Як і багато інших великих винаходів в історії,друкована плата (PCB)як ми знаємо його сьогодні, базується на прогресі, досягнутому протягом історії.У нашому маленькому куточку світу ми можемо простежити історію друкованих плат понад 130 років тому, коли великі промислові машини у світі тільки починалися.У цьому блозі ми розглянемо не повну історію, а важливі моменти, які перетворили друковану плату на те, чим вона є сьогодні.
Чому PCB?
З часом друковані плати перетворилися на інструмент для оптимізації виробництва електронних виробів.Те, що колись було легко зібрати вручну, швидко поступилося місцем мікроскопічним компонентам, які потребують механічної точності та ефективності.Візьмемо для прикладу дві дошки, показані на малюнку нижче.Один — стара дошка 1960-х років для калькуляторів.Інша типова материнська плата високої щільності, яку ви побачите в сучасних комп’ютерах.
Порівняння PCB між калькулятором 1968 року та сучасними материнськими платами.
У калькуляторі ми можемо мати понад 30 транзисторів, але на одній мікросхемі материнської плати ви знайдете понад мільйон транзисторів.Справа в тому, що темпи розвитку технологій і самого дизайну друкованих плат вражають.У сучасних конструкціях усе, що є на друкованій платі калькулятора, тепер може поміститися в одну мікросхему.Це привертає увагу до кількох помітних тенденцій у виробництві друкованих плат:
Ми інтегруємо більше функціональних можливостей у передові пристрої, такі як інтегральні схеми (IC) і мікропроцесори.
Ми зменшуємо пасивні компоненти, такі як резистори та конденсатори, до мікроскопічного рівня.
Усе це призводить до збільшення щільності компонентів і складності наших друкованих плат.
Усі ці досягнення в першу чергу обумовлені покращенням швидкості та функціональності наших продуктів.Ми очікуємо, що наші пристрої реагуватимуть миттєво, навіть кілька секунд затримки можуть привести нас у божевілля.Для функціональності розгляньте відеоігри.У 80-х ви, ймовірно, грали в Pac-Man в аркаді.Тепер ми бачимо фотореалістичне відображення реальності.Прогрес просто божевільний.
Візуальні зображення відеоігор сьогодні майже реалістичні.
Зрозуміло, що друковані плати еволюціонували прямо у відповідь на те, що ми очікуємо від наших пристроїв.Нам потрібні швидші, дешевші та потужніші продукти, і єдиний спосіб задовольнити ці вимоги — мініатюризувати та підвищити ефективність виробничого процесу.Коли почався цей бум електроніки та друкованих плат?На зорі золотого віку.
Золотий вік (1879 – 1900)
Ми закінчили громадянську війну в США в 60-х, і зараз американське виробництво процвітає.Тим часом ми робимо все, що можемо, від їжі до одягу, меблів і поручнів.Індустрія судноплавства перебуває в наступі, і наші найкращі інженери придумують, як доставити когось із східного узбережжя США на західне за 5–7 днів замість 5–7 місяців.
Завдяки залізницям подорож від узбережжя до узбережжя займала дні замість місяців.
За цей час ми також провели електрику в домівках, спочатку в містах, а потім у передмістях і селах.Зараз електрика є заміною вугілля, дров і нафти.Подумайте про життя в Нью-Йорку під час суворої зими, намагаючись приготувати їжу або зігрітися за допомогою брудного вугілля чи купи дров.Електрика все змінила.
Цікавим моментом є те, що компанія Standard Oil, яка монополізує ринок нафти, не постачає нафту на бензин.Їхній ринок – олія для приготування їжі, смаження та розпалювання.З появою електрики Standard Oil знадобилося визначити нове використання нафти, яке прийде з появою автомобіля.
У травні 1878 року Standard Oil Company випустила акції, і почалася нафтова монополія.
У Золотий вік ми побачили деякі великі відкриття в електромагнетизмі.Ми винайшли електродвигун, який перетворює електричну енергію в механічну.Ми також бачимо генератори, які роблять навпаки, перетворюючи механічну енергію в електричну.
Це також був час геніальних винахідників, які все ще впливають на наш електронний світ сьогодні, зокрема:
Томас Едісон винайшов електричну лампочку в 1879 році, кіно в 1889 році та багато інших інновацій.
Нікола Тесла винайшов електродвигун у 1888 році та джерело змінного струму у 1895 році.
У 1876 році Олександр Грем Белл винайшов телефон.
Компанія Kodak Джорджа Істмена винайшла першу споживчу камеру в 1884 році.
Герман Холлеріт винайшов табличний апарат у 1890 році та заснував IBM.
Під час цього інтенсивного періоду інновацій одна з найбільших дебатів точиться між змінним і постійним струмом.Змінний струм Тесли зрештою став ідеальним методом передачі енергії на великі відстані.Цікаво, однак, що сьогодні ми все ще маємо справу з перетворенням AC-DC.
Можливо, змінний струм виграв битву, але постійний струм все ще домінує в електроніці.
Подивіться на будь-який електронний пристрій, який ви підключаєте до стіни, вам потрібно перетворити змінний струм на постійний.Або, якщо ви подивитеся на інфраструктуру, необхідну для сонячних панелей, вони виробляють електроенергію в постійному струмі, який потрібно перетворити назад у змінний струм як джерело живлення, і назад у постійний, щоб наші пристрої могли використовувати його.Можна майже сказати, що дебати AC-DC ніколи не закінчувалися, щойно було встановлено баланс між двома протилежними ідеями.
Між змінним і постійним струмом у сонячній батареї багато обертів.
Зверніть увагу, що оригінальна ідея друкованої плати була винайдена не в позолочений вік.Однак без виробничих можливостей цієї епохи та широкого впливу електрики друковані плати ніколи не були б такими, якими вони є сьогодні.
Прогресивна епоха (1890 – 1920)
Прогресивна ера ознаменувалася періодом соціальних реформ, коли такі закони, як Антитрестівський закон Шермана, порушили монополію Standard Oil.Це також час, коли ми бачимо перші патенти на друковані плати.У 1903 році німецький винахідник Альберт Хансон подав заявку на британський патент на пристрій, описаний як плоский фольгований провідник на багатошаровій ізоляційній плиті.Звучить знайомо?
Малюнок із зображенням першого патенту на друковану плату Альберта Хансона.
Хансен також описує концепцію застосування через отвір у своєму патенті.Тут він показує, що можна пробити отвір у два шари вертикальними лініями, щоб створити електричне з’єднання.
У цей час ми почали спостерігати, як Едісон та інші бізнес-лідери роблять значний поштовх до впровадження електричних пристроїв у повсякденні домівки.Проблема цього поштовху полягає в повній відсутності стандартизації.Якби ви жили в Нью-Йорку чи Нью-Джерсі і використовували винаходи Едісона щодо електрики для освітлення, опалення чи приготування їжі, що було б, якби ви використали їх в іншому місті?Їх не можна використовувати, оскільки кожне місто має власну конфігурацію розеток.
Проблема також погіршилася через те, що Едісон хотів не просто продати людям лампочку, він також хотів продати послугу.Edison міг би надавати вам послуги з електроенергії щомісяця;тоді ви б купили лампочки, побутову техніку тощо. Звичайно, жодна з цих послуг не сумісна з іншими конкурентними методами.
Ми хочемо подякувати Харві Хаббелу за те, що він нарешті поклав край цьому безладу.У 1915 році він запатентував стандартну штепсельну розетку, яка використовується досі.Тепер у нас немає тостера або плити, підключеної до розетки лампочки.Це величезна перемога для промислової стандартизації.
Завдяки Harvey Hubbel ми тепер маємо стандартизовану розетку для всіх електронних пристроїв.
Наостанок, прогресивна ера була відзначена Першою світовою війною. Цей конфлікт суто зосереджений на мехах і окопній війні.Концепція друкованої плати або навіть базова електроніка поки що не використовується у військових цілях, але скоро це буде.
Бурхливі двадцяті (1920-ті)
Після закінчення Першої світової війни ми перебуваємо в бурхливих двадцятих роках, коли відбувся величезний бум американської економіки.Вперше в історії більше людей живе в містах, ніж на фермах.Ми також починаємо спостерігати, як у США з’являються мережі та бренди.У вас може бути сімейний магазин або два в двох різних містах, але зараз у нас є великі бренди та магазини, які виходять на національному рівні.
Найбільшим винаходом цього періоду був автомобіль Генрі Форда та необхідна для нього інфраструктура.Ситуація схожа на 1990-ті, коли нам довелося побудувати велику інфраструктуру, щоб мати справу з Інтернетом і нашою інформаційною епохою, побудувавши комутатори, маршрутизатори та волоконно-оптичні кабелі.Автомобілі не є винятком.
Перший автомобіль Генрі Форда – чотириколісний.
Тут ми бачимо, як асфальтують колись ґрунтову дорогу.Людям був потрібен бензин для живлення своїх транспортних засобів, отже, потреба в автозаправних станціях.У вас також є ремонтні майстерні, аксесуари тощо.Весь спосіб життя багатьох людей почався з винаходу автомобіля, і це все ще сьогодні.
Також у цей час ми побачили впровадження сучасних приладів, на які ми покладаємося й сьогодні, таких як пральні машини, пилососи та холодильники.Вперше люди зможуть купувати швидкопсувні товари в магазинах і зберігати їх протягом тривалого терміну придатності.
Але де наші друковані плати?Ми досі не бачили, щоб вони використовувалися в будь-яких приладах або автомобілях, випущених протягом цього часу.Однак у 1925 році Чарльз Дюкасс подав патент, який описував процес додавання електропровідних чорнил до ізоляційних матеріалів.Пізніше це призведе до друкованої монтажної плати (PWB).Цей патент є першим практичним застосуванням, подібним до друкованої плати, але лише як планарна нагрівальна спіраль.Ми ще не отримали фактичних електричних з’єднань між платою та компонентами, але ми наближаємося.
PCB продовжував розвиватися, цього разу використовувався як нагрівальна спіраль для Charles Ducas.
Велика депресія (1930-ті роки)
У 1929 році фондовий ринок різко впав, і всі великі інновації нашого часу різко впали.Тут ми бачимо період безробіття вище 25%, 25 000 банкрутств банків і багато проблем у всьому світі.Це був трагічний час для людства в цілому, що проклало шлях до появи Гітлера, Муссоліні, Сталіна та наших майбутніх світових конфліктів.Можливо, PCB мовчали досі, але це скоро зміниться.
Велика депресія торкнулася всіх, від банків до простих працівників.
Друга світова війна (1939 – 1945)
Тривала Друга світова війна, і Сполучені Штати приєдналися до бійки після бомбардування Перл-Харбора в 1942 році. Цікавим у Перл-Харборі є повний збій зв’язку, який призвів до нападу.США мали вагомі докази неминучої кризи, але всі методи контакту з їхньою військовою базою в Гонолулу виявилися безуспішними, і острів був застигнутий зненацька.
У результаті цієї невдачі Міністерство оборони зрозуміло, що їм потрібен більш надійний засіб зв’язку.Це вивело електроніку на перший план як основний засіб зв’язку, який замінив азбуку Морзе.
Під час Другої світової війни ми побачили перше використання друкованих плат у безконтактних запобіжниках, які ми маємо сьогодні.Пристрій використовується для стрільби високошвидкісних снарядів, які вимагають дальньої високоточної стрільби в небі або на землі.Неконтактний підривник спочатку був розроблений британцями для протидії просуванню гітлерівської армії.Пізніше його передали в Сполучені Штати, де вдосконалили дизайн і виробництво.
Одним із перших військових застосувань, де використовувалися друковані плати, були безконтактні запобіжники.
Протягом цього часу у нас також був Пол Ейслер, австрієць, який проживав у Великобританії, запатентував мідну фольгу на непровідній скляній підкладці.Звучить знайомо?Це концепція, яку ми все ще використовуємо сьогодні для виготовлення друкованих плат з ізоляцією та міддю зверху/знизу.Ейслер пішов далі в цю ідею, коли в 1943 році побудував радіо зі своєї друкованої плати, що проклало шлях для майбутніх військових застосувань.
Пол Ейслер побудував радіо з першої друкованої плати (PCB).
Бебі-бумери (1940-ті)
Коли Друга світова війна наближалася до кінця, ми бачили, як наші солдати повернулися додому, завели сім’ї та народили цілу купу дітей.Подбайте про бебі-бумерів.Саме в післявоєнну епоху ми побачили масові вдосконалення існуючих приладів, таких як пилососи, пральні машини, телевізори та радіо.Тепер, коли Велика рецесія позаду, багато споживачів нарешті можуть дозволити собі ці пристрої у своїх домівках.
Ми досі не бачили друкованих плат споживчого класу.Де твори Пауля Ейслера?Подивіться на цей старий телевізор нижче, і ви побачите всі компоненти, але без основи друкованої плати.
Старий телевізор Motorola 1948 року, без PCB.
Незважаючи на відсутність друкованих плат, ми побачили надходження транзистора в Bell Labs у 1947 році. У 1953 році знадобилося ще шість років, перш ніж пристрій нарешті почали використовувати у виробництві, але чому так довго?У ті часи інформація поширювалася через журнали, конференції тощо. До епохи інформації для поширення інформації потрібен був час.
Перший транзистор був створений у Bell Laboratories у 1947 році.
Епоха холодної війни (1947 – 1991)
Початок епохи холодної війни ознаменував значний період напруги між Сполученими Штатами та Радянським Союзом.Через відмінності між капіталізмом і комунізмом ці два гіганти майже воюють один з одним і поставили світ під загрозу ядерного знищення.
Щоб залишатися попереду в цій гонці озброєнь, обидві сторони повинні покращити свою здатність спілкуватися, щоб розуміти, що робить ворог.Тут ми бачимо, що друкована плата використовується на повну.У 1956 році армія США опублікувала патент на «процес складання схеми».Тепер у виробників є спосіб як утримувати електроніку, так і з’єднувати компоненти за допомогою мідних проводів.
Коли друковані плати почали набирати обертів у світі виробництва, ми опинилися в першій у світі космічній гонці.За цей час Росія досягла дивовижних досягнень, зокрема:
1957 р. Запуск першого штучного супутника Землі «Супутник».
1959 Запуск Луни-2, першого космічного корабля на Місяць
У 1961 році Юрій Гагарін, перший космонавт, був відправлений на навколоземну орбіту
Перший штучний супутник Росії Супутник був запущений в 1957 році.
Де в цьому всьому Америка?В основному відставання, зазвичай розробка тієї ж технології займає рік або два.Усуваючи цю прогалину, ми бачимо, що космічний бюджет США зріс у п’ять разів у 1960 році. Ми також маємо знамениту промову президента Кеннеді 1962 року, частину якої варто процитувати:
«Ми обираємо політ на Місяць!Ми вирішили відправитися на Місяць, щоб зробити інші речі цього десятиліття, не тому, що це легко, а тому, що це важко;тому що ця мета допоможе організувати та виміряти нашу найкращу енергію та навички, тому що виклики – це те, що ми готові взяти на себе, які ми не хочемо відкладати на потім і які ми готові перемогти».– Джон Ф. Кеннеді, президент Сполучених Штатів, 12 вересня 1962 р
Все це призвело до знаменного моменту в історії.20 липня 1969 року перша американська людина висадилася на Місяць.
Перша людина на Місяці, історичний момент для людства.
Повертаючись до друкованих плат, у 1963 році компанія Hazeltyne Corporation запатентувала першу технологію наскрізних отворів із покриттям.Це дозволить розмістити компоненти щільно один до одного на друкованій платі, не турбуючись про перехресні з’єднання.Ми також побачили впровадження технології поверхневого монтажу (SMT), розробленої IBM.Ці щільні збірки вперше були помічені на практиці в ракетному прискорювачі Сатурн.
1967 Перший патент на технологію друкованої плати з наскрізним отвором.
Світанок мікропроцесора (1970-ті)
70-ті роки принесли нам перший мікропроцесор у формі інтегральної схеми (ІС).Його спочатку розробив Джек Кілбі з Texas Instruments у 1958 році. Кілбі був новачком у TI, тому його інноваційні ідеї щодо мікросхем здебільшого трималися в таємниці.Однак, коли старших інженерів TI відправили на тижневу нараду, Кілбі залишився і втік із ідеями в своїй голові.Тут він розробив першу мікросхему в лабораторіях TI, і інженерам, які повернулися, вона сподобалася.
Джек Кілбі володіє першою інтегральною схемою.
У 1970-х роках ми побачили перше використання мікросхем у виробництві електроніки.На цьому етапі, якщо ви не використовуєте друковану плату для підключення, у вас великі проблеми.
Світанок цифрової ери (1980-ті)
Цифрова ера принесла величезні зміни в медіа, які ми споживаємо, з появою персональних пристроїв, таких як диски, відеомагнітофони, камери, ігрові консолі, програвачі тощо.
У 1980 році ігрова консоль Atari здійснила дитячі мрії.
Важливо відзначити, що друковані плати все ще малювали вручну за допомогою світлових дощок і трафаретів, але потім з’явилися комп’ютери та EDA.Тут ми бачимо, як програмне забезпечення EDA, як-от Protel і EAGLE, революціонізує спосіб розробки та виробництва електроніки.Замість фотографії друкованої плати тепер ми можемо зберегти дизайн як текстовий файл Gerber, координати якого можна ввести в обладнання для виготовлення друкованої плати.
Ера Інтернету (1990-ті)
У 90-х роках ми побачили, що використання кремнію набуло повного розмаху з появою BGA.Тепер ми можемо розмістити більше вентилів на одному чіпі та почати вбудовувати пам’ять і системи на чіпі (SoC).Це також був період високої мініатюризації електроніки.Ми не помітили жодних нових функцій, доданих до друкованої плати, але весь процес проектування почав змінюватися та розвиватися, переходячи до IC.
Тепер дизайнери повинні впроваджувати стратегії проектування для тестування (DFT) у свої макети.Витягнути компонент і додати синю лінію нелегко.Інженери повинні розробляти свої макети з урахуванням майбутніх переробок.Чи всі ці компоненти розміщені таким чином, що їх можна легко зняти?Це викликає величезне занепокоєння.
Це також була епоха, коли менші пакети компонентів, такі як 0402, зробили ручну пайку друкованих плат майже неможливою.Тепер дизайнер живе у своєму програмному забезпеченні EDA, а виробник відповідає за фізичне виробництво та складання.
Компоненти для поверхневого монтажу від найбільших до найменших.
Гібридна ера (2000-ті і далі)
Перегляд сучасної ери електроніки та дизайну друкованих плат;що ми називаємо гібридною ерою.Раніше у нас було кілька пристроїв для різних потреб.Вам потрібен калькулятор;ти купуєш калькулятор.Ви хочете грати у відеоігри;ви купуєте ігрову приставку.Тепер ви можете купити смартфон і отримати 30 різних рівнів вбудованих функцій.Це може здатися досить очевидним, але це досить вражає, коли ви насправді бачите все, що можуть зробити наші смартфони:
ігрове обладнання адресна книга електронна пошта сканер штрих-коду ліхтарик дзвоник камера навігація
музичний плеєр розклад відеомагнітофон карта інтернет-браузер календар фільм плеєр калькулятор
Телефонний блокнот Квитки Рекордер Автовідповідач Короткі повідомлення Банківські книги
Ми живемо в епоху консолідації пристроїв, але що буде далі?PCB встановлено, і ми маємо процеси та процедури майже для всього.Високошвидкісні програми стають нормою.Ми також бачимо, що лише 25% дизайнерів друкованих плат молодше 45 років, тоді як 75% готуються вийти на пенсію.Схоже, що галузь переживає кризовий період.
Чи буде майбутнє дизайну друкованих плат за роботами?Можливо, у носії з гнучкою схемою?Або ми можемо побачити, як протони замінюють електрони фотонікою.Наскільки ми знаємо про фізичні друковані плати, це може змінитися в майбутньому.Немає потреби у фізичному середовищі для забезпечення з’єднання між компонентами, а скоріше потенціал хвильової технології.Це дозволить компонентам передавати сигнали по бездротовій мережі без необхідності використання міді.
Що принесе майбутнє?
Ніхто насправді не знає, куди прямує майбутнє дизайну друкованих плат або навіть електроніки в цілому.Минуло майже 130 років з тих пір, як наші виробничі м’язи почали працювати.Відтоді світ назавжди змінився з появою таких основних продуктів, як автомобілі, побутова техніка, комп’ютери, смартфони тощо.Пройшли ті часи, коли ми залежали від вугілля, деревини чи нафти для всіх наших основних засобів до існування та виживання.Тепер у нас є електронні гаджети, які можуть задовольнити наші щоденні потреби.
Але що чекає в майбутньому?Це велика невідомість.Ми всі знаємо, що кожен винахід, який ми маємо на увазі, стоїть на плечах своїх попередників.Наші предки принесли дизайн друкованих плат туди, де він є сьогодні, і тепер нам потрібно впроваджувати інновації та революціонізувати спосіб проектування та взаємодії з технологіями.Майбутнє може бути чим завгодно.Майбутнє залежить від вас.
Час публікації: 17 березня 2023 р