Kao i mnogi drugi veliki izumi kroz istoriju, ištampana ploča (PCB)kao što ga danas poznajemo, zasnovano je na napretku ostvarenom kroz istoriju.U našem malom kutku svijeta možemo pratiti istoriju PCB-a unazad više od 130 godina, kada su velike svjetske industrijske mašine tek počinjale.Ono što ćemo pokriti na ovom blogu nije kompletna istorija, već važni momenti koji su transformisali PCB u ono što jeste danas.
Zašto PCB?
Vremenom su PCB-i evoluirali u alat za optimizaciju proizvodnje elektronskih proizvoda.Ono što je nekada bilo lako sastaviti ručno brzo je ustupilo mjesto mikroskopskim komponentama koje su zahtijevale mehaničku preciznost i efikasnost.Uzmite dvije ploče prikazane na donjoj slici kao primjer.Jedna je stara ploča iz 1960-ih za kalkulatore.Druga je tipična matična ploča visoke gustine koju ćete vidjeti na današnjim računarima.
PCB poređenje između kalkulatora iz 1968. i današnjih modernih matičnih ploča.
U kalkulatoru možemo imati 30+ tranzistora, ali na jednom čipu na matičnoj ploči naći ćete preko milion tranzistora.Poenta je da je stopa napretka tehnologije i samog dizajna PCB-a impresivna.Sve na PCB-u kalkulatora sada može stati u jedan čip u današnjem dizajnu.Ovo skreće pažnju na nekoliko značajnih trendova u proizvodnji PCB-a:
Integriramo više funkcionalnosti u napredne uređaje kao što su integrirana kola (IC) i mikroprocesori.
Smanjujemo pasivne komponente kao što su otpornici i kondenzatori na mikroskopski nivo.
Sve ovo dovodi do povećane gustine i složenosti komponenti na našim pločama.
Svi ovi napredak prvenstveno su vođeni poboljšanjima u brzini i funkcionalnosti naših proizvoda.Očekujemo da naši uređaji reaguju trenutno, čak i nekoliko sekundi kašnjenja može nas dovesti do ludila.Za funkcionalnost, razmislite o video igrama.U 80-ima ste vjerovatno igrali Pac-Man-a u igranoj igrici.Sada vidimo fotorealne reprezentacije stvarnosti.Napredak je jednostavno lud.
Vizuali video igara su skoro realistični ovih dana.
Jasno je da su PCB-i evoluirali kao direktan odgovor na ono što očekujemo od naših uređaja.Potrebni su nam brži, jeftiniji, moćniji proizvodi, a jedini način da ispunimo ove zahtjeve je minijaturizacija i poboljšanje efikasnosti proizvodnog procesa.Kada je počeo ovaj procvat elektronike i PCB-a?U zoru pozlaćenog doba.
Pozlaćeno doba (1879 – 1900)
Završili smo američki građanski rat 60-ih godina, a sada američka proizvodnja cveta.U međuvremenu radimo sve što možemo, od hrane do odjeće, namještaja i šina.Brodarska industrija je u ofanzivi, a naši najveći inženjeri smišljaju kako da dovedu nekoga sa istočne obale SAD na zapadnu za 5 do 7 dana umjesto za 5 do 7 mjeseci.
Željeznice koje putuju od obale do obale traju danima umjesto mjesecima.
Za to vrijeme uveli smo i struju u dom, prvo u gradovima, a potom i u prigradskim i ruralnim područjima.Struja je sada zamjena za ugalj, drvo i naftu.Zamislite da živite u Njujorku tokom oštre zime, pokušavajući da kuvate ili da se ugrejete prljavim ugljem ili gomilama drva za ogrev.Struja je sve to promijenila.
Zanimljivo je da Standard Oil, koji monopolizira tržište nafte, ne isporučuje naftu za benzin.Njihovo tržište je ulje za kuvanje, prženje i rasvjetu.S pojavom električne energije, Standard Oil je morao definirati novu upotrebu nafte, koja bi došla s uvođenjem automobila.
U maju 1878. godine, Standard Oil Company emituje dionice i počinje naftni monopol.
Tokom pozlaćenog doba vidjeli smo neka velika otkrića u elektromagnetizmu.Izmislili smo električni motor, koji pretvara električnu energiju u mehaničku energiju.Vidimo i generatore, koji rade suprotno pretvarajući mehaničku energiju u električnu.
Bilo je to i vrijeme genijalnih pronalazača koji i danas imaju utjecaja na naš elektronski svijet, uključujući:
Thomas Edison je izumio sijalicu 1879. godine, film 1889. godine i mnoge druge inovacije.
Nikola Tesla je izumeo električni motor 1888. godine i izvor naizmenične struje 1895. godine.
Alexander Graham Bell izumio je telefon 1876.
Kodak Georgea Eastmana izumio je prvu potrošačku kameru 1884.
Herman Hollerith je 1890. godine izumio mašinu za tablice i osnovao IBM.
Tokom ovog intenzivnog perioda inovacija, jedna od najvećih debata je ona između AC i DC.Teslina naizmjenična struja je na kraju postala idealna metoda za prijenos energije na velike udaljenosti.Zanimljivo je, međutim, da se i danas bavimo AC-DC konverzijom.
AC je možda dobio bitku, ali DC i dalje dominira elektronikom.
Pogledajte bilo koji elektronski uređaj koji priključite na zid, morate pretvoriti AC u DC.Ili, ako pogledate infrastrukturu potrebnu za solarne panele, oni generiraju električnu energiju u jednosmjernoj struji, koja se mora pretvoriti natrag u AC kao izvor napajanja i natrag u istosmjernu kako bi naši uređaji mogli koristiti.Gotovo bi se moglo reći da AC-DC debata nikada nije završena, upravo je postignuta ravnoteža između dvije suprotstavljene ideje.
U solarnom panelu postoji mnogo razlika između AC i DC.
Imajte na umu da originalna ideja PCB-a nije izmišljena u pozlaćenom dobu.Međutim, bez proizvodnih mogućnosti ove ere i široko rasprostranjenog uticaja električne energije, PCB nikada ne bi bili ono što jesu danas.
Progresivna era (1890. – 1920.)
Progresivna era obilježena je periodom društvenih reformi, sa zakonodavstvom poput Shermanovog antimonopolskog zakona koji je razbio monopol Standard Oila.Tada vidimo prve patente za PCB.Godine 1903. njemački pronalazač Albert Hanson prijavio je britanski patent za uređaj opisan kao plosnati provodnik od folije na višeslojnoj izolacijskoj ploči.Zvuči poznato?
Crtež koji prikazuje prvi PCB patent Alberta Hansona.
Hansen također opisuje koncept primjene kroz rupu u svom patentu.Ovdje pokazuje da možete probušiti rupu u dva sloja vertikalnim linijama kako biste napravili električnu vezu.
Tokom tog vremena, počeli smo da viđamo kako Edison i drugi poslovni lideri čine veliki napor da uvedu električne uređaje u svakodnevne domove.Problem sa ovim pritiskom je potpuni nedostatak standardizacije.Da ste živjeli u New Yorku ili New Jerseyu i koristili Edisonove izume električne energije za osvjetljenje, grijanje ili kuhanje, šta bi se dogodilo da ih koristite u drugom gradu?Ne mogu se koristiti jer svaki grad ima svoju konfiguraciju utičnice.
Problem je dodatno pogoršala činjenica da Edison nije samo želio prodati ljudima sijalicu, već je želio prodati i uslugu.Edison bi vam mogao pružiti uslugu električne energije na mjesečnoj bazi;onda biste kupili sijalice, aparate itd. Naravno, nijedna od ovih usluga nije kompatibilna sa drugim konkurentskim metodama.
Želimo da se zahvalimo Harveyu Hubbelu što je konačno stavio tačku na ovaj nered.Godine 1915. patentirao je standardni utikač za zidnu utičnicu koji se i danas koristi.Sada nemamo toster ili grejnu ploču uključenu u utičnicu sijalice.Ovo je velika pobjeda za standardizaciju industrije.
Zahvaljujući Harvey Hubbelu, sada imamo standardiziranu zidnu utičnicu za sve elektronske uređaje.
Kao završnu napomenu, progresivna era je obilježena Prvim svjetskim ratom. Ovaj sukob je isključivo fokusiran na mehove i rovovsko ratovanje.Koncept PCB-a, pa čak ni osnovna elektronika, još se ne koristi u vojnim aplikacijama, ali će uskoro biti.
Roaring dvadesete (1920-e)
Sa završetkom Prvog svjetskog rata, sada smo u burnim dvadesetim godinama, kada je došlo do velikog procvata američke ekonomije.Po prvi put u istoriji, više ljudi živi u gradovima nego na farmama.Također počinjemo vidjeti da se lanci i brendovi uvode širom SAD-a.Možda imate porodičnu prodavnicu ili dvije u dva različita grada, ali sada imamo velike brendove i trgovine koje idu na nacionalnom nivou.
Najveći izum ovog perioda bio je automobil Henryja Forda i infrastruktura koja mu je bila potrebna.Situacija je slična onoj iz 1990-ih, kada smo morali da izgradimo veliku infrastrukturu da se nosimo s internetom i našim informatičkim dobom gradeći prekidače, rutere i optičke kablove.Automobili nisu izuzetak.
Prvi automobil Henrija Forda – četvorotočkaš.
Ovdje vidimo kako se nekada asfaltirao zemljani put.Ljudima je bio potreban benzin za pogon svojih vozila, pa otuda i potreba za benzinskim pumpama.Također imate servisne radionice, pribor i još mnogo toga.Čitav način života mnogih ljudi proizašao je iz izuma automobila, a tako je i danas.
U to vrijeme smo vidjeli i uvođenje modernih uređaja na koje se i danas oslanjamo, kao što su mašine za pranje veša, usisivači i frižideri.Ljudi će po prvi put moći da kupuju kvarljivu robu u prodavnicama i da je čuvaju na duži rok trajanja.
Ali gdje su naši PCB-i?Još uvijek ih nismo vidjeli korištene u bilo kojem uređaju ili automobilu koji su lansirani u to vrijeme.Međutim, 1925. godine Charles Ducasse je prijavio patent koji opisuje proces dodavanja provodljive boje u izolacijske materijale.Ovo će kasnije rezultirati štampanom pločom ožičenja (PWB).Ovaj patent je prva praktična primjena slična PCB-u, ali samo kao planarni grijač.Još nismo dobili nikakve stvarne električne veze između ploče i komponenti, ali smo blizu.
PCB je nastavio da se razvija, ovaj put se koristio kao kalem za grijanje za Charlesa Ducasa.
Velika depresija (1930-e)
Godine 1929. berza je pala, a sve velike inovacije našeg vremena su pale.Ovdje vidimo period nezaposlenosti iznad 25%, 25.000 bankrota banaka i mnogo nevolja širom svijeta.Bilo je to tragično vrijeme za čovječanstvo u cjelini, otvarajući put usponu Hitlera, Musolinija, Staljina i našim budućim svjetskim sukobima.PCB-i su možda bili tihi do sada, ali to će se sve promijeniti.
Velika depresija je pogodila sve, od banaka do običnih radnika.
Drugi svjetski rat (1939 – 1945)
Drugi svjetski rat je bio u toku, a Sjedinjene Države su se uključile u borbu nakon bombardiranja Pearl Harbora 1942. Ono što je zanimljivo u vezi s Pearl Harborom je cijeli komunikacijski neuspjeh koji je doveo do napada.SAD su imale dobre dokaze o neminovnoj krizi, ali sve metode kontakta sa njihovom vojnom bazom u Honoluluu bile su neuspješne, a ostrvo je zatečeno nespremno.
Kao rezultat ovog neuspjeha, Ministarstvo odbrane je shvatilo da im je potrebno pouzdanije sredstvo komunikacije.Ovo je dovelo elektroniku u prvi plan kao primarno sredstvo komunikacije koje je zamijenilo Morzeovu azbuku.
Takođe, tokom Drugog svetskog rata videli smo prvu upotrebu PCB-a u osiguračima koje imamo danas.Uređaj se koristi za projektile velike brzine koji zahtijevaju preciznu vatru na velikim udaljenostima na nebu ili na kopnu.Britanci su prvobitno razvili osigurač za blizinu kako bi se suprotstavili napredovanju Hitlerove vojske.Kasnije je podijeljen sa Sjedinjenim Državama gdje su dizajn i proizvodnja usavršeni.
Jedna od prvih vojnih aplikacija koja je koristila PCB-e bili su blizinski osigurači.
Za to vrijeme imali smo i Paula Eislera, Austrijanca koji živi u Velikoj Britaniji, koji je patentirao bakarnu foliju na neprovodnoj staklenoj podlozi.Zvuči poznato?Ovo je koncept koji i danas koristimo za pravljenje PCB-a sa izolacijom i bakrom na vrhu/dno.Eisler je ovu ideju napravio korak dalje kada je napravio radio od svog PCB-a 1943. godine, koji će utrti put za buduće vojne primjene.
Paul Eisler je napravio radio od prve štampane ploče (PCB).
Baby Boomers (1940-e)
Kako se Drugi svjetski rat bližio kraju, vidjeli smo kako se naši vojnici vraćaju kući, osnivaju porodice i imaju čitavu gomilu djece.Recite bejbi bumerima.Bilo je to u poslijeratnoj eri kada smo vidjeli ogromna poboljšanja postojećih uređaja kao što su usisivači, mašine za pranje veša, televizori i radio.Sada kada je velika recesija iza nas, mnogi potrošači konačno mogu priuštiti ove uređaje u svojim domovima.
Još uvijek nismo vidjeli PCB-e za potrošače.Gdje su radovi Paula Eislera?Pogledajte ovaj stari TV ispod i vidjet ćete sve komponente, ali bez temeljne PCB osnove.
Stari Motorola TV iz 1948. godine, bez PCB-a.
Uprkos nedostatku PCB-a, vidjeli smo dolazak tranzistora u Bell Labs 1947. Trebalo je još šest godina 1953. prije nego što je uređaj konačno upotrijebljen u proizvodnji, ali zašto toliko dugo?U to vrijeme, informacije su se širile putem časopisa, konferencija, itd. Prije informatičkog doba, širenju informacija je bilo potrebno vrijeme da se proširi.
Prvi tranzistor rođen je u Bell Laboratories 1947.
Hladnog rata (1947 – 1991)
Dolazak ere Hladnog rata označio je značajan period napetosti između Sjedinjenih Država i Sovjetskog Saveza.Zbog razlika između kapitalizma i komunizma, ova dva diva su gotovo u međusobnom ratu i doveli su svijet pod prijetnju nuklearnog uništenja.
Da bi ostale ispred u ovoj trci u naoružanju, obje strane moraju poboljšati svoju sposobnost komunikacije kako bi razumjele šta neprijatelj radi.Ovdje vidimo da se PCB koristi u punom potencijalu.Godine 1956. američka vojska objavila je patent za “proces sklapanja kola”.Proizvođači sada imaju način da drže elektroniku i naprave veze između komponenti sa bakrenim tragovima.
Kako su PCB-i počeli da rastu u svijetu proizvodnje, našli smo se u prvoj svjetskoj svemirskoj utrci.Rusija je za to vreme imala neverovatna dostignuća, uključujući:
1957 Lansiranje prvog veštačkog satelita Sputnjik
1959 Lansiranje Lune 2, prve svemirske letjelice na Mjesec
1961. godine Jurij Gagarin, prvi kosmonaut, poslat je u orbitu Zemlje
Prvi veštački satelit u Rusiji, Sputnjik, lansiran je 1957.
Gdje je Amerika u svemu tome?Uglavnom u zaostatku, obično je potrebno godinu ili dvije da se razvije ista tehnologija.Rešavajući ovaj jaz, vidimo da je američki svemirski budžet 1960. porastao pet puta. Imamo i čuveni govor predsjednika Kennedyja iz 1962., čiji dio vrijedi citirati:
“Odabrali smo da idemo na Mjesec!Odlučili smo da idemo na Mesec da radimo druge stvari ove decenije, ne zato što su lake, već zato što su teške;jer će ovaj cilj pomoći u organizaciji i mjerenju naše najbolje energije i vještina, zbog toga su izazovi ono što smo spremni preuzeti, ono što nismo voljni odgoditi i ono što smo spremni pobijediti.”– John F. Kennedy, predsjednik Sjedinjenih Država, 12. septembra 1962
Sve je to dovelo do značajnog trenutka u istoriji.20. jula 1969. prvi Amerikanac sletio je na Mjesec.
Prvi čovek na Mesecu, istorijski trenutak za čovečanstvo.
Vraćajući se PCB-ima, 1963. godine Hazeltyne Corporation je patentirala prvu tehnologiju sa pločom kroz rupe.Ovo će omogućiti da komponente budu upakovane blizu jedna uz drugu na PCB-u bez brige o unakrsnom povezivanju.Također smo vidjeli uvođenje tehnologije površinskog montiranja (SMT), koju je razvio IBM.Ovi gusti sklopovi su prvi put viđeni u praksi u raketnom busteru Saturn.
1967. Prvi patent za PCB tehnologiju kroz rupu.
Zora mikroprocesora (1970-e)
Sedamdesete su nam donijele prvi mikroprocesor u obliku integriranog kola (IC).Ovo je prvobitno razvio Jack Kilby iz Texas Instrumentsa 1958. Kilby je bio nov u TI, tako da su njegove inovativne ideje za IC-e uglavnom držane u tajnosti.Međutim, kada su stariji inženjeri TI-ja poslati na jednonedeljni sastanak, Kilby je ostao i trčao sa idejama u glavi.Ovdje je razvio prvi IC u TI laboratorijama, a inženjerima koji su se vratili to se svidjelo.
Jack Kilby drži prvo integrirano kolo.
Sedamdesetih godina prošlog stoljeća vidjeli smo prvu upotrebu IC-a u proizvodnji elektronike.U ovom trenutku, ako ne koristite PCB za svoje veze, u velikoj ste nevolji.
Zora digitalnog doba (1980-e)
Digitalno doba je donijelo ogromnu promjenu u medijima koje konzumiramo, uvođenjem ličnih uređaja kao što su diskovi, VHS, kamere, konzole za igre, walkman i još mnogo toga.
1980. Atari konzola za video igre ostvarila je dječje snove.
Važno je napomenuti da su PCB-i još uvijek crtani ručno pomoću svjetlosnih ploča i šablona, ali su se onda pojavili kompjuteri i EDA.Ovdje vidimo EDA softver poput Protela i EAGLE-a koji revolucionira način na koji dizajniramo i proizvodimo elektroniku.Umjesto fotografije PCB-a, sada možemo sačuvati dizajn kao Gerber tekstualnu datoteku, čije koordinate se mogu unijeti u mašinu za proizvodnju za proizvodnju PCB-a.
Internetsko doba (1990-e)
U 90-im godinama, vidjeli smo da je upotreba silicijuma došla u punom zamahu s uvođenjem BGA.Sada možemo staviti više kapija na jedan čip i početi ugrađivati memoriju i sisteme na čipu (SoC) zajedno.Ovo je takođe bio period visoke minijaturizacije elektronike.Nismo vidjeli nikakve nove karakteristike dodane na PCB, ali cijeli proces dizajna je počeo da se mijenja i razvija, prelazeći na IC.
Dizajneri sada moraju implementirati strategije dizajna za testiranje (DFT) u svoje izglede.Nije lako ubaciti komponentu i dodati plavu liniju.Inženjeri moraju dizajnirati svoje rasporede imajući na umu buduću preradu.Da li su sve ove komponente postavljene tako da se mogu lako ukloniti?Ovo je velika briga.
To je također bilo doba kada su manji paketi komponenti poput 0402 činili ručno lemljenje pločica gotovo nemogućim.Dizajner sada živi u svom EDA softveru, a proizvođač je odgovoran za fizičku proizvodnju i montažu.
Komponente za površinsku montažu od najvećih do najmanjih.
Hibridna era (2000-te i dalje)
Sječen na današnju eru elektronike i PCB dizajna;ono što nazivamo hibridnom erom.U prošlosti smo imali više uređaja za različite potrebe.Potreban vam je kalkulator;kupiš kalkulator.Želite da igrate video igrice;kupujete konzolu za video igre.Sada možete kupiti pametni telefon i dobiti 30 različitih nivoa ugrađenih funkcija.Ovo može izgledati prilično očigledno, ali je prilično zapanjujuće kada vidite sve stvari koje naši pametni telefoni mogu učiniti:
oprema za igre adresar e-mail skener bar kodova baterijska lampa zvono kamera navigacija
muzički plejer raspored VCR mapa Internet pretraživač kalendar kalendar filmski plejer kalkulator
Telefonska bilježnica Telefonska sekretarica
U dobu smo konsolidacije uređaja, ali šta je sljedeće?PCB-i su uspostavljeni i imamo procese i procedure za gotovo sve.Aplikacije velike brzine postaju norma.Takođe vidimo da je samo 25% PCB dizajnera mlađe od 45 godina, dok se 75% sprema za penziju.Čini se da je industrija u vremenu krize.
Hoće li budućnost dizajna PCB-a biti roboti?Možda u nosivom uređaju s flex sklopom?Ili bismo mogli vidjeti kako protoni zamjenjuju elektrone fotonikom.Što se tiče onoga što znamo o fizičkim PCB-ima, to bi se moglo promijeniti u budućnosti.Ne postoji potreba za fizičkim medijumom koji bi omogućio vezu između komponenti, već potencijal talasne tehnologije.Ovo bi omogućilo komponentama da šalju signale bežično bez potrebe za bakrom.
Šta će donijeti budućnost?
Niko zapravo ne zna kuda ide budućnost dizajna PCB-a, pa čak ni elektronike uopšte.Prošlo je skoro 130 godina otkako su naši proizvodni mišići počeli da rade.Od tada, svijet se zauvijek promijenio uvođenjem velikih proizvoda kao što su automobili, uređaji, kompjuteri, pametni telefoni i još mnogo toga.Prošla su vremena kada smo ovisili o uglju, drvetu ili nafti za sav naš osnovni život i preživljavanje.Sada imamo elektronske uređaje koji mogu zadovoljiti naše svakodnevne potrebe.
Ali šta donosi budućnost?Ovo je velika nepoznanica.Svi znamo da svaki izum pred nama stoji na plećima svojih prethodnika.Naši preci su donijeli dizajn PCB-a tamo gdje je danas, a sada moramo inovirati i revolucionirati način na koji dizajniramo i komuniciramo s tehnologijom.Budućnost može biti bilo šta.Budućnost zavisi od vas.
Vrijeme objave: Mar-17-2023