Како и многу други големи пронајдоци низ историјата, наплоча за печатено коло (PCB)како што го знаеме денес се заснова на напредокот постигнат низ историјата.Во нашиот мал агол на светот, можеме да ја следиме историјата на ПХБ пред повеќе од 130 години, кога големите светски индустриски машини штотуку започнуваа.Она што ќе го покриеме во овој блог не е целосната историја, туку важните моменти кои ја трансформираа ПХБ во она што е денес.
Зошто ПХБ?
Со текот на времето, ПХБ еволуираа во алатка за оптимизирање на производството на електронски производи.Она што некогаш беше лесно да се состави рачно, брзо отстапи место на микроскопските компоненти кои бараат механичка прецизност и ефикасност.Земете ги како пример двете табли прикажани на сликата подолу.Едната е стара табла од 1960-тите за калкулатори.Другата е типична матична плоча со висока густина што ќе ја видите на денешните компјутери.
Споредба на ПХБ помеѓу калкулатор од 1968 година и денешните модерни матични плочи.
Во калкулатор можеби имаме 30+ транзистори, но на еден чип на матична плоча ќе најдете над милион транзистори.Поентата е дека стапката на напредок во технологијата и самиот дизајн на ПХБ е импресивна.Сè што е на PCB на калкулаторот сега може да се вклопи во еден чип во денешните дизајни.Ова го привлекува вниманието на неколку забележителни трендови во производството на ПХБ:
Интегрираме повеќе функционалност во напредните уреди како што се интегрираните кола (ICs) и микропроцесорите.
Ги намалуваме пасивните компоненти како што се отпорниците и кондензаторите до микроскопско ниво.
Сето ова води до зголемена густина и сложеност на компонентите на нашите кола.
Сите овие достигнувања првенствено се водени од подобрувањата во брзината и функционалноста на нашите производи.Очекуваме нашите уреди да одговорат веднаш, дури и неколку секунди доцнење може да не доведе во бес.За функционалност, размислете за видео игрите.Назад во 80-тите, веројатно сте играле Pac-Man на аркада.Сега гледаме фотореални претстави на реалноста.Напредокот е само луд.
Визуелните слики на видео игрите се речиси реални овие денови.
Јасно е дека ПХБ еволуирале како директен одговор на она што го очекуваме од нашите уреди.Потребни ни се побрзи, поевтини, помоќни производи, а единствениот начин да ги исполниме овие барања е минијатуризирање и подобрување на ефикасноста на производниот процес.Кога започна овој бум во електрониката и ПХБ?Во зората на позлатеното доба.
Позлатено доба (1879 - 1900)
Ја завршивме американската граѓанска војна во 60-тите, а сега американското производство цвета.Во меѓувреме, правиме се што можеме, од храна до облека, мебел и шини.Поморската индустрија е во офанзива, а нашите најголеми инженери смислуваат како да однесат некого од источниот брег на САД до западниот брег за 5 до 7 дена наместо за 5 до 7 месеци.
Железниците го прават патувањето од брег до брег со денови наместо месеци.
За ова време внесовме и струја во домот, прво во градовите, а потоа во приградските населби и руралните средини.Електричната енергија сега е замена за јаглен, дрво и нафта.Размислете да живеете во Њујорк за време на суровата зима, обидувајќи се да готвите или да се загреете со валкани јаглени или купишта огревно дрво.Струјата го промени сето тоа.
Интересен момент е што Стандард Оил, кој го монополизира нафтениот пазар, не доставува нафта за бензин.Нивниот пазар е масло за готвење, пржење и осветлување.Со доаѓањето на електричната енергија, Standard Oil требаше да дефинира нова употреба на нафтата, која ќе дојде со воведувањето на автомобилот.
Во мај 1878 година, Standard Oil Company издаде акции и започна монополот на нафтата.
За време на позлатеното доба видовме некои големи откритија во електромагнетизмот.Го измисливме електричниот мотор, кој ја претвора електричната енергија во механичка енергија.Гледаме и генератори, кои го прават спротивното со претворање на механичката енергија во електрична енергија.
Исто така, тоа беше време на генијални пронаоѓачи кои сè уште имаат влијание врз нашиот електронски свет денес, вклучувајќи:
Томас Едисон ја измислил сијалицата во 1879 година, филмот во 1889 година и многу други иновации.
Никола Тесла го измислил електричниот мотор во 1888 година и изворот на наизменична струја во 1895 година.
Александар Греам Бел го измислил телефонот во 1876 година.
Кодак на Џорџ Истман ја измислил првата камера за корисници во 1884 година.
Херман Холерит ја измислил машината за табелирање во 1890 година и продолжил да го основа IBM.
За време на овој интензивен период на иновации, една од најголемите дебати е онаа помеѓу AC и DC.Наизменичната струја на Тесла на крајот стана идеален метод за пренос на енергија на долги растојанија.Интересно, сепак, ние сè уште се занимаваме со конверзија AC-DC денес.
AC можеби ја доби битката, но DC сè уште доминира во електрониката.
Погледнете го кој било електронски уред што го приклучувате во ѕидот, треба да го претворите AC во DC.Или, ако ја погледнете инфраструктурата потребна за соларни панели, тие генерираат електрична енергија во еднонасочна струја, која треба да се претвори назад во AC како извор на енергија и назад во DC за нашите уреди да ја користат.Речиси може да се каже дека дебатата AC-DC никогаш не беше завршена, тукушто беше постигната рамнотежа помеѓу две спротивставени идеи.
Има многу напред-назад помеѓу AC и DC во соларни панели.
Забележете дека првичната идеја за ПХБ не била измислена во позлатеното доба.Сепак, без производствените способности на оваа ера и широкото влијание на електричната енергија, ПХБ никогаш не би биле тоа што се денес.
Прогресивна ера (1890 - 1920)
Прогресивната ера беше обележана со период на социјални реформи, со легислатива како антимонополскиот акт на Шерман, кој го растури монополот на Стандард Оил.Ова е исто така кога ги гледаме првите патенти за PCB.Во 1903 година, германскиот пронаоѓач Алберт Хансон поднесе барање за британски патент за уред опишан како рамен проводник од фолија на повеќеслојна изолациона плоча.Звучи познато?
Цртеж кој го прикажува првиот патент за ПХБ на Алберт Хансон.
Хансен, исто така, го опишува концептот на апликации преку дупки во неговиот патент.Овде тој покажува дека можете да пробиете дупка во два слоја со вертикални линии за да направите електрично поврзување.
Во тоа време, почнавме да гледаме дека Едисон и другите деловни лидери направија голем притисок да ги донесат електричните уреди во секојдневните домови.Проблемот со овој притисок е целосниот недостаток на стандардизација.Ако живеевте во Њујорк или Њу Џерси и ги користевте изумите на електрична енергија на Едисон за осветлување, греење или готвење, што би се случило ако ги користите во друг град?Тие не можат да се користат бидејќи секој град има своја конфигурација на штекерот.
Проблемот го влоши и фактот што Едисон не сакаше на луѓето само да им продава сијалица, туку сакаше да продаде и услуга.Едисон може да ви обезбеди услуга за електрична енергија на месечна основа;тогаш би купиле светилки, апарати итн. Се разбира, ниту една од овие услуги не е компатибилна со други конкурентни методи.
Сакаме да му се заблагодариме на Харви Хубел што конечно стави крај на овој хаос.Во 1915 година, тој го патентира стандардниот приклучок за ѕиден штекер кој се користи и денес.Сега немаме тостер или рингла вклучени во штекер за сијалица.Ова е огромна победа за стандардизацијата на индустријата.
Благодарение на Харви Хабел, сега имаме стандардизиран ѕиден штекер за сите електронски уреди.
Како последна забелешка, прогресивната ера беше обележана со Првата светска војна. Овој конфликт е чисто фокусиран на механички и рововски војни.Концептот на PCB, па дури и основната електроника, сè уште не се користи во воени апликации, но наскоро ќе се користи.
Роринг дваесетти (1920-ти)
Со крајот на Првата светска војна, сега се наоѓаме во громогласните дваесетти години, кои забележаа огромен бум во американската економија.За прв пат во историјата, повеќе луѓе живеат во градови отколку на фарми.Исто така, почнуваме да гледаме ланци и брендови кои се воведуваат низ САД.Можеби имате семејна продавница или две во два различни града, но сега имаме големи брендови и продавници кои се национални.
Најголемиот изум од овој период бил автомобилот на Хенри Форд и инфраструктурата што му била потребна.Ситуацијата е слична на 1990-тите, кога моравме да изградиме голема инфраструктура за да се справиме со интернетот и нашата информациска ера со градење прекинувачи, рутери и оптички кабли.Автомобилите не се исклучок.
Првиот автомобил на Хенри Форд - четири тркала.
Овде гледаме што некогаш беше земјен пат кој се асфалтира.На луѓето им требаше бензин за да ги напојуваат своите возила, па оттука и потребата од бензински пумпи.Имате и поправки, додатоци и друго.Целиот начин на живот на многу луѓе потекнува од пронајдокот на автомобилот, а тоа е и денес.
Исто така, во тоа време го видовме воведувањето на модерни апарати на кои сè уште се потпираме денес, како што се машините за перење, правосмукалките и фрижидерите.За прв пат, луѓето ќе можат да купат лесно расиплива стока во продавниците и да ги складираат на подолг рок на траење.
Но, каде се нашите ПХБ?Сè уште не сме ги виделе да се користат во ниту еден апарат или автомобил лансиран во ова време.Меѓутоа, во 1925 година, Чарлс Дукас поднесе патент кој го опишува процесот на додавање на спроводливо мастило на изолационите материјали.Ова подоцна ќе резултира со печатена плоча за жици (PWB).Овој патент е првата практична апликација слична на ПХБ, но само како рамна калем за греење.Сè уште не сме добиле никакви вистински електрични врски помеѓу плочата и компонентите, но се приближуваме.
ПХБ продолжи да се развива, овој пат се користи како грејна калем за Чарлс Дукас.
Голема депресија (1930-ти)
Во 1929 година, берзата драстично падна и сите големи иновации на нашето време паднаа.Овде гледаме период на невработеност над 25%, 25.000 пропаѓања на банки и многу проблеми низ светот.Тоа беше трагично време за човештвото како целина, отворајќи го патот за подемот на Хитлер, Мусолини, Сталин и нашите идни светски конфликти.ПХБ можеби молчеа до сега, но сето тоа ќе се промени.
Големата депресија ги погоди сите, од банки до обични работници.
Втората светска војна (1939-1945)
Втората светска војна беше во тек, а Соединетите држави се приклучија на кавгата по бомбардирањето на Перл Харбор во 1942 година. Она што е интересно за Перл Харбор е целосниот неуспех во комуникацијата што доведе до нападот.САД имаа добри докази за непосредна криза, но сите методи на контакт со нивната воена база во Хонолулу беа неуспешни, а островот беше фатен непредвидено.
Како резултат на овој неуспех, Министерството за одбрана сфати дека им треба посигурно средство за комуникација.Ова ја донесе електрониката на прв план како основно средство за комуникација што го замени Морзеовиот код.
Исто така, за време на Втората светска војна ја видовме првата употреба на ПХБ во осигурувачи за близина што ги имаме денес.Уредот се користи за проектили со голема брзина кои бараат прецизен оган на долги растојанија на небото или на земјата.Функцијата за близина првично беше развиена од Британците за да се спротивстави на напредувањето на Хитлеровата армија.Подоцна беше споделен со Соединетите Држави каде дизајнот и производството беа усовршени.
Една од првите воени апликации за користење на ПХБ беа осигурувачите за близина.
Во тоа време, го имавме и Пол Ајслер, Австриец кој живее во ОК, кој патентираше бакарна фолија на непроводлива стаклена подлога.Звучи познато?Ова е концепт што сè уште го користиме денес за да правиме ПХБ со изолација и бакар на врвот/долу.Ајслер ја направи оваа идеја чекор понатаму кога изгради радио од неговата ПХБ во 1943 година, што ќе го отвори патот за идни воени апликации.
Пол Ајслер изгради радио од првата плоча за печатено коло (PCB).
Baby Boomers (1940-ти)
Како што Втората светска војна се приближуваше кон крајот, видовме дека нашите војници се враќаат дома, основаат семејства и имаат цел куп деца.Следете ги бејби бумовите.Во повоената ера видовме огромни подобрувања на постоечките апарати како правосмукалки, машини за перење, телевизори и радија.Сега кога Големата рецесија е зад нас, многу потрошувачи конечно можат да си ги дозволат овие уреди во своите домови.
Сè уште не сме виделе ПХБ од потрошувачки квалитет.Каде се делата на Пол Ајслер?Погледнете го овој стар телевизор подолу и ќе ги видите сите компоненти, но без основната основа за PCB.
Стар телевизор на Моторола од 1948 година, без ПХБ.
И покрај недостатокот на ПХБ, го видовме пристигнувањето на транзисторот во Bell Labs во 1947 година. Беа потребни уште шест години во 1953 година пред уредот конечно да се користи во производството, но зошто толку долго?Во тие денови, информациите се ширеле преку списанија, конференции итн.
Првиот транзистор е роден во Bell Laboratories во 1947 година.
Ера на Студената војна (1947-1991)
Доаѓањето на ерата на Студената војна означи значителен период на тензии меѓу Соединетите Држави и Советскиот Сојуз.Поради разликите помеѓу капитализмот и комунизмот, овие два гиганти речиси се во војна еден со друг и го ставија светот под закана од нуклеарно уништување.
За да останат напред во оваа трка во вооружување, двете страни мора да ја подобрат нивната способност за комуникација за да разберат што прави непријателот.Овде гледаме дека ПХБ се користи до својот полн потенцијал.Во 1956 година, американската армија објави патент за „процес на склопување на кола“.Производителите сега имаат начин и да држат електроника и да воспостават врски помеѓу компонентите со бакарни траги.
Кога ПХБ почнаа да полетуваат во светот на производството, се најдовме во првата вселенска трка во светот.Русија имаше некои неверојатни достигнувања во ова време, вклучувајќи:
1957 Лансирање на првиот вештачки сателит Спутник
1959 Лансирање на Луна 2, првото вселенско летало на Месечината
Во 1961 година Јуриј Гагарин, првиот космонаут, беше испратен да орбитира околу Земјата
Првиот руски вештачки сателит, Спутник, лансиран во 1957 година.
Каде е Америка во сето ова?Главно заостануваат, обично се потребни една или две години за да се развие истата технологија.Решавајќи ја оваа празнина, гледаме дека американскиот вселенски буџет расте петкратно во 1960 година. Го имаме и познатиот говор на претседателот Кенеди од 1962 година, чиј дел вреди да се цитира:
„Ние избираме да одиме на Месечината!Избираме да одиме на Месечината за да правиме други работи оваа деценија, не затоа што се лесни, туку затоа што се тешки;затоа што оваа цел ќе помогне да ги организираме и измериме нашите најдобри енергии и вештини, поради тоа Предизвиците се она што сме подготвени да го преземеме, што не сме подготвени да го одложиме и што сме подготвени да победиме“.– Џон Ф. Кенеди, претседател на САД, 12 септември 1962 година
Сето ова доведе до значаен момент во историјата.На 20 јули 1969 година, првиот Американец слета на Месечината.
Првиот човек на Месечината, историски момент за човештвото.
Навраќајќи се на ПХБ, во 1963 година, Hazeltyne Corporation ја патентираше првата технологија со плочка преку дупки.Ова ќе овозможи компонентите да се спакуваат блиску една до друга на ПХБ без да се грижите за вкрстено поврзување.Го видовме и воведувањето на Surface Mount Technology (SMT), развиена од IBM.Овие густи склопови за прв пат беа видени во пракса во засилувачот на ракетата Сатурн.
1967 Првиот патент за технологија на ПХБ преку дупка.
Зора на микропроцесорот (1970-ти)
70-тите ни го донесоа првиот микропроцесор во форма на интегрирано коло (IC).Ова првично беше развиено од Џек Килби од Тексас Инструментс во 1958 година. Килби беше нов во ТИ, така што неговите иновативни идеи за ИЦ беа главно чувани во тајност.Меѓутоа, кога високите инженери на ТИ беа испратени на еднонеделна средба, Килби остана и трчаше со идеите во главата.Овде, тој го разви првиот ИЦ во ТИ лабораториите, а инженерите што се враќаа го сакаа.
Џек Килби го има првото интегрирано коло.
Во 1970-тите, ја видовме првата употреба на ИЦ во производството на електроника.Во овој момент, ако не користите ПХБ за вашите врски, вие сте во голема неволја.
Зора на дигиталната ера (1980-ти)
Дигиталната ера донесе огромна промена во медиумите што ги консумираме, со воведувањето на лични уреди како што се дискови, VHS, камери, конзоли за игри, вокмени и многу повеќе.
Во 1980 година, конзолата за видео игри Atari ги оствари соништата на децата.
Важно е да се напомене дека ПХБ сè уште се цртаа рачно со помош на светлосни табли и матрици, но потоа се појавија компјутерите и ЕДА.Овде гледаме дека софтверите на EDA како Protel и EAGLE го револуционизираат начинот на кој дизајнираме и произведуваме електроника.Наместо фотографија од ПХБ, сега можеме да го зачуваме дизајнот како Гербер текстуална датотека, чии координати може да се внесат во машината за производство за да се произведе ПХБ.
Интернет доба (1990-ти)
Во 90-тите, видовме дека употребата на силикон дојде во полн замав со воведувањето на BGA.Сега можеме да поставиме повеќе порти на еден чип и да почнеме да ги вградуваме меморијата и системи на чип (SoC).Ова беше и период на висока минијатуризација на електрониката.Не видовме додадени нови функции на ПХБ, но целиот процес на дизајнирање почна да се менува и еволуира, преминувајќи кон ИЦ.
Дизајнерите сега мора да ги имплементираат стратегиите дизајн-за-тест (DFT) во нивните распореди.Не е лесно да се појави компонента и да се додаде сина линија.Инженерите мора да ги дизајнираат своите распореди со идната преработка на ум.Дали сите овие компоненти се поставени на таков начин што може лесно да се отстранат?Ова е огромна грижа.
Тоа беше, исто така, ера кога помалите пакети на компоненти како 0402 го направија рачното лемење на кола речиси невозможно.Дизајнерот сега живее во неговиот софтвер EDA и производителот е одговорен за физичкото производство и монтажа.
Компоненти за површинско монтирање од најголем до најмал.
Хибридна ера (2000-ти и пошироко)
Намалување на денешната ера на електроника и дизајн на ПХБ;она што го нарекуваме хибридна ера.Во минатото имавме повеќе уреди за повеќе потреби.Ви треба калкулатор;купувате калкулатор.Сакате да играте видео игри;купувате конзола за видео игри.Сега можете да купите паметен телефон и да добиете 30 различни нивоа на вградени функции.Ова може да изгледа прилично очигледно, но е прилично зачудувачки кога всушност ги гледате сите работи што нашите паметни телефони можат да ги направат:
опрема за игри адреса адресар за е-пошта баркод скенер фенерче ѕвонче камера навигација
Распоред на музички плеер VCR карта Калкулатор на календар на филмски плеер на интернет прелистувач
Телефонски тетратка билети рекордер Телефонска секретарка Банкарски книги за кратки пораки
Ние сме во ера на консолидација на уреди, но што е следно?ПХБ се воспоставени и имаме процеси и процедури за речиси се.Апликациите со голема брзина стануваат норма.Исто така, гледаме дека само 25% од дизајнерите на ПХБ се на возраст под 45 години, додека 75% се подготвуваат да се пензионираат.Се чини дека индустријата е во време на криза.
Дали иднината на дизајнот на ПХБ ќе бидат роботите?Можеби во уред за носење со флекс коло?Или може да видиме дека протоните ги заменуваат електроните со фотоника.Колку што знаеме за физичките ПХБ, тоа дури може да се промени во иднина.Нема потреба од физички медиум за да се овозможи поврзување помеѓу компонентите, туку од потенцијалот на брановата технологија.Ова ќе им овозможи на компонентите да испраќаат сигнали безжично без потреба од бакар.
Што ќе носи иднината?
Никој навистина не знае каде е иднината на дизајнот на ПХБ, па дури и на електрониката воопшто.Поминаа скоро 130 години откако почнаа да работат нашите производствени мускули.Оттогаш, светот се промени засекогаш со воведувањето на главните производи како автомобили, апарати, компјутери, паметни телефони и многу повеќе.Помина времето кога зависевме од јаглен, дрва или нафта за сите наши основни средства за живот и опстанок.Сега имаме електронски гаџети кои можат да ги исполнат нашите секојдневни потреби.
Но, што носи иднината?Ова е голема непозната.Сите знаеме дека секој изум пред нас стои на рамениците на неговите претходници.Нашите предци го донесоа дизајнот на ПХБ таму каде што е денес, а сега треба да иновираме и да го револуционизираме начинот на кој дизајнираме и комуницираме со технологијата.Иднината може да биде се.Иднината зависи од вас.
Време на објавување: Мар-17-2023