Као и многи други велики изуми кроз историју,штампана плоча (ПЦБ)какву данас познајемо заснива се на напретку оствареном кроз историју.У нашем малом углу света можемо пратити историју ПЦБ-а уназад више од 130 година, када су велике светске индустријске машине тек почињале.Оно што ћемо покрити у овом блогу није комплетна историја, већ важни моменти који су трансформисали ПЦБ у оно што јесте данас.
Зашто ПЦБ?
Временом су ПЦБ-и еволуирали у алат за оптимизацију производње електронских производа.Оно што је некада било лако саставити ручно брзо је уступило место микроскопским компонентама које захтевају механичку прецизност и ефикасност.Узмите две плоче приказане на слици испод као пример.Једна је стара табла из 1960-их за калкулаторе.Друга је типична матична плоча високе густине коју ћете видети на данашњим рачунарима.
ПЦБ поређење између калкулатора из 1968. и данашњих модерних матичних плоча.
У калкулатору можемо имати 30+ транзистора, али на једном чипу на матичној плочи наћи ћете преко милион транзистора.Поента је да је стопа напретка у технологији и дизајну ПЦБ-а импресивна.Све на ПЦБ-у калкулатора сада може да стане у један чип у данашњем дизајну.Ово скреће пажњу на неколико значајних трендова у производњи ПЦБ-а:
Интегришемо више функционалности у напредне уређаје као што су интегрисана кола (ИЦ) и микропроцесори.
Смањујемо пасивне компоненте као што су отпорници и кондензатори на микроскопски ниво.
Све ово доводи до повећане густине и сложености компоненти на нашим штампаним плочама.
Сви ови напредак првенствено су вођени побољшањима у брзини и функционалности наших производа.Очекујемо да наши уређаји реагују тренутно, чак и неколико секунди кашњења може да нас доведе до лудила.За функционалност, размотрите видео игре.У 80-им годинама вероватно сте играли Пац-Ман-а у игрицама.Сада видимо фотореалне репрезентације стварности.Напредак је просто луд.
Визуелни прикази видео игара су скоро реалистични ових дана.
Јасно је да су ПЦБ-и еволуирали као директан одговор на оно што очекујемо од наших уређаја.Потребни су нам бржи, јефтинији, моћнији производи, а једини начин да испунимо ове захтеве је минијатуризација и побољшање ефикасности производног процеса.Када је почео овај процват електронике и ПЦБ-а?У зору позлаћеног доба.
Позлаћено доба (1879 – 1900)
Завршили смо амерички грађански рат 60-их година, а сада америчка производња цвета.У међувремену, радимо шта можемо, од хране до одеће, намештаја и шина.Индустрија транспорта је у офанзиви, а наши највећи инжењери смишљају како да доведу некога са источне обале САД на западну за 5 до 7 дана уместо за 5 до 7 месеци.
Путовање железницом од обале до обале траје данима уместо месецима.
За то време увели смо и струју у дом, прво у градовима, а потом и у приградским и сеоским срединама.Струја је сада замена за угаљ, дрво и нафту.Замислите да живите у Њујорку током оштре зиме, покушавајући да кувате или да се грејете прљавим угљем или гомилама дрва за огрев.Струја је све то променила.
Занимљиво је да Стандард Оил, који монополизује тржиште нафте, не испоручује нафту за бензин.Њихово тржиште је уље за кување, пржење и осветљење.Са појавом електричне енергије, Стандард Оил је морао да дефинише нову употребу нафте, која би дошла са увођењем аутомобила.
У мају 1878, Стандард Оил Цомпани је издала акције и почео је монопол над нафтом.
Током позлаћеног доба видели смо нека велика открића у електромагнетизму.Измислили смо електрични мотор, који претвара електричну енергију у механичку енергију.Видимо и генераторе, који раде супротно претварајући механичку енергију у електричну.
То је такође било време генијалних проналазача који и данас имају утицај на наш електронски свет, укључујући:
Томас Едисон је изумео сијалицу 1879. године, филм 1889. године и многе друге иновације.
Никола Тесла је изумео електрични мотор 1888. године и извор наизменичне струје 1895. године.
Александер Грејем Бел је изумео телефон 1876. године.
Кодак Џорџа Истмана изумео је прву потрошачку камеру 1884.
Херман Холерит је 1890. године изумео машину за табелирање и основао ИБМ.
Током овог интензивног периода иновација, једна од највећих дебата је она између АЦ и ДЦ.Теслина наизменична струја је на крају постала идеалан метод за пренос енергије на велике удаљености.Занимљиво је, међутим, да се и данас бавимо АЦ-ДЦ конверзијом.
АЦ је можда добио битку, али ДЦ и даље доминира електроником.
Погледајте било који електронски уређај који прикључите на зид, потребно је да конвертујете АЦ у ДЦ.Или, ако погледате инфраструктуру потребну за соларне панеле, они генеришу електричну енергију у једносмерној струји, која се мора поново претворити у наизменичну струју као извор напајања и назад у једносмерну да би наши уређаји могли да их користе.Готово да би се могло рећи да АЦ-ДЦ дебата никада није завршена, управо је постигнута равнотежа између две супротстављене идеје.
У соларном панелу постоји много напред-назад између наизменичне и једносмерне струје.
Имајте на уму да оригинална идеја ПЦБ-а није измишљена у позлаћеном добу.Међутим, без производних могућности ове ере и широко распрострањеног утицаја електричне енергије, ПЦБ никада не би били оно што јесу данас.
Прогресивна ера (1890 – 1920)
Прогресивна ера је била обележена периодом друштвених реформи, са законодавством као што је Схерман Антитруст Ацт који је разбио монопол Стандард Оила.Ово је такође када видимо прве патенте за ПЦБ.Године 1903. немачки проналазач Алберт Хансон пријавио је британски патент за уређај описан као раван проводник од фолије на вишеслојној изолационој плочи.Звучи познато?
Цртеж који приказује први ПЦБ патент Алберта Хансона.
Хансен такође описује концепт примене кроз рупе у свом патенту.Овде он показује да можете да направите рупу у два слоја вертикалним линијама да бисте направили електричну везу.
Током овог времена, почели смо да видимо како Едисон и други пословни лидери чине велики напор да уведу електричне уређаје у свакодневне домове.Проблем са овим притиском је потпуни недостатак стандардизације.Да сте живели у Њујорку или Њу Џерсију и користили Едисонове изуме електричне енергије за осветљење, грејање или кување, шта би се десило ако бисте их користили у другом граду?Не могу се користити јер сваки град има своју конфигурацију утичнице.
Проблем је додатно погоршала чињеница да Едисон није желео само да прода људима сијалицу, већ је желео да прода и услугу.Едисон би могао да вам обезбеди услугу електричне енергије на месечном нивоу;онда бисте купили сијалице, уређаје итд. Наравно, ниједна од ових услуга није компатибилна са другим конкурентским методама.
Желимо да се захвалимо Харвију Хабелу што је коначно ставио тачку на овај неред.Године 1915. патентирао је стандардни утикач за зидну утичницу који се и данас користи.Сада немамо тостер или грејну плочу укључену у утичницу сијалице.Ово је велика победа за стандардизацију индустрије.
Захваљујући Харвију Хабелу, сада имамо стандардизовану зидну утичницу за све електронске уређаје.
Као коначна напомена, прогресивна ера је обележена Првим светским ратом. Овај сукоб је искључиво фокусиран на мехове и рововско ратовање.Концепт ПЦБ-а, па чак ни основна електроника, још се не користи у војним апликацијама, али ће ускоро бити.
Роаринг Твентиес (1920с)
Са завршетком Првог светског рата, сада смо у бурним двадесетим годинама, које су доживеле огроман процват у америчкој економији.Први пут у историји више људи живи у градовима него на фармама.Такође почињемо да видимо да се ланци и брендови представљају широм САД.Можда имате породичну продавницу или две у два различита града, али сада имамо главне брендове и продавнице које иду на националном нивоу.
Највећи изум овог периода био је аутомобил Хенрија Форда и инфраструктура која му је била потребна.Ситуација је слична оној из 1990-их, када смо морали да изградимо велику инфраструктуру за суочавање са интернетом и нашим информатичким добом градећи прекидаче, рутере и оптичке каблове.Аутомобили нису изузетак.
Први аутомобил Хенрија Форда - четвороточкаш.
Овде видимо како се некада асфалтирао земљани пут.Људима је био потребан бензин за погон својих возила, па отуда и потреба за бензинским пумпама.Такође имате радионице за поправке, прибор и још много тога.Читав начин живота многих људи настао је проналаском аутомобила, а тако је и данас.
У то време смо видели и увођење савремених уређаја на које се и данас ослањамо, као што су машине за прање веша, усисивачи и фрижидери.Људи ће први пут моћи да купују кварљиву робу у продавницама и да је чувају на дужи рок трајања.
Али где су наши ПЦБ-и?Још увек их нисмо видели да се користе у било којим уређајима или аутомобилима који су лансирани током овог времена.Међутим, 1925. Цхарлес Дуцассе је поднео патент који описује процес додавања проводљивог мастила у изолационе материјале.Ово ће касније резултирати штампаном плочом за ожичење (ПВБ).Овај патент је прва практична примена слична ПЦБ-у, али само као планарни грејни калем.Још увек нисмо добили никакве стварне електричне везе између плоче и компоненти, али смо близу.
ПЦБ је наставио да се развија, овај пут се користио као калем за грејање за Цхарлеса Дуцаса.
Велика депресија (1930-е)
Године 1929. берза је опала, а све велике иновације нашег времена су пале.Овде видимо период незапослености изнад 25%, 25.000 банкрота банака и много невоља широм света.Било је то трагично време за човечанство у целини, отварајући пут успону Хитлера, Мусолинија, Стаљина и нашим будућим светским сукобима.ПЦБ-и су можда били тихи до сада, али то ће се све променити.
Велика депресија је погодила све, од банака до обичних радника.
Други светски рат (1939-1945)
Други светски рат је био у току, а Сједињене Државе су се укључиле у борбу након бомбардовања Перл Харбора 1942. Оно што је занимљиво у вези са Перл Харбором је цео неуспех комуникације који је довео до напада.САД су имале добре доказе о неминовној кризи, али све методе контакта са њиховом војном базом у Хонолулуу биле су неуспешне, а острво је затечено.
Као резултат овог неуспеха, Министарство одбране је схватило да им је потребно поузданије средство комуникације.Ово је довело електронику у први план као примарно средство комуникације које је заменило Морзеову азбуку.
Такође смо током Другог светског рата видели прву употребу ПЦБ-а у блиским осигурачима које имамо данас.Уређај се користи за пројектиле велике брзине који захтевају прецизну ватру на великим удаљеностима на небу или на копну.Блиски осигурач су првобитно развили Британци да би се супротставили напредовању Хитлерове војске.Касније је подељен са Сједињеним Државама где су дизајн и производња усавршени.
Једна од првих војних апликација која је користила ПЦБ-е били су близински осигурачи.
За то време, имали смо и Паула Еислера, Аустријанца који живи у Великој Британији, који је патентирао бакарну фолију на непроводној стакленој подлози.Звучи познато?Ово је концепт који и данас користимо за прављење ПЦБ-а са изолацијом и бакром на врху / дну.Еислер је ову идеју направио корак даље када је направио радио од свог ПЦБ-а 1943. године, који би отворио пут за будуће војне примене.
Пол Ајслер је направио радио од прве штампане плоче (ПЦБ).
Баби Боомерс (1940-е)
Како се Други светски рат ближио крају, видели смо како наши војници долазе кући, оснивају породице и имају гомилу деце.Реците бејби бумерима.Било је то у послератној ери када смо видели огромна побољшања постојећих уређаја као што су усисивачи, машине за прање веша, телевизори и радио апарати.Сада када је велика рецесија иза нас, многи потрошачи коначно могу приуштити ове уређаје у својим домовима.
Још увек нисмо видели ПЦБ-е за потрошаче.Где су дела Пола Ајзлера?Погледајте овај стари ТВ испод и видећете све компоненте, али без темељне ПЦБ основе.
Стари Моторола ТВ из 1948. без ПЦБ-а.
Упркос недостатку ПЦБ-а, видели смо долазак транзистора у Белл Лабс 1947. Требало је још шест година 1953. пре него што је уређај коначно употребљен у производњи, али зашто толико дуго?У то време, информације су се шириле путем часописа, конференција, итд. Пре информатичког доба, ширењу информација је било потребно време да се прошири.
Први транзистор је рођен у Белл Лабораториес 1947.
Хладног рата (1947 – 1991)
Долазак ере Хладног рата означио је значајан период напетости између Сједињених Држава и Совјетског Савеза.Због разлика између капитализма и комунизма, ова два гиганта су скоро у међусобном рату и ставили су свет под претњу нуклеарног уништења.
Да би остале испред у овој трци у наоружању, обе стране морају побољшати своју способност комуникације како би разумеле шта непријатељ ради.Овде видимо да се ПЦБ користи у пуном потенцијалу.Године 1956. америчка војска је објавила патент за „процес склапања кола“.Произвођачи сада имају начин да држе електронику и направе везе између компоненти са траговима бакра.
Како су ПЦБ-и почели да расту у свету производње, нашли смо се у првој светској свемирској трци.Русија је за то време имала невероватна достигнућа, укључујући:
1957 Лансирање првог вештачког сателита Спутњик
1959 Лансирање Луне 2, прве свемирске летелице на Месец
1961. године Јуриј Гагарин, први космонаут, послат је у орбиту Земље
Први вештачки сателит у Русији, Спутњик, лансиран је 1957. године.
Где је Америка у свему томе?Углавном у заостатку, обично је потребно годину или две да се развије иста технологија.Решавајући овај јаз, видимо да је амерички свемирски буџет 1960. порастао пет пута. Имамо и чувени говор председника Кенедија из 1962. године, чији део вреди цитирати:
„Бирамо да идемо на Месец!Одлучили смо да идемо на Месец да радимо друге ствари ове деценије, не зато што су лаке, већ зато што су тешке;јер ће овај циљ помоћи да организујемо и измеримо нашу најбољу енергију и вештине, због тога су изазови оно што смо спремни да преузмемо, оно што нисмо вољни да одложимо и оно што смо вољни да победимо.”– Џон Ф. Кенеди, председник Сједињених Држава, 12. септембра 1962
Све ово је довело до значајног тренутка у историји.20. јула 1969. први Американац слетео је на Месец.
Први човек на Месецу, историјски тренутак за човечанство.
Враћајући се ПЦБ-има, 1963. године Хазелтине Цорпоратион је патентирала прву технологију са плочом кроз рупе.Ово ће омогућити да компоненте буду упаковане близу једна уз другу на ПЦБ-у без бриге о унакрсном повезивању.Такође смо видели увођење технологије површинског монтирања (СМТ), коју је развио ИБМ.Ови густи склопови су први пут виђени у пракси у ракетном бустеру Сатурн.
1967. Први патент за ПЦБ технологију кроз рупу.
Зора микропроцесора (1970-е)
Седамдесете су нам донеле први микропроцесор у облику интегрисаног кола (ИЦ).Ово је првобитно развио Јацк Килби из Текас Инструментс-а 1958. Килби је био нов у ТИ, тако да су његове иновативне идеје за ИЦ-е углавном држане у тајности.Међутим, када су старији инжењери ТИ послати на једнонедељни састанак, Килби је остао и трчао са идејама у глави.Овде је развио први ИЦ у ТИ лабораторијама, а инжењерима који су се вратили то се допало.
Џек Килби држи прво интегрисано коло.
Седамдесетих година прошлог века видели смо прву употребу ИЦ-а у производњи електронике.У овом тренутку, ако не користите ПЦБ за своје везе, у великој сте невољи.
Зора дигиталног доба (1980-е)
Дигитално доба донело је огромну промену у медијима које конзумирамо, увођењем личних уређаја као што су дискови, ВХС, камере, конзоле за игре, вокмени и још много тога.
1980. Атари конзола за видео игре остварила је дечје снове.
Важно је напоменути да су ПЦБ-и и даље цртани ручно помоћу светлосних плоча и шаблона, али су се онда појавили рачунари и ЕДА.Овде видимо ЕДА софтвер као што су Протел и ЕАГЛЕ који револуционише начин на који дизајнирамо и производимо електронику.Уместо фотографије ПЦБ-а, сада можемо да сачувамо дизајн као Гербер текстуалну датотеку, чије координате се могу унети у машину за производњу за производњу ПЦБ-а.
Интернет доба (1990-е)
Током 90-их, видели смо да је употреба силицијума ушла у пуни замах са увођењем БГА.Сада можемо да уградимо више капија на један чип и почнемо да уграђујемо меморију и системе на чипу (СоЦс) заједно.Ово је такође био период високе минијатуризације електронике.Нисмо видели никакве нове карактеристике додате ПЦБ-у, али цео процес дизајна је почео да се мења и развија, прелазећи на ИЦ.
Дизајнери сада морају да имплементирају стратегије дизајна за тестирање (ДФТ) у своје изгледе.Није лако убацити компоненту и додати плаву линију.Инжењери морају дизајнирати своје распореде имајући на уму будућу прераду.Да ли су све ове компоненте постављене тако да се могу лако уклонити?Ово је велика брига.
То је такође била ера када су мањи пакети компоненти попут 0402 чинили ручно лемљење штампаних плоча готово немогућим.Дизајнер сада живи у свом ЕДА софтверу и произвођач је одговоран за физичку производњу и склапање.
Компоненте за површинску монтажу од највећих до најмањих.
Хибридна ера (2000-те и даље)
Сјечен на данашњу еру електронике и ПЦБ дизајна;оно што називамо хибридном ером.У прошлости смо имали више уређаја за различите потребе.Потребан вам је калкулатор;купиш калкулатор.Желите да играте видео игрице;купујете конзолу за видео игре.Сада можете купити паметни телефон и добити 30 различитих нивоа уграђених функција.Ово може изгледати прилично очигледно, али је прилично запањујуће када видите све ствари које наши паметни телефони могу да ураде:
опрема за игре адресар е-маил бар код скенер батеријска лампа звоно камера навигација
музички плејер распоред ВЦР мапа Интернет претраживач календар филмски плејер калкулатор
Телефонска бележница регистратор карата секретарица Кратке поруке банкарске књиге
У доба смо консолидације уређаја, али шта је следеће?ПЦБ-и су успостављени и имамо процесе и процедуре за скоро све.Апликације велике брзине постају норма.Такође видимо да је само 25% дизајнера ПЦБ-а млађи од 45 година, док се 75% припрема за пензију.Чини се да је индустрија у времену кризе.
Да ли ће будућност дизајна ПЦБ-а бити роботи?Можда у носивом уређају са флексибилним колом?Или бисмо могли видети да протони замењују електроне фотоником.Што се тиче онога што знамо о физичким ПЦБ-има, то би се могло променити у будућности.Нема потребе за физичким медијумом који би омогућио везу између компоненти, већ потенцијал таласне технологије.Ово би омогућило компонентама да шаљу сигнале бежично без потребе за бакром.
Шта ће бити у будућности?
Нико заиста не зна куда иде будућност дизајна ПЦБ-а, па чак и електронике уопште.Прошло је скоро 130 година откако су наши производни мишићи почели да раде.Од тада, свет се заувек променио увођењем великих производа као што су аутомобили, уређаји, рачунари, паметни телефони и још много тога.Прошло је време када смо зависили од угља, дрвета или нафте за све наше основне егзистенције и опстанак.Сада имамо електронске уређаје који могу испунити наше свакодневне потребе.
Али шта доноси будућност?Ово је велика непознаница.Сви знамо да сваки изум пред нама стоји на плећима својих претходника.Наши преци су донели ПЦБ дизајн тамо где је данас, а сада морамо да иновирамо и револуционишемо начин на који дизајнирамо и комуницирамо са технологијом.Будућност може бити било шта.Будућност зависи од вас.
Време поста: 17.03.2023