Como moitos outros grandes inventos ao longo da historia, oplaca de circuito impreso (PCB)tal e como o coñecemos hoxe baséase nos avances realizados ao longo da historia.No noso pequeno recuncho do mundo, podemos rastrexar a historia dos PCB hai máis de 130 anos, cando as grandes máquinas industriais do mundo estaban a comezar.O que trataremos neste blog non é a historia completa, senón os momentos importantes que transformaron o PCB no que é hoxe.
Por que PCB?
Co paso do tempo, os PCB convertéronse nunha ferramenta para optimizar a fabricación de produtos electrónicos.O que antes era fácil de montar a man deu paso rapidamente a compoñentes microscópicos que requirían precisión e eficiencia mecánicas.Tome como exemplo as dúas placas que se mostran na figura de abaixo.Unha delas é unha tarxeta antiga dos anos 60 para calculadoras.A outra é a típica placa base de alta densidade que verás nos ordenadores actuais.
Unha comparación de PCB entre unha calculadora de 1968 e as modernas placas base.
Nunha calculadora podemos ter máis de 30 transistores, pero nun só chip dunha placa base atoparás máis dun millón de transistores.O punto é que a taxa de avance da tecnoloxía e do deseño de PCB é impresionante.Todo o que hai nun PCB da calculadora agora pode caber nun único chip nos deseños actuais.Isto chama a atención sobre varias tendencias notables na fabricación de PCB:
Estamos integrando máis funcionalidades en dispositivos avanzados como circuítos integrados (CI) e microprocesadores.
Estamos reducindo os compoñentes pasivos como resistencias e capacitores ata o nivel microscópico.
Todo isto leva a unha maior densidade de compoñentes e complexidade nas nosas placas de circuíto.
Todos estes avances son impulsados principalmente polas melloras na velocidade e na funcionalidade dos nosos produtos.Esperamos que os nosos dispositivos respondan ao instante, incluso uns segundos de atraso poden levarnos a un frenesí.Para a funcionalidade, considera os videoxogos.Alá polos anos 80, probablemente xogaches a Pac-Man nun xogo recreativo.Agora estamos vendo representacións fotoreais da realidade.O progreso é simplemente tolo.
As imaxes dos videoxogos son case reales hoxe en día.
Está claro que os PCB evolucionaron en resposta directa ao que esperamos dos nosos dispositivos.Necesitamos produtos máis rápidos, máis baratos e potentes, e a única forma de satisfacer estas demandas é miniaturizar e mellorar a eficiencia do proceso de fabricación.Cando comezou este boom da electrónica e dos PCB?Nos albores da Idade dourada.
Idade dourada (1879-1900)
Rematamos a guerra civil estadounidense nos anos 60, e agora a fabricación estadounidense está en auxe.Mentres tanto, estamos a facer o que podemos, dende a comida ata a roupa, pasando polos mobles e os carriles.A industria do transporte marítimo está á ofensiva e os nosos enxeñeiros máis grandes están a descubrir como levar a alguén da costa leste dos Estados Unidos á costa oeste en 5 ou 7 días en lugar de 5 ou 7 meses.
Os ferrocarrís que viaxan de costa a costa levan días en lugar de meses.
Durante este tempo, tamén levamos electricidade ao fogar, primeiro nas cidades e despois nos suburbios e as zonas rurais.A electricidade é agora un substituto do carbón, da madeira e do petróleo.Pense en vivir en Nova York durante o duro inverno, tentando cociñar ou abrigarse con carbóns sucios ou pilas de leña.A electricidade cambiou todo iso.
Un punto interesante é que Standard Oil, que monopoliza o mercado do petróleo, non fornece petróleo para a gasolina.O seu mercado é o aceite para cociñar, fritir e alumear.Coa chegada da electricidade, Standard Oil necesitaba definir un novo uso para o petróleo, que viría coa introdución do automóbil.
En maio de 1878, a Standard Oil Company emitiu accións e comezou o monopolio do petróleo.
Durante a Idade de Ouro vimos uns grandes descubrimentos no electromagnetismo.Inventamos o motor eléctrico, que converte a enerxía eléctrica en enerxía mecánica.Tamén vemos xeradores, que fan o contrario ao converter a enerxía mecánica en enerxía eléctrica.
Tamén foi unha época de inventores xeniais que aínda teñen un impacto no noso mundo electrónico hoxe en día, incluíndo:
Thomas Edison inventou a lámpada en 1879, a película en 1889 e moitas outras innovacións.
Nikola Tesla inventou o motor eléctrico en 1888 e a fonte de enerxía de CA en 1895.
Alexander Graham Bell inventou o teléfono en 1876.
A Kodak de George Eastman inventou a primeira cámara de consumo en 1884.
Herman Hollerith inventou a máquina tabuladora en 1890 e fundou IBM.
Durante este intenso período de innovación, un dos maiores debates é o entre AC e DC.A corrente alterna de Tesla converteuse finalmente no método ideal para transmitir enerxía a longas distancias.Curiosamente, con todo, aínda estamos lidando coa conversión AC-DC hoxe.
AC pode gañar a batalla, pero DC aínda domina a electrónica.
Mira calquera dispositivo electrónico que conectes á parede, necesitas converter AC en DC.Ou, se observas a infraestrutura necesaria para os paneis solares, xeran electricidade en CC, que ten que converterse de novo en CA como fonte de enerxía e de volta en CC para que o usen os nosos dispositivos.Case se podería dicir que o debate AC-DC nunca rematou, acababa de conseguir un equilibrio entre dúas ideas contrapostas.
Hai moito de ida e volta entre AC e DC nun panel solar.
Teña en conta que a idea orixinal do PCB non se inventou na Idade dourada.Non obstante, sen as capacidades de fabricación desta época e a influencia xeneralizada da electricidade, os PCB nunca serían o que son hoxe.
Época Progresista (1890-1920)
A Era Progresista estivo marcada por un período de reforma social, cunha lexislación como a Sherman Antitrust Act que rompeu o monopolio de Standard Oil.Isto tamén é cando vemos as primeiras patentes de PCB.En 1903, o inventor alemán Albert Hanson solicitou unha patente británica para un dispositivo descrito como un condutor de folla plana sobre unha placa illante multicapa.Soa familiar?
Debuxo que representa a primeira patente de PCB de Albert Hanson.
Hansen tamén describe o concepto de aplicacións de orificios pasantes na súa patente.Aquí mostra que podes perforar un burato en dúas capas con liñas verticais para facer unha conexión eléctrica.
Durante este tempo, comezamos a ver a Edison e outros líderes empresariais facer un gran impulso para levar os dispositivos eléctricos aos fogares.O problema con este impulso é a total falta de estandarización.Se vivise en Nova York ou en Nova Jersey e utilizase os inventos da electricidade de Edison para iluminar, quentar ou cociñar, que pasaría se os usase noutra cidade?Non se poden usar porque cada cidade ten a súa propia configuración de socket.
O problema tamén se agravou polo feito de que Edison non só quería venderlle á xente unha bombilla, senón que tamén quería vender un servizo.Edison podería proporcionarche servizo de electricidade mensualmente;entón mercarías lámpadas, electrodomésticos, etc. Por suposto, ningún destes servizos é compatible con outros métodos da competencia.
Queremos agradecer a Harvey Hubbel por finalmente poñer fin a esta desorde.En 1915, patentou o enchufe de parede estándar que aínda se usa hoxe.Agora non temos unha torradeira nin unha placa quente conectada a unha lámpada.Esta é unha gran vitoria para a estandarización da industria.
Grazas a Harvey Hubbel, agora temos unha toma de parede estandarizada para todos os dispositivos electrónicos.
Como nota final, a Era Progresista estivo marcada pola Primeira Guerra Mundial. Este conflito céntrase unicamente nos mechs e na guerra de trincheiras.O concepto PCB, ou mesmo a electrónica básica, aínda non se usa en aplicacións militares, pero o será en breve.
Roaring Twenties (década de 1920)
Co fin da Primeira Guerra Mundial, estamos agora nos Roaring Twenties, que viu un gran auxe na economía estadounidense.Por primeira vez na historia, máis xente vive nas cidades que nas granxas.Tamén estamos empezando a ver cadeas e marcas introducidas en EE.Podes ter unha ou dúas tendas familiares en dúas cidades diferentes, pero agora temos grandes marcas e tendas nacionais.
O maior invento deste período foi o automóbil de Henry Ford e a infraestrutura que requiría.A situación é semellante á da década de 1990, cando tivemos que construír unha gran infraestrutura para xestionar Internet e a nosa era da información construíndo conmutadores, enrutadores e cables de fibra óptica.Os coches non son unha excepción.
O primeiro coche de Henry Ford: un vehículo de catro rodas.
Aquí vemos o que antes era un camiño de terra sendo asfaltado.A xente necesitaba gasolina para alimentar os seus vehículos, de aí a necesidade de gasolineiras.Tamén tes talleres de reparación, accesorios e moito máis.O modo de vida de moitas persoas orixinouse da invención do automóbil, e aínda o segue sendo hoxe.
Tamén foi durante este tempo cando vimos a introdución de electrodomésticos modernos nos que aínda contamos hoxe en día, como lavadoras, aspiradoras e frigoríficos.Por primeira vez, a xente poderá mercar produtos perecedoiros nas tendas e almacenalos durante unha vida útil prolongada.
Pero onde están os nosos PCB?Aínda non os vimos empregados en ningún aparello ou coche lanzados durante este tempo.Porén, en 1925, Charles Ducasse presentou unha patente que describía o proceso de engadir tinta condutora aos materiais illantes.Isto producirá posteriormente unha placa de cableado impresa (PWB).Esta patente é a primeira aplicación práctica similar a un PCB, pero só como bobina de calefacción plana.Aínda non conseguimos ningunha conexión eléctrica real entre a placa e os compoñentes, pero estamos achegándonos.
O PCB continuou evolucionando, esta vez utilizándose como bobina de calefacción para Charles Ducas.
Gran Depresión (década de 1930)
En 1929, a bolsa caeu en picado, e todas as grandes innovacións do noso tempo caeron en picado.Aquí vemos un período de desemprego superior ao 25%, 25.000 quebras bancarias e moitos problemas en todo o mundo.Foi un momento tráxico para a humanidade no seu conxunto, abrindo o camiño para o ascenso de Hitler, Mussolini, Stalin e os nosos futuros conflitos mundiais.Os PCB poden estar en silencio ata agora, pero todo isto está a piques de cambiar.
A Gran Depresión afectou a todos, dende os bancos ata os traballadores comúns.
Segunda Guerra Mundial (1939-1945)
A Segunda Guerra Mundial estaba en marcha, e os Estados Unidos uníronse á loita tras o bombardeo de Pearl Harbor en 1942. O que é interesante de Pearl Harbor é todo o fallo de comunicación que levou ao ataque.Os Estados Unidos tiñan boas probas dunha crise inminente, pero todos os métodos de contacto coa súa base militar en Honolulu non tiveron éxito e a illa foi sorprendida.
Como resultado deste fracaso, o Departamento de Defensa deuse conta de que necesitaba un medio de comunicación máis fiable.Isto levou á electrónica á vangarda como o principal medio de comunicación que substituíu o código Morse.
Tamén foi durante a Segunda Guerra Mundial cando vimos o primeiro uso de PCB nos fusibles de proximidade que temos hoxe.O dispositivo úsase para proxectís de alta velocidade que requiren lume de precisión a longa distancia no ceo ou na terra.A espoleta de proximidade foi desenvolvida orixinalmente polos británicos para contrarrestar o avance do exército de Hitler.Posteriormente compartiuse cos Estados Unidos onde se perfeccionou o deseño e a fabricación.
Unha das primeiras aplicacións militares en utilizar PCB foron os fusibles de proximidade.
Durante este tempo, tamén tivemos a Paul Eisler, un austríaco que vive no Reino Unido, que patentaba a folla de cobre nun substrato de vidro non condutor.Soa familiar?Este é un concepto que aínda usamos hoxe para facer PCB con illamento e cobre na parte superior e inferior.Eisler levou esta idea un paso máis alá cando construíu unha radio a partir do seu PCB en 1943, o que allanaría o camiño para futuras aplicacións militares.
Paul Eisler construíu unha radio a partir da primeira placa de circuíto impreso (PCB).
Baby Boomers (década de 1940)
Cando a Segunda Guerra Mundial chegaba ao fin, vimos aos nosos soldados volver a casa, formar familias e ter un montón de fillos.Cue os baby boomers.Foi na era da posguerra cando vimos melloras masivas nos aparellos existentes, como aspiradoras, lavadoras, televisores e radios.Agora que a Gran Recesión está atrás, moitos consumidores por fin poden pagar estes dispositivos nas súas casas.
Aínda non vimos PCB de consumo.Onde están as obras de Paul Eisler?Bótalle un ollo a este vello televisor a continuación e verás todos os compoñentes, pero sen a base PCB subxacente.
Un vello televisor Motorola de 1948, sen PCB.
A pesar da falta de PCB, vimos a chegada do transistor aos Laboratorios Bell en 1947. Pasaron outros seis anos en 1953 antes de que o dispositivo se utilizase finalmente na produción, pero por que tanto tempo?Naqueles tempos, a información difundíase a través de revistas, congresos, etc. Antes da era da información, a difusión da información só tardaba en difundirse.
O primeiro transistor naceu nos Laboratorios Bell en 1947.
Época da Guerra Fría (1947-1991)
A chegada da era da Guerra Fría marcou un período considerable de tensión entre os Estados Unidos e a Unión Soviética.Debido ás diferenzas entre o capitalismo e o comunismo, estes dous xigantes están case en guerra entre si e puxeron ao mundo baixo ameaza de aniquilación nuclear.
Para manterse á fronte nesta carreira armamentista, ambos bandos deben mellorar a súa capacidade de comunicación para comprender o que está a facer o inimigo.Aquí vemos que o PCB se está utilizando ao máximo.En 1956, o exército dos Estados Unidos publicou unha patente para un "proceso de montaxe de circuítos".Os fabricantes teñen agora un xeito de manter a electrónica e facer conexións entre compoñentes con trazos de cobre.
Cando os PCB comezaron a despegar no mundo da fabricación, atopámonos na primeira carreira espacial do mundo.Rusia tivo algúns logros sorprendentes durante este tempo, incluíndo:
1957 Lanzamento do primeiro satélite artificial, o Sputnik
1959 Lanzamento de Luna 2, a primeira nave espacial á Lúa
En 1961 Yuri Gagarin, o primeiro cosmonauta, foi enviado a orbitar a Terra
O primeiro satélite artificial de Rusia, o Sputnik, lanzouse en 1957.
Onde está América en todo isto?Principalmente atrasado, adoita levar un ano ou dous desenvolver a mesma tecnoloxía.Abordando esta brecha, vemos que o orzamento espacial dos Estados Unidos se quintuplica en 1960. Tamén temos o famoso discurso do presidente Kennedy de 1962, parte do cal merece a pena citar:
"Nós escollemos ir á lúa!Escollemos ir á lúa para facer outras cousas nesta década, non porque sexan fáciles, senón porque son duras;porque este obxectivo axudará a organizar e medir as nosas mellores enerxías e habilidades, por iso os desafíos son o que estamos dispostos a asumir, o que non estamos dispostos a aprazar e o que estamos dispostos a gañar”.– John F. Kennedy, presidente dos Estados Unidos, 12 de setembro de 1962
Todo isto levou a un momento histórico na historia.O 20 de xullo de 1969, o primeiro home estadounidense pousou a Lúa.
O primeiro home na Lúa, un momento histórico para a humanidade.
Volvendo aos PCB, en 1963 tivemos a Hazeltyne Corporation a patente da primeira tecnoloxía de orificios pasantes chapados.Isto permitirá que os compoñentes se embalen xuntos no PCB sen preocuparse polas conexións cruzadas.Tamén vimos a introdución da tecnoloxía de montaxe en superficie (SMT), desenvolvida por IBM.Estes conxuntos densos foron vistos por primeira vez na práctica nun foguete impulsor Saturn.
1967 A primeira patente de tecnoloxía PCB de orificio pasante.
Dawn of the Microprocessor (década de 1970)
Os anos 70 trouxéronnos o primeiro microprocesador en forma de circuíto integrado (IC).Este foi desenvolvido orixinalmente por Jack Kilby de Texas Instruments en 1958. Kilby era novo en TI, polo que as súas ideas innovadoras para os circuitos integrados mantivéronse en secreto.Non obstante, cando os enxeñeiros seniores de TI foron enviados a unha reunión dunha semana, Kilby quedou atrás e correu coas ideas na cabeza.Aquí, desenvolveu o primeiro IC nos laboratorios de TI, e aos enxeñeiros que regresaron encantoulle.
Jack Kilby ten o primeiro circuíto integrado.
Na década de 1970, vimos o primeiro uso de circuitos integrados na fabricación de produtos electrónicos.Neste momento, se non estás a usar unha PCB para as túas conexións, tes un gran problema.
O albor da era dixital (década de 1980)
A era dixital provocou un cambio enorme nos medios que consumimos, coa introdución de dispositivos persoais como discos, VHS, cámaras, videoconsolas, walkmans, etc.
En 1980, a consola de videoxogos Atari fixo realidade os soños dos nenos.
É importante ter en conta que os PCB aínda se debuxaban a man usando placas lixeiras e stencils, pero despois chegaron as computadoras e EDA.Aquí vemos que o software EDA como Protel e EAGLE revolucionan a forma en que deseñamos e fabricamos produtos electrónicos.En lugar dunha foto do PCB, agora podemos gardar o deseño como un ficheiro de texto Gerber, cuxas coordenadas se poden introducir na maquinaria de fabricación para producir o PCB.
A era de Internet (década de 1990)
Nos anos 90, vimos que o uso do silicio entraba en pleno apoxeo coa introdución do BGA.Agora podemos encaixar máis portas nun único chip e comezar a incorporar memoria e sistemas en chip (SoCs) xuntos.Este tamén foi un período de alta miniaturización da electrónica.Non vimos novas funcións engadidas ao PCB, pero todo o proceso de deseño comezou a cambiar e evolucionar, pasando ao IC.
Os deseñadores agora deben implementar estratexias de deseño para proba (DFT) nos seus deseños.Non é fácil abrir un compoñente e engadir unha liña azul.Os enxeñeiros deben deseñar os seus esquemas tendo en mente a futura revisión.Todos estes compoñentes están colocados de forma que se poidan eliminar facilmente?Esta é unha gran preocupación.
Tamén foi unha época na que os paquetes de compoñentes máis pequenos como o 0402 facían case imposible a soldadura manual de placas de circuíto.O deseñador agora vive no seu software EDA e o fabricante é o responsable da produción física e da montaxe.
Compoñentes de montaxe en superficie de maior a menor.
Era híbrida (década de 2000 e máis aló)
Corte á era actual de electrónica e deseño de PCB;o que chamamos era híbrida.No pasado, tiñamos varios dispositivos para varias necesidades.Necesitas unha calculadora;mercas unha calculadora.Queres xogar a videoxogos;mercas unha consola de videoxogos.Agora podes mercar un teléfono intelixente e obter 30 niveis diferentes de funcións integradas.Isto pode parecer bastante obvio, pero é bastante sorprendente cando realmente ves todas as cousas que poden facer os nosos teléfonos intelixentes:
equipo de xogos axenda de enderezos correo electrónico escáner de códigos de barras linterna campá cámara navegación
programa de reprodutor de música mapa de videograbadora de navegador de Internet calendario calculadora de reprodutor de películas
Caderno de teléfono gravadora de billetes contestador automático Libros bancarios de mensaxes curtas
Estamos na era da consolidación de dispositivos, pero que segue?Os PCB están establecidos e temos procesos e procedementos para case todo.As aplicacións de alta velocidade están a converterse na norma.Tamén vemos que só o 25% dos deseñadores de PCB teñen menos de 45 anos, mentres que o 75% prepárase para xubilarse.A industria parece estar nun momento de crise.
Serán robots o futuro do deseño de PCB?Quizais nun dispositivo portátil cun circuíto flexible?Ou podemos ver que os protóns substitúen os electróns pola fotónica.Polo que sabemos sobre os PCB físicos, isto pode incluso cambiar no futuro.Non é necesario un medio físico que permita a conexión entre os compoñentes, senón o potencial da tecnoloxía ondulatoria.Isto permitiría aos compoñentes enviar sinais sen fíos sen necesidade de cobre.
Que deparará o futuro?
Ninguén sabe realmente cara a onde se dirixe o futuro do deseño de PCB, ou mesmo da electrónica en xeral.Xa pasaron case 130 anos desde que os nosos músculos de fabricación comezaron a funcionar.Desde entón, o mundo cambiou para sempre coa introdución de produtos importantes como coches, electrodomésticos, ordenadores, teléfonos intelixentes e moito máis.Atrás quedaron os tempos nos que dependíamos do carbón, da madeira ou do petróleo para todos os nosos medios de vida básicos e supervivencia.Agora temos aparellos electrónicos que poden satisfacer as nosas necesidades diarias.
Pero que depara o futuro?Esta é unha gran incógnita.Todos sabemos que cada invento que temos ante nós está sobre os ombreiros dos seus predecesores.Os nosos antepasados levaron o deseño de PCB ata onde está hoxe, e agora necesitamos innovar e revolucionar a forma en que deseñamos e interactuamos coa tecnoloxía.O futuro pode ser calquera cousa.O futuro depende de ti.
Hora de publicación: 17-mar-2023