История создания печатных плат
Печатные платы — сердце любого электронного изделия. В наше время они широко применяются в различных сферах, включая компьютеры, бытовую технику, автомобили и другие аспекты нашей повседневной жизни.
Но как же зарождалась концепция печатной платы? Кто был создателем, кто способствовал развитию и повсеместному применению плат в электронике? На эти вопросы мы постараемся ответить в настоящем тексте.
1. Промышленная революция
Во второй половине XIX века технологический прогресс развивался очень стремительно. Во времена промышленной революции государства переходили от аграрной экономики ко все более технологичной. Именно в это время активно распространялась электроэнергия — предвестник появления всех бытовых устройств, телефонов и машин.
Несмотря на то, что печатная плата появилась несколько позже, технологические разработки того времени послужили основой для создания платы в дальнейшем.
2. Первый прототип печатной платы
В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хансон подал первый патент на устройство, похожее на печатную плату, которое он планировал использовать в телефонных системах. Устройство представляло собой плоский проводник для многослойной изоляционной платы. Плата имела конструкцию со сквозными отверстиями и проводниками с обеих сторон, как и современные печатные платы со сквозными отверстиями. Однако устройства этого типа не получили широкого распространения в новых технологиях начала 20-го века, периода, когда появились радиоприемники, фонографы, стиральные машины, сушилки и пылесосы. Вероятнее всего Альберт Хансон опередил время со своим инновационным изобретением.
3. Последующее развитие концепта печатной платы
В 1927 году американец Шарль Дюка запатентовал первую версию печатной платы. Он использовал трафарет, чтобы напечатать провода на плате проводящими чернилами, разместив проводник прямо на изолированной поверхности.
Однако эта разработка также не получила должного распространения — Великая депрессия, которая в те года активно набирала обороты в США, стала препятствием на пути развития печатных плат.
4. Зарождение современной печатной платы и начало ее использования
Первая значительная адаптация технологии, подобной печатным платам, произошла после нападения на Перл-Харбор в декабре 1941 года, ошеломившего Америку. Военная разведка полагала, что они могли бы предотвратить это нападение, если госдепартамент был бы лучше оснащен для связи с военной базой.
Идея о развитии технологий для поддержки стран, втянутых в войну, увлекла Пола Эйслера. Он начал работу по разработке электронными схемами с печатными платами, а не с проводами, как это было раньше.
В 1941 году Пол Эйслер представил концепцию печатной платы, создав устройство, в котором использовалась медная фольга на непроводящем стеклянном основании. Это устройство считается первой современной печатной платой, которая послужила основой для дальнейшего развития этого направления. Кроме этого, в 1943 году он представил радиоприемник с печатной платой, который также сыграл немаловажную роль в военных операциях.
В дальнейшем, после окончания Второй мировой войны, печатная плата не только вошла в повседневную жизнь людей, но и позволила делать все новые и новые важнейшие открытия для человечества. Платы сыграли огромную роль в освоении космоса: они существенно повысили эффективность космических аппаратов.
5. Развитие печатных плат и электроники в целом
В 1963 году в технологии печатных плат произошли два очень важных события. Одно из них — это технология металлизации сквозных отверстий, позволяющая размещать компоненты на плате. Второе — это разработка технологии поверхностного монтажа.
К началу следующего десятилетия были разработаны микропроцессоры. Их совместное использование с печатными платами позволило создать домашние компьютеры.
Вплоть до 1980-х годов проекты печатных плат все еще воспроизводились разработчиками вручную, что являлось недостаточно быстрым и эффективным методом. Немногим позже разработчики стали использовать компьютеры, сделав конструкции печатных плат интегрированными в оборудование для производства.
В 90-х годах произошел настоящий прорыв в технологиях: устройства стали значительно меньше благодаря разработкам в области проектирования печатных плат. Персональные компьютеры стали неотъемлемой частью жизни многих людей. Также в эти годы стали использоваться сотовые телефоны, которые быстро превзошли своих беспроводных антенных предшественников. Производство этих электронных изделий было бы невозможно без использования печатных плат и последующей миниатюризации устройств.
6. Что дальше?
Невозможно наверняка сказать, как в дальнейшем изменится мир печатных плат. Однако на текущий момент существует ряд тенденций, в которых развивается отрасль. Можно выделить следующие направления:
- HDI платы. Печатные платы HDI широко используются в авиации, автомобилях и миниатюрных гаджетах. Такие платы имеют более высокую плотность проводки на единицу площади, также они значительно уменьшают размер и вес изделия. Печатные платы HDI совместимы с корпусами микросхем с низким шагом. Они чрезвычайно надежны и поддерживают высокоскоростную передачу сигнала.
- Интернет вещей (IoT). Сегодня Интернет вещей является одной из ускоряющихся тенденций на рынке электроники. Данная концепция включает в себя три основных компонента: датчики, силовые цепи и беспроводную связь. Гибкие печатные платы с технологией HDI предпочтительнее для поддержки современных датчиков, занимающих меньшую площадь.
- Гибкие печатные платы. Такие платы являются наиболее быстрорастущим сегментом и находят широкое применение в портативной электронике, гибких дисплеях и медицинском оборудовании.
- Миниатюризация. Рынок электроники все еще активно развивается в направлении миниатюризации изделий. От печатных плат требуют все меньших и меньших размеров. Можно с уверенностью утверждать, что в дальнейшем платы будут и дальше становиться все компактнее, отвечая самым высоким запросам со стороны заказчиков.
Связанные термины
- базовое отверстие печатной платы Англ. tooling hole
Отверстие на технологическом поле заготовки печатной платы, предназначенное для обеспечения правильного расположения фотошаблона рисунка печатной платы на заготовке печатной платы при экспонировании и слоев многослойной печатной платы при прессовании.
- контактная прокладка Англ. bond pads
Металлизированные области на кристалле, используемые для временного или постоянного электрического соединения.
- температура стеклования Англ. glass transition temperature
Температура перехода полимерного материала из твердого и хрупкого состояния в мягкое и пластичное при изготовлении материала основания печатных плат.
Печатные платы. История создания
В следующем 2022 году печатной плате исполнится 120 лет. Вспомним основные даты и имена, связанные с изобретением и совершенствованием этого важнейшего элемента РЭА, без которого уже немыслима современная электроника.
Создание печатных плат (ПП) основывалось на предшествующих важнейших открытиях и изобретениях. Главные задачи: оптимизировать производственные процессы, сделать более дешёвой, удобной и быстрой сборку деталей и уменьшить размер изделий.
В 1902 году Альберту Паркеру Хансону (Германия) был выдан патент на изобретение устройства, которое послужило прототипом современных ПП. Инженер Хансон занимался разработками по улучшению работы телефонных станций. Для этих целей он придумал наносить рисунок на медную или бронзовую фольгу методом штамповки или вырезанием, затем приклеивать в несколько слоёв на основу из пропарафиненной бумаги с отверстиями для электрического соединения. Поскольку он наклеивал фольгу на бумагу с двух сторон, то в итоге получалось нечто подобное двухсторонней ПП. Хансон также описал, как при помощи гальваники создать проводники. Но он опередил время. Его труды не получили практического применения.
Подобные идеи посещали и Томаса Эдисона. В своих письмах он перечислил три возможных способа нанесения на бумагу проводника. Многие из его идей применяются и сегодня.
Первые ПП создавались по аддитивным технологиям, при которых на диэлектрическую основу наносился готовый рисунок способом наклеивания или напыления материала.
В 1913 году был зарегистрирован патент на субтрактивный метод для создания рисунка путём удаления лишних участков материала с поверхности основы. Подобную технологию применяют в полиграфическом производстве. Артур Берри, автор идеи, предложил покрыть резистом металлическую основу и затем травлением избавляться от ненужного. Его патент также не смогли в то время оценить и использовать. Подобный метод описал также Литлфилд.
В современном технологическом процессе при производстве ПП применяются оба метода: аддитивный и субтрактивный.
В 1918 году Макс Скуп (Швейцария) выдвинул идею о газоплазменном напылении, но его также не применили ввиду высокой себестоимости производства.
В 1923 году для радиоприёмников стали использовать гибкие платы с проводящим слоем из графитовой пасты. Автором идеи был учёный Сеймур.
В 1925 году Чарльз Дукас (США) запатентовал метод добавления на диэлектрик проводящих чернил. Для этого в воске или другом мягком изоляционном материале прочерчивались бороздки, которые заполнялись проводящими электрический ток металлизированными пастами.
Именно Дукас начал прорабатывать вопросы, связанные с созданием многослойных плат, и нашёл несколько способов межслойных соединений.
В 1926 году Цезарь Паролини (Франция) усовершенствовал аддитивную технологию, нанося рисунок на основу клеящим веществом с напылением порошком из меди и нагревая их. Он же впервые применил для полимеризации проволочные перемычки.
Первые печатные платы использовали в 1920-х годах в граммофонах и радиоприёмниках. Интересно, что в качестве диэлектрика использовали не только мазонит или бакелит, но даже тонкие деревянные пластины или слоистый картон. В них делали отверстия и латунные «проводки» привинчивали к основе маленькими болтами.
Изданные в 1933 году работы учёного Эрвина Франца (США) стали началом разработки современных методов производства гибких плат. В качестве пластичной основы он применил целлофановую плёнку, а для нанесения рисунка использовал жидкий полимер с графитовым наполнением.
Во время Второй Мировой войны ПП активно использовались для военных целей: в авиации, в радиоаппаратуре, для производства радиовзрывателей для подрыва боеприпасов противников бесконтактным способом.
Подлинным создателем современных плат считают Пауля Эйслера. Именно он сумел применить технологии полиграфической промышленности для автоматизации и улучшения их качества, а затем и запуска в массовое производство. Это позволило так широко внедрить их во все сферы применения радиоэлектроники и способствовать тем самым техническому прогрессу в целом. Само название printing plate (в переводе с англ. – «печатная плата») является профессиональным термином, отражающим технологический метод их выпуска.
Если прежде все компоненты соединяли вручную при помощи пайки, то Пауль Эйслер существенно усовершенствовал технологию и реализовал на практике принципы полиграфии. Он решил сперва печатать на основе провода, а уже после этого крепить остальные элементы.
Эйслер зарегистрировал около 50 патентов в США и Великобритании, но конкуренты сумели оспорить часть из них. Они аргументировали это тем, что главным его достижением было только расширение области применения. Однако Эйслер сумел сделать многое для усовершенствования технологии и автоматизации производства плат.
В 1948 году Эйслер основал собственное предприятие по выпуску печатных плат – Technograph Printed Circuits.
Начиная с середины 1950-х годов эти маленькие устройства прочно вошли в нашу жизнь и, постоянно совершенствуясь, уверенно занимают одно из важнейших мест в мире электроники.
Наше предприятие – АО «Кварц» – является одним из флагманов российской промышленности по производству печатных плат и внедрению инноваций в эту сферу. Мы выпускаем высокоточные изделия для разных отраслей. Огромный опыт, высококвалифицированный персонал и современное оборудование позволяют нам выполнять самые сложные и объёмные заказы всегда с безупречным качеством и точно в срок. Мы изготавливаем печатные платы любого вида. Предварительную стоимость заказа вам поможет рассчитать калькулятор на нашем сайте. Более точный расчёт можно получить, обратившись с запросом по адресу: pcb-plata.k@yandex.ru.
Макетная плата
Макетная плата, или breadboard – это беспаечная плата для монтажа. Универсальный инструмент для моделирования прототипов устройств. Альтернатива создания схем без применения паяльника.
Монтажную плату применяют для конструирования, отладки и тестирования будущей схемы устройства при разных условиях подключения и эксплуатации. Макетную плату используют новички-электронщики. Не зазорно брать на вооружение breadboard и опытным инженерам. С помощью этого приспособления также проверяют новые детали и компоненты.
Покажем применение макетной платы, проектируя на базе микропроцессора Ардуино.
Как устроена макетная плата?
Чтобы объяснить, как работает макетная плата – смотрите из чего она состоит. Пластиковая пластина-основание с большим количеством отверстий. Расстояние между отверстиями – 2,54 мм, их диаметр – 0,8 мм. Внутри расположены два вида дорожек: контактные группы пластин и вертикальные дорожки для подачи питания. Ряды металлических пластин-рельс имеют по пять клипс каждая. Отверстия, в которые будут вставляться ножки элементов, соединяют клипсы и таким образом замыкают схему.
Проводник, подключенный к отверстию в одном из рядов, одновременно соединяется с остальными контактами этого ряда. На одной рельсе можно подключить до 5 элементов, которые будут связаны между собой.
Две рельсы одного ряда изолированы друг от друга. Рельсы питания расположены вертикально по краям. Как правило, синий цвет линии указывает, что нужно подавать «-» напряжения, а красный – «+».
Чтобы легче работать с макетной платой, на нее производители наносят обозначения дорожек латинскими буквами и цифрами. Так проще описывать процесс сборки или писать инструкции для подключений.
Так как на плате есть две шины питания, на макетную плату можно подавать два разных вида напряжения. Есть и макетные платы со специальными клеммами – к ним подключают источник питания.
Важно! Напряжение в 220 вольт подключать к макетной плате нельзя.
Преимущества перед другими видами сборки схем
Это современный вариант сборки схем, который позволяет легко, за пару секунд изменять варианты схемы, добавлять компоненты и проверять теории и способы подсоединения.
Если вы паяете и что-то неправильно соединили или решили что-то изменить в схеме – придется перепаивать. На breadboard процесс реконструкции, отладки и модификации осуществляется мгновенно: снял, подключил по-другому.
Вы также можете соединить несколько плат в одну большую, чтобы создать сложный проект. Элементы на плате надежно соединены, а сама плата долговечна и прослужит, например, для обучения ребенка основам программирования и робототехники не один год.
С макетной платой легче показывать детям и подросткам сборку и построение схем, создавать новые устройства на базе Ардуино. Потому что всегда есть возможность сделать шаг назад и установить элемент по-другому.
Недостатки breadboard
Беспаечный способ соединения элементов схемы не такой надежный, как при сцеплении припоем. Например, при постоянной вибрации устройства контакты будут понемногу ослабляться.
Кроме того, внешний вид с висящими проводами требует бОльшего корпуса для проекта и его нельзя назвать профессиональным.
Виды макетных плат
Существует несколько видов беспаечных макетных плат. Они отличаются не принципиально: по размерам (количеству выводов), количеству шин и архитектуре. Еще breadboard могут отличаться у разных производителей материалами корпуса.
Как использовать breadboard для создания проектов на Ардуино?
Ножки электронных компонентов необходимо вставлять в отверстия. Таким образом вы соединяете детали горизонтально. С крайних вертикальных дорожек подается питание. Для удобства соединения и подключения элементов необходимы кусачки, плоскогубцы, пинцет и монтажные провода, чтобы сделать перемычки и подключить питание.
Если проект большой – можно совмещать несколько макетных плат. Для этого на платах производители устанавливают выступы и пазы для сцепления.
Доска для хлеба и макетная плата: что общего?
И напоследок любопытный факт о макетной плате, которую называют breadboard. Плата получила такое название из-за того, что во времена компонентов больших размеров, изобретатели придумали собирать схемы на деревянной доске для нарезки хлеба. Деревянная платформа использовалась для создания макетов (прототипов) устройств, разработки и тестирования будущих проектов. Со временем breadboard стали пластиковыми с тонкими металлическими рельсами, но название сохранилось.
История печатных плат
Разобрав любое современное электронное устройство, вы обнаружите в нем печатную плату. А ведь для создания этого элемента используются различные технологии, историю появления которых хотелось бы проследить. Благо далеко зарываться в пески времени не придется, ведь печатной плате исполнилось немного больше ста лет.
Гениальный немец Хансен
В начале XX века немецким инженером Альбертом Паркером Хансоном, занимавшимся разработками в области телефонии, было создано устройство, считающееся прототипом всех известных сегодня видов печатных плат. «Днем рождения» печатных плат считается 1902 год, когда изобретатель подал заявку в патентное ведомство родной страны.
Печатная плата Хансена представляла собой штамповку или вырезание изображения на бронзовой (или медной) фольге. Получившийся проводящий слой наклеивался на диэлектрик – бумагу, пропитанную парафином. Уже тогда заботясь о большей плотности размещения проводников, Хансен наклеивал фольгу с двух сторон, создавая двустороннюю печатную плату. Изобретатель также использовал идущие насквозь печатной платы соединительные отверстия. В работах Хансена есть описания создания проводников при помощи гальваники или проводящих чернил, представляющих собой измельченный в порошок металл в смеси с клеящим носителем.
Идеи Томаса Эдисона
Известно, что великого Эдисона тоже посещали подобные идеи. Сохранилось его письмо Франку Спрагу (основавшему корпорацию Sprague Electric), где Эдисон описывает три способа рисования проводника на бумаге.
- Рисунок формируется при помощи адгезивных полимеров путём нанесения на их не застывшую поверхность измельченного в пыль графита или бронзы.
- Рисунок формируется непосредственно на диэлектрике. Для нанесения изображения используется ляпис (нитрат серебра), после чего серебро просто восстанавливается из соли.
- Проводником является золотая фольга с нанесенным на нее рисунком.
Естественно, Эдисон не употреблял термина «печатные платы», но практически все названные выше идеи нашли применение в сегодняшних технологических процессах. На основе первой из них сформировались тонкопленочные технологии сегодняшнего дня, а второй метод широко применяется для нанесения покрытий путем восстановления металлов из соли.
От аддитивного к субтрактивному методу производства печатных плат
Изначально для изготовления печатных плат применялись исключительно аддитивные технологии, то есть рисунок наносился на диэлектрик наклеиваемым или напыляемым материалом.
Субтрактивные методы, широко применяемые в области полиграфии, стали использоваться и для производства печатных плат. Суть субтрактивных методик в том, что рисунок получается после удаления ненужных частей.
В 1913 году Артур Берри получил патент на субтрактивный метод изготовления печатных плат. Разработчик предлагал покрывать металлическую основу слоем резистного материала и травлением убирать незащищенные части c поверхности. В 1922 году проживающий в США Эллис Бассит изобрел и запатентовал методику использования светочувствительных материалов при производстве печатных плат.
От примитивного — к совершенному: основные вехи истории печатных плат
Еще в 1918 году швейцарцем Максом Скупом была предложена технология газопламенного напыления металла. Методика осталась не востребованной из-за затратности производства и неравномерного осаждения металла.
Другое дело — методики американца Чарльза Дукласа. Он запатентовал технологию металлизации проводников, суть которой, заключалась в том, что в мягком диэлектрике (например, воске) прочерчивались каналы, заполняемые впоследствии металлизируемыми токопроводящими пастами при помощи электрохимического воздействия.
Так же в патент была включена технология травления, подразумевающая электролитическое осаждение металла (серебра, золота или меди) через контактную маску на пластину из низкотемпературного сплава. Пластина с осажденным рисунком нагревается, и все неприкрытые серебром части сплава удаляются. Чарльз Дукас располагал проводники с обеих сторон диэлектрической основы.
Первые разработки были ориентированы на формирование простых устройств, то есть не создавалось ничего сложнее отдельного узла схемы. Но прошло совсем немного времени, и тот же Дукас приступил к разработке многослойных печатных плат и предложил несколько интересных решений для межслойных соединений.
Спустя время появились гибкие печатные платы. На диэлектрик (лощеная бумага) наносили токопроводящий слой из графитовой пасты. Позже в обиход вошли токопроводящие пасты из меди и свинца.
Француз Цезарь Паролини реанимировал аддитивный метод создания токопроводящего слоя. В 1926 году он наносил на диэлектрик изображение посредством клеящего материала с напылением на него медного порошка и полимеризовал под воздействием высокой температуры. Именно Паролини начал применять в печатных платах проволочные перемычки, устанавливаемые до полимеризации материала.
В 1933 году были изданы работы Эрвина Франца, на которых базируются все существующие сегодня методики производства гибких печатных плат. Американскому разработчику удалось нанести токопроводящий рисунок на целлофановую пленку, для чего использовался жидкий полимер с графитовым наполнением.
Печатные платы завоевывают область радиоэлектроники.
Внедрению технологии печатных плат в область радиоэлектроники мы обязаны переселившемуся из Австрии в Великобританию инженеру Паулю Эйслеру. Во время второй мировой войны он успешно работал над поиском технологических решений для запуска печатных плат в массовое производство, широко используя полиграфические методы. После войны, в 1948 год, у Эйслер основал предприятие по изготовлению печатных плат — Technograph Printed Circuits.
Инженеру удалось получить пять десятков патентов в США и Великобритании, но конкурирующей американской фирме Bendix удалось доказать в суде неправомерность их выдачи Эйслеру. По мнению Bendix в технологии Эйслера не было ничего принципиально нового кроме области применения печатных плат. Во многом Bendix правы: над печатными платами с начала века работали инженеры со всего мира, и не стоит преуменьшать их заслуги в данной области. С другой стороны, сегодня уже никто не станет оспаривать очевидное – Эйслер многое усовершенствовал в технологии печатных плат. Без него мир электроники был бы несколько другим.
Послевоенное время стало эпохой внедрения печатных плат во все электрические приборы. Сначала печатные платы пришли в авиацию, а затем, в 50-х годах, стали основой всей бытовой электроники. Сегодня печатные платы практически не имеют конкуренции в качестве основы электронной аппаратуры, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники.