Tako kot mnogi drugi veliki izumi v zgodovini je tuditiskano vezje (PCB)kot ga poznamo danes, temelji na napredku skozi zgodovino.V našem majhnem kotičku sveta lahko izsledimo zgodovino PCB-jev več kot 130 let nazaj, ko so se veliki svetovni industrijski stroji šele začeli.V tem blogu ne bomo obravnavali celotne zgodovine, temveč pomembne trenutke, ki so PCB spremenili v to, kar je danes.
Zakaj PCB?
Sčasoma so se PCB-ji razvili v orodje za optimizacijo proizvodnje elektronskih izdelkov.Kar je bilo nekoč preprosto ročno sestaviti, se je hitro umaknilo mikroskopskim komponentam, ki zahtevajo mehansko natančnost in učinkovitost.Za primer vzemite dve plošči, prikazani na spodnji sliki.Ena je stara plošča iz šestdesetih let prejšnjega stoletja za kalkulatorje.Druga je tipična matična plošča visoke gostote, ki jo boste videli v današnjih računalnikih.
Primerjava PCB med kalkulatorjem iz leta 1968 in današnjimi sodobnimi matičnimi ploščami.
V kalkulatorju imamo morda več kot 30 tranzistorjev, toda na enem samem čipu na matični plošči boste našli več kot milijon tranzistorjev.Bistvo je, da je stopnja napredka tehnologije in same zasnove PCB impresivna.Vse na tiskanem vezju kalkulatorja se lahko zdaj prilega enemu čipu v današnjih oblikah.To opozarja na več pomembnih trendov v proizvodnji PCB:
Integriramo več funkcionalnosti v napredne naprave, kot so integrirana vezja (IC) in mikroprocesorji.
Pasivne komponente, kot so upori in kondenzatorji, krčimo na mikroskopsko raven.
Vse to vodi do povečane gostote komponent in kompleksnosti na naših tiskanih vezjih.
Vse te napredke poganjajo predvsem izboljšave v hitrosti in funkcionalnosti naših izdelkov.Pričakujemo, da se naše naprave odzovejo takoj, že nekaj sekund zamude nas lahko spravi v blaznost.Za funkcionalnost razmislite o video igrah.V osemdesetih ste verjetno igrali Pac-Mana v igralnici.Zdaj vidimo fotorealistične prikaze realnosti.Napredek je naravnost nor.
Vizualni elementi video iger so dandanes skoraj realistični.
Jasno je, da so se PCB-ji razvili kot neposreden odgovor na to, kar pričakujemo od naših naprav.Potrebujemo hitrejše, cenejše in zmogljivejše izdelke in edini način za izpolnitev teh zahtev je miniaturizacija in izboljšanje učinkovitosti proizvodnega procesa.Kdaj se je začel ta razcvet elektronike in PCB-jev?Ob zori pozlačene dobe.
Pozlačena doba (1879 – 1900)
Končali smo ameriško državljansko vojno v 60. letih, zdaj pa ameriška proizvodnja cveti.Medtem delamo, kar lahko, od hrane do oblačil, pohištva in tirnic.Ladjarska industrija je v ofenzivi in naši največji inženirji ugotavljajo, kako nekoga prepeljati z vzhodne obale ZDA na zahodno obalo v 5 do 7 dneh namesto v 5 do 7 mesecih.
Zaradi železnic je potovanje od obale do obale trajalo dneve namesto mesecev.
V tem času smo elektriko pripeljali tudi v dom, najprej v mestih, nato pa v predmestjih in na podeželju.Elektrika je danes nadomestek za premog, les in nafto.Pomislite na življenje v New Yorku med ostro zimo, kjer poskušate kuhati ali se greti z umazanim premogom ali kupi drv.Elektrika je vse to spremenila.
Zanimiva točka je, da Standard Oil, ki ima monopol na naftnem trgu, ne dobavlja nafte za bencin.Njihov trg je olje za kuhanje, cvrtje in razsvetljavo.S prihodom elektrike je moral Standard Oil opredeliti novo uporabo nafte, ki bo prišla z uvedbo avtomobila.
Maja 1878 je Standard Oil Company izdala delnice in začel se je naftni monopol.
V pozlačeni dobi smo videli nekaj velikih odkritij na področju elektromagnetizma.Izumili smo elektromotor, ki pretvarja električno energijo v mehansko.Vidimo tudi generatorje, ki delajo ravno nasprotno s pretvorbo mehanske energije v električno.
To je bil tudi čas genialnih izumiteljev, ki še danes vplivajo na naš elektronski svet, vključno z:
Thomas Edison je leta 1879 izumil žarnico, leta 1889 film in številne druge inovacije.
Nikola Tesla je leta 1888 izumil električni motor in leta 1895 vir izmeničnega toka.
Alexander Graham Bell je leta 1876 izumil telefon.
Podjetje Kodak Georgea Eastmana je leta 1884 izumilo prvi potrošniški fotoaparat.
Herman Hollerith je leta 1890 izumil tabelarni stroj in nato ustanovil IBM.
V tem intenzivnem obdobju inovacij je ena največjih razprav tista med AC in DC.Teslin izmenični tok je sčasoma postal idealna metoda za prenos moči na velike razdalje.Zanimivo pa je, da se še danes ukvarjamo s pretvorbo AC-DC.
AC je morda zmagal v bitki, vendar DC še vedno prevladuje v elektroniki.
Poglejte katero koli elektronsko napravo, ki jo priključite na steno, morate pretvoriti AC v DC.Ali pa, če pogledate infrastrukturo, potrebno za sončne kolektorje, ti proizvajajo elektriko v enosmernem toku, ki ga je treba pretvoriti nazaj v izmenični tok kot vir energije in nazaj v enosmerni tok, da ga naše naprave lahko uporabljajo.Skoraj bi lahko rekli, da razprava AC-DC ni bila nikoli končana, pravkar je bilo vzpostavljeno ravnovesje med dvema nasprotujočima si idejama.
Med izmeničnim in enosmernim tokom v sončnem kolektorju je veliko naprej in nazaj.
Upoštevajte, da prvotna ideja PCB ni bila izumljena v pozlačeni dobi.Vendar brez proizvodnih zmogljivosti te dobe in širokega vpliva elektrike PCB nikoli ne bi bili to, kar so danes.
Progresivno obdobje (1890 – 1920)
Progresivno dobo je zaznamovalo obdobje družbenih reform z zakonodajo, kot je Shermanov protimonopolni zakon, ki je razbila monopol družbe Standard Oil.Takrat vidimo tudi prve patente PCB.Leta 1903 je nemški izumitelj Albert Hanson zaprosil za britanski patent za napravo, opisano kot ploski folijski prevodnik na večplastni izolacijski plošči.Zveni znano?
Risba, ki prikazuje prvi patent tiskanega vezja Alberta Hansona.
Hansen v svojem patentu opisuje tudi koncept uporabe skozi luknje.Tukaj pokaže, da lahko z navpičnimi črtami izvrtate luknjo v dveh plasteh, da ustvarite električno povezavo.
V tem času smo začeli opažati, da si Edison in drugi poslovni voditelji močno prizadevajo za uvedbo električnih naprav v vsakodnevne domove.Težava tega pritiska je popolno pomanjkanje standardizacije.Če bi živeli v New Yorku ali New Jerseyju in bi uporabljali Edisonove izume električne energije za razsvetljavo, ogrevanje ali kuhanje, kaj bi se zgodilo, če bi jih uporabili v drugem mestu?Ni jih mogoče uporabiti, ker ima vsako mesto svojo konfiguracijo vtičnic.
Težavo je še poslabšalo dejstvo, da Edison ljudem ni želel prodati le žarnice, ampak je želel prodati tudi storitev.Edison bi vam lahko zagotovil mesečno oskrbo z električno energijo;potem bi kupili žarnice, aparate itd. Seveda nobena od teh storitev ni združljiva z drugimi konkurenčnimi metodami.
Želimo se zahvaliti Harveyju Hubblu, da je končno naredil konec tej zmešnjavi.Leta 1915 je patentiral standardno stensko vtičnico, ki se uporablja še danes.Zdaj nimamo opekača kruha ali grelne plošče priključene na vtičnico žarnice.To je velika zmaga za industrijsko standardizacijo.
Zahvaljujoč Harvey Hubblu imamo zdaj standardizirano stensko vtičnico za vse elektronske naprave.
Kot zadnja opomba, progresivno dobo je zaznamovala prva svetovna vojna. Ta konflikt je izključno osredotočen na mehe in bojevanje v jarkih.Koncept PCB ali celo osnovna elektronika se še ne uporablja v vojaških aplikacijah, vendar se bo kmalu.
Roaring Twenties (1920)
Po koncu prve svetovne vojne smo zdaj v burnih dvajsetih letih, ko je ameriško gospodarstvo doživelo velik razcvet.Prvič v zgodovini več ljudi živi v mestih kot na kmetijah.Prav tako začenjamo opažati uvedbo verig in blagovnih znamk po ZDA.Morda imate družinsko trgovino ali dve v dveh različnih mestih, zdaj pa imamo velike blagovne znamke in trgovine, ki so nacionalne.
Največji izum tega obdobja je bil avtomobil Henryja Forda in infrastruktura, ki jo je potreboval.Situacija je podobna kot v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ko smo morali zgraditi veliko infrastrukturo za spopadanje z internetom in našo informacijsko dobo z gradnjo stikal, usmerjevalnikov in kablov iz optičnih vlaken.Avtomobili niso izjema.
Prvi avto Henryja Forda – štirikolesnik.
Tukaj vidimo, kako se asfaltira nekoč makadamska cesta.Ljudje so potrebovali bencin za pogon svojih vozil, zato so potrebovali bencinske črpalke.Na voljo imate tudi servisne delavnice, dodatke in drugo.Celoten način življenja mnogih ljudi izvira iz izuma avtomobila in tako je še danes.
V tem času smo bili tudi priča uvajanju sodobnih aparatov, na katere se še danes zanašamo, kot so pralni stroji, sesalniki in hladilniki.Ljudje bodo lahko prvič v trgovinah kupovali pokvarljivo blago in ga hranili za daljši rok trajanja.
Toda kje so naši PCB-ji?Še vedno jih nismo videli uporabljati v nobeni napravi ali avtomobilu, ki je bil predstavljen v tem času.Vendar je leta 1925 Charles Ducasse vložil patent, ki je opisoval postopek dodajanja prevodnega črnila izolacijskim materialom.To bo kasneje povzročilo tiskano ožičenje (PWB).Ta patent je prva praktična uporaba, podobna tiskanemu vezju, vendar le kot planarna grelna tuljava.Nismo še dobili nobenih dejanskih električnih povezav med ploščo in komponentami, vendar se približujemo.
PCB se je še naprej razvijal, tokrat pa je bil uporabljen kot grelna tuljava za Charlesa Ducasa.
Velika depresija (1930)
Leta 1929 je borza strmoglavila in vse velike inovacije našega časa so padle.Tukaj vidimo obdobje brezposelnosti nad 25%, 25.000 propadov bank in veliko težav po vsem svetu.To je bil tragičen čas za človeštvo kot celoto, ki je tlakoval pot vzponu Hitlerja, Mussolinija, Stalina in našim prihodnjim svetovnim konfliktom.PCB-ji so morda do zdaj molčali, a to se bo kmalu spremenilo.
Velika depresija je prizadela vse, od bank do navadnih delavcev.
Druga svetovna vojna (1939 – 1945)
Druga svetovna vojna je bila v teku in Združene države so se pridružile boju po bombardiranju Pearl Harborja leta 1942. Kar je zanimivo pri Pearl Harborju, je popolna komunikacijska napaka, ki je privedla do napada.ZDA so imele dobre dokaze o neizbežni krizi, vendar so bile vse metode stika z njihovo vojaško bazo v Honoluluju neuspešne in otok je bil ujet nepripravljen.
Zaradi tega neuspeha je ministrstvo za obrambo ugotovilo, da potrebuje bolj zanesljivo komunikacijsko sredstvo.To je pripeljalo elektroniko v ospredje kot primarno komunikacijsko sredstvo, ki je nadomestilo Morsejevo kodo.
Tudi med drugo svetovno vojno smo videli prvo uporabo PCB-jev v sosednjih varovalkah, ki jih imamo danes.Naprava se uporablja za visokohitrostne izstrelke, ki zahtevajo natančen ogenj na velike razdalje na nebu ali na kopnem.Bližinsko vžigalko so prvotno razvili Britanci za boj proti napredovanju Hitlerjeve vojske.Kasneje so ga delili z Združenimi državami, kjer so načrtovanje in izdelavo izpopolnili.
Ena prvih vojaških aplikacij za uporabo PCB-jev so bile bližinske varovalke.
V tem času smo imeli tudi Paula Eislerja, Avstrijca, živečega v Veliki Britaniji, ki je patentiral bakreno folijo na neprevodni stekleni podlagi.Zveni znano?To je koncept, ki ga še danes uporabljamo za izdelavo PCB-jev z izolacijo in bakrom na vrhu/spodaj.Eisler je naredil to idejo še korak dlje, ko je leta 1943 iz svojega tiskanega vezja izdelal radio, ki je utrl pot prihodnjim vojaškim aplikacijam.
Paul Eisler je zgradil radio iz prvega tiskanega vezja (PCB).
Baby boomers (1940)
Ko se je druga svetovna vojna bližala koncu, smo videli, kako so naši vojaki prišli domov, si ustvarili družine in imeli cel kup otrok.Poslušajte baby boome.V povojnem obdobju smo bili priča ogromnim izboljšavam obstoječih naprav, kot so sesalniki, pralni stroji, televizorji in radii.Zdaj, ko je velika recesija za nami, si lahko številni potrošniki končno privoščijo te naprave v svojih domovih.
Še vedno nismo videli potrošniških PCB-jev.Kje so dela Paula Eislerja?Spodaj si oglejte ta stari televizor in videli boste vse komponente, vendar brez temeljnega PCB-ja.
Star Motorola TV iz leta 1948, brez tiskanega vezja.
Kljub pomanjkanju PCB smo videli prihod tranzistorja v Bell Labs leta 1947. Trajalo je še šest let leta 1953, preden je bila naprava končno uporabljena v proizvodnji, toda zakaj tako dolgo?V tistih časih so se informacije širile prek revij, konferenc itd. Pred informacijsko dobo je širjenje informacij le potrebovalo čas, da se je razširilo.
Prvi tranzistor je bil rojen v Bell Laboratories leta 1947.
Obdobje hladne vojne (1947 – 1991)
Začetek obdobja hladne vojne je zaznamoval precejšnje obdobje napetosti med ZDA in Sovjetsko zvezo.Zaradi razlik med kapitalizmom in komunizmom sta ta dva velikana med seboj skoraj v vojni in svetu grozi jedrsko uničenje.
Da bi ostali v prednosti v tej oboroževalni tekmi, morata obe strani izboljšati svojo sposobnost komuniciranja, da bi razumeli, kaj sovražnik počne.Tukaj vidimo, da se PCB uporablja v celoti.Leta 1956 je ameriška vojska objavila patent za "postopek sestavljanja vezja".Proizvajalci imajo zdaj način za držanje elektronike in povezovanje komponent z bakrenimi sledmi.
Ko so se PCB-ji začeli uveljavljati v svetu proizvodnje, smo se znašli v prvi vesoljski tekmi na svetu.Rusija je v tem času dosegla nekaj neverjetnih dosežkov, vključno z:
1957 Izstrelitev prvega umetnega satelita Sputnik
1959 Izstrelitev Lune 2, prvega vesoljskega plovila na Luno
Leta 1961 je bil Jurij Gagarin, prvi kozmonavt, poslan v Zemljino orbito
Prvi ruski umetni satelit Sputnik je bil izstreljen leta 1957.
Kje je Amerika v vsem tem?V glavnem zaostaja, običajno traja leto ali dve, da se razvije ista tehnologija.Če obravnavamo to vrzel, vidimo, da se je vesoljski proračun ZDA leta 1960 petkrat povečal. Imamo tudi slavni govor predsednika Kennedyja iz leta 1962, katerega del je vreden citiranja:
»Odločili smo se, da gremo na luno!Odločili smo se, da gremo na Luno, da bi v tem desetletju počeli druge stvari, ne zato, ker so lahke, ampak zato, ker so težke;ker bo ta cilj pomagal organizirati in izmeriti našo najboljšo energijo in spretnosti, zaradi tega so izzivi tisto, česar smo se pripravljeni lotiti, česar ne želimo odložiti in kar smo pripravljeni zmagati.«– John F. Kennedy, predsednik Združenih držav, 12. september 1962
Vse to je vodilo do prelomnega trenutka v zgodovini.20. julija 1969 je prvi ameriški človek pristal na Luni.
Prvi človek na Luni, zgodovinski trenutek za človeštvo.
Če se vrnemo k PCB-jem, leta 1963 je podjetje Hazeltyne Corporation patentiralo prvo tehnologijo prevlečenih skoznjih lukenj.To bo omogočilo, da so komponente tesno skupaj na tiskanem vezju brez skrbi za navzkrižne povezave.Videli smo tudi uvedbo tehnologije površinske montaže (SMT), ki jo je razvil IBM.Te goste sklope smo prvič videli v praksi v raketnem pospeševalniku Saturn.
1967 Prvi patent za tehnologijo PCB s skoznjo luknjo.
Zora mikroprocesorja (1970)
70. leta so nam prinesla prvi mikroprocesor v obliki integriranega vezja (IC).To je prvotno razvil Jack Kilby iz Texas Instruments leta 1958. Kilby je bil nov v TI, zato so bile njegove inovativne ideje za IC-je večinoma prikrite.Vendar, ko so bili višji inženirji TI poslani na enotedenski sestanek, je Kilby ostal in tekel z idejami v svoji glavi.Tu je razvil prvi IC v laboratorijih TI in inženirjem, ki so se vračali, je bil všeč.
Jack Kilby ima prvo integrirano vezje.
V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja smo bili priča prvi uporabi IC v proizvodnji elektronike.Če na tej točki ne uporabljate tiskanega vezja za svoje povezave, ste v velikih težavah.
Zora digitalne dobe (1980)
Digitalna doba je prinesla velike spremembe v medijih, ki jih uporabljamo, z uvedbo osebnih naprav, kot so diski, VHS, kamere, igralne konzole, walkmani in drugo.
Leta 1980 je igralna konzola Atari uresničila otroške sanje.
Pomembno je omeniti, da so PCB še vedno risali ročno z uporabo svetlobnih plošč in šablon, potem pa so se pojavili računalniki in EDA.Tukaj vidimo, da programska oprema EDA, kot sta Protel in EAGLE, revolucionira način načrtovanja in izdelave elektronike.Namesto fotografije tiskanega vezja lahko zdaj shranimo dizajn kot besedilno datoteko Gerber, katere koordinate lahko vnesemo v stroje za izdelavo tiskanega vezja.
Internetna doba (1990)
V 90-ih letih smo videli, da je uporaba silicija v polnem zamahu z uvedbo BGA.Zdaj lahko namestimo več vrat na en sam čip in začnemo vgrajevati pomnilnik in sisteme na čipu (SoC).To je bilo tudi obdobje visoke miniaturizacije elektronike.Nismo videli nobenih novih funkcij, dodanih tiskanemu vezju, vendar se je celoten proces oblikovanja začel spreminjati in razvijati ter se premakniti na IC.
Oblikovalci morajo zdaj v svoje postavitve implementirati strategije načrtovanja za preizkus (DFT).Ni enostavno odpreti komponente in dodati modro črto.Inženirji morajo oblikovati svoje postavitve z mislijo na prihodnje predelave.Ali so vse te komponente nameščene tako, da jih je mogoče enostavno odstraniti?To je velika skrb.
To je bilo tudi obdobje, ko so manjši paketi komponent, kot je 0402, naredili ročno spajkanje tiskanih vezij skoraj nemogoče.Oblikovalec zdaj živi v svoji programski opremi EDA, proizvajalec pa je odgovoren za fizično proizvodnjo in montažo.
Komponente za površinsko montažo od največjih do najmanjših.
Hibridna doba (2000 in naprej)
Poseg v današnjo dobo elektronike in tiskanih vezij;čemur pravimo hibridna doba.V preteklosti smo imeli več naprav za različne potrebe.Potrebujete kalkulator;kupiš kalkulator.Želite igrati video igre;kupite igralno konzolo.Zdaj lahko kupite pametni telefon in dobite 30 različnih stopenj vgrajenih funkcij.To se morda zdi precej očitno, vendar je precej osupljivo, ko dejansko vidite, kaj vse zmorejo naši pametni telefoni:
igralna oprema adresar e-pošta skener črtne kode svetilka zvonec kamera navigacija
predvajalnik glasbe urnik videorekorder zemljevid internetni brskalnik koledar predvajalnik filmov kalkulator
Telefonski zvezek, vstopnice, snemalnik, telefonski odzivnik, bančne knjige za kratka sporočila
Smo v dobi konsolidacije naprav, a kaj je naslednje?PCB-ji so uveljavljeni in imamo procese in postopke za skoraj vse.Visokohitrostne aplikacije postajajo norma.Vidimo tudi, da je le 25 % oblikovalcev tiskanih vezij mlajših od 45 let, medtem ko se jih 75 % pripravlja na upokojitev.Zdi se, da je industrija v času krize.
Bodo prihodnost oblikovanja tiskanih vezij roboti?Mogoče v nosljivem z vezjem flex?Lahko pa vidimo, da protoni nadomeščajo elektrone s fotoniko.Kar vemo o fizičnih PCB-jih, se bo to v prihodnosti morda celo spremenilo.Ni potrebe po fizičnem mediju, ki bi omogočal povezavo med komponentami, temveč potencial valovne tehnologije.To bi komponentam omogočilo brezžično pošiljanje signalov brez potrebe po bakru.
Kaj bo prinesla prihodnost?
Nihče zares ne ve, kam pelje prihodnost oblikovanja tiskanih vezij ali celo elektronike na splošno.Minilo je skoraj 130 let, odkar so naše proizvodne mišice začele delovati.Od takrat se je svet za vedno spremenil z uvedbo velikih izdelkov, kot so avtomobili, naprave, računalniki, pametni telefoni in drugo.Minili so časi, ko smo bili za vsa osnovna sredstva za preživetje in preživetje odvisni od premoga, lesa ali nafte.Zdaj imamo elektronske pripomočke, ki lahko zadovoljijo naše dnevne potrebe.
Toda kaj prinaša prihodnost?To je velika neznanka.Vsi vemo, da vsak izum pred nami stoji na plečih svojih predhodnikov.Naši predniki so oblikovanje tiskanih vezij pripeljali tja, kjer je danes, zdaj pa moramo inovirati in spremeniti način oblikovanja in interakcije s tehnologijo.Prihodnost je lahko karkoli.Prihodnost je odvisna od vas.
Čas objave: 17. marec 2023