PCB發(fā)展簡史

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(chǔ)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(dāng)時(shí)世界上偉大的工業(yè)機(jī)器剛剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)。我們將在本文中介紹的不是完整的歷史，而是將 PCB 轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉斓臉幼拥闹匾獣r(shí)刻。

為什么是PCB？

隨著時(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(jī)械精度和效率的微觀組件。

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(jì)算器的舊板。另一種是典型的高密度主板，您將在今天的計(jì)算機(jī)中看到。

1968 年計(jì)算器與當(dāng)今現(xiàn)代主板之間的 PCB 比較

在計(jì)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，您會發(fā)現(xiàn)超過一百萬個(gè)晶體管。重點(diǎn)是，技術(shù)和 PCB 設(shè)計(jì)本身的進(jìn)步速度令人印象深刻?，F(xiàn)在，計(jì)算器 PCB 上的所有東西都可以裝入當(dāng)今設(shè)計(jì)的單個(gè)芯片中。這使人們關(guān)注 PCB 制造中的幾個(gè)顯著趨勢：

· 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(shè)備中。

· 我們正在將電阻器、電容器等無源元件縮小到微觀水平。

· 所有這些都導(dǎo)致我們電路板上的組件密度和復(fù)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的。我們希望我們的設(shè)備能夠立即響應(yīng)，即使是幾秒鐘的延遲也會讓我們陷入瘋狂。

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(jī)玩吃豆人；現(xiàn)在我們可以看到非常逼真的畫面，進(jìn)步簡直是瘋了。

很明顯，PCB 的發(fā)展直接響應(yīng)了我們對設(shè)備的期望。我們需要更快、更便宜、更強(qiáng)大的產(chǎn)品，而滿足這些需求的唯一方法是使制造過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(jié)束了美國內(nèi)戰(zhàn)，現(xiàn)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(yùn)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(nèi)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，首先從城市開始，然后進(jìn)入郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)。電力現(xiàn)在是煤炭、木材和石油的替代品。想想在嚴(yán)冬時(shí)住在紐約，試著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)有趣的問題是，壟斷石油市場的標(biāo)準(zhǔn)石油公司并沒有為汽油供應(yīng)石油。他們的市場是用于烹飪、煎炸和照明的油。隨著電力的出現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)石油公司需要為石油定義一個(gè)新的用途，這將隨著汽車的推出而到來。

1878年5月標(biāo)準(zhǔn)石油公司發(fā)行股票，石油壟斷開始

在鍍金時(shí)代，我們看到了電磁學(xué)的一些重大發(fā)現(xiàn)。我們發(fā)明了電動機(jī)，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。我們還看到發(fā)電機(jī)，它通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能來做相反的事情。

這也是一個(gè)天才發(fā)明家的時(shí)期，他們?nèi)匀粚ξ覀兘裉斓碾娮邮澜绠a(chǎn)生影響，包括：

· 托馬斯愛迪生 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)明了電動機(jī)，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。

· 喬治伊士曼的柯達(dá) 于 1884 年發(fā)明了第一臺消費(fèi)類相機(jī)。

· Herman Hollerith 于 1890 年發(fā)明了制表機(jī)，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距離電力傳輸?shù)睦硐敕椒?。然而，有趣的是，我們今天仍在處?AC-DC 轉(zhuǎn)換問題。

交流電可能贏得了這場戰(zhàn)斗，但直流電仍然主導(dǎo)著電子產(chǎn)品

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

太陽能電池板中的交流和直流之間有很多來回

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

進(jìn)步時(shí)代（1890 – 1920）

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

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

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

在此期間，我們開始看到愛迪生和其他商業(yè)領(lǐng)袖大力推動電動設(shè)備進(jìn)入日常家庭。這種推動的問題是完全缺乏標(biāo)準(zhǔn)化。如果你住在紐約或新澤西，并使用愛迪生的電力發(fā)明來照明、取暖或烹飪，如果你在另一個(gè)城市使用它們會發(fā)生什么？它們無法使用，因?yàn)槊總€(gè)城鎮(zhèn)都有自己的插座配置。

愛迪生不僅想賣給人們一個(gè)燈泡，他還想賣一種服務(wù)，這一事實(shí)也使這個(gè)問題變得更糟。愛迪生可以按月為您提供電力服務(wù)；然后你會購買燈泡、電器等。當(dāng)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(jié)束了這場混亂。1915 年，他為至今仍在使用的標(biāo)準(zhǔn)墻壁插座插頭申請了專利?，F(xiàn)在我們沒有將烤面包機(jī)或加熱板插入燈泡插座。這是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的巨大勝利。

多虧了 Harvey Hubbel，我們現(xiàn)在有了一個(gè)適用于所有電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化壁裝插座

最后要注意的是，進(jìn)步時(shí)代標(biāo)志著第一次世界大戰(zhàn)。這場沖突純粹集中在機(jī)械裝置和塹壕戰(zhàn)上。PCB 概念，甚至是基本的電子產(chǎn)品，還沒有用于軍事應(yīng)用，但很快就會使用。

咆哮的二十年代（1920 年代）

隨著第一次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，我們現(xiàn)在正處于咆哮的二十年代，看到美國經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)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(nóng)場的人。我們也開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(zhèn)擁有一兩家家族商店，但現(xiàn)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及其所需的基礎(chǔ)設(shè)施。這種情況類似于 1990 年代，當(dāng)時(shí)我們必須通過構(gòu)建交換機(jī)、路由器和光纜來建立一個(gè)主要的基礎(chǔ)設(shè)施來處理互聯(lián)網(wǎng)和我們的信息時(shí)代。汽車也不例外。

亨利福特的第一輛車——四輪車

在這里，我們看到曾經(jīng)是泥濘的道路正在鋪設(shè)。人們需要汽油來為他們的車輛提供動力，因此加油站應(yīng)運(yùn)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的現(xiàn)代電器的引入，比如洗衣機(jī)、吸塵器和冰箱。這是人們第一次能夠在商店購買易腐爛的商品并將其儲存以延長保鮮期。

但是我們的多氯聯(lián)苯在哪里？我們?nèi)匀粵]有看到它們用于在此期間推出的任何電器或汽車中。然而，在 1925 年，查爾斯·杜卡斯提交了一項(xiàng)專利，該專利描述了將導(dǎo)電油墨添加到絕緣材料中的過程。這將在后來產(chǎn)生印刷線路板 (PWB)。該專利是第一個(gè)類似于 PCB 的實(shí)際應(yīng)用，但僅用作平面加熱線圈。我們還沒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 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)人類來說，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的世界沖突鋪平了道路。直到現(xiàn)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(zhàn) (1939 – 1945)

第二次世界大戰(zhàn)正在進(jìn)行中，美國在 1942 年珍珠港爆炸事件后加入了戰(zhàn)斗。珍珠港事件的有趣之處在于導(dǎo)致襲擊的整個(gè)通信失敗。美國有充分的證據(jù)表明危機(jī)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(zhàn)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(zhàn)期間，我們看到了我們今天在接近保險(xiǎn)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(yuǎn)距離精確射擊。近距離引信最初是由英國人開發(fā)的，用于對抗希特勒軍隊(duì)的推進(jìn)。后來與完善設(shè)計(jì)和制造的美國共享。

最早使用 PCB 的軍事應(yīng)用之一——接近保險(xiǎn)絲

在此期間，我們還有居住在英國的奧地利人Paul Eisler為非導(dǎo)電玻璃基底上的銅箔申請了專利。聽起來有點(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(jī)，使這一想法更進(jìn)一步，這將為未來的軍事應(yīng)用鋪平道路。

Paul Eisler 用第一塊印刷電路板 (PCB) 制造的收音機(jī)

嬰兒潮一代（1940 年代）

隨著第二次世界大戰(zhàn)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(zhàn)后時(shí)代，我們看到了對真空吸塵器、洗衣機(jī)、電視和收音機(jī)等現(xiàn)有電器的大量改進(jìn)。現(xiàn)在大蕭條已經(jīng)過去，許多消費(fèi)者終于可以在家中買得起這些設(shè)備。

我們?nèi)匀粵]有看到消費(fèi)級 PCB。保羅·艾斯勒的作品在哪里？看看下面這臺舊電視，你會看到所有的組件，但沒有底層的 PCB 基礎(chǔ)。

一臺 1948 年的舊摩托羅拉電視機(jī)，沒有 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(yàn)室的到來。1953 年又過了六年，這個(gè)設(shè)備才最終用于產(chǎn)品，但為什么這么久呢？在那些日子里，信息是通過期刊、會議等傳播的。在信息時(shí)代之前，信息的傳播只是需要時(shí)間來傳播。

第一個(gè)晶體管，1947 年誕生于貝爾實(shí)驗(yàn)室

冷戰(zhàn)時(shí)代 (1947 – 1991)

冷戰(zhàn)時(shí)代的到來，標(biāo)志著美蘇之間相當(dāng)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(zhàn)，并使世界處于核毀滅的威脅之中。

為了在這場軍備競賽中保持領(lǐng)先，雙方都必須加強(qiáng)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”的專利?，F(xiàn)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的組件之間建立連接。

隨著 PCB 開始在制造領(lǐng)域起步，我們發(fā)現(xiàn)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(wèi)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(wèi)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)間來開發(fā)相同的技術(shù)。針對這一差距，我們看到美國的太空預(yù)算在 1960 年增長了 5 倍。我們還有著名的 1962 年肯尼迪總統(tǒng)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?yàn)樗鼈內(nèi)菀?，而是因?yàn)樗鼈兒茈y；因?yàn)檫@個(gè)目標(biāo)將有助于組織和衡量我們最好的精力和技能，因?yàn)檫@個(gè)挑戰(zhàn)是我們愿意接受的，我們不愿意推遲的，也是我們打算贏得的?！?——美國總統(tǒng)約翰·肯尼迪，1962 年 9 月 12 日

所有這些都導(dǎo)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)的專利。這將允許組件在 PCB 上緊密排列在一起，而無需擔(dān)心交叉連接。我們還看到IBM 開發(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(yīng)用。

1967年第一個(gè)通孔PCB技術(shù)專利

微處理器的黎明（1970 年代）

70 年代為我們帶來了第一個(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(dāng) TI 的高級工程師被派去參加為期一周的會議時(shí)，Kilby 留下來帶著腦海中的想法奔跑。在這里，他在 TI 實(shí)驗(yàn)室開發(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(shù)字時(shí)代的黎明（1980 年代）

數(shù)字時(shí)代帶來了我們消費(fèi)媒體的巨大變化，引入了個(gè)人設(shè)備，如光盤、VHS、相機(jī)、游戲機(jī)、隨身聽等。

1980 年，Atari 視頻游戲機(jī)讓孩子的夢想成真

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(jì)算機(jī)和 EDA 出現(xiàn)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(shè)計(jì)和制造電子產(chǎn)品的方式。現(xiàn)在，我們可以將設(shè)計(jì)保存為 Gerber 文本文件，而不是 PCB 的照片，其坐標(biāo)可以輸入制造機(jī)械以生產(chǎn) PCB。

在 EDA 到來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 BGA 的引入，我們看到硅的使用全面展開?，F(xiàn)在我們可以在單個(gè)芯片上安裝更多門，并開始將存儲器和片上系統(tǒng) (SoC) 嵌入在一起。這也是電子產(chǎn)品高度小型化的時(shí)期。我們沒有看到任何新功能添加到 PCB 中，但整個(gè)設(shè)計(jì)過程開始發(fā)生變化和發(fā)展，轉(zhuǎn)向 IC。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員必須在他們的布局中實(shí)施測試設(shè)計(jì) (DFT) 策略。彈出一個(gè)組件并添加一條藍(lán)線并不容易。工程師必須從未來返工的角度來設(shè)計(jì)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(dān)憂。

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(shè)計(jì)師現(xiàn)在住在他的 EDA 軟件中，制造商負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)的當(dāng)今時(shí)代；我們稱之為混合時(shí)代。過去，我們有多種設(shè)備來滿足多種需求。你需要一個(gè)計(jì)算器；你買了一個(gè)計(jì)算器。你想玩電子游戲；你買了一個(gè)視頻游戲機(jī)?，F(xiàn)在你可以購買一部智能手機(jī)并獲得 30 種不同層次的內(nèi)置功能。這可能看起來非常明顯，但當(dāng)你真正看到我們的智能手機(jī)可以做的所有事情時(shí)，它會非常令人震驚：

我們正處于設(shè)備整合的時(shí)代，但接下來會發(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(yīng)用正在成為常態(tài)。我們還看到只有 25% 的 PCB 設(shè)計(jì)師年齡在 45 歲以下，而 75% 的人正準(zhǔn)備退休。該行業(yè)似乎正處于危機(jī)時(shí)期。

未來會怎樣？

沒有人真正知道 PCB 設(shè)計(jì)未來的發(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始運(yùn)轉(zhuǎn)以來，已經(jīng)過去了近 130 年。從那時(shí)起，隨著汽車、電器、電腦、智能手機(jī)等主要產(chǎn)品的引入，世界永遠(yuǎn)發(fā)生了變化。我們所有的基本生計(jì)和生存都依賴煤炭、木材或石油的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。現(xiàn)在我們擁有可以滿足我們?nèi)粘Ｐ枨蟮碾娮赢a(chǎn)品。

但未來會怎樣？這是一個(gè)很大的未知數(shù)。眾所周知，我們面前的每一項(xiàng)發(fā)明都站在其前身的肩膀上。我們的祖先將 PCB 設(shè)計(jì)帶到了今天的位置，而現(xiàn)在我們需要?jiǎng)?chuàng)新和徹底改變我們設(shè)計(jì)和與技術(shù)交互的方式。未來可以是任何東西，未來取決于你。