasnosti náhradou za uhlie, drevo a ropu.Pomyslite na život v New Yorku počas tuhej zimy, kde sa snažíte variť alebo udržiavať teplo so špinavým uhlím alebo hromadami palivového dreva.Elektrina to všetko zmenila.
Zaujímavosťou je, že Standard Oil, ktorý monopolizuje trh s ropou, nedodáva ropu pre benzín.Ich trhom je olej na varenie, vyprážanie a svietenie.S príchodom elektriny potreboval Standard Oil definovať nové využitie ropy, ktoré by prišlo so zavedením automobilu.
V máji 1878 vydala Standard Oil Company akcie a začal sa ropný monopol.
Počas pozláteného veku sme videli niekoľko veľkých objavov v elektromagnetizme.Vynašli sme elektrický motor, ktorý premieňa elektrickú energiu na mechanickú energiu.Vidíme aj generátory, ktoré robia opak tým, že premieňajú mechanickú energiu na elektrickú energiu.
Bolo to tiež obdobie geniálnych vynálezcov, ktorí majú aj dnes vplyv na náš elektronický svet, vrátane:
Thomas Edison vynašiel žiarovku v roku 1879, film v roku 1889 a mnoho ďalších inovácií.
Nikola Tesla vynašiel elektrický motor v roku 1888 a zdroj striedavého prúdu v roku 1895.
Alexander Graham Bell vynašiel telefón v roku 1876.
Spoločnosť Kodak Georgea Eastmana vynašla v roku 1884 prvý spotrebiteľský fotoaparát.
Herman Hollerith vynašiel tabuľovací stroj v roku 1890 a pokračoval v založení IBM.
Počas tohto intenzívneho obdobia inovácií je jednou z najväčších diskusií diskusia medzi AC a DC.Teslov striedavý prúd sa nakoniec stal ideálnou metódou na prenos energie na veľké vzdialenosti.Zaujímavé však je, že s konverziou AC-DC sa zaoberáme aj dnes.
AC možno vyhral boj, ale DC stále dominuje elektronike.
Pozrite sa na akékoľvek elektronické zariadenie, ktoré zapojíte do steny, potrebujete previesť striedavý prúd na jednosmerný prúd.Alebo, ak sa pozriete na infraštruktúru potrebnú pre solárne panely, generujú elektrinu v jednosmernom prúde, ktorý sa musí premeniť späť na striedavý prúd ako zdroj energie a späť na jednosmerný, aby ich mohli naše zariadenia používať.Dalo by sa takmer povedať, že debata AC-DC sa nikdy neskončila, práve sa dosiahla rovnováha medzi dvoma protichodnými myšlienkami.
Medzi AC a DC v solárnom paneli je veľa tam a späť.
Všimnite si, že pôvodná myšlienka PCB nebola vynájdená v pozlátenom veku.Bez výrobných schopností tejto éry a rozšíreného vplyvu elektriny by však PCB nikdy neboli tým, čím sú dnes.
Progresívna éra (1890 – 1920)
Progresívna éra sa vyznačovala obdobím sociálnych reforiem, pričom legislatíva ako Shermanov protimonopolný zákon rozbila monopol Standard Oil.Vtedy tiež vidíme prvé patenty PCB.V roku 1903 požiadal nemecký vynálezca Albert Hanson o britský patent na zariadenie opísané ako plochý fóliový vodič na viacvrstvovej izolačnej doske.Znie to povedome?
Kresba zobrazujúca prvý patent na PCB Alberta Hansona.
Hansen vo svojom patente opisuje aj koncepciu aplikácií s priechodnými otvormi.Tu ukazuje, že môžete urobiť dieru v dvoch vrstvách so zvislými čiarami, aby ste vytvorili elektrické spojenie.
Počas tejto doby sme začali vidieť, že Edison a ďalší obchodní lídri vyvíjajú veľký tlak na zavedenie elektrických zariadení do každodenných domácností.Problémom tohto tlaku je úplná absencia štandardizácie.Ak by ste žili v New Yorku alebo New Jersey a používali Edisonove vynálezy elektriny na osvetlenie, kúrenie alebo varenie, čo by sa stalo, keby ste ich použili v inom meste?Nedajú sa použiť, pretože každé mesto má vlastnú konfiguráciu zásuvky.
Problém bol o to horší, že Edison nechcel ľuďom predať len žiarovku, ale aj službu.Edison by vám mohol poskytovať elektrickú službu na mesačnej báze;potom by ste kupovali žiarovky, spotrebiče atď. Samozrejme, žiadna z týchto služieb nie je kompatibilná s inými konkurenčnými metódami.
Chceme poďakovať Harveymu Hubbelovi za to, že konečne skoncoval s týmto neporiadkom.V roku 1915 patentoval štandardnú zástrčku do zásuvky, ktorá sa používa dodnes.Teraz nemáme hriankovač alebo varnú dosku zapojenú do objímky žiarovky.Je to obrovská výhra pre priemyselnú štandardizáciu.
Vďaka Harvey Hubbelovi máme teraz štandardizovanú nástennú zásuvku pre všetky elektronické zariadenia.
Ako posledná poznámka, progresívna éra bola poznačená prvou svetovou vojnou. Tento konflikt je zameraný výlučne na mechov a zákopovú vojnu.Koncept PCB, či dokonca základná elektronika sa vo vojenských aplikáciách zatiaľ nepoužíva, no čoskoro sa to stane.
Roaring Twenties (20. roky 20. storočia)
S koncom 1. svetovej vojny sa teraz nachádzame v hukotných dvadsiatych rokoch, ktoré zaznamenali obrovský rozmach americkej ekonomiky.Prvýkrát v histórii žije viac ľudí v mestách ako na farmách.Začíname tiež vidieť, ako sa v USA zavádzajú reťazce a značky.Môžete mať rodinný obchod alebo dva v dvoch rôznych mestách, ale teraz máme veľké značky a obchody, ktoré sú celoštátne.
Najväčším vynálezom tohto obdobia bol automobil Henryho Forda a potrebná infraštruktúra.Situácia je podobná ako v 90. rokoch, keď sme museli vybudovať veľkú infraštruktúru, aby sme sa vyrovnali s internetom a naším informačným vekom, a to budovaním prepínačov, smerovačov a optických káblov.Autá nie sú výnimkou.
Prvé auto Henryho Forda – štvorkolesové vozidlo.
Tu vidíme, ako sa kedysi dláždila poľná cesta.Ľudia potrebovali benzín na pohon svojich vozidiel, a preto potrebovali čerpacie stanice.Máte tiež opravovne, príslušenstvo a ďalšie.Celý spôsob života mnohých ľudí vznikol vynálezom automobilu a je ním dodnes.
V tomto období sme tiež videli predstavenie moderných spotrebičov, na ktoré sa spoliehame dodnes, ako sú práčky, vysávače a chladničky.Ľudia si budú môcť po prvýkrát kúpiť v obchodoch rýchlo sa kaziaci tovar a uskladniť ho na predĺženú trvanlivosť.
Ale kde sú naše PCB?Stále sme ich nevideli používať v žiadnom spotrebiči alebo automobiloch, ktoré boli uvedené na trh v tomto období.V roku 1925 však Charles Ducasse podal patent, ktorý opísal proces pridávania vodivého atramentu do izolačných materiálov.Výsledkom bude neskôr doska plošných spojov (PWB).Tento patent je prvou praktickou aplikáciou podobnou doske plošných spojov, ale len ako planárna vykurovacia špirála.Zatiaľ sme nezískali žiadne skutočné elektrické spojenie medzi doskou a komponentmi, ale už sa to blíži.
PCB pokračoval vo vývoji, tentoraz sa používal ako vykurovacia špirála pre Charlesa Ducasa.
Veľká hospodárska kríza (30. roky 20. storočia)
V roku 1929 sa akciový trh prepadol a všetky veľké inovácie našej doby sa prepadli.Tu vidíme obdobie nezamestnanosti nad 25 %, 25 000 krachov bánk a veľa problémov po celom svete.Bol to tragický čas pre ľudstvo ako celok, ktorý pripravil pôdu pre nástup Hitlera, Mussoliniho, Stalina a pre naše budúce svetové konflikty.PCB možno doteraz mlčali, ale to sa všetko zmení.
Veľká hospodárska kríza zasiahla všetkých, od bánk až po bežných robotníkov.
Druhá svetová vojna (1939 – 1945)
Prebiehala druhá svetová vojna a do boja sa zapojili aj Spojené štáty americké po bombardovaní Pearl Harboru v roku 1942. Na Pearl Harbor je zaujímavé celé zlyhanie komunikácie, ktoré viedlo k útoku.USA mali dobré dôkazy o hroziacej kríze, ale všetky metódy kontaktu s ich vojenskou základňou v Honolulu boli neúspešné a ostrov bol zaskočený.
V dôsledku tohto zlyhania si ministerstvo obrany uvedomilo, že potrebujú spoľahlivejší spôsob komunikácie.Tým sa do popredia dostala elektronika ako primárny komunikačný prostriedok nahrádzajúci Morseovu abecedu.
Bolo to tiež počas druhej svetovej vojny, kedy sme videli prvé použitie PCB v blízkosť poistkách, ktoré máme dnes.Zariadenie sa používa pre vysokorýchlostné projektily, ktoré vyžadujú presnú streľbu na veľké vzdialenosti na oblohe alebo na súši.Zapaľovač na priblíženie pôvodne vyvinuli Briti na boj proti postupu Hitlerovej armády.Neskôr bol zdieľaný so Spojenými štátmi, kde bol dizajn a výroba zdokonalená.
Jednou z prvých vojenských aplikácií, ktoré používali PCB, boli blízkosť poistiek.
Počas tohto obdobia sme tiež mali Paula Eislera, Rakúšana žijúceho v Spojenom kráľovstve, patentovať medenú fóliu na nevodivom sklenenom substráte.Znie to povedome?Toto je koncept, ktorý dodnes používame na výrobu dosiek plošných spojov s izoláciou a meďou na vrchnej/spodnej strane.Eisler posunul túto myšlienku o krok ďalej, keď v roku 1943 zostrojil rádio zo svojej PCB, čo by pripravilo cestu pre budúce vojenské aplikácie.
Paul Eisler postavil rádio z prvej dosky plošných spojov (PCB).
Baby boomers (40. roky 20. storočia)
Keď sa druhá svetová vojna chýlila ku koncu, videli sme, ako sa naši vojaci vracajú domov, zakladajú si rodiny a majú veľa detí.Poraďte baby boomers.Bolo to v povojnovom období, kedy sme videli masívne vylepšenia existujúcich spotrebičov, ako sú vysávače, práčky, televízory a rádiá.Teraz, keď je veľká recesia za nami, mnohí spotrebitelia si konečne môžu dovoliť tieto zariadenia vo svojich domácnostiach.
Stále sme nevideli PCB spotrebiteľskej kvality.Kde sú diela Paula Eislera?Pozrite sa na tento starý televízor nižšie a uvidíte všetky komponenty, ale bez základnej dosky plošných spojov.
Starý televízor Motorola z roku 1948, bez PCB.
Napriek nedostatku PCB sme sa dočkali príchodu tranzistora v Bellových laboratóriách v roku 1947. Trvalo ďalších šesť rokov v roku 1953, kým bolo zariadenie konečne použité vo výrobe, ale prečo tak dlho?V tých časoch sa informácie šírili prostredníctvom časopisov, konferencií atď. Pred informačným vekom si šírenie informácií vyžadovalo čas.
Prvý tranzistor sa zrodil v Bellových laboratóriách v roku 1947.
Obdobie studenej vojny (1947 – 1991)
Nástup éry studenej vojny znamenal značné obdobie napätia medzi USA a Sovietskym zväzom.Kvôli rozdielom medzi kapitalizmom a komunizmom sú títo dvaja giganti takmer vo vzájomnej vojne a vystavili svet hrozbe jadrového zničenia.
Aby si obe strany udržali náskok v týchto pretekoch v zbrojení, musia zlepšiť svoju schopnosť komunikovať, aby pochopili, čo robí nepriateľ.Tu vidíme, že PCB sa využíva naplno.V roku 1956 zverejnila americká armáda patent na „proces montáže obvodov“.Výrobcovia teraz majú spôsob, ako držať elektroniku a vytvárať spojenia medzi komponentmi s medenými stopami.
Keď sa PCB začali rozmáhať vo výrobnom svete, ocitli sme sa v prvých vesmírnych pretekoch na svete.Rusko v tomto období dosiahlo niekoľko úžasných úspechov, vrátane:
1957 Vypustenie prvej umelej družice Sputnik
1959 Vypustenie Luna 2, prvej kozmickej lode na Mesiac
V roku 1961 bol Jurij Gagarin, prvý kozmonaut, vyslaný na obežnú dráhu Zeme
Prvá umelá družica Ruska Sputnik bola vypustená v roku 1957.
Kde je v tom všetkom Amerika?Hlavne zaostávanie, vývoj rovnakej technológie zvyčajne trvá rok alebo dva.Pri riešení tejto medzery vidíme, že americký vesmírny rozpočet vzrástol v roku 1960 päťnásobne. Máme tiež slávny prejav prezidenta Kennedyho z roku 1962, z ktorého časť stojí za citáciu:
„Rozhodli sme sa ísť na Mesiac!Rozhodli sme sa ísť na Mesiac, aby sme v tomto desaťročí robili iné veci, nie preto, že sú ľahké, ale preto, že sú ťažké;pretože tento cieľ pomôže zorganizovať a zmerať naše najlepšie energie a zručnosti, pretože to sú výzvy, ktoré sme ochotní prijať, čo nie sme ochotní odložiť a čo sme ochotní vyhrať.“– John F. Kennedy, prezident Spojených štátov amerických, 12. septembra 1962
To všetko viedlo k prelomovému momentu v histórii.20. júla 1969 prvý Američan pristál na Mesiaci.
Prvý človek na Mesiaci, historický okamih pre ľudstvo.
Vráťme sa k PCB, v roku 1963 sme dali Hazeltyne Corporation patentovať prvú technológiu pokovovaných priechodných otvorov.To umožní, aby súčiastky boli na doske plošných spojov zabalené blízko seba bez obáv z krížových spojení.Videli sme tiež predstavenie technológie Surface Mount Technology (SMT), ktorú vyvinula spoločnosť IBM.Tieto husté zostavy boli prvýkrát v praxi videné v raketovom posilňovači Saturn.
1967 Prvý patent technológie PCB s priechodnými otvormi.
Dawn of the Microprocessor (70. roky 20. storočia)
70. roky nám priniesli prvý mikroprocesor vo forme integrovaného obvodu (IC).Toto bolo pôvodne vyvinuté Jackom Kilbym z Texas Instruments v roku 1958. Kilby bol pre TI nováčikom, takže jeho inovatívne nápady pre integrované obvody boli do značnej miery držané pod pokrievkou.Keď však boli vedúci inžinieri TI poslaní na týždňové stretnutie, Kilby zostal pozadu a bežal s nápadmi v hlave.Tu vyvinul prvý integrovaný obvod v laboratóriách TI a vracajúci sa inžinieri ho milovali.
Jack Kilby drží prvý integrovaný obvod.
V sedemdesiatych rokoch sme videli prvé použitie integrovaných obvodov vo výrobe elektroniky.V tomto bode, ak nepoužívate PCB pre vaše pripojenia, máte veľké problémy.
Úsvit digitálneho veku (80. roky)
Digitálny vek priniesol obrovskú zmenu v médiách, ktoré konzumujeme, so zavedením osobných zariadení, ako sú disky, VHS, fotoaparáty, herné konzoly, walkmany a ďalšie.
V roku 1980 videoherná konzola Atari splnila detské sny.
Je dôležité poznamenať, že PCB sa stále kreslili ručne pomocou svetelných dosiek a šablón, ale potom prišli počítače a EDA.Tu vidíme, že softvér EDA ako Protel a EAGLE prináša revolúciu do spôsobu, akým navrhujeme a vyrábame elektroniku.Namiesto fotografie PCB môžeme teraz návrh uložiť ako Gerberov textový súbor, ktorého súradnice možno zadať do výrobného stroja na výrobu PCB.
Vek internetu (90. roky)
V 90. rokoch sme videli, ako sa používanie kremíka naplno rozbehlo so zavedením BGA.Teraz môžeme umiestniť viac brán na jeden čip a začať vkladať pamäť a systémy na čipe (SoC) spolu.Bolo to tiež obdobie vysokej miniaturizácie elektroniky.Nevideli sme žiadne nové funkcie pridané do PCB, ale celý proces návrhu sa začal meniť a vyvíjať, až sa presunul na IC.
Dizajnéri teraz musia implementovať stratégie návrhu na test (DFT) do svojich rozložení.Nie je ľahké vytiahnuť komponent a pridať modrú čiaru.Inžinieri musia navrhnúť svoje rozloženie s ohľadom na budúce prepracovanie.Sú všetky tieto komponenty umiestnené tak, aby sa dali ľahko vybrať?To je veľká obava.
Bola to tiež éra, keď menšie súčiastky ako 0402 takmer znemožňovali ručné spájkovanie dosiek plošných spojov.Dizajnér teraz žije vo svojom EDA softvéri a výrobca je zodpovedný za fyzickú výrobu a montáž.
Komponenty pre povrchovú montáž od najväčších po najmenšie.
Hybridná éra (2000 a neskôr)
Strih na dnešnú éru elektroniky a dizajnu PCB;čo nazývame hybridná éra.V minulosti sme mali viacero zariadení pre rôzne potreby.Potrebujete kalkulačku;kúpiš si kalkulačku.Chcete hrať videohry;kúpite si videohernú konzolu.Teraz si môžete kúpiť smartfón a získať 30 rôznych úrovní vstavaných funkcií.Môže sa to zdať celkom samozrejmé, ale je to dosť ohromujúce, keď skutočne vidíte, čo všetko naše smartfóny dokážu:
herné vybavenie adresár e-mail snímač čiarových kódov baterka zvonček navigácia fotoaparátu
hudobný prehrávač rozvrh VCR mapa Internetový prehliadač kalendár prehrávač filmov kalkulačka
Telefónny zápisník záznamník lístkov záznamník krátkych správ bankové knihy
Sme vo veku konsolidácie zariadení, ale čo ďalej?PCB sú zavedené a takmer na všetko máme procesy a postupy.Vysokorýchlostné aplikácie sa stávajú štandardom.Vidíme tiež, že iba 25 % dizajnérov PCB má menej ako 45 rokov, zatiaľ čo 75 % sa pripravuje na dôchodok.Zdá sa, že toto odvetvie sa nachádza v čase krízy.
Budú budúcnosťou dizajnu PCB roboty?Možno v nositeľnom s flex obvodom?Alebo by sme mohli vidieť, že protóny nahradia elektróny fotonikou.Pokiaľ ide o to, čo vieme o fyzických PCB, môže sa to v budúcnosti dokonca zmeniť.Na umožnenie spojenia medzi komponentmi nie je potrebné fyzické médium, ale skôr potenciál vlnovej technológie.To by umožnilo komponentom odosielať signály bezdrôtovo bez potreby medi.
Čo prinesie budúcnosť?
Nikto vlastne nevie, kam smeruje budúcnosť dizajnu PCB, či dokonca elektroniky všeobecne.Je to už takmer 130 rokov, čo naše výrobné svaly začali fungovať.Odvtedy sa svet navždy zmenil uvedením veľkých produktov, ako sú autá, spotrebiče, počítače, smartfóny a ďalšie.Časy, keď sme boli závislí od uhlia, dreva alebo ropy, sú všetky naše základné živobytie a prežitie.Teraz máme elektronické prístroje, ktoré dokážu splniť naše každodenné potreby.
Čo však prinesie budúcnosť?Toto je veľká neznáma.Všetci vieme, že každý vynález pred nami stojí na pleciach svojich predchodcov.Naši predkovia priniesli dizajn PCB tam, kde je dnes, a teraz musíme inovovať a zmeniť spôsob, akým navrhujeme a komunikujeme s technológiou.Budúcnosť môže byť čokoľvek.Budúcnosť závisí od vás.
Čas odoslania: 17. marca 2023