Эволюция печатных плат: инновации и влияние на технологию

Быстрая навигация: Что такое печатные платы? | Где используются печатные платы | История печатных плат | 1850–1900 | 1900–1950 | 1950–2000 | 2000 года и далее | Качественные печатные платы

Печатные платы — это внутренние компоненты, передающие электрические сигналы через электронные устройства. Каждый раз, когда вы включаете компьютер или нажимаете кнопку на смартфоне, радиобудильнике или стереосистеме, вы взаимодействуете с печатной платой, скрытой внутри корпуса. Если электричество — это кровь электроники, то печатные платы — её жизненно важные внутренние органы.

В современном мире, полном зависимых от гаджетов людей, большинство не подозревает о сложной схемотехнике внутри каждого смартфона или портативного MP3-плеера. Без печатных плат современные технологии никогда бы не стали возможны.

Что такое печатные платы?

Печатная плата (ПП) — это подложка с нанесенными на неё электрическими компонентами. ПП бывают однослойными, двухслойными и многослойными с соответствующими медными слоями. Платы наивысшей плотности состоят из множества слоев. Они содержат металлизированные отверстия, соединяющие проводники на разных слоях. На более сложных платах подложка часто дополняется конденсаторами, резисторами и другими компонентами. Слои большинства жестких ПП обычно состоят из подложки из стеклоэпоксидного материала FR-4.

ПП неотъемлемы для практически всех электронных устройств, за исключением самых простых. Проектирование ПП требует сложной схемотехники, но сборка и производство могут быть унифицированы. Поскольку ПП представляют собой смонтированные проводные компоненты в виде единого элемента, массовое производство ПП — это прямолинейный, относительно недорогой и практически лишенный ошибок процесс, особенно по сравнению с другими методами монтажа, такими как точечная проводка или обмотка проводов.

Аббревиатура ПП применяется как к голым платам, так и к собранным. Если плата имеет медные соединения, но не содержит встроенных компонентов, более правильным названием была бы «печатная соединительная плата», хотя этот термин практически выпал из употребления. Другие распространенные термины: «сборка печатной платы» и «печатная сборка» — это ПП с электронными компонентами.

Где используются печатные платы?

Печатные платы необходимы в огромном количестве электронных устройств и компьютерных компонентов. ПП в их современном виде существуют с 1960-х годов, когда они были компонентами калькуляторов, кассовых аппаратов и других простых устройств с электрическими цепями.

В 1970-х годах ПП появились в цифровых часах и первых видеоиграх и персональных компьютерах. К 1980-м годам ПП уже использовались в радиобудильниках, видеомагнитофонах, игровых консолях Atari, CD- и лазердиск-плеерах и беспроводных телефонах. В 1990-х всё более совершенные и миниатюрные ПП способствовали распространению настольных компьютеров и периферийных устройств — сканеров и принтеров — среди обычных американцев.

Быстрая эволюция компьютерных устройств с конца 1990-х привела к созданию всё более мелких ПП с большей емкостью, чем у плат предыдущих десятилетий. Смартфоны, например, стали компактнее и устойчивее к повреждениям. Подобное развитие за примерно 12 лет произшло с портативными MP3-плеерами, которые эволюционировали от громоздких плееров Archos начала 2000-х до элегантных, легких моделей iPod Nano, популярных у современных слушателей.

Развитие более универсальных микросхем способствовало миниатюризации устройств. Благодаря микросхемам с шариковой решеткой (BGA) и более коротким платам компании теперь могут производить небольшие компьютерные устройства, зная, что ПП достаточно компактны, чтобы поместиться в корпус. Это контрастирует с более ранними ПП, где размер платы часто диктовал требования к размеру корпуса устройства.

История печатных плат

За прошлое полувековые технологические компоненты ПП были квантованы до микроуровня. В 1960-х ПП типичного калькулятора содержала около 30 транзисторов. Сегодня ПП среднего компьютера содержит миллионы транзисторов в одной микросхеме на материнской плате. Эти достижения сделали возможным размещение всё большей функциональности на всё более крошечных устройствах. Более того, такие компоненты, как конденсаторы и резисторы, также уменьшились до долей своих прежних размеров.

Расширяющиеся возможности современных ПП привыкли пользователей к мгновенной реакции на любые действия. Скорее всего, современный пользователь ПК или мобильного устройства расстроится даже пятисекундной задержке. Пожалуй, самым ярким признаком эволюции ПП являются видеоигры: от простых систем Pong 1970-х до фотореалистичных сценариев, позволяющих игрокам сражаться и гонять на современных консолях.

Историю печатных плат можно проследить до времен, давно предшествовавших их появлению в дизайне. Колеса были запущены в движение в тот момент, когда Бенджамин Франклин запустил в грозу змея и открыл электрическую природу молнии.

1850–1900

Одной из вех второй половины XIX века стали технологические достижения семимильными шагами. В десятилетиях после Гражданской войны города на Востоке и по всему Среднему Западу были оснащены электричеством, которое вытеснило отопленческое масло и уголь. По мере распространения электричества пригороды и сельские районы также были подключены к новосозданной энергосети. Нефть тем временем почти потеряла свою роль до появления автомобилей, сделавших бензин необходимым на рубеже веков.

Распространение электричества предвосхитило появление телефонов, лампочек и любительских фотоаппаратов, все вышедшие на рынок в последней четверти 1800-х. Хотя самой ПП в этот период не существовало, технологические основы для её будущего развития были почти полностью заложены в конце XIX века.

1900–1950

В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хансон зарегистрировал первый патент на устройство, похожее на ПП. Это был плоский проводник для многослойной изолирующей платы. Однако такие устройства не получили широкого применения в الناشющих технологиях начала XX века, когда появились радио, фонографы, стиральные машины, сушилки и пылесосы.

Так же как наивный перебор Дорогой эпохи утонул с «Титаником», а ужасы Первой мировой войны смирили националистические настроения, главным триумфом человека над природой стало развитие авиации. На фоне провала «сухого закона» американцы с большим желанием уходили от машин в ближайшие спикизи за джин-тониками под декоративными светильниками в стиле ар-деко.

Великая депрессия, спровоцированная биржевым крахом октября 1929 года, стала новым препятствием для эволюции ПП. Событие положило конец беззаботности джазовой эры и ввело период цепных банд, очередей за хлебом и тесных коммунальных квартир, где семьям не хватало денег на роскошь.

Первая значимая адаптация технологии, похожей на ПП, произошла после атаки на Перл-Харбор в декабре 1941 года, которая неожиданно ударила по Америке. Военная разведка считала, что атаку можно было предотвратить, если бы Госсекретариат был лучше оснащен для связи с военной базой в Гонолулу, где признаки надвигающейся опасности висели уже некоторое время.

Когда страна ввязалась во Вторую мировую войну, американские военные столкнулись с британским устройством — приближенным предохранителем, который оснащал артиллерийские снаряды возможностью поражать точные цели на огромных расстояниях суши и моря.

Американское военное ведомство в итоге приняло и адаптировало концепцию приближенного предохранителя, улучшив дизайн и сделав его пригодным для массового производства. Примерно в то же время австрийский изобретатель Пол Айслер, живший в Великобритании, развил концепцию ПП, создав устройство, использувшее медную фольгу на не проводящем стеклянном основании. Этот дизайн предвосхитил современную верхнюю/нижнюю медную изоляцию на ПП. Изобретатель также представил радио с ПП в 1943 году, которое позже оказалось полезным в военных операциях.

1950–2000

С окончанием Второй мировой войны начался возврат к домашнему укладу: американские солдаты вернулись из Европы и Дальнего Востока. Фрэнк Синатра выпускал хит за хитом, бобби-соксеры сменили ножки на настоящие носки, а семьи привыкали к новинкам вроде виниловых пластинок 33 об/мин и телевизоров. Конец Великой депрессии привел к росту среднего класса, что стимулировало пригородное строительство по окраинам городов и по всей Средней Америке.

Первое значимое послевоенное применение ПП пришлось на 1947 год — транзистор Bell Labs. По мере роста напряженности Холодной войны между США и СССР в 1950-х, каждой стороне приходилось усиливать коммуникационные возможности, чтобы следить за событиями на вражеском фронте. В то время как Элвис Пресли впервые появился на экранах, тряся талией под «Heartbreak Hotel», американская армия запатентовала «Процесс сборки электрических цепей» в 1956 году.

Впервые возможность удерживать электричество и обеспечивать связь между медными трассировочными компонентами стала реальностью. Гонка за первым выходом в космос началась, и Советский Союз выиграл на нескольких фронтах, запустив первый спутник «Спутник» в 1957 году. За этим последовали первый безэкипажный запуск к Луне и первый пилотируемый полет вокруг Земли в 1959 и 1961 годах соответственно.

В 1963 году — именно тогда, когда США усилили собственные космические программы, а траурные бумеры готовились к «Битлз» и британскому нашествию — в технологии ПП произошло два события. Одно касалось технологии металлизированных сквозных отверстий, патента Hazeltine Corp., позволяющей плотно размещать компоненты на одной ПП без риска конфликта. Вторая инновация — разработка поверхностного монтажа (SMT) компанией IBM. Обе инновации стали важнейшими компонентами ускорителей ракеты «Сатурн».

Когда психоделические, яркие 1960-е сменились кокаиновыми, широкоплечими 1970-ми, инженер Texas Instruments Джек Килби представил первый микропроцессор. Килби разработал интегральную схему, которая быстро внедрялась в электронную сборку. К этому времени ПП стали нормой в компьютерной технологии. Во второй половине десятилетия на рынок вышли первые домашние компьютеры, начиная с MITS Altair 8800 и IMSAI 8080 в 1975 году, за ними последовал Apple 1 в апреле 1976 года.

Хотя технология 8-дорожечного магнитофона, Super 8, аналоговых 1970-х была инновационной для своего времени, она быстро устарела перед высокотехнологичными достижениями объемного звука, кристально чистых цифровых 1980-х. Когда Майкл Джексон мунвуок-ил поколение X в видеовек, десятилетие ознаменовалось появлением устройств на базе ПП в гостиных и карманах обычных американцев. Гаджеты вроде видеомагнитофонов, CD-плееров, Walkman, беспроводных телефонов и игровых консолей передавали сигналы через ПП. Персональные компьютеры и САПР-софт также сделали вroads в этот период.

Какими бы 1990-е ни были по культурной идентичности, это был расцвет для технологий ПП. 90-е — десятилетие, когда устройства стали меньше благодаря разработкам в дизайне ПП, позволившим размещать больше логических элементов на одном чипе. По мере подключения большего числа домохозяйств к интернету — сначала через телефонную линию, а к концу десятилетия через кабель и DSL — персональный компьютер стал атрибутом каждого дома.

Компьютеры перестали быть большими сложными машинами, запускающими ядерные взрывы от нажатия не той кнопки — они стали компактными, доступными, интерактивными устройствами, приносящими мир информации к кончикам пальцев. ПП также стали значимым компонентом мобильных телефонов, которые быстро опередили бесконтактные антенные телефоны и к середине 90-х стали распространенным статусным символом.

С быстрыми технологическими достижениями и миниатюризацией выросла необходимость проектировать ПП с учетом возможности модификации. В то время как ранние ПП можно было модифицировать простой перепроводкой, новые платы имели более мелкие компоненты, физически более сложные для изменения, не то что для пайки. Следовательно, проектирование ПП стало более выделенным процессом.

2000 год и далее

XXI век стал свидетелем интеграции и компактизации инноваций последних 50 лет в единые легкие блоки, которые можно нести куда угодно. Раньше для каждой функции нужен был отдельный прибор — телефон для звонков, калькулятор для математики, стереосистема для музыки, телевизор для фильмов, ПК для интернета, камера для фото и т.д. — теперь все функции можно выполнять и потреблять любые медиа на мобильном ноутбуке, планшете или смартфоне.

Можно только гадать, что будущее готовит для ПП и технологий, которые они оживляют. По мере распространения идей об умных домах, беспилотных автомобилях и искусственном интеллекте, ПП различных размеров, вероятно, станут компонентами автоматических ручек и рулей в компьютеризированных зданиях и машинах. Также ПП в конечном итоге могут быть встроены под движущиеся части ожидаемых технологий, таких как военные и коллаборативные роботы.

Качественные печатные платы от Millennium Circuits Limited

С момента развития электроники и компьютерных технологий печатные платы содержали внутреннюю схемотехнику, позволяющую таким устройствам активироваться и функционировать. Без печатных плат послевоенные технологии никогда не достигли бы нынешнего состояния высокотехнологичной мощности и изощренности. По мере приближения к пределу потенциала компьютерных устройств общество ждет будущего с дронами-доставщиками, беспилотными авто, роботизированным трудом и умными приборами.

Чтобы оставить свой след в следующей волне технологических инноваций, вам понадобятся ПП, способные реализовать нужные функции. Свяжитесь с Millennium Circuits для быстрого расчета стоимости печатных плат.