歴史上の他の多くの偉大な発明と同様、プリント基板 (PCB)今日私たちが知っているように、それは歴史を通じて成し遂げられた進歩に基づいています。私たちの世界の小さな片隅では、PCB の歴史を 130 年以上遡ることができます。その当時、世界の偉大な産業機械がちょうど始動したばかりでした。このブログで取り上げるのは、その完全な歴史ではなく、PCB を今日の姿に変えた重要な瞬間です。
なぜPCBなのか?
時間の経過とともに、PCB は電子製品の製造を最適化するツールへと進化してきました。かつては手作業で簡単に組み立てられていたものは、すぐに機械的な精度と効率を必要とする微細なコンポーネントに取って代わられました。以下の図に示す 2 つのボードを例として取り上げます。1 つは 1960 年代の古い電卓用のボードです。もう 1 つは、今日のコンピューターに搭載されている典型的な高密度マザーボードです。
1968 年の計算機と今日の最新のマザーボードとの PCB の比較。
電卓には 30 個以上のトランジスタがあるかもしれませんが、マザーボード上の 1 つのチップ上には 100 万個以上のトランジスタがあることになります。重要なのは、テクノロジーと PCB 設計自体の進歩の速度が目覚ましいということです。今日の設計では、電卓 PCB 上のすべてを単一のチップに収めることができます。これは、PCB 製造におけるいくつかの注目すべき傾向に注目を集めます。
私たちは、集積回路 (IC) やマイクロプロセッサなどの高度なデバイスに、より多くの機能を統合しています。
抵抗やコンデンサなどの受動部品をミクロレベルまで微細化しています。
これらすべてが、回路基板上のコンポーネントの密度と複雑さの増加につながります。
これらの進歩はすべて、主に製品の速度と機能の向上によってもたらされます。私たちはデバイスが即座に反応することを期待していますが、たとえ数秒の遅れでも私たちを混乱させる可能性があります。機能性については、ビデオ ゲームを考えてみましょう。80 年代に遡ると、ゲームセンターでパックマンをプレイしたことがあるでしょう。今、私たちは現実のフォトリアルな表現を見ています。進歩はまさに常軌を逸しています。
最近のビデオゲームのビジュアルは、まるで本物のようです。
PCB が、私たちがデバイスに期待するものに直接応えて進化してきたことは明らかです。私たちはより速く、より安く、より強力な製品を必要としています。これらの要求を満たす唯一の方法は、製造プロセスの小型化と効率の向上です。エレクトロニクスと PCB のこのブームはいつ始まりましたか?金ぴか時代の幕開け。
金ぴか時代 (1879 – 1900)
60 年代に南北戦争が終結し、現在アメリカの製造業は活況を呈しています。その間、私たちは食料から衣服、家具、レールに至るまで、できる限りのことを行っています。海運業界は攻勢をかけており、当社の優秀なエンジニアたちは、米国の東海岸から西海岸まで 5 ～ 7 か月かかるところを 5 ～ 7 日で輸送する方法を考え出しています。
鉄道のおかげで、海岸から海岸までの移動に数か月ではなく数日かかるようになりました。
この間、私たちは最初に都市部、次に郊外や農村部でも家庭に電気を引き込みました。電気は現在、石炭、木材、石油の代替品となっています。厳しい冬の間にニューヨークに住んで、汚れた石炭や薪の山で料理をしたり暖をとったりすることを考えてみてください。電気がすべてを変えました。
興味深い点は、石油市場を独占しているスタンダード・オイル社がガソリン用の石油を供給していないことである。彼らの市場は調理、揚げ物、照明用の油です。電気の出現により、スタンダード オイルは自動車の導入に伴う石油の新しい用途を定義する必要がありました。
1878年5月、スタンダード・オイル・カンパニーが株式を発行し、石油の独占が始まった。
金ぴか時代には、電磁気学の偉大な発見がいくつかありました。私たちは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気モーターを発明しました。また、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することでその逆を行う発電機もあります。
また、この時代は、今日でも電子世界に影響を与えている次のような天才発明家たちの時代でもありました。
トーマス エジソンは 1879 年に電球を発明し、1889 年に映画を発明し、その他多くの革新を行いました。
ニコラ・テスラは 1888 年に電気モーターを発明し、1895 年に交流電源を発明しました。
アレクサンダー・グラハム・ベルは 1876 年に電話を発明しました。
ジョージ イーストマンのコダックは 1884 年に最初の民生用カメラを発明しました。
ハーマン ホレリスは 1890 年に集計機を発明し、後に IBM を設立しました。
この激しいイノベーションの時期において、最大の議論の 1 つは AC と DC の間の議論です。テスラの交流は、最終的に長距離に電力を送電するための理想的な方法となりました。しかし、興味深いことに、私たちは現在でも AC-DC 変換を扱っています。
AC が戦いに勝ったかもしれませんが、DC は依然としてエレクトロニクス分野を支配しています。
壁に接続する電子機器を見てください。AC を DC に変換する必要があります。あるいは、ソーラー パネルに必要なインフラストラクチャを見ると、ソーラー パネルは DC で電気を生成しますが、これを電源として AC に変換し、デバイスが使用できるように DC に変換する必要があります。AC-DC の議論は決して終わっておらず、2 つの対立するアイデアの間でバランスが保たれたにすぎないとさえ言えるでしょう。
ソーラーパネルではACとDCの間で頻繁に行き来があります。
PCB の最初のアイデアは金ぴか時代に発明されたものではないことに注意してください。しかし、この時代の製造能力と電気の広範な影響がなければ、PCB は決して今日のようなものにはならなかったでしょう。
進歩的な時代 (1890 – 1920)
プログレッシブ時代は社会改革の時期であり、シャーマン反トラスト法などの法律によりスタンダード オイルの独占が解体されました。これは、最初の PCB 特許が見つかったときでもあります。1903 年、ドイツの発明家アルバート ハンソンは、多層絶縁基板上の平坦な箔導体として記述されたデバイスに関する英国特許を申請しました。おなじみですね？
アルバート・ハンソンの最初の PCB 特許を描いた図面。
Hansen 氏は、特許の中でスルーホール用途の概念についても説明しています。ここで彼は、垂直線の入った 2 つの層に穴を開けて電気的接続を確立できることを示しました。
この間、エジソンやその他のビジネスリーダーが電気機器を日常の家庭に導入することを大きく推進するのが見られ始めました。この推進の問題は、標準化が完全に欠如していることです。あなたがニューヨークまたはニュージャージーに住んでいて、エジソンの発明した電気を照明、暖房、調理に使用した場合、別の都市で使用したらどうなるでしょうか?各町が独自のソケット構成を持っているため、それらは使用できません。
また、エジソンが人々に電球を売りたいだけでなく、サービスも売りたかったという事実によって、問題はさらに悪化しました。エジソンは月単位で電力サービスを提供できます。当然、これらのサービスは他の競合する方法と互換性がありません。
この混乱を最終的に終わらせてくれたハーベイ・ハッベルに感謝したいと思います。1915 年に、現在でも使用されている標準的な壁コンセント プラグの特許を取得しました。今ではトースターやホットプレートを電球ソケットに差し込むことはありません。これは業界の標準化にとって大きな勝利です。
ハーベイ ハッベルのおかげで、現在ではすべての電子機器に標準化された壁コンセントが備わっています。
最後に、進歩時代は第一次世界大戦によって特徴付けられました。この戦争は純粋にメカと塹壕戦に焦点を当てています。PCB の概念、あるいは基本的な電子機器ですら、軍事用途にはまだ使用されていませんが、間もなく使用されるようになるでしょう。
狂騒の 20 年代 (1920 年代)
第一次世界大戦が終わり、私たちは現在、アメリカ経済に大きな好況をもたらした狂騒の 20 年代を迎えています。歴史上初めて、農場よりも都市に住む人の方が多くなりました。また、米国全土でチェーンやブランドが導入され始めています。2 つの異なる町にファミリー ストアが 1 つか 2 つあるかもしれませんが、今では大手ブランドや全国展開する店舗が存在します。
この時代の最大の発明はヘンリー・フォードの自動車とそれに必要なインフラストラクチャーでした。この状況は、スイッチ、ルーター、光ファイバー ケーブルを構築することで、インターネットと情報化時代に対処するための主要なインフラストラクチャを構築する必要があった 1990 年代に似ています。車も例外ではありません。
ヘンリー・フォードの最初の車、四輪車。
ここでは、かつて未舗装の道路が舗装されているのが見えます。人々は車に動力を供給するためにガソリンを必要としたため、ガソリンスタンドが必要になりました。修理工場やアクセサリーなどもあります。多くの人々の生活様式全体が自動車の発明から始まり、それは今日でも続いています。
洗濯機、掃除機、冷蔵庫など、今日でも私たちが利用している最新の家電製品が導入されたのもこの時期でした。初めて、人々は店舗で生鮮食品を購入し、長期保存できるようになります。
しかし、私たちの PCB はどこにあるのでしょうか?この時期に発売された家電製品や自動車にそれらが使用されているのをまだ見たことがありません。しかし、1925 年に、シャルル デュカスは、絶縁材料に導電性インクを添加するプロセスを記載した特許を申請しました。これは後にプリント配線板 (PWB) になります。この特許は、PCB に似た初めての実用化ですが、平面状の加熱コイルとしてのみ使用されます。ボードとコンポーネント間の実際の電気的接続はまだ得られていませんが、それに近づきつつあります。
PCB は進化を続け、今回は Charles Ducas の加熱コイルとして使用されました。
大恐慌 (1930 年代)
1929 年に株式市場は急落し、当時の偉大なイノベーションはすべて暴落しました。ここでは、失業率が 25% を超え、25,000 件の銀行が破綻し、世界中で多くの問題が発生した時期が見られます。それは人類全体にとって悲劇的な時期であり、ヒトラー、ムッソリーニ、スターリンの台頭、そして将来の世界紛争への道を切り開きました。PCB はこれまで沈黙していたかもしれませんが、それはすべて変わろうとしています。
大恐慌は銀行から一般労働者に至るまで、あらゆる人々に影響を及ぼしました。
第二次世界大戦 (1939 – 1945)
第二次世界大戦が進行中で、1942 年の真珠湾爆撃の後、米国も参戦しました。真珠湾で興味深いのは、攻撃につながった通信障害全体です。米国は差し迫った危機を示す十分な証拠を持っていたが、ホノルルの軍事基地との連絡手段はすべて失敗し、島は不意を突かれた。
この失敗の結果、国防総省はより信頼性の高い通信手段が必要であることに気づきました。これにより、モールス信号に代わる主要な通信手段としてエレクトロニクスが最前線に浮上しました。
今日の近接ヒューズに PCB が初めて使用されたのも第二次世界大戦中にありました。この装置は、空または陸上で長距離の精密射撃を必要とする高速発射体に使用されます。近接信管はもともとヒトラー軍の進軍に対抗するために英国によって開発された。その後、米国に共有され、設計と製造が完成しました。
PCB を使用した最初の軍事用途の 1 つは近接ヒューズでした。
この間、英国在住のオーストリア人、ポール・アイスラー氏にも非導電性ガラス基板上の銅箔の特許を取得してもらいました。おなじみですね？これは、上部/底部に絶縁体と銅を備えた PCB を製造するために現在でも使用されている概念です。アイスラー氏は、1943 年に PCB からラジオを製作したとき、このアイデアをさらに一歩進め、将来の軍事用途への道を切り開きました。
ポール・アイスラーは、最初のプリント基板 (PCB) からラジオを作りました。
団塊の世代 (1940 年代)
第二次世界大戦が終わりに近づくと、兵士たちが故郷に戻り、家族を持ち、たくさんの子供をもうけているのを目にしました。団塊の世代をキューに入れます。掃除機、洗濯機、テレビ、ラジオなどの既存の家電製品が大幅に改良されたのは戦後のことでした。大不況が去った今、多くの消費者はようやくこれらのデバイスを自宅で購入できるようになりました。
私たちはまだ消費者グレードの PCB を見たことがありません。ポール・アイスラーの作品はどこにありますか?下のこの古いテレビを見てください。すべてのコンポーネントが表示されますが、その下にある PCB 基盤はありません。
1948 年製の古い Motorola テレビ。PCB はありません。
PCB が不足していたにもかかわらず、1947 年にベル研究所にトランジスタが到着したのを確認しました。デバイスが最終的に量産に使用されるまでには、1953 年にさらに 6 年かかりましたが、なぜこれほど時間がかかったのでしょうか?当時、情報は雑誌や学会などを通じて発信されていましたが、情報化時代以前は、情報の普及には時間がかかるだけでした。
最初のトランジスタは 1947 年にベル研究所で誕生しました。
冷戦時代 (1947 – 1991)
冷戦時代の到来により、米国とソ連の間でかなりの緊張期間が続いた。資本主義と共産主義の違いにより、この 2 つの巨人はほぼ戦争状態にあり、世界を核による絶滅の脅威にさらしています。
この軍拡競争で優位に立つには、双方が敵の行動を理解するコミュニケーション能力を向上させる必要があります。ここでは、PCB がその可能性を最大限に活用していることがわかります。1956 年、米陸軍は「回路組み立てプロセス」の特許を公開しました。メーカーは現在、電子機器を保持し、銅配線を使用してコンポーネント間を接続する方法を手に入れています。
PCB が製造業界で普及し始めると、私たちは世界初の宇宙開発競争に巻き込まれることになりました。この間、ロシアは次のような驚くべき成果を上げました。
1957年 初の人工衛星スプートニクの打ち上げ
1959年 初の月探査機ルナ2号の打ち上げ
1961年、最初の宇宙飛行士ユーリ・ガガーリンが地球周回軌道に送られた
1957年に打ち上げられたロシア初の人工衛星「スプートニク」。
この中でアメリカはどこにあるのでしょうか？主に遅れており、同じテクノロジーの開発には通常 1 ～ 2 年かかります。このギャップに対処するため、1960 年には米国の宇宙予算が 5 倍に増加したことがわかります。また、1962 年の有名なケネディ大統領の演説もありますが、その一部は引用する価値があります。
「私たちは月に行くことにしました！私たちがこの10年間、他のことをするために月に行くことを選んだのは、それが簡単だからではなく、難しいからです。この目標は、私たちの最高のエネルギーとスキルを整理し、測定するのに役立ちます。このため、挑戦は私たちが喜んで挑戦するものであり、延期したくないものであり、私たちが勝ち取りたいものです。」– ジョン・F・ケネディ、アメリカ合衆国大統領、1962 年 9 月 12 日
これらすべてが歴史における画期的な瞬間につながりました。1969 年 7 月 20 日、アメリカ人が初めて月面に着陸しました。
人類初の月面到達、人類にとって歴史的な瞬間。
PCB に戻ると、1963 年に Hazeltyne Corporation が最初のメッキ スルーホール技術の特許を取得しました。これにより、相互接続を心配することなく、コンポーネントを PCB 上で密に配置できるようになります。IBM が開発した表面実装テクノロジー (SMT) の導入も見られました。これらの高密度の集合体は、土星のロケットブースターで実際に初めて見られました。
1967年 初のスルーホールPCB技術の特許。
マイクロプロセッサの夜明け (1970 年代)
70 年代には、集積回路 (IC) の形で最初のマイクロプロセッサが登場しました。これはもともと 1958 年に Texas Instruments の Jack Kilby によって開発されました。Kilby は TI に初めて入社したため、IC に関する彼の革新的なアイデアはほとんど秘密にされていました。しかし、TI の上級エンジニアが 1 週間にわたる会議に派遣されたとき、キルビーは残り、アイデアを頭の中で考え続けました。ここで、彼は TI の研究所で最初の IC を開発し、戻ってきたエンジニアはそれを気に入りました。
ジャック・キルビーは最初の集積回路を保持しています。
1970 年代に、エレクトロニクス製造において IC が初めて使用されました。この時点で、接続に PCB を使用していない場合は、大きな問題に直面します。
デジタル時代の幕開け（1980年代）
デジタル時代は、ディスク、VHS、カメラ、ゲーム機、ウォークマンなどの個人用デバイスの登場により、私たちが消費するメディアに大きな変化をもたらしました。
1980 年、Atari ビデオ ゲーム コンソールが子供たちの夢を実現させました。
PCB は依然としてライト ボードとステンシルを使用して手書きで描かれていましたが、その後コンピューターと EDA が登場したことに注意することが重要です。ここでは、Protel や EAGLE などの EDA ソフトウェアがエレクトロニクスの設計と製造の方法に革命をもたらしていることがわかります。PCB の写真の代わりに、設計をガーバー テキスト ファイルとして保存できるようになり、その座標を製造機械に入力して PCB を製造できるようになりました。
インターネット時代 (1990 年代)
90 年代には、BGA の導入によりシリコンの使用が本格化しました。現在では、より多くのゲートを 1 つのチップに搭載し、メモリとシステム オン チップ (SoC) を一緒に組み込み始めることができます。この時期は、エレクトロニクスの小型化が進んだ時期でもありました。PCB には新しい機能が追加されていませんでしたが、設計プロセス全体が変化し進化し始め、IC に移行しました。
設計者は、テストのための設計 (DFT) 戦略をレイアウトに実装する必要があります。コンポーネントをポップして青い線を追加するのは簡単ではありません。エンジニアは、将来の手戻りを念頭に置いてレイアウトを設計する必要があります。これらのコンポーネントはすべて、簡単に取り外しできるように配置されていますか?これは大きな懸念です。
また、0402 のような小型のコンポーネント パッケージにより、回路基板の手作業によるはんだ付けがほぼ不可能になった時代でもありました。現在、設計者は EDA ソフトウェアを使用しており、製造業者は物理的な製造と組み立てを担当しています。
最大から最小までの表面実装コンポーネント。
ハイブリッド時代（2000年代以降）
今日のエレクトロニクスと PCB 設計の時代に切り込みます。いわゆるハイブリッド時代。以前は、複数のニーズに対応するために複数のデバイスがありました。計算機が必要です。あなたは電卓を買います。ビデオ ゲームをプレイしたいと考えています。あなたはビデオゲーム機を購入します。スマートフォンを購入すれば、30 段階の異なる組み込み機能を利用できるようになります。これは非常に明白に思えるかもしれませんが、スマートフォンでできることをすべて実際に見てみると、非常に驚くべきことです。
ゲーム機器 アドレス帳 電子メール バーコード スキャナー 懐中電灯 ベル カメラ ナビゲーション
音楽プレーヤー スケジュール ビデオデッキ マップ インターネット ブラウザ カレンダー 映画プレーヤー 電卓
電話帳 チケットレコーダー 留守番電話 ショートメッセージ 通帳
デバイス統合の時代が到来していますが、次に何が起こるのでしょうか?PCB は確立されており、ほぼすべてのプロセスと手順が確立されています。高速アプリケーションは標準になりつつあります。また、PCB 設計者の 25% のみが 45 歳未満であり、75% が退職の準備をしていることもわかります。業界は危機の時期にあるようだ。
PCB設計の未来はロボットになるのでしょうか?おそらくフレックス回路を備えたウェアラブルでしょうか？あるいは、陽子が電子をフォトニクスに置き換えるのが見られるかもしれません。物理的な PCB について私たちが知っている限りでは、将来的には変わる可能性さえあります。コンポーネント間の接続を可能にするために物理媒体は必要ありませんが、むしろウェーブ テクノロジーの可能性が必要です。これにより、コンポーネントは銅線を必要とせずに信号をワイヤレスで送信できるようになります。
将来はどうなるでしょうか？
PCB 設計、さらにはエレクトロニクス全般の将来がどこへ向かうのか、実際のところは誰にもわかりません。私たちの製造業が動き始めてから約 130 年になります。それ以来、自動車、電化製品、コンピューター、スマートフォンなどの主要製品の登場により、世界は永遠に変わりました。私たちが基本的な生計と生存のすべてを石炭、木材、石油に依存していた時代は終わりました。今、私たちは日々のニーズを満たす電子機器を手に入れています。
しかし、将来はどうなるでしょうか？これは大きな未知です。私たちの目の前にあるあらゆる発明が先人の肩の上に成り立っていることは誰もが知っています。私たちの祖先は PCB 設計を今日の地位にもたらしました。そして今、私たちは設計方法とテクノロジーとの対話方法を革新し、革命を起こす必要があります。未来は何でもありえます。未来はあなた次第です。
投稿日時: 2023 年 3 月 17 日