Comme beaucoup d'autres grandes inventions à travers l'histoire, lecarte de circuit imprimé (PCB)tel que nous le connaissons aujourd'hui est basé sur les progrès réalisés tout au long de l'histoire.Dans notre petit coin du monde, nous pouvons retracer l'histoire des PCB depuis plus de 130 ans, lorsque les grandes machines industrielles du monde commençaient à peine.Ce que nous couvrirons dans ce blog n'est pas l'histoire complète, mais les moments importants qui ont transformé le PCB en ce qu'il est aujourd'hui.
Pourquoi PCB?
Au fil du temps, les PCB sont devenus un outil d'optimisation de la fabrication de produits électroniques.Ce qui était autrefois facile à assembler à la main a rapidement cédé la place à des composants microscopiques nécessitant précision mécanique et efficacité.Prenez les deux cartes illustrées dans la figure ci-dessous à titre d'exemple.L'un est un vieux tableau des années 1960 pour les calculatrices.L'autre est la carte mère haute densité typique que vous verrez dans les ordinateurs d'aujourd'hui.
Une comparaison de PCB entre une calculatrice de 1968 et les cartes mères modernes d'aujourd'hui.
Dans une calculatrice, nous pouvons avoir plus de 30 transistors, mais sur une seule puce d'une carte mère, vous trouverez plus d'un million de transistors.Le fait est que le rythme d'avancement de la technologie et de la conception des PCB elle-même est impressionnant.Tout sur un circuit imprimé de calculatrice peut désormais tenir dans une seule puce dans les conceptions d'aujourd'hui.Cela attire l'attention sur plusieurs tendances notables dans la fabrication de PCB :
Nous intégrons davantage de fonctionnalités dans des dispositifs avancés tels que les circuits intégrés (CI) et les microprocesseurs.
Nous réduisons les composants passifs tels que les résistances et les condensateurs au niveau microscopique.
Tout cela entraîne une augmentation de la densité et de la complexité des composants sur nos circuits imprimés.
Toutes ces avancées sont principalement motivées par des améliorations de la vitesse et de la fonctionnalité de nos produits.Nous nous attendons à ce que nos appareils répondent instantanément, même quelques secondes de retard peuvent nous plonger dans une frénésie.Pour la fonctionnalité, pensez aux jeux vidéo.Dans les années 80, vous avez probablement joué à Pac-Man dans une salle d'arcade.Nous voyons maintenant des représentations photoréalistes de la réalité.La progression est juste folle.
Les visuels des jeux vidéo sont presque réalistes de nos jours.
Il est clair que les PCB ont évolué en réponse directe à ce que nous attendons de nos appareils.Nous avons besoin de produits plus rapides, moins chers et plus puissants, et la seule façon de répondre à ces demandes est de miniaturiser et d'améliorer l'efficacité du processus de fabrication.Quand ce boom de l'électronique et des PCB a-t-il commencé ?A l'aube de l'âge d'or.
Âge d'or (1879 – 1900)
Nous avons mis fin à la guerre civile américaine dans les années 60, et maintenant la fabrication américaine est en plein essor.En attendant, nous faisons ce que nous pouvons, de la nourriture aux vêtements, en passant par les meubles et les rails.L'industrie du transport maritime est à l'offensive, et nos plus grands ingénieurs sont en train de trouver comment faire passer quelqu'un de la côte est des États-Unis à la côte ouest en 5 à 7 jours au lieu de 5 à 7 mois.
Les chemins de fer ont fait voyager d'un océan à l'autre des jours au lieu de mois.
Pendant ce temps, nous avons également introduit l'électricité dans les foyers, d'abord dans les villes, puis dans les banlieues et les zones rurales.L'électricité remplace désormais le charbon, le bois et le pétrole.Pensez à vivre à New York pendant l'hiver rigoureux, en essayant de cuisiner ou de vous réchauffer avec des charbons sales ou des tas de bois de chauffage.L'électricité a tout changé.
Un point intéressant est que Standard Oil, qui monopolise le marché du pétrole, ne fournit pas de pétrole pour l'essence.Leur marché est l'huile pour la cuisson, la friture et l'éclairage.Avec l'avènement de l'électricité, Standard Oil devait définir un nouvel usage du pétrole, qui viendrait avec l'introduction de l'automobile.
En mai 1878, la Standard Oil Company a émis des actions et le monopole pétrolier a commencé.
Au cours de l'âge d'or, nous avons vu de grandes découvertes dans l'électromagnétisme.Nous avons inventé le moteur électrique, qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique.On voit aussi des générateurs, qui font le contraire en convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique.
C'était aussi une époque d'inventeurs de génie qui ont encore aujourd'hui un impact sur notre monde électronique, notamment :
Thomas Edison a inventé l'ampoule électrique en 1879, le film en 1889 et bien d'autres innovations.
Nikola Tesla a inventé le moteur électrique en 1888 et la source d'alimentation en courant alternatif en 1895.
Alexander Graham Bell a inventé le téléphone en 1876.
Kodak de George Eastman a inventé le premier appareil photo grand public en 1884.
Herman Hollerith a inventé la machine à tabuler en 1890 et a ensuite fondé IBM.
Durant cette intense période d'innovation, l'un des plus grands débats est celui entre AC et DC.Le courant alternatif de Tesla est finalement devenu la méthode idéale pour transmettre de l'énergie sur de longues distances.Fait intéressant, cependant, nous traitons toujours de la conversion AC-DC aujourd'hui.
Le courant alternatif a peut-être gagné la bataille, mais le courant continu domine toujours l'électronique.
Regardez tout appareil électronique que vous branchez au mur, vous devez convertir le courant alternatif en courant continu.Ou, si vous regardez l'infrastructure requise pour les panneaux solaires, ils génèrent de l'électricité en courant continu, qui doit être reconvertie en courant alternatif comme source d'alimentation, et de nouveau en courant continu pour que nos appareils puissent l'utiliser.On pourrait presque dire que le débat AC-DC n'était jamais terminé, un équilibre venait d'être trouvé entre deux idées opposées.
Il y a beaucoup de va-et-vient entre AC et DC dans un panneau solaire.
Notez que l'idée originale du PCB n'a pas été inventée à l'âge d'or.Cependant, sans les capacités de fabrication de cette époque et l'influence généralisée de l'électricité, les PCB ne seraient jamais ce qu'ils sont aujourd'hui.
Ere progressiste (1890 – 1920)
L'ère progressiste a été marquée par une période de réforme sociale, avec des lois comme le Sherman Antitrust Act brisant le monopole de Standard Oil.C'est aussi à ce moment que l'on voit les premiers brevets PCB.En 1903, l'inventeur allemand Albert Hanson a déposé une demande de brevet britannique pour un dispositif décrit comme un conducteur à feuille plate sur un panneau isolant multicouche.Semble familier?
Dessin représentant le premier brevet PCB d'Albert Hanson.
Hansen décrit également le concept d'applications traversantes dans son brevet.Ici, il montre que vous pouvez percer un trou en deux couches avec des lignes verticales pour établir une connexion électrique.
Pendant ce temps, nous avons commencé à voir Edison et d'autres chefs d'entreprise faire un gros effort pour intégrer les appareils électriques dans les foyers de tous les jours.Le problème avec cette poussée est le manque total de standardisation.Si vous viviez à New York ou au New Jersey et que vous utilisiez les inventions électriques d'Edison pour l'éclairage, le chauffage ou la cuisine, que se passerait-il si vous les utilisiez dans une autre ville ?Ils ne peuvent pas être utilisés car chaque ville a sa propre configuration de socket.
Le problème a également été aggravé par le fait qu'Edison ne voulait pas seulement vendre une ampoule aux gens, il voulait aussi vendre un service.Edison pourrait vous fournir un service d'électricité sur une base mensuelle ;alors vous achèteriez des ampoules, des appareils électroménagers, etc. Bien sûr, aucun de ces services n'est compatible avec d'autres méthodes concurrentes.
Nous tenons à remercier Harvey Hubbel d'avoir enfin mis fin à ce gâchis.En 1915, il fait breveter la prise murale standard encore utilisée aujourd'hui.Maintenant, nous n'avons plus de grille-pain ou de plaque chauffante branchés sur une douille d'ampoule.C'est une énorme victoire pour la normalisation de l'industrie.
Grâce à Harvey Hubbel, nous disposons désormais d'une prise murale standardisée pour tous les appareils électroniques.
Enfin, l'ère progressiste a été marquée par la Première Guerre mondiale. Ce conflit est purement axé sur les mechs et la guerre des tranchées.Le concept PCB, ou même l'électronique de base, n'est pas encore utilisé dans les applications militaires, mais il le sera bientôt.
Années folles (années 1920)
Avec la fin de la Première Guerre mondiale, nous sommes maintenant dans les années folles, qui ont vu un énorme boom de l'économie américaine.Pour la première fois dans l'histoire, plus de gens vivent dans les villes que dans les fermes.Nous commençons également à voir des chaînes et des marques être introduites à travers les États-Unis.Vous avez peut-être un magasin familial ou deux dans deux villes différentes, mais maintenant nous avons de grandes marques et des magasins qui deviennent nationaux.
La plus grande invention de cette période était l'automobile d'Henry Ford et l'infrastructure qu'elle nécessitait.La situation est similaire aux années 1990, lorsque nous avons dû construire une infrastructure majeure pour faire face à Internet et à notre ère de l'information en construisant des commutateurs, des routeurs et des câbles à fibres optiques.Les voitures ne font pas exception.
La première voiture d'Henry Ford - un véhicule à quatre roues.
Ici, nous voyons ce qui était autrefois un chemin de terre en cours de pavage.Les gens avaient besoin d'essence pour alimenter leurs véhicules, d'où le besoin de stations-service.Vous avez également des ateliers de réparation, des accessoires et plus encore.Le mode de vie de nombreuses personnes est né de l'invention de l'automobile, et il l'est encore aujourd'hui.
C'est également à cette époque que nous avons vu l'introduction d'appareils modernes sur lesquels nous comptons encore aujourd'hui, tels que les machines à laver, les aspirateurs et les réfrigérateurs.Pour la première fois, les gens pourront acheter des denrées périssables dans les magasins et les stocker pour une durée de conservation prolongée.
Mais où sont nos PCB ?Nous ne les avons toujours pas vus utilisés dans des appareils ou des voitures lancés pendant cette période.Cependant, en 1925, Charles Ducasse dépose un brevet décrivant le procédé d'ajout d'encre conductrice sur des matériaux isolants.Cela se traduira plus tard par une carte de câblage imprimé (PWB).Ce brevet est la première application pratique similaire à un PCB, mais uniquement en tant que bobine chauffante plane.Nous n'avons pas encore obtenu de connexions électriques réelles entre la carte et les composants, mais nous nous rapprochons.
Le PCB a continué d'évoluer, cette fois-ci étant utilisé comme serpentin de chauffage pour Charles Ducas.
Grande Dépression (années 1930)
En 1929, la bourse s'effondre, et toutes les grandes innovations de notre époque s'effondrent.Nous voyons ici une période de chômage au-dessus de 25%, 25 000 faillites bancaires et beaucoup de problèmes dans le monde.Ce fut une période tragique pour l'humanité dans son ensemble, ouvrant la voie à la montée d'Hitler, de Mussolini, de Staline et de nos futurs conflits mondiaux.Les PCB étaient peut-être silencieux jusqu'à présent, mais tout cela est sur le point de changer.
La Grande Dépression a touché tout le monde, des banques aux travailleurs ordinaires.
Seconde Guerre mondiale (1939 - 1945)
La Seconde Guerre mondiale était en cours et les États-Unis se sont joints à la mêlée après le bombardement de Pearl Harbor en 1942. Ce qui est intéressant à propos de Pearl Harbor, c'est toute la panne de communication qui a conduit à l'attaque.Les États-Unis avaient de bonnes preuves d'une crise imminente, mais toutes les méthodes de contact avec leur base militaire à Honolulu ont échoué et l'île a été prise au dépourvu.
À la suite de cet échec, le DoD a réalisé qu'il avait besoin d'un moyen de communication plus fiable.Cela a amené l'électronique au premier plan en tant que principal moyen de communication remplaçant le code Morse.
C'est également pendant la Seconde Guerre mondiale que nous avons vu la première utilisation de PCB dans les fusibles de proximité que nous avons aujourd'hui.L'appareil est utilisé pour les projectiles à grande vitesse qui nécessitent un tir de précision à longue distance dans le ciel ou sur terre.La fusée de proximité a été développée à l'origine par les Britanniques pour contrer l'avancée de l'armée hitlérienne.Il a ensuite été partagé avec les États-Unis où la conception et la fabrication ont été perfectionnées.
L'une des premières applications militaires à utiliser des PCB a été les fusibles de proximité.
Pendant ce temps, nous avons également eu Paul Eisler, un Autrichien vivant au Royaume-Uni, brevetant une feuille de cuivre sur un substrat de verre non conducteur.Semble familier?C'est un concept que nous utilisons encore aujourd'hui pour fabriquer des PCB avec isolation et cuivre sur le dessus/le dessous.Eisler a poussé cette idée un peu plus loin lorsqu'il a construit une radio à partir de son PCB en 1943, ce qui ouvrirait la voie à de futures applications militaires.
Paul Eisler a construit une radio à partir de la première carte de circuit imprimé (PCB).
Baby-boomers (années 1940)
Alors que la Seconde Guerre mondiale touchait à sa fin, nous avons vu nos soldats rentrer chez eux, fonder des familles et avoir tout un tas d'enfants.Cue les baby-boomers.C'est dans l'après-guerre que nous avons vu des améliorations massives aux appareils existants tels que les aspirateurs, les machines à laver, les téléviseurs et les radios.Maintenant que la Grande Récession est derrière nous, de nombreux consommateurs peuvent enfin se permettre ces appareils chez eux.
Nous n'avons toujours pas vu de PCB de qualité grand public.Où sont les œuvres de Paul Eisler ?Jetez un œil à cet ancien téléviseur ci-dessous et vous verrez tous les composants, mais sans la base de PCB sous-jacente.
Un vieux téléviseur Motorola de 1948, sans PCB.
Malgré le manque de PCB, nous avons vu l'arrivée du transistor aux Bell Labs en 1947. Il a fallu encore six ans en 1953 avant que l'appareil ne soit finalement utilisé en production, mais pourquoi si longtemps ?À cette époque, l'information était diffusée par le biais de revues, de conférences, etc. Avant l'ère de l'information, la diffusion de l'information prenait juste du temps à se répandre.
Le premier transistor est né aux laboratoires Bell en 1947.
Époque de la guerre froide (1947 - 1991)
L'avènement de l'ère de la guerre froide a marqué une période de tension considérable entre les États-Unis et l'Union soviétique.En raison des différences entre le capitalisme et le communisme, ces deux géants sont presque en guerre l'un contre l'autre et ont mis le monde sous la menace de l'anéantissement nucléaire.
Pour rester en tête dans cette course aux armements, les deux parties doivent améliorer leur capacité à communiquer pour comprendre ce que fait l'ennemi.Ici, nous voyons le PCB utilisé à son plein potentiel.En 1956, l'armée américaine a publié un brevet pour un "processus d'assemblage de circuits".Les fabricants ont désormais un moyen de maintenir l'électronique et d'établir des connexions entre les composants avec des traces de cuivre.
Alors que les PCB commençaient à décoller dans le monde de la fabrication, nous nous sommes retrouvés dans la première course spatiale au monde.La Russie a réalisé des réalisations incroyables au cours de cette période, notamment :
1957 Lancement du premier satellite artificiel, Spoutnik
1959 Lancement de Luna 2, le premier vaisseau spatial vers la Lune
En 1961, Youri Gagarine, le premier cosmonaute, a été envoyé en orbite autour de la Terre
Le premier satellite artificiel russe, Spoutnik, a été lancé en 1957.
Où est l'Amérique dans tout ça ?Principalement à la traîne, il faut généralement un an ou deux pour développer la même technologie.Pour combler cet écart, nous voyons le budget spatial américain quintupler en 1960. Nous avons également le célèbre discours du président Kennedy de 1962, dont une partie mérite d'être citée :
"Nous choisissons d'aller vers la lune!Nous choisissons d'aller sur la lune pour faire d'autres choses cette décennie, non pas parce qu'elles sont faciles, mais parce qu'elles sont difficiles ;parce que cet objectif aidera à organiser et à mesurer nos meilleures énergies et compétences, car les défis sont ce que nous sommes prêts à relever, ce que nous ne sommes pas prêts à reporter et ce que nous sommes prêts à gagner.– John F. Kennedy, président des États-Unis, 12 septembre 1962
Tout cela a conduit à un moment historique dans l'histoire.Le 20 juillet 1969, le premier homme américain a atterri sur la lune.
Le premier homme sur la lune, un moment historique pour l'humanité.
Pour en revenir aux PCB, en 1963, Hazeltyne Corporation a fait breveter la première technologie de trou traversant plaqué.Cela permettra aux composants d'être regroupés sur le circuit imprimé sans se soucier des interconnexions.Nous avons également vu l'introduction de la technologie de montage en surface (SMT), développée par IBM.Ces assemblages denses ont été vus pour la première fois en pratique dans un propulseur de fusée Saturn.
1967 Le premier brevet de technologie PCB traversant.
L'aube du microprocesseur (années 1970)
Les années 70 nous ont apporté le premier microprocesseur sous la forme d'un circuit intégré (CI).Cela a été développé à l'origine par Jack Kilby de Texas Instruments en 1958. Kilby était nouveau chez TI, de sorte que ses idées innovantes pour les circuits intégrés étaient en grande partie tenues secrètes.Cependant, lorsque les ingénieurs seniors de TI ont été envoyés à une réunion d'une semaine, Kilby est resté sur place et a couru avec les idées en tête.Ici, il a développé le premier circuit intégré dans les laboratoires TI, et les ingénieurs de retour l'ont adoré.
Jack Kilby détient le premier circuit intégré.
Dans les années 1970, nous avons vu la première utilisation des circuits intégrés dans la fabrication électronique.À ce stade, si vous n'utilisez pas de PCB pour vos connexions, vous avez de gros problèmes.
L'aube de l'ère numérique (années 1980)
L'ère numérique a entraîné un énorme changement dans les médias que nous consommons, avec l'introduction d'appareils personnels tels que les disques, les VHS, les appareils photo, les consoles de jeux, les baladeurs, etc.
En 1980, la console de jeux vidéo Atari réalise des rêves d'enfants.
Il est important de noter que les PCB étaient encore dessinés à la main à l'aide de panneaux lumineux et de pochoirs, mais ensuite les ordinateurs et l'EDA sont arrivés.Ici, nous voyons des logiciels EDA comme Protel et EAGLE révolutionner la façon dont nous concevons et fabriquons l'électronique.Au lieu d'une photo du PCB, nous pouvons maintenant enregistrer la conception sous forme de fichier texte Gerber, dont les coordonnées peuvent être saisies dans les machines de fabrication pour produire le PCB.
L'ère d'Internet (années 1990)
Dans les années 90, on a vu l'utilisation du silicium prendre son essor avec l'introduction du BGA.Nous pouvons maintenant installer plus de portes sur une seule puce et commencer à intégrer la mémoire et les systèmes sur puce (SoC) ensemble.Ce fut aussi une période de forte miniaturisation de l'électronique.Nous n'avons vu aucune nouvelle fonctionnalité ajoutée au PCB, mais l'ensemble du processus de conception a commencé à changer et à évoluer, passant au CI.
Les concepteurs doivent désormais implémenter des stratégies de conception pour test (DFT) dans leurs mises en page.Il n'est pas facile de faire apparaître un composant et d'ajouter une ligne bleue.Les ingénieurs doivent concevoir leurs mises en page en gardant à l'esprit les futures retouches.Tous ces composants sont-ils placés de manière à pouvoir être facilement retirés ?C'est une grande préoccupation.
C'était aussi une époque où les petits boîtiers de composants comme le 0402 rendaient le soudage manuel des cartes de circuits imprimés presque impossible.Le concepteur vit désormais dans son logiciel EDA et le fabricant est responsable de la production physique et de l'assemblage.
Composants de montage en surface du plus grand au plus petit.
Ère hybride (années 2000 et au-delà)
Coupé à l'ère actuelle de l'électronique et de la conception de circuits imprimés ;ce que nous appelons l'ère hybride.Dans le passé, nous avions plusieurs appareils pour de multiples besoins.Vous avez besoin d'une calculatrice;vous achetez une calculatrice.Vous voulez jouer à des jeux vidéo ;vous achetez une console de jeux vidéo.Vous pouvez maintenant acheter un smartphone et obtenir 30 niveaux différents de fonctionnalités intégrées.Cela peut sembler assez évident, mais c'est assez étonnant quand on voit tout ce que nos smartphones peuvent faire :
équipement de jeu carnet d'adresses e-mail lecteur de codes-barres lampe de poche cloche caméra navigation
programme du lecteur de musique carte magnétoscope navigateur Internet calendrier lecteur de film calculatrice
Cahier téléphonique Enregistreur de tickets Répondeur Livrets bancaires à messages courts
Nous sommes à l'ère de la consolidation des appareils, mais quelle est la prochaine étape ?Les BPC sont établis et nous avons des processus et des procédures pour presque tout.Les applications à grande vitesse deviennent la norme.On constate également que seuls 25 % des concepteurs de PCB ont moins de 45 ans, alors que 75 % s'apprêtent à prendre leur retraite.L'industrie semble être en crise.
L'avenir de la conception de PCB sera-t-il des robots ?Peut-être dans un portable avec un circuit flexible ?Ou nous pourrions voir des protons remplacer les électrons par la photonique.En ce qui concerne ce que nous savons sur les PCB physiques, cela pourrait même changer à l'avenir.Il n'y a pas besoin d'un support physique pour permettre la connexion entre les composants, mais plutôt du potentiel de la technologie ondulatoire.Cela permettrait aux composants d'envoyer des signaux sans fil sans avoir besoin de cuivre.
Qu'est ce que contiendra le futur?
Personne ne sait vraiment où se dirige l'avenir de la conception de circuits imprimés, ou même de l'électronique en général.Cela fait près de 130 ans que nos muscles de fabrication ont commencé à travailler.Depuis lors, le monde a changé pour toujours avec l'introduction de produits majeurs comme les voitures, les appareils électroménagers, les ordinateurs, les smartphones, etc.L'époque où nous dépendions du charbon, du bois ou du pétrole pour nos moyens de subsistance et notre survie est révolue.Nous avons maintenant des gadgets électroniques qui peuvent répondre à nos besoins quotidiens.
Mais que nous réserve l'avenir ?C'est une grande inconnue.Nous savons tous que chaque invention devant nous repose sur les épaules de ses prédécesseurs.Nos ancêtres ont amené la conception de PCB là où elle est aujourd'hui, et maintenant nous devons innover et révolutionner la façon dont nous concevons et interagissons avec la technologie.L'avenir peut être n'importe quoi.L'avenir dépend de vous.
Heure de publication : 17 mars 2023