PCB 是如何演变成今天的样子的？

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素材来源 | 电子资料库
与历史上的许多其他伟大发明一样，我们今天所知的印刷电路板(PCB) 是建立在整个历史进步的基础之上的。在我们这个世界的小角落，我们可以追溯到 130 多年前 PCB 的历史，当时世界上伟大的工业机器刚刚开始运转。我们将在本博客中介绍的不是完整的历史，而是将 PCB 转变为今天的样子的重要时刻。

为什么是PCB？
随着时间的推移，PCB 已经发展成为优化电子产品制造的工具。曾经很容易用手组装的东西很快就让位于需要机械精度和效率的微观组件。以下图所示的两块电路板为例。一个是 1960 年代制造的用于计算器的旧板。另一种是典型的高密度主板，您将在今天的计算机中看到。

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1968 年计算器与当今现代主板之间的 PCB 比较。（图 1 来源，图 2 来源）
在计算器中，我们可能有 30 多个晶体管，但在主板上的单个芯片上，您会发现超过一百万个晶体管。重点是，技术和 PCB 设计本身的进步速度令人印象深刻。现在，计算器 PCB 上的所有东西都可以装入当今设计的单个芯片中。这使人们关注 PCB 制造中的几个显着趋势：

我们正在将更多功能集成到集成电路 (IC) 和微处理器等高级设备中。

我们正在将电阻器、电容器等无源元件缩小到微观水平。

所有这些都导致我们电路板上的组件密度和复杂性增加。
所有这些进步主要是由我们产品速度和功能的提高推动的。我们希望我们的设备能够立即响应，即使是几秒钟的延迟也会让我们陷入疯狂。对于功能，请考虑视频游戏。回到 80 年代，你很可能在街机玩吃豆人。现在我们正在看到现实的照片级真实表示。进步简直是疯了。

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如今，视频游戏的视觉效果几乎是逼真的。
很明显，PCB 的发展直接响应了我们对设备的期望。我们需要更快、更便宜、更强大的产品，而满足这些需求的唯一方法是使制造过程小型化并提高效率。电子产品和 PCB 的这股热潮是从什么时候开始的？在镀金时代的黎明。
镀金时代 (1879 – 1900)
我们在 60 年代结束了美国内战，现在美国的制造业正在蓬勃发展。在此期间，我们正在尽我们所能，从食物到衣服、家具和铁轨。运输业正在大举进攻，我们最伟大的工程师正在研究如何在 5 到 7 天而不是 5 到 7 个月内将某人从美国东海岸送到西海岸。

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铁路使从东海岸到西海岸的旅行只需几天而不是几个月。
在此期间，我们还将电力引入家庭，首先从城市开始，然后进入郊区和农村地区。电力现在是煤炭、木材和石油的替代品。想想在严冬时住在纽约，试着用脏煤或成堆的柴火做饭或取暖。电力改变了这一切。
一个有趣的问题是，垄断石油市场的标准石油公司并没有为汽油供应石油。他们的市场是用于烹饪、煎炸和照明的油。随着电力的出现，标准石油公司需要为石油定义一个新的用途，这将随着汽车的推出而到来。

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1878年5月标准石油公司发行股票，石油垄断开始。
在镀金时代，我们看到了电磁学的一些重大发现。我们发明了电动机，它将电能转化为机械能。我们还看到发电机，它通过将机械能转换为电能来做相反的事情。
这也是一个天才发明家的时期，他们仍然对我们今天的电子世界产生影响，包括：

托马斯爱迪生 在 1879 年发明了灯泡，在 1889 年发明了电影，以及许多其他创新。

尼古拉·特斯拉 在 1888 年发明了电动机，在 1895 年发明了交流电源。

亚历山大·格雷厄姆·贝尔 于 1876 年发明了电话。

乔治伊士曼的柯达 于 1884 年发明了第一台消费类相机。

Herman Hollerith 于 1890 年发明了制表机，随后创立了 IBM。
在这个激烈的创新时期，最大的争论之一是交流和直流之间的争论。特斯拉的交流电最终成为长距离电力传输的理想方法。然而，有趣的是，我们今天仍在处理 AC-DC 转换问题。

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交流电可能赢得了这场战斗，但直流电仍然主导着电子产品。
查看您插入墙上的任何电子设备，您需要将交流电转换为直流电。或者，如果您查看太阳能电池板所需的基础设施，它们以直流电产生电力，必须将其转换回交流电作为电源，然后再转换回直流电供我们的设备使用。你几乎可以说 AC-DC 的辩论从未结束，两个对立的想法之间刚刚达成了平衡。

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太阳能电池板中的交流和直流之间有很多来回。
请注意，PCB 的最初想法并不是在镀金时代发明的。然而，如果没有这个时代的制造能力，以及电力的广泛影响，PCB 永远不会成为今天的样子。
进步时代（1890 – 1920）
进步时代的标志是社会改革时期，像《谢尔曼反托拉斯法》这样的立法打破了标准石油的垄断。这也是我们看到第一个PCB专利的时候。1903 年，德国发明家 Albert Hanson为一种装置申请了英国专利，该装置被描述为多层绝缘板上的扁平箔导体。听起来有点熟？

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描绘了 Albert Hanson 获得的第一个 PCB 专利的图纸。
汉森还在他的专利中描述了通孔应用的概念。在这里，他展示了您可以在两个具有垂直线的层上打一个孔以建立电气连接。
在此期间，我们开始看到爱迪生和其他商业领袖大力推动电动设备进入日常家庭。这种推动的问题是完全缺乏标准化。如果你住在纽约或新泽西，并使用爱迪生的电力发明来照明、取暖或烹饪，如果你在另一个城市使用它们会发生什么？它们无法使用，因为每个城镇都有自己的插座配置。
爱迪生不仅想卖给人们一个灯泡，他还想卖一种服务，这一事实也使这个问题变得更糟。爱迪生可以按月为您提供电力服务；然后你会购买灯泡、电器等。当然，这些服务都不兼容其他竞争方法。
我们要感谢Harvey Hubbel终于结束了这场混乱。1915 年，他为至今仍在使用的标准墙壁插座插头申请了专利。现在我们没有将烤面包机或加热板插入灯泡插座。这是行业标准化的巨大胜利。

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多亏了 Harvey Hubbel，我们现在有了一个适用于所有电子设备的标准化壁装插座。
最后要注意的是，进步时代标志着第一次世界大战。这场冲突纯粹集中在机械装置和堑壕战上。PCB 概念，甚至是基本的电子产品，还没有用于军事应用，但很快就会使用。
咆哮的二十年代（1920 年代）
随着第一次世界大战的结束，我们现在正处于咆哮的二十年代，看到美国经济出现了巨大的繁荣。这是历史上第一次住在城市的人多于住在农场的人。我们也开始看到在美国各地引入连锁店和品牌。您可能在两个不同的城镇拥有一两家家族商店，但现在我们拥有走向全国的主要品牌和商店。
这一时期最伟大的发明是亨利福特的汽车及其所需的基础设施。这种情况类似于 1990 年代，当时我们必须通过构建交换机、路由器和光缆来建立一个主要的基础设施来处理互联网和我们的信息时代。汽车也不例外。

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亨利福特的第一辆车——四轮车。
在这里，我们看到曾经是泥泞的道路正在铺设。人们需要汽油来为他们的车辆提供动力，因此加油站应运而生。您还拥有维修店、配件等。许多人的整个生活方式都源于汽车的发明，今天仍然如此。
也是在这段时间，我们看到了我们今天仍然依赖的现代电器的引入，比如洗衣机、吸尘器和冰箱。这是人们第一次能够在商店购买易腐烂的商品并将其储存以延长保鲜期。
但是我们的多氯联苯在哪里？我们仍然没有看到它们用于在此期间推出的任何电器或汽车中。然而，在 1925 年，查尔斯·杜卡斯提交了一项专利，该专利描述了将导电油墨添加到绝缘材料中的过程。这将在后来产生印刷线路板 (PWB)。该专利是第一个类似于 PCB 的实际应用，但仅用作平面加热线圈。我们还没有得到电路板和组件之间的任何实际电气连接，但我们已经接近了。

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PCB 不断发展，这次被用作 Charles Ducas 的加热线圈。

大萧条（1930年代）
1929 年，股市暴跌，我们这个时代所有伟大的创新发明都一落千丈。在这里，我们看到失业率超过 25% 的时期，25,000 家银行倒闭，大量困难波及全球。对于整个人类来说，这是一段悲惨的时期，为希特勒、墨索里尼、斯大林的崛起以及我们未来的世界冲突铺平了道路。直到现在，多氯联苯可能一直保持沉默，但这一切都即将改变。

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大萧条影响了每个人，从银行到普通工人。

第二次世界大战 (1939 – 1945)
第二次世界大战正在进行中，美国在 1942 年珍珠港爆炸事件后加入了战斗。珍珠港事件的有趣之处在于导致袭击的整个通信失败。美国有充分的证据表明危机迫在眉睫，但与他们在檀香山的军事基地的所有联系方式均未成功，因此该岛措手不及。

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一艘在珍珠港袭击中失踪的战列舰。
由于这次失败，美国国防部意识到他们需要一种更可靠的通信方式。这将电子产品作为替代摩尔斯电码的主要通信手段带到了最前沿。
也是在第二次世界大战期间，我们看到了我们今天在接近保险丝中首次使用 PCB。该装置用于高速炮弹，需要在天空或陆地上进行远距离精确射击。近距离引信最初是由英国人开发的，用于对抗希特勒军队的推进。后来与完善设计和制造的美国共享。

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最早使用 PCB 的军事应用之一——接近保险丝。
在此期间，我们还有居住在英国的奥地利人Paul Eisler为非导电玻璃基底上的铜箔申请了专利。听起来有点熟？这是我们今天仍在使用的概念，用于制造顶部/底部带有绝缘层和铜的 PCB。艾斯勒在 1943 年用他的 PCB 制作了一台收音机，使这一想法更进一步，这将为未来的军事应用铺平道路。

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Paul Eisler 用第一块印刷电路板 (PCB) 制造的收音机。
婴儿潮一代（1940 年代）
随着第二次世界大战接近尾声，我们看到我们的士兵回家，组建家庭，生下一大堆孩子。提示婴儿潮一代。正是在战后时代，我们看到了对真空吸尘器、洗衣机、电视和收音机等现有电器的大量改进。现在大萧条已经过去，许多消费者终于可以在家中买得起这些设备。
我们仍然没有看到消费级 PCB。保罗·艾斯勒的作品在哪里？看看下面这台旧电视，你会看到所有的组件，但没有底层的 PCB 基础。

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一台 1948 年的旧摩托罗拉电视机，没有 PCB。
尽管缺少 PCB，但我们确实在 1947 年看到了晶体管在贝尔实验室的到来。1953 年又过了六年，这个设备才最终用于产品，但为什么这么久呢？在那些日子里，信息是通过期刊、会议等传播的。在信息时代之前，信息的传播只是需要时间来传播。

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第一个晶体管，1947 年诞生于贝尔实验室。
冷战时代 (1947 – 1991)
冷战时代的到来，标志着美苏之间相当时期的紧张局势。由于资本主义和共产主义之间的差异，这两个巨人几乎相互交战，并使世界处于核毁灭的威胁之中。
为了在这场军备竞赛中保持领先，双方都必须加强沟通能力，以了解敌人在做什么。在这里，我们看到 PCB 被充分发挥其潜力。1956 年，美国陆军公布了“电路组装工艺”的专利。现在，制造商有一种方法既可以固定电子产品，又可以在带有铜迹线的组件之间建立连接。
随着 PCB 开始在制造领域起步，我们发现自己正在参加世界上第一次太空竞赛。俄罗斯在此期间取得了一些惊人的成就，包括：

1957 年发射第一颗人造卫星 Sputnik

1959 年向月球发射第一艘宇宙飞船 Luna 2

1961 年派遣第一位宇航员尤里·加加林环绕地球

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俄罗斯于 1957 年发射的第一颗人造卫星 Sputnik。
在这一切中，美国在哪里？主要是落后，通常需要一两年的时间来开发相同的技术。针对这一差距，我们看到美国的太空预算在 1960 年增长了 5 倍。我们还有著名的 1962 年肯尼迪总统演讲，其中一部分值得引述如下：
“我们选择去月球！我们选择在这十年去月球做其他事情，不是因为它们容易，而是因为它们很难；因为这个目标将有助于组织和衡量我们最好的精力和技能，因为这个挑战是我们愿意接受的，我们不愿意推迟的，也是我们打算赢得的。” ——美国总统约翰·肯尼迪，1962 年 9 月 12 日
所有这些都导致了历史上具有里程碑意义的时刻。1969年7月20日，美国第一人登上月球。

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第一个登上月球的人，人类的历史性时刻。
回到 PCB，1963 年，我们让Hazeltyne Corporation申请了第一个电镀通孔技术的专利。这将允许组件在 PCB 上紧密排列在一起，而无需担心交叉连接。我们还看到IBM 开发的表面贴装技术 (smt)的引入。这些密集的组件在土星火箭助推器中首次得到实际应用。



1967年第一个通孔PCB技术专利。
微处理器的黎明（1970 年代）
70 年代为我们带来了第一个集成电路 (IC) 形式的微处理器。这最初是由德州仪器的 Jack Kilby 于 1958 年开发的。Kilby 是 TI 的新手，因此他对 IC 的创新想法在很大程度上是保密的。然而，当 TI 的高级工程师被派去参加为期一周的会议时，Kilby 留下来带着脑海中的想法奔跑。在这里，他在 TI 实验室开发了第一款 IC，而返回的工程师们都很喜欢它。



Jack Kilby 持有第一块集成电路。
在 1970 年代，我们看到 IC 首次用于电子产品制造。到了这个时候，如果你不使用 PCB 进行连接，你就有大麻烦了。
数字时代的黎明（1980 年代）
数字时代带来了我们消费媒体的巨大变化，引入了个人设备，如光盘、VHS、相机、游戏机、随身听等。



1980 年，Atari 视频游戏机让孩子的梦想成真。
需要注意的是，PCB 仍然是用灯板和模板手工绘制的，但随后计算机和 EDA 出现了。在这里，我们看到像 Protel 和 EAGLE 这样的 EDA 软件彻底改变了我们设计和制造电子产品的方式。现在，我们可以将设计保存为 Gerber 文本文件，而不是 PCB 的照片，其坐标可以输入制造机械以生产 PCB。



在 EDA 到来之前用胶带和聚酯薄膜绘制印刷电路板。

互联网时代（1990 年代）
在 90 年代，随着 BGA 的引入，我们看到硅的使用全面展开。现在我们可以在单个芯片上安装更多门，并开始将存储器和片上系统 (SoC) 嵌入在一起。这也是电子产品高度小型化的时期。我们没有看到任何新功能添加到 PCB 中，但整个设计过程开始发生变化和发展，转向 IC。
现在设计人员必须在他们的布局中实施测试设计 (DFT) 策略。弹出一个组件并添加一条蓝线并不容易。工程师必须从未来返工的角度来设计他们的布局。所有这些组件的放置方式是否都可以轻松移除？这是一个巨大的担忧。
这也是一个像 0402 这样较小的组件封装使得电路板的手工焊接几乎不可能的时代。设计师现在住在他的 EDA 软件中，制造商负责物理生产和组装。



表面贴装元件从大到小。
混合时代（2000 年代及以后）
切入电子和pcb设计的当今时代；我们称之为混合时代。过去，我们有多种设备来满足多种需求。你需要一个计算器；你买了一个计算器。你想玩电子游戏；你买了一个视频游戏机。现在你可以购买一部智能手机并获得 30 种不同层次的内置功能。这可能看起来非常明显，但当你真正看到我们的智能手机可以做的所有事情时，它会非常令人震惊：

游戏设备	地址簿	电子邮件	条形码扫描器
手电筒	钟	相机	导航
音乐播放器	日程	录像机	地图
网络浏览器	日历	电影播放器	计算器
电话	记事本	门票	录音机
电话应答机	短信	银行业	图书

我们正处于设备整合的时代，但接下来会发生什么？PCBs 已经建立，我们几乎所有的事情都有流程和程序。高速应用正在成为常态。我们还看到只有 25% 的 PCB 设计师年龄在 45 岁以下，而 75% 的人正准备退休。该行业似乎正处于危机时期。
PCB设计的未来会是机器人吗？也许在带有柔性电路的可穿戴设备中？或者我们可能会看到质子用光子学取代电子。至于我们所了解的物理多氯联苯，未来甚至可能会发生变化。不需要物理介质来实现组件之间的连接，而是具有波浪技术的潜力。这将允许部件在不需要铜的情况下无线发送信号。
未来会怎样？
没有人真正知道 PCB 设计未来的发展方向，甚至整个电子产品的发展方向。自我们的制造肌肉开始运转以来，已经过去了近 130 年。从那时起，随着汽车、电器、电脑、智能手机等主要产品的引入，世界永远发生了变化。我们所有的基本生计和生存都依赖煤炭、木材或石油的日子已经一去不复返了。现在我们拥有可以满足我们日常需求的电子产品。
但未来会怎样？这是一个很大的未知数。众所周知，我们面前的每一项发明都站在其前身的肩膀上。我们的祖先将 PCB 设计带到了今天的位置，而现在我们需要创新和彻底改变我们设计和与技术交互的方式。未来可以是任何东西。未来取决于你。
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