PCB發(fā)展簡(jiǎn)史

與歷史上的許多其他偉大發(fā)明一樣，我們今天所知的印刷電路板(PCB) 是建立在整個(gè)歷史進(jìn)步的基礎之上的。

在我們這個(gè)世界的小角落，可以追溯到 130 多年前 PCB 的歷史，當時(shí)世界上偉大的工業(yè)機器剛剛開(kāi)始運轉。我們將在本文中介紹的不是完整的歷史，而是將 PCB 轉變?yōu)榻裉斓臉幼拥闹匾獣r(shí)刻。

為什么是PCB？

隨著(zhù)時(shí)間的推移，PCB 已經(jīng)發(fā)展成為優(yōu)化電子產(chǎn)品制造的工具。曾經(jīng)很容易用手組裝的東西很快就讓位于需要機械精度和效率的微觀(guān)組件。

以下圖所示的兩塊電路板為例。一個(gè)是 1960 年代制造的用于計算器的舊板。另一種是典型的高密度主板，您將在今天的計算機中看到。

1968 年計算器與當今現代主板之間的 PCB 比較

在計算器中，我們可能有 30 多個(gè)晶體管，但在主板上的單個(gè)芯片上，您會(huì )發(fā)現超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)晶體管。重點(diǎn)是，技術(shù)和 PCB 設計本身的進(jìn)步速度令人印象深刻?，F在，計算器 PCB 上的所有東西都可以裝入當今設計的單個(gè)芯片中。這使人們關(guān)注 PCB 制造中的幾個(gè)顯著(zhù)趨勢：

· 我們正在將更多功能集成到集成電路 (IC) 和微處理器等高級設備中。

· 我們正在將電阻器、電容器等無(wú)源元件縮小到微觀(guān)水平。

· 所有這些都導致我們電路板上的組件密度和復雜性增加。

所有這些進(jìn)步主要是由我們產(chǎn)品速度和功能的提高推動(dòng)的。我們希望我們的設備能夠立即響應，即使是幾秒鐘的延遲也會(huì )讓我們陷入瘋狂。

對于性能進(jìn)步，請想下游戲的發(fā)展：回到 80 年代，你很可能在街機玩吃豆人；現在我們可以看到非常逼真的畫(huà)面，進(jìn)步簡(jiǎn)直是瘋了。

很明顯，PCB 的發(fā)展直接響應了我們對設備的期望。我們需要更快、更便宜、更強大的產(chǎn)品，而滿(mǎn)足這些需求的唯一方法是使制造過(guò)程小型化并提高效率。電子產(chǎn)品和 PCB 的這股熱潮是從什么時(shí)候開(kāi)始的？在鍍金時(shí)代的黎明。

鍍金時(shí)代 (1879 – 1900)

我們在 60 年代結束了美國內戰，現在美國的制造業(yè)正在蓬勃發(fā)展。在此期間，我們正在盡我們所能，從食物到衣服、家具和鐵軌。運輸業(yè)正在大舉進(jìn)攻，我們最偉大的工程師正在研究如何在 5 到 7 天而不是 5 到 7 個(gè)月內將人從美國東海岸送到西海岸。

鐵路使從東海岸到西海岸的旅行只需幾天而不是幾個(gè)月

在此期間，我們還將電力引入家庭，首先從城市開(kāi)始，然后進(jìn)入郊區和農村地區。電力現在是煤炭、木材和石油的替代品。想想在嚴冬時(shí)住在紐約，試著(zhù)用臟煤或成堆的柴火做飯或取暖。電力改變了這一切。

一個(gè)有趣的問(wèn)題是，壟斷石油市場(chǎng)的標準石油公司并沒(méi)有為汽油供應石油。他們的市場(chǎng)是用于烹飪、煎炸和照明的油。隨著(zhù)電力的出現，標準石油公司需要為石油定義一個(gè)新的用途，這將隨著(zhù)汽車(chē)的推出而到來(lái)。

1878年5月標準石油公司發(fā)行股票，石油壟斷開(kāi)始

在鍍金時(shí)代，我們看到了電磁學(xué)的一些重大發(fā)現。我們發(fā)明了電動(dòng)機，它將電能轉化為機械能。我們還看到發(fā)電機，它通過(guò)將機械能轉換為電能來(lái)做相反的事情。

這也是一個(gè)天才發(fā)明家的時(shí)期，他們仍然對我們今天的電子世界產(chǎn)生影響，包括：

· 托馬斯愛(ài)迪生 在 1879 年發(fā)明了燈泡，在 1889 年發(fā)明了電影，以及許多其他創(chuàng )新。

· 尼古拉·特斯拉 在 1888 年發(fā)明了電動(dòng)機，在 1895 年發(fā)明了交流電源。

· 亞歷山大·格雷厄姆·貝爾 于 1876 年發(fā)明了電話(huà)。

· 喬治伊士曼的柯達 于 1884 年發(fā)明了第一臺消費類(lèi)相機。

· Herman Hollerith 于 1890 年發(fā)明了制表機，隨后創(chuàng )立了 IBM。

在這個(gè)激烈的創(chuàng )新時(shí)期，最大的爭論之一是交流和直流之間的爭論。特斯拉的交流電最終成為長(cháng)距離電力傳輸的理想方法。然而，有趣的是，我們今天仍在處理 AC-DC 轉換問(wèn)題。

交流電可能贏(yíng)得了這場(chǎng)戰斗，但直流電仍然主導著(zhù)電子產(chǎn)品

查看您插入墻上的任何電子設備，您需要將交流電轉換為直流電?；蛘?，如果您查看太陽(yáng)能電池板所需的基礎設施，它們以直流電產(chǎn)生電力，必須將其轉換回交流電作為電源，然后再轉換回直流電供我們的設備使用。你幾乎可以說(shuō) AC-DC 的辯論從未結束，兩個(gè)對立的想法之間剛剛達成了平衡。

太陽(yáng)能電池板中的交流和直流之間有很多來(lái)回

請注意，PCB 的最初想法并不是在鍍金時(shí)代發(fā)明的。然而，如果沒(méi)有這個(gè)時(shí)代的制造能力，以及電力的廣泛影響，PCB 永遠不會(huì )成為今天的樣子。

進(jìn)步時(shí)代（1890 – 1920）

進(jìn)步時(shí)代的標志是社會(huì )改革時(shí)期，像《謝爾曼反托拉斯法》這樣的立法打破了標準石油的壟斷。這也是我們看到第一個(gè)PCB專(zhuān)利的時(shí)候。1903 年，德國發(fā)明家 Albert Hanson為一種裝置申請了英國專(zhuān)利，該裝置被描述為多層絕緣板上的扁平箔導體。聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)熟？

描繪了 Albert Hanson 獲得的第一個(gè) PCB 專(zhuān)利的圖紙

漢森還在他的專(zhuān)利中描述了通孔應用的概念。在這里，他展示了您可以在兩個(gè)具有垂直線(xiàn)的層上打一個(gè)孔以建立電氣連接。

在此期間，我們開(kāi)始看到愛(ài)迪生和其他商業(yè)領(lǐng)袖大力推動(dòng)電動(dòng)設備進(jìn)入日常家庭。這種推動(dòng)的問(wèn)題是完全缺乏標準化。如果你住在紐約或新澤西，并使用愛(ài)迪生的電力發(fā)明來(lái)照明、取暖或烹飪，如果你在另一個(gè)城市使用它們會(huì )發(fā)生什么？它們無(wú)法使用，因為每個(gè)城鎮都有自己的插座配置。

愛(ài)迪生不僅想賣(mài)給人們一個(gè)燈泡，他還想賣(mài)一種服務(wù)，這一事實(shí)也使這個(gè)問(wèn)題變得更糟。愛(ài)迪生可以按月為您提供電力服務(wù)；然后你會(huì )購買(mǎi)燈泡、電器等。當然，這些服務(wù)都不兼容其他競爭方法。

我們要感謝Harvey Hubbel終于結束了這場(chǎng)混亂。1915 年，他為至今仍在使用的標準墻壁插座插頭申請了專(zhuān)利?，F在我們沒(méi)有將烤面包機或加熱板插入燈泡插座。這是行業(yè)標準化的巨大勝利。

多虧了 Harvey Hubbel，我們現在有了一個(gè)適用于所有電子設備的標準化壁裝插座

最后要注意的是，進(jìn)步時(shí)代標志著(zhù)第一次世界大戰。這場(chǎng)沖突純粹集中在機械裝置和塹壕戰上。PCB 概念，甚至是基本的電子產(chǎn)品，還沒(méi)有用于軍事應用，但很快就會(huì )使用。

咆哮的二十年代（1920 年代）

隨著(zhù)第一次世界大戰的結束，我們現在正處于咆哮的二十年代，看到美國經(jīng)濟出現了巨大的繁榮。這是歷史上第一次住在城市的人多于住在農場(chǎng)的人。我們也開(kāi)始看到在美國各地引入連鎖店和品牌。您可能在兩個(gè)不同的城鎮擁有一兩家家族商店，但現在我們擁有走向全國的主要品牌和商店。

這一時(shí)期最偉大的發(fā)明是亨利福特的汽車(chē)及其所需的基礎設施。這種情況類(lèi)似于 1990 年代，當時(shí)我們必須通過(guò)構建交換機、路由器和光纜來(lái)建立一個(gè)主要的基礎設施來(lái)處理互聯(lián)網(wǎng)和我們的信息時(shí)代。汽車(chē)也不例外。

亨利福特的第一輛車(chē)——四輪車(chē)

在這里，我們看到曾經(jīng)是泥濘的道路正在鋪設。人們需要汽油來(lái)為他們的車(chē)輛提供動(dòng)力，因此加油站應運而生。您還擁有維修店、配件等。許多人的整個(gè)生活方式都源于汽車(chē)的發(fā)明，今天仍然如此。

也是在這段時(shí)間，我們看到了我們今天仍然依賴(lài)的現代電器的引入，比如洗衣機、吸塵器和冰箱。這是人們第一次能夠在商店購買(mǎi)易腐爛的商品并將其儲存以延長(cháng)保鮮期。

但是我們的多氯聯(lián)苯在哪里？我們仍然沒(méi)有看到它們用于在此期間推出的任何電器或汽車(chē)中。然而，在 1925 年，查爾斯·杜卡斯提交了一項專(zhuān)利，該專(zhuān)利描述了將導電油墨添加到絕緣材料中的過(guò)程。這將在后來(lái)產(chǎn)生印刷線(xiàn)路板 (PWB)。該專(zhuān)利是第一個(gè)類(lèi)似于 PCB 的實(shí)際應用，但僅用作平面加熱線(xiàn)圈。我們還沒(méi)有得到電路板和組件之間的任何實(shí)際電氣連接，但我們已經(jīng)接近了。

PCB 不斷發(fā)展，這次被用作 Charles Ducas 的加熱線(xiàn)圈

大蕭條（1930年代）

1929 年，股市暴跌，我們這個(gè)時(shí)代所有偉大的創(chuàng )新發(fā)明都一落千丈。在這里，我們看到失業(yè)率超過(guò) 25% 的時(shí)期，25,000 家銀行倒閉，大量困難波及全球。對于整個(gè)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這是一段悲慘的時(shí)期，為希特勒、墨索里尼、斯大林的崛起以及我們未來(lái)的世界沖突鋪平了道路。直到現在，多氯聯(lián)苯可能一直保持沉默，但這一切都即將改變。

大蕭條影響了每個(gè)人，從銀行到普通工人

第二次世界大戰 (1939 – 1945)

第二次世界大戰正在進(jìn)行中，美國在 1942 年珍珠港爆炸事件后加入了戰斗。珍珠港事件的有趣之處在于導致襲擊的整個(gè)通信失敗。美國有充分的證據表明危機迫在眉睫，但與他們在檀香山的軍事基地的所有聯(lián)系方式均未成功，因此該島措手不及。

一艘在珍珠港襲擊中失蹤的戰列艦

由于這次失敗，美國國防部意識到他們需要一種更可靠的通信方式。這將電子產(chǎn)品作為替代摩爾斯電碼的主要通信手段帶到了最前沿。

也是在第二次世界大戰期間，我們看到了我們今天在接近保險絲中首次使用 PCB。該裝置用于高速炮彈，需要在天空或陸地上進(jìn)行遠距離精確射擊。近距離引信最初是由英國人開(kāi)發(fā)的，用于對抗希特勒軍隊的推進(jìn)。后來(lái)與完善設計和制造的美國共享。

最早使用 PCB 的軍事應用之一——接近保險絲

在此期間，我們還有居住在英國的奧地利人Paul Eisler為非導電玻璃基底上的銅箔申請了專(zhuān)利。聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)熟？這是我們今天仍在使用的概念，用于制造頂部/底部帶有絕緣層和銅的 PCB。艾斯勒在 1943 年用他的 PCB 制作了一臺收音機，使這一想法更進(jìn)一步，這將為未來(lái)的軍事應用鋪平道路。

Paul Eisler 用第一塊印刷電路板 (PCB) 制造的收音機

嬰兒潮一代（1940 年代）

隨著(zhù)第二次世界大戰接近尾聲，我們看到我們的士兵回家，組建家庭，生下一大堆孩子。提示嬰兒潮一代。正是在戰后時(shí)代，我們看到了對真空吸塵器、洗衣機、電視和收音機等現有電器的大量改進(jìn)?，F在大蕭條已經(jīng)過(guò)去，許多消費者終于可以在家中買(mǎi)得起這些設備。

我們仍然沒(méi)有看到消費級 PCB。保羅·艾斯勒的作品在哪里？看看下面這臺舊電視，你會(huì )看到所有的組件，但沒(méi)有底層的 PCB 基礎。

一臺 1948 年的舊摩托羅拉電視機，沒(méi)有 PCB

盡管缺少 PCB，但我們確實(shí)在 1947 年看到了晶體管在貝爾實(shí)驗室的到來(lái)。1953 年又過(guò)了六年，這個(gè)設備才最終用于產(chǎn)品，但為什么這么久呢？在那些日子里，信息是通過(guò)期刊、會(huì )議等傳播的。在信息時(shí)代之前，信息的傳播只是需要時(shí)間來(lái)傳播。

第一個(gè)晶體管，1947 年誕生于貝爾實(shí)驗室

冷戰時(shí)代 (1947 – 1991)

冷戰時(shí)代的到來(lái)，標志著(zhù)美蘇之間相當時(shí)期的緊張局勢。由于資本主義和共產(chǎn)主義之間的差異，這兩個(gè)巨人幾乎相互交戰，并使世界處于核毀滅的威脅之中。

為了在這場(chǎng)軍備競賽中保持領(lǐng)先，雙方都必須加強溝通能力，以了解敵人在做什么。在這里，我們看到 PCB 被充分發(fā)揮其潛力。1956 年，美國陸軍公布了“電路組裝工藝”的專(zhuān)利?，F在，制造商有一種方法既可以固定電子產(chǎn)品，又可以在帶有銅跡線(xiàn)的組件之間建立連接。

隨著(zhù) PCB 開(kāi)始在制造領(lǐng)域起步，我們發(fā)現自己正在參加世界上第一次太空競賽。俄羅斯在此期間取得了一些驚人的成就，包括：

· 1957 年發(fā)射第一顆人造衛星 Sputnik

· 1959 年向月球發(fā)射第一艘宇宙飛船 Luna 2

· 1961 年派遣第一位宇航員尤里·加加林環(huán)繞地球

俄羅斯于 1957 年發(fā)射的第一顆人造衛星 Sputnik

在這一切中，美國在哪里？主要是落后，通常需要一兩年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)相同的技術(shù)。針對這一差距，我們看到美國的太空預算在 1960 年增長(cháng)了 5 倍。我們還有著(zhù)名的 1962 年肯尼迪總統演講，其中一部分值得引述如下：

“我們選擇去月球！我們選擇在這十年去月球做其他事情，不是因為它們容易，而是因為它們很難；因為這個(gè)目標將有助于組織和衡量我們最好的精力和技能，因為這個(gè)挑戰是我們愿意接受的，我們不愿意推遲的，也是我們打算贏(yíng)得的?！?——美國總統約翰·肯尼迪，1962 年 9 月 12 日

所有這些都導致了歷史上具有里程碑意義的時(shí)刻。1969年7月20日，美國第一人登上月球。

第一個(gè)登上月球的人，人類(lèi)的歷史性時(shí)刻

回到 PCB，1963 年，我們讓Hazeltyne Corporation申請了第一個(gè)電鍍通孔技術(shù)的專(zhuān)利。這將允許組件在 PCB 上緊密排列在一起，而無(wú)需擔心交叉連接。我們還看到IBM 開(kāi)發(fā)的表面貼裝技術(shù) (SMT)的引入。這些密集的組件在土星火箭助推器中首次得到實(shí)際應用。

1967年第一個(gè)通孔PCB技術(shù)專(zhuān)利

微處理器的黎明（1970 年代）

70 年代為我們帶來(lái)了第一個(gè)集成電路 (IC) 形式的微處理器。這最初是由德州儀器的 Jack Kilby 于 1958 年開(kāi)發(fā)的。Kilby 是 TI 的新手，因此他對 IC 的創(chuàng )新想法在很大程度上是保密的。然而，當 TI 的高級工程師被派去參加為期一周的會(huì )議時(shí)，Kilby 留下來(lái)帶著(zhù)腦海中的想法奔跑。在這里，他在 TI 實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了第一款 IC，而返回的工程師們都很喜歡它。

Jack Kilby 持有第一塊集成電路

在 1970 年代，我們看到 IC 首次用于電子產(chǎn)品制造。到了這個(gè)時(shí)候，如果你不使用 PCB 進(jìn)行連接，你就有大麻煩了。

數字時(shí)代的黎明（1980 年代）

數字時(shí)代帶來(lái)了我們消費媒體的巨大變化，引入了個(gè)人設備，如光盤(pán)、VHS、相機、游戲機、隨身聽(tīng)等。

1980 年，Atari 視頻游戲機讓孩子的夢(mèng)想成真

需要注意的是，PCB 仍然是用燈板和模板手工繪制的，但隨后計算機和 EDA 出現了。在這里，我們看到像 Protel 和 EAGLE 這樣的 EDA 軟件徹底改變了我們設計和制造電子產(chǎn)品的方式?，F在，我們可以將設計保存為 Gerber 文本文件，而不是 PCB 的照片，其坐標可以輸入制造機械以生產(chǎn) PCB。

在 EDA 到來(lái)之前用膠帶和聚酯薄膜繪制印刷電路板

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代（1990 年代）

在 90 年代，隨著(zhù) BGA 的引入，我們看到硅的使用全面展開(kāi)?，F在我們可以在單個(gè)芯片上安裝更多門(mén)，并開(kāi)始將存儲器和片上系統 (SoC) 嵌入在一起。這也是電子產(chǎn)品高度小型化的時(shí)期。我們沒(méi)有看到任何新功能添加到 PCB 中，但整個(gè)設計過(guò)程開(kāi)始發(fā)生變化和發(fā)展，轉向 IC。

現在設計人員必須在他們的布局中實(shí)施測試設計 (DFT) 策略。彈出一個(gè)組件并添加一條藍線(xiàn)并不容易。工程師必須從未來(lái)返工的角度來(lái)設計他們的布局。所有這些組件的放置方式是否都可以輕松移除？這是一個(gè)巨大的擔憂(yōu)。

這也是一個(gè)像 0402 這樣較小的組件封裝使得電路板的手工焊接幾乎不可能的時(shí)代。設計師現在住在他的 EDA 軟件中，制造商負責物理生產(chǎn)和組裝。

表面貼裝元件從大到小

混合時(shí)代（2000 年代及以后）

切入電子和PCB設計的當今時(shí)代；我們稱(chēng)之為混合時(shí)代。過(guò)去，我們有多種設備來(lái)滿(mǎn)足多種需求。你需要一個(gè)計算器；你買(mǎi)了一個(gè)計算器。你想玩電子游戲；你買(mǎi)了一個(gè)視頻游戲機?，F在你可以購買(mǎi)一部智能手機并獲得 30 種不同層次的內置功能。這可能看起來(lái)非常明顯，但當你真正看到我們的智能手機可以做的所有事情時(shí)，它會(huì )非常令人震驚：

我們正處于設備整合的時(shí)代，但接下來(lái)會(huì )發(fā)生什么？PCBs 已經(jīng)建立，我們幾乎所有的事情都有流程和程序。高速應用正在成為常態(tài)。我們還看到只有 25% 的 PCB 設計師年齡在 45 歲以下，而 75% 的人正準備退休。該行業(yè)似乎正處于危機時(shí)期。

未來(lái)會(huì )怎樣？

沒(méi)有人真正知道 PCB 設計未來(lái)的發(fā)展方向，甚至整個(gè)電子產(chǎn)品的發(fā)展方向。自我們的制造肌肉開(kāi)始運轉以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去了近 130 年。從那時(shí)起，隨著(zhù)汽車(chē)、電器、電腦、智能手機等主要產(chǎn)品的引入，世界永遠發(fā)生了變化。我們所有的基本生計和生存都依賴(lài)煤炭、木材或石油的日子已經(jīng)一去不復返了?，F在我們擁有可以滿(mǎn)足我們日常需求的電子產(chǎn)品。

但未來(lái)會(huì )怎樣？這是一個(gè)很大的未知數。眾所周知，我們面前的每一項發(fā)明都站在其前身的肩膀上。我們的祖先將 PCB 設計帶到了今天的位置，而現在我們需要創(chuàng )新和徹底改變我們設計和與技術(shù)交互的方式。未來(lái)可以是任何東西，未來(lái)取決于你。