История печатных плат. От XIX века до наших дней

0
378
История печатных плат. От XIX века до современности

Хронология ключевых событий истории печатных плат, от момента их появления более 100 лет назад до современности, и возможные тенденции развития печатных плат в будущем.

Как и многие другие великие изобретения, печатные платы были созданы на основе множества предыдущих достижений. Их история началась более 130 лет назад, когда великая промышленная машина мира только начинала приходить в движение.

В этой статье — хронология ключевых моментов, которые превратили печатные платы в то, чем они являются сегодня.

Предисловие. Большой квест

Вся история печатных плат — это большой и всё ускоряющийся квест по оптимизации производства электроники, цель которого — увеличить скорость и функционал устройства и уменьшить стоимость и время производства и сборки.

цветной телевизор RCA CT-100
Цветной телевизор RCA CT-100. Источник: wikipedia.org

Для сравнения: первый серийный цветной телевизор RCA CT-100, выпущенный в 1954 году, имел диагональ экрана 11,5 дюймов, поддерживал 16 каналов, грешил хроматическими аберрациями и стоил 1000 долларов США — как не очень дорогая машина. Современные телевизоры в той же ценовой категории имеют диагональ больше 50 дюймов, поддерживают сотни каналов и обеспечивают реалистичную цветопередачу.

А ещё современная тысяча долларов будет равняться всего 104 долларам в пересчёте на деньги 1954 года — то есть все эти возможности обойдутся нам лишь в одну десятую цены RCA CT-100. Технологии становятся совершеннее и дешевле, и тенденция не меняется.

Эта эволюция технологий — эволюция и печатных плат тоже. С течением времени они превратились из способа упростить производство оборудования в предмет первой необходимости. И то, что когда-то легко собиралось вручную, вскоре уступило место микроскопическим компонентам, требующим точности и эффективности машинной сборки. Возьмем, к примеру, вот эти две печатные платы. Одна из них — старая плата для калькулятора, 1960-х годов. Другая — обычная материнская плата высокой плотности из современных компьютеров.

История печатных плат. От XIX века до наших дней
Печатная плата калькулятора 1960-х гг.

В калькуляторе, наверное, всего 30 с небольшим транзисторов, тогда как на одной только микросхеме материнской платы их более миллиона. Да, скорость развития технологий и дизайна печатных плат впечатляет. Всё, что есть на плате калькулятора, теперь может уместиться в одном современном чипе.

Тенденции в производстве печатных плат очевидны:

    • происходит расширение функционала сложных устройств, таких как интегральные схемы и микропроцессоры,
    • пассивные компоненты — резисторы, конденсаторы и т.д. становятся всё меньше, вплоть до микроскопических уровней,
    • что приводит к увеличению плотности компонентов и сложности конструкции плат.

И всё это — ради увеличения скорости и характеристик продукта. Мы ожидаем от своих устройств мгновенной реакции; даже пара секунд задержки уже раздражают.

В 80-х мы играли в “Морской бой” на игровых автоматах, а сейчас требуем от видеоигр фотореалистичной графики.

Морской бой, 80-е
Морской бой, 80-е

Прежде мы покупали калькулятор, чтобы считать; часы, чтобы следить за временем; магнитофон, чтобы слушать музыку; а теперь всё это и многое другое есть в наших небольших смартфонах.

И началась эта гонка ещё в XIX веке.

XIX век

Позапрошлый век был отмечен быстрым развитием технологий. Всё ускоряющийся прогресс начинал набирать обороты. Паровозы позволили путешествовать через всю страну не за 5-7 месяцев, а за 5-7 дней; электричество пришло на смену углю, дереву, маслу. Изобретение телеграфа, а затем и телефона обеспечило быструю связь, не доступную никогда прежде.

Бензиновый двигатель и автомобиль, фотография, граммофон-фонограф, электронно-лучевые трубки и паяльные лампы, трансформаторы и перфокарты, радио и кино, эскалаторы и посудомоечные машины – большинство вещей, которыми мы пользуемся до сих пор, или которые оказали непосредственное влияние на современную электронику, были созданы или запатентованы в XIX веке.

Речи о печатных платах тогда ещё не шло, но без промышленных достижений того времени и широкого распространения электричества платы никогда не стали бы тем, чем они являются сегодня.

1900-1920 годы

Первый патент на то, что мы сейчас назвали бы печатной платой, был получен в 1903 году. С её помощью изобретатель Альберт Хансон (Albert Hanson) планировал улучшить работу телефонных станций. Процесс изготовления этой “платы”, конечно, был далек от того, что используется сейчас, однако всё же позволял создать проводящие металлические рисунки на диэлектрической подложке.

Хансон предложил вырезать или выштамповывать элементы из медной фольги, а затем наносить их в несколько слоёв на пропарафиненную бумагу или другой подобный “носитель”. Для обеспечения электрического соединения между проводниками на разных слоях предусматривались сквозные отверстия. Звучит знакомо, правда?

Идея Хансона, опередившая своё время, не получила распространения. Тогда решения требовали другие, более актуальные на тот момент вопросы. К примеру, в это время электрические устройства уже начали приходить в каждый дом, но полное отсутствие стандартизации и конкуренция между компаниями — поставщиками электричества означали, что приборы для освещения, отопления или приготовления пищи, купленные, скажем, в Нью-Йорке, в другом штате оказались бы бесполезны: везде были собственные конфигурации розеток, а в сети — разные виды тока (постоянный или переменный).

В США проблема различия розеток была решена в 1915 году, когда изобретателю Харви Хаббелу (Harvey Hubbel) удалось добиться принятия единого стандарта — на основе патента, который он получил ещё в 1904 году. Его штепсельная пара применяется в Штатах и по сей день.

“Война токов” — между переменным и постоянным токами, между Эдисоном и Теслой, окончилась повсеместным применением переменного в электросетях (хотя постоянный по-прежнему используется очень широко — подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют именно постоянный ток).

На этом фоне ещё один патент, датированный 1913 годом, остался практически незаметным. Его автор, Артур Берри (Arthur Berry), выдвинул иной, отличный от идеи Хансона, вариант создания плат. Он предлагал покрывать металлическую основу резистом и затем с помощью травления убирать ненужные части с поверхности. В то время патент не получил реального применения, но оба метода производства — и аддитивный, как у Хансона (то есть добавлением нужного проводящего рисунка на подложку), и субтрактивный, как у Берри (вытравливанием лишнего) используются по сей день.

Конец той эпохи ознаменовался Первой мировой войной. Это был последний глобальный конфликт, основанный исключительно на использовании механических устройств и окопных боёв. Печатные платы и даже базовая электроника еще не получили военного применения, но вскоре это изменится.

1920-е — 1930-е годы

История печатных плат. От XIX века до наших дней

Двадцатые годы прошлого века известны как “Ревущие” или “Бурные двадцатые”. США и крупные страны Европы переживали культурный и экономический бум. Люди возвращались к мирной жизни, менялись мода и стиль, кинематограф становился массовым видом досуга, совершались открытия и изобретения, оказавшие большое влияние на всю последующую историю.

Впервые в истории больше людей проживало в городах, а не в деревне. Появление бензиновых двигателей, а за ними и автомобилей потребовало строительства дорог и создания необходимой инфраструктуры: от заправок до СТО. В домах появились пылесосы и холодильники.

А что же печатные платы? В 1925 году американский изобретатель Чарльз Дукас (Charles Ducas) подал заявку на патент, описывающий процесс добавления проводящих чернил на изоляционный материал. Кстати, в описании патента автор прямо указывает, что его изобретение “связано с производством электрического устройства, и, в частности, с методом снижения производственной стоимости” — в полном соответствии с целями оптимизационного квеста. Кроме того, Дукас продумывал возможность соединения нескольких плат, с тем, чтобы создать одну многослойную плату.

Идеи Дукаса были уже ближе к современным печатным платам, но развить их смог только другой изобретатель — Пауль Эйслер (Paul Eisler). Австриец с еврейскими корнями, он в 1930-м окончил Венский технический университет и затем на протяжении нескольких лет занимался радиосвязью, параллельно изучая и разрабатывая другие, смежные сферы.

Одной из интересовавших его задач было использование процесса печати для нанесения проводящего рисунка на диэлектрическое основание — причём в промышленных масштабах. В то время было обычным делом соединять все компоненты электронных устройств с помощью спаянных вручную проводов. Этот метод не позволял добиться высокой степени автоматизации, да и качество оставляло желать лучшего. Эйслер хотел устранить эти проблемы, напечатав провода на плате, и затем установить на неё необходимые элементы.

В 1936-м, видя, что национал-социализм набирает силу, Эйслер переехал в Англию. Там он продолжил разрабатывать идею о печатной плате, и даже сумел заинтересовать ею одну телефонную компанию — платы Эйслера позволили бы избавиться от массы проводов, которые тогда использовались для телефонных соединений. Но в итоге от идеи отказались, мотивировав это тем, что девушки-телефонистки, осуществлявшие связь, “были дешевле”. А вскоре началась Вторая мировая война и, как гражданин страны-противника, Эйслер был интернирован.

Вторая мировая война (1939 -1945 годы)

Вторая мировая война показала, насколько важны были надёжные способы коммуникации. Электроника должна была заменить телеграф Морзе. В 1942-м (или, по другим данным, в 1943-м) освободившийся из лагеря Эйслер на основе своих наработок 30-х годов собрал собственное радио — одно из первых (если не первое) работающих устройств, в которых использовалась печатная плата.

В 43-м он подал заявку на патент своего изобретения — технологию травления токопроводящих контуров на медной фольге, нанесенной на пластину-изолятор. После войны Эйслер продолжил работать над изготовлением печатных плат, однако активно использовать его метод стали только в 50-х — 60-х годах, когда были созданы и получили распространение транзисторы.

История печатных плат. От XIX века до наших дней
Радио Пауля Эйслера. Источник

Ещё одной разработкой того времени, в которой использовались печатные платы, стал радиовзрыватель, необходимый для подрыва боеприпасов без контакта с целью. Это означало, что снаряд, выпущенный, например, во вражеский самолёт, даже в случае промаха мог нанести урон, просто взорвавшись рядом с машиной. Эксперименты со взрывателем вели сперва британцы, а затем передали наработки американцам, которые смогли усовершенствовать взрыватель. Точность орудий союзников значительно возросла, потери немецких самолётов увеличились более чем на 50%.

Неконтактный взрыватель стал одним из самых важных технологических нововведений Второй мировой войны, а потому в то время работы над ним были исключительно засекречены — что, конечно, не способствовало широкому распространению печатных плат.

Конец 40-х — 60-е годы

Хотя первые транзисторы были разработаны ещё в 1947 году, серийное их производство началось только в 1953-м. Про разработку транзистора можно прочитать в нашем цикле «История транзистора«.

Прототип транзистора Бреттейна и Бардина
Прототип транзистора Бреттейна и Бардина

В том же 1953 году вышла одна из первых советских разработок на печатных платах — это был радиоприёмник “Дорожный”, который собирали в Воронеже. Его единственная плата была изготовлена электрохимическим способом (плата из гетинакса подвергалась бестоковому (химическому) меднению, а проводниковые дорожки — гальваническому (электрическому) меднению).

На современный взгляд плата была примитивной — широкие, в 4-5 мм, проводники с пилообразными кромками по обеим сторонам платы, соединённые через металлизированные отверстия. Но даже она была дорогой в производстве, и очень скоро выпуск приёмника прекратили — из-за высокой стоимости, низких эксплуатационных качеств и быстро стареющей элементной базы.

В эти же годы многие разработчики радиоэлектронной аппаратуры и технологические институты отрабатывали различные технологии производства печатных плат. В 1954-м на Московском радиотехническом заводе начали собирать телевизор “Старт”, в котором применялись печатные платы оригинального изготовления. Их подложки прессовали из карболита или подобного материала, причём так, чтобы на пластинах при этом образовывались канавки. После металлизации эти канавки и служили проводниками.

Холодная война между Советским блоком и США, гонка вооружений, соперничество в освоении космоса требовали всё большего развития технологий. В СССР первая половина 60-х годов характеризовалась разработкой новой радиоэлектронной аппаратуры, организацией многочисленных производств в опытном производстве НИИ и КБ — с непременным использованием печатных плат.

Не менее интенсивная работа шла и в Соединённых Штатах. Мо Абрамсон (Moe Abramson) и Станислаус Ф. Данко (Stanislaus F. Danko), служившие в корпусе связи армии США, ещё в конце 40-х годов разработали процесс автоматической сборки платы, при котором элементы устанавливались на платы и паялись погружением.

С развитием технологий ламинирования и травления платы этот метод стал стандартным процессом изготовления печатных плат. В 1956 году Абрамсон и Данко получили патент на свою разработку, который передали армии.

В 60-х компания Hazeltyne Corporation получила патент на технологию сквозного монтажа, при котором выводные компоненты и электронные узлы монтируются в сквозные отверстия печатной платы. Это позволило располагать компоненты очень близко друг от друга, не опасаясь перекрытия.

История печатных плат. От XIX века до наших дней
Первый патент на технологию сквозного монтажа

В то же время компания IBM разработала технологию поверхностного монтажа, при которой компоненты монтируются на поверхность платы со стороны токопроводящих дорожек, и отверстия в плате не требуются. Эти новые разработки нашли первое практическое применение в ракетах “Сатурн-5”, которые использовались для космической программы “Аполлон”, в том числе и для запуска на Луну “Аполлона-11”.

1970-е – эра микропроцессоров

Десятилетие между 1965-м и 1975-м годами — время бурного расцвета производства печатных плат. Именно в этот период были проведены необходимые разработки, начато серийное производство требуемого оборудования, а также выпуск многих материалов. В их числе — и микропроцессоры.

Изобрёл микропроцессоры американский учёный Джек Килби (Jack Kilby), в 1958 году — новичок в компании “Texas Instruments”. Будучи младшим сотрудником, он не отважился продвигать свою идею, однако, когда старшие инженеры фирмы отправились на конференцию, у Килби появилась возможность реализовать задумку. Вернувшиеся коллеги пришли в восторг от изобретения.

История печатных плат. От XIX века до наших дней
Джек Килби с первой интегральной микросхемой

Применение интегральных микросхем при производстве электроники началось в 70-х. К этому времени использование печатных плат стало необходимостью: припаивать провода к резисторам и конденсаторам во всё усложняющихся устройствах с большим количеством компонентов было уже слишком сложно.

1980-е – цифровой век

“Цифровой век” 80-х принёс множество перемен; в том числе и в процесс производства печатных плат. Если до сих пор платы рисовались вручную, с помощью световых столов и трафаретов, то к концу этого десятилетия всё делалось уже с помощью компьютеров.

Рабочее место проектировщика плат в 80-е. До появления программ автоматизированного проектирования
Рабочее место проектировщика плат в 80-е. До появления программ автоматизированного проектирования

Такие программы как Protel и EAGLE полностью изменили процесс проектирования и изготовления плат. Вместо того, чтобы фотографировать готовый проект на пленку, стало достаточно сохранить его в файл в формате Gerber, отправить тот на машину, которая производит печатные платы, и затем получить готовый продукт.

1990-е

История печатных плат. От XIX века до наших дней
Компоненты поверхностного монтажа

90-е — период интенсивной миниатюризации электроники и, как следствие, увеличения плотности компоновки элементов на печатных платах. С появлением типа соединения BGA стало возможно разместить большее количество транзисторов на схеме, использовать встроенную память и однокристальные системы. В это время платы не получают нового функционала, но процесс их проектирования продолжает развиваться, всё больше склоняясь к использованию интегральных микросхем.

Теперь разработчики должны применять стратегии DFT (тестопригодное проектирование). И дело не только в тестировании на наличие дефектов, присутствия всех указанных элементов, их работоспособности и правильности подключения. Инженерам приходится разрабатывать свои проекты с учётом будущих переделок и изменений, с учётом следующего поколения оборудования.

Кроме того, появление всё уменьшающихся элементов делает ручную пайку плат практически невозможной. Так, например, резистор типоразмера 0402 имеет габариты 1 мм х 0,5 мм, а типоразмера 0201 — 0,6 мм х 0,3 мм. Теперь проектировщики разрабатывают платы в программах-редакторах, а их физическим изготовлением и сборкой занимаются производители.

2000-е — наше время

Этот период, пожалуй, можно назвать Гибридным веком. Прежде у нас было множество разнообразных устройств для наших разнообразных потребностей. Теперь же можно купить один смартфон и получить десятки функций: от часов до фотокамеры, от фонарика до навигатора, от аудио- и видео-плеера до автоответчика.

Мы живём в эпоху объединения устройств. Печатные платы прочно заняли своё место; созданы процедуры и процессы практически для всего; высокоскоростные приложения становятся нормой. Но что дальше?

Может, будущее печатных плат — в робототехнике? Или в создании носимых гаджетов с гибкими схемами — и нам не надо будет держать устройства в руке или сидеть перед ними; достаточно будет надеть их на руку или на ухо? А, может, физические платы, какими мы их знаем, вообще перестанут существовать — если вместо медных проводников сигналы будут передаваться по беспроводной связи?

Будущее

История печатных плат. От XIX века до наших дней

Невозможно предсказать, в каком направлении движется проектирование печатных плат или даже электроники в целом. Очевидно одно — процесс их эволюции, запущенный более сотни лет назад, не остановится. Вот список лишь нескольких возможных тенденций ближайшего будущего:

  • Создание печатных плат со встроенными компонентами, ещё меньших размеров и ещё большей надежности и функциональности — благодаря последним достижениям в области 3D-печати.
  • Экономия места, улучшение производительности и надёжности — благодаря методу PoP (Package-on-Package, корпус-на-корпусе), при котором элементы устанавливаются друг на друге.
  • Создание плат на базе бумаги — для большей экологичности, механической гибкости и снижения стоимости.
  • Сближение фотоники и печатных плат — для передачи электрических сигналов не с помощью электронов, но фотонов.

Вся история печатных плат — это история оптимизации производства электроники, в ходе которой платы из просто удобного способа сборки устройств превратились в абсолютную необходимость. Что нас ждёт в будущем? Кто знает. Что мы знаем точно, так это то, что каждое изобретение, которое было до нас, стояло на плечах своего предшественника.

Те, кто был до нас, разработали печатную плату в том виде, в каком она существует сегодня, и теперь наша задача — совершенствовать технологии проектирования и взаимодействия с ними.

Будущее может быть любым. Будущее зависит от нас самих.