Liksom många andra stora uppfinningar genom historien, denkretskort (PCB)som vi känner det idag bygger på framsteg som gjorts genom historien.I vårt lilla hörn av världen kan vi spåra PCB:s historia mer än 130 år tillbaka i tiden, när världens stora industrimaskiner precis började.Det vi kommer att ta upp i den här bloggen är inte hela historien, utan de viktiga ögonblicken som förvandlade PCB till vad det är idag.
Varför PCB?
Med tiden har PCB utvecklats till ett verktyg för att optimera tillverkningen av elektroniska produkter.Det som en gång var lätt att montera för hand gav snabbt vika för mikroskopiska komponenter som krävde mekanisk precision och effektivitet.Ta de två brädorna som visas i figuren nedan som exempel.Den ena är en gammal tavla från 1960-talet för miniräknare.Det andra är det typiska moderkortet med hög densitet som du ser i dagens datorer.
En PCB-jämförelse mellan en miniräknare från 1968 och dagens moderna moderkort.
I en kalkylator kanske vi har 30+ transistorer, men på ett enda chip på ett moderkort hittar du över en miljon transistorer.Poängen är att framstegshastigheten inom teknik och PCB-design i sig är imponerande.Allt på ett miniräknarekort kan nu passa in i ett enda chip i dagens konstruktioner.Detta uppmärksammar flera anmärkningsvärda trender inom PCB-tillverkning:
Vi integrerar mer funktionalitet i avancerade enheter som integrerade kretsar (IC) och mikroprocessorer.
Vi krymper passiva komponenter som motstånd och kondensatorer ner till mikroskopisk nivå.
Allt detta leder till ökad komponentdensitet och komplexitet på våra kretskort.
Alla dessa framsteg drivs främst av förbättringar av våra produkters hastighet och funktionalitet.Vi förväntar oss att våra enheter svarar omedelbart, till och med några sekunders fördröjning kan göra oss galna.För funktionalitet, överväg videospel.På 80-talet spelade du förmodligen Pac-Man på ett arkadspel.Nu ser vi fotorealistiska representationer av verkligheten.Framstegen är bara galen.
Videospelsbilder är nästan verklighetstrogna nuförtiden.
Det är tydligt att PCB har utvecklats som ett direkt svar på vad vi förväntar oss av våra enheter.Vi behöver snabbare, billigare, mer kraftfulla produkter, och det enda sättet att möta dessa krav är att miniatyrisera och förbättra effektiviteten i tillverkningsprocessen.När började denna boom inom elektronik och PCB?I början av den förgyllda tidsåldern.
Gilded Age (1879 – 1900)
Vi avslutade det amerikanska inbördeskriget på 60-talet, och nu blomstrar amerikansk tillverkning.Under tiden gör vi vad vi kan, från mat till kläder, möbler och skenor.Sjöfartsindustrin är på offensiven, och våra bästa ingenjörer funderar på hur man kan få någon från USA:s östkust till västkusten på 5 till 7 dagar istället för 5 till 7 månader.
Järnvägar gjorde att resa från kust till kust tog dagar istället för månader.
Under den här tiden tog vi också in elektricitet i hemmet, först i städerna och sedan i förorterna och på landsbygden.El är nu ett substitut för kol, ved och olja.Tänk på att bo i New York under den hårda vintern, försöka laga mat eller hålla värmen med smutsiga kol eller vedhögar.Elektriciteten förändrade allt detta.
En intressant poäng är att Standard Oil, som monopoliserar oljemarknaden, inte levererar olja för bensin.Deras marknad är olja för matlagning, stekning och belysning.Med tillkomsten av elektricitet behövde Standard Oil definiera en ny användning för olja, vilket skulle komma med introduktionen av bilen.
I maj 1878 utfärdade Standard Oil Company aktier och oljemonopolet började.
Under den förgyllda tidsåldern såg vi några stora upptäckter inom elektromagnetism.Vi uppfann elmotorn, som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi.Vi ser också generatorer, som gör tvärtom genom att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi.
Det var också en tid för geniala uppfinnare som fortfarande har en inverkan på vår elektroniska värld idag, inklusive:
Thomas Edison uppfann glödlampan 1879, filmen 1889 och många andra innovationer.
Nikola Tesla uppfann elmotorn 1888 och växelströmskällan 1895.
Alexander Graham Bell uppfann telefonen 1876.
George Eastmans Kodak uppfann den första konsumentkameran 1884.
Herman Hollerith uppfann tabuleringsmaskinen 1890 och fortsatte med att grunda IBM.
Under denna intensiva period av innovation är en av de största debatterna den mellan AC och DC.Teslas växelström blev så småningom den idealiska metoden för att överföra kraft över långa avstånd.Intressant är dock att vi fortfarande har att göra med AC-DC-konvertering idag.
AC kan ha vunnit striden, men DC dominerar fortfarande elektroniken.
Titta på vilken elektronisk enhet du ansluter till väggen, du måste konvertera AC till DC.Eller, om du tittar på infrastrukturen som krävs för solpaneler, genererar de elektricitet i DC, som måste omvandlas tillbaka till AC som strömkälla och tillbaka till DC för våra enheter att använda.Man kan nästan säga att AC-DC-debatten aldrig var över, en balans hade precis uppnåtts mellan två motsatta idéer.
Det är mycket fram och tillbaka mellan AC och DC i en solpanel.
Observera att den ursprungliga idén med PCB inte uppfanns i den förgyllda tidsåldern.Men utan den här erans tillverkningskapacitet och elektricitetens utbredda inflytande skulle PCB aldrig bli vad de är idag.
Progressive Era (1890–1920)
Den progressiva eran präglades av en period av sociala reformer, med lagstiftning som Sherman Antitrust Act som bröt upp Standard Oils monopol.Det är också då vi ser de första PCB-patenten.1903 ansökte den tyske uppfinnaren Albert Hanson om ett brittiskt patent för en anordning som beskrivs som en platt folieledare på en flerskiktsisoleringsskiva.Låter bekant?
Ritning som visar Albert Hansons första PCB-patent.
Hansen beskriver också konceptet med genomgående applikationer i sitt patent.Här visar han att man kan slå hål i två lager med vertikala linjer för att göra en elektrisk anslutning.
Under den här tiden började vi se Edison och andra företagsledare göra en stor insats för att få in elektriska enheter i vardagliga hem.Problemet med denna push är den totala bristen på standardisering.Om du bodde i New York eller New Jersey och använde Edisons uppfinningar av elektricitet för belysning, uppvärmning eller matlagning, vad skulle hända om du använde dem i en annan stad?De kan inte användas eftersom varje stad har sin egen uttagskonfiguration.
Problemet förvärrades också av att Edison inte bara ville sälja en glödlampa till folk, han ville också sälja en tjänst.Edison kan ge dig elservice på månadsbasis;då skulle du köpa glödlampor, vitvaror etc. Naturligtvis är ingen av dessa tjänster kompatibel med andra konkurrerande metoder.
Vi vill tacka Harvey Hubbel för att han äntligen satte stopp för denna röra.1915 patenterade han den vanliga vägguttaget som fortfarande används idag.Nu har vi ingen brödrost eller kokplatta inkopplad i ett glödlampsuttag.Detta är en enorm vinst för industristandardisering.
Tack vare Harvey Hubbel har vi nu ett standardiserat vägguttag för alla elektroniska enheter.
Som en sista notering, den progressiva eran präglades av första världskriget. Denna konflikt är enbart fokuserad på mekanik och skyttegravskrigföring.PCB-konceptet, eller till och med grundläggande elektronik, används inte i militära tillämpningar ännu, men det kommer det snart att bli.
Roaring Twenties (1920-tal)
Med slutet av första världskriget befinner vi oss nu i det rytande tjugotalet, som såg en enorm boom i den amerikanska ekonomin.För första gången i historien bor fler människor i städer än på gårdar.Vi börjar också se kedjor och varumärken introduceras över hela USA.Du kanske har en familjebutik eller två i två olika städer, men nu har vi stora varumärken och butiker som är nationella.
Den största uppfinningen under denna period var Henry Fords bil och den infrastruktur den krävde.Situationen liknar 1990-talet, då vi var tvungna att bygga en stor infrastruktur för att hantera internet och vår informationsålder genom att bygga switchar, routrar och fiberoptiska kablar.Bilar är inget undantag.
Henry Fords första bil – en fyrhjuling.
Här ser vi vad som en gång var en grusväg som asfalteras.Människor behövde bensin för att driva sina fordon, därav behovet av bensinstationer.Du har även reparationsverkstäder, tillbehör med mera.Många människors hela sätt att leva härstammar från uppfinningen av bilen, och det är det än idag.
Det var också under denna tid som vi såg introduktionen av moderna apparater som vi fortfarande förlitar oss på idag, såsom tvättmaskiner, dammsugare och kylskåp.För första gången kommer människor att kunna köpa ömtåliga varor i butik och lagra dem för en längre hållbarhet.
Men var är våra PCB?Vi har fortfarande inte sett dem användas i några apparater eller bilar som lanserats under den här tiden.Men 1925 lämnade Charles Ducasse in ett patent som beskrev processen att tillsätta ledande bläck till isoleringsmaterial.Detta kommer senare att resultera i ett tryckt ledningskort (PWB).Detta patent är den första praktiska tillämpningen som liknar ett PCB, men endast som en plan värmeslinga.Vi har inte fått några egentliga elektriska anslutningar mellan kortet och komponenterna än, men vi närmar oss.
PCB fortsatte att utvecklas och användes denna gång som en värmeslinga för Charles Ducas.
Stor depression (1930-talet)
1929 rasade börsen och alla vår tids stora innovationer rasade.Här ser vi en period med arbetslöshet över 25 %, 25 000 bankkonkurser och en hel del problem runt om i världen.Det var en tragisk tid för mänskligheten som helhet, och banade väg för Hitlers, Mussolinis, Stalins framväxt och våra framtida världskonflikter.PCB kan ha varit tysta fram till nu, men det är på väg att förändras.
Den stora depressionen påverkade alla, från banker till vanliga arbetare.
Andra världskriget (1939–1945)
Andra världskriget var igång och USA gick med i striden efter bombningen av Pearl Harbor 1942. Det intressanta med Pearl Harbor är hela kommunikationsfelet som ledde till attacken.USA hade goda bevis på en överhängande kris, men alla metoder för kontakt med deras militärbas i Honolulu var misslyckade och ön överrumplades.
Som ett resultat av detta misslyckande insåg DoD att de behövde ett mer pålitligt kommunikationsmedel.Detta förde elektronik i framkant som det primära kommunikationsmedlet som ersätter morsekod.
Det var också under andra världskriget som vi såg den första användningen av PCB i närsäkringar som vi har idag.Enheten används för höghastighetsprojektiler som kräver långdistansprecisionseld i himlen eller på land.Närhetsröret utvecklades ursprungligen av britterna för att motverka framryckningen av Hitlers armé.Den delades senare med USA där designen och tillverkningen fulländades.
En av de första militära tillämpningarna som använde PCB var närhetssäkringar.
Under denna tid hade vi också Paul Eisler, en österrikare som bor i Storbritannien, som patenterade kopparfolie på ett icke-ledande glassubstrat.Låter bekant?Detta är ett koncept vi använder än idag för att göra PCB med isolering och koppar på toppen/botten.Eisler tog denna idé ett steg längre när han byggde en radio av sitt PCB 1943, vilket skulle bana väg för framtida militära tillämpningar.
Paul Eisler byggde en radio av det första tryckta kretskortet (PCB).
Babyboomers (1940-talet)
När andra världskriget närmade sig sitt slut såg vi våra soldater komma hem, bilda familjer och få ett helt gäng barn.Cue baby boomers.Det var under efterkrigstiden som vi såg massiva förbättringar av befintliga apparater som dammsugare, tvättmaskiner, tv-apparater och radioapparater.Nu när den stora lågkonjunkturen är bakom oss har många konsumenter äntligen råd med dessa enheter i sina hem.
Vi har fortfarande inte sett PCB av konsumentkvalitet.Var är Paul Eislers verk?Ta en titt på denna gamla TV nedan så ser du alla komponenter, men utan den underliggande PCB-grunden.
En gammal Motorola-TV från 1948, utan PCB.
Trots bristen på PCB såg vi ankomsten av transistorn till Bell Labs 1947. Det tog ytterligare sex år 1953 innan enheten slutligen användes i produktionen, men varför så länge?På den tiden spreds information genom tidskrifter, konferenser etc. Innan informationsåldern tog spridningen av information bara tid att sprida sig.
Den första transistorn föddes på Bell Laboratories 1947.
Kalla krigets era (1947 – 1991)
Tillkomsten av det kalla kriget markerade en betydande period av spänningar mellan USA och Sovjetunionen.På grund av skillnaderna mellan kapitalism och kommunism är dessa två jättar nästan i krig med varandra och har satt världen under hot om kärnvapenförintelse.
För att ligga före i denna kapprustning måste båda sidor förbättra sin förmåga att kommunicera för att förstå vad fienden gör.Här ser vi att PCB används till sin fulla potential.1956 publicerade den amerikanska armén ett patent för en "kretsmonteringsprocess".Tillverkare har nu ett sätt att både hålla elektronik och göra kopplingar mellan komponenter med kopparspår.
När PCB började ta fart i tillverkningsvärlden befann vi oss i världens första rymdkapplöpning.Ryssland har haft några fantastiska prestationer under den här tiden, inklusive:
1957 Lansering av den första konstgjorda satelliten, Sputnik
1959 Lansering av Luna 2, den första rymdfarkosten till månen
1961 sändes Yuri Gagarin, den första kosmonauten, för att kretsa runt jorden
Rysslands första konstgjorda satellit, Sputnik, lanserades 1957.
Var är Amerika i allt detta?Främst släpar efter, det tar vanligtvis ett eller två år att utveckla samma teknik.För att ta itu med denna klyfta ser vi att USA:s rymdbudget femdubblas 1960. Vi har också det berömda president Kennedy-talet 1962, varav en del är värt att citera:
"Vi väljer att åka till månen!Vi väljer att åka till månen för att göra andra saker detta årtionde, inte för att de är lätta, utan för att de är svåra;eftersom detta mål kommer att hjälpa till att organisera och mäta våra bästa energier och färdigheter, på grund av detta är utmaningar vad vi är villiga att ta oss an, vad vi inte är villiga att skjuta upp och vad vi är villiga att vinna.”– John F. Kennedy, USA:s president, 12 september 1962
Allt detta ledde till ett landmärke i historien.Den 20 juli 1969 landade den första amerikanska mannen på månen.
Den första människan på månen, ett historiskt ögonblick för mänskligheten.
Om vi går tillbaka till PCB:er, 1963 fick vi Hazeltyne Corporation patent på den första pläterade teknologin med genomgående hål.Detta gör att komponenter kan packas nära varandra på kretskortet utan att behöva oroa sig för korskopplingar.Vi såg också introduktionen av Surface Mount Technology (SMT), utvecklad av IBM.Dessa täta enheter sågs först i praktiken i en Saturn-raketbooster.
1967 Det första genomgående patentet för PCB-teknik.
Dawn of the Microprocessor (1970-talet)
70-talet gav oss den första mikroprocessorn i form av en integrerad krets (IC).Detta utvecklades ursprungligen av Jack Kilby från Texas Instruments 1958. Kilby var ny för TI, så hans innovativa idéer för IC:er hölls till stor del hemliga.Men när TI:s seniora ingenjörer skickades till ett veckolångt möte stannade Kilby kvar och sprang med idéerna i huvudet.Här utvecklade han den första IC i TI-labb, och de återkommande ingenjörerna älskade det.
Jack Kilby har den första integrerade kretsen.
På 1970-talet såg vi den första användningen av IC i elektroniktillverkning.Vid det här laget, om du inte använder ett PCB för dina anslutningar, har du stora problem.
Dawn of the Digital Age (1980-talet)
Den digitala tidsåldern har medfört en enorm förändring i media vi konsumerar, med introduktionen av personliga enheter som skivor, VHS, kameror, spelkonsoler, walkmans och mer.
1980 gjorde Atari-spelkonsolen barns drömmar till verklighet.
Det är viktigt att notera att PCB fortfarande ritades för hand med ljustavlor och stenciler, men sedan kom datorer och EDA.Här ser vi EDA-programvara som Protel och EAGLE revolutionera vårt sätt att designa och tillverka elektronik.Istället för ett foto av kretskortet kan vi nu spara designen som en Gerber-textfil, vars koordinater kan matas in i tillverkningsmaskineriet för att producera kretskortet.
Internetåldern (1990-talet)
På 90-talet såg vi användningen av kisel komma i full gång med introduktionen av BGA.Nu kan vi montera fler grindar på ett enda chip och börja bädda in minne och system-on-chip (SoC) tillsammans.Detta var också en period av hög miniatyrisering av elektronik.Vi såg inga nya funktioner som lagts till i kretskortet, men hela designprocessen började förändras och utvecklas och flyttade till IC.
Designers måste nu implementera design-for-test-strategier (DFT) i sina layouter.Det är inte lätt att poppa en komponent och lägga till en blå linje.Ingenjörer måste designa sina layouter med framtida omarbetningar i åtanke.Är alla dessa komponenter placerade på ett sådant sätt att de enkelt kan tas bort?Detta är ett stort bekymmer.
Det var också en era då mindre komponentpaket som 0402 gjorde handlödning av kretskort nästan omöjlig.Designern bor nu i sin EDA-mjukvara och tillverkaren ansvarar för den fysiska produktionen och monteringen.
Ytmonterade komponenter från största till minsta.
Hybrid-eran (2000-talet och framåt)
Skär till dagens era av elektronik och PCB-design;vad vi kallar hybrideran.Tidigare hade vi flera enheter för flera behov.Du behöver en miniräknare;du köper en miniräknare.Du vill spela tv-spel;du köper en spelkonsol.Nu kan du köpa en smartphone och få 30 olika nivåer av inbyggda funktioner.Detta kan tyckas ganska självklart, men det är ganska häpnadsväckande när du faktiskt ser alla de saker som våra smartphones kan göra:
spelutrustning adressbok e-post streckkodsläsare ficklampa bell kameranavigering
musikspelare schema VCR karta Internet webbläsare kalender filmspelare kalkylator
Telefon anteckningsbok biljetter inspelare telefonsvarare Kort meddelande bankböcker
Vi befinner oss i enhetskonsolideringens tid, men vad händer härnäst?PCB är etablerade och vi har processer och rutiner för nästan allt.Höghastighetsapplikationer håller på att bli normen.Vi ser också att endast 25 % av PCB-designerna är under 45 år, medan 75 % förbereder sig för att gå i pension.Branschen ser ut att befinna sig i en kristid.
Kommer framtiden för PCB-design att vara robotar?Kanske i en bärbar med flexkrets?Eller så kanske vi ser protoner ersätta elektroner med fotonik.Vad vi vet om fysiska PCB:er kan det till och med förändras i framtiden.Det finns inget behov av ett fysiskt medium för att möjliggöra kopplingen mellan komponenter, utan snarare potentialen hos vågteknik.Detta skulle tillåta komponenter att skicka signaler trådlöst utan behov av koppar.
Vad kommer framtiden att erbjuda?
Ingen vet riktigt vart framtiden för PCB-design, eller ens elektronik i allmänhet, är på väg.Det har gått nästan 130 år sedan våra tillverkningsmuskler började arbeta.Sedan dess har världen förändrats för alltid med introduktionen av stora produkter som bilar, vitvaror, datorer, smartphones och mer.Förbi är de dagar då vi var beroende av kol, timmer eller olja för alla våra grundläggande försörjning och överlevnad.Nu har vi elektroniska prylar som kan uppfylla våra dagliga behov.
Men hur ser framtiden ut?Detta är en stor okänd.Vi vet alla att varje uppfinning framför oss står på sina föregångares axlar.Våra förfäder förde PCB-design till där den är idag, och nu måste vi förnya och revolutionera hur vi designar och interagerar med teknik.Framtiden kan vara vad som helst.Framtiden beror på dig.
Posttid: 17-mars 2023