Dosky s plošnými spojmi (PCB), tak ako ich poznáme dnes a ktoré sú dnes jednou z najbežnejších súčastí elektronických zariadení, prešli od svojho uvedenia na trh začiatkom 20. storočia pomerne dlhú a zaujímavú cestu. Zvyšujúci sa dopyt spotrebiteľov a očakávania vyššej rýchlosti, funkčnosti a vlastností spôsobili mnohé z týchto zmien. Spotrebitelia dnes očakávajú, že ich elektronické zariadenia budú reagovať okamžite, čo vytvára pre výrobcov elektroniky jedinečné výzvy.

A ako to celé okolo dosiek s plošnými spojmi začalo? Dozviete sa v článku.

Od roku 1880 do roku 1900 - pravek vývoja

V tomto období sa elektrina dostala do domácností, najprv v mestách a potom aj na vidieku. Elektrina sa stala alternatívou k uhliu, drevu a oleju. Elektrina to všetko zmenila. V tomto období sa uskutočnili významné vynálezy v oblasti elektromagnetických a motorových zariadení. Toto obdobie bolo vlastne obdobím geniálnych vynálezcov, pretože má stále vplyv na dnešnú elektroniku.

1. Thomas Alva Edison vynašiel v roku 1879 žiarovku a je známy aj ako najväčší americký vynálezca.
2. Nikola Tesla vynašiel v roku 1888 elektrický motor a v roku 1895 striedavý prúd.
3. Alexander Graham Bell vynašiel v roku 1876 telefón.
4. Spoločnosť Kodak Georgea Eastmana vynašla v roku 1884 prvý spotrebiteľský fotoaparát.
5. Herman Hollerith vynašiel v roku 1890 tabuľkový procesor a neskôr založil spoločnosť IBM.

Jeden z najväčších konfliktov počas tohto veku inovácií bol medzi striedavým a jednosmerným prúdom. Striedavý prúd Nikolu Teslu nakoniec zvíťazil ako jediný spôsob prenosu elektrickej energie na veľké vzdialenosti. Zaujímavé však je, že sa s problémami konverzie striedavého a jednosmerného prúdu stretávame aj dnes.

Od roku 1890 do roku 1920

Toto je obdobie, ktoré ukazuje primárny patent na PCB. V roku 1903 jeden zo slávnych nemeckých vynálezcov Albert Hanson podal britský patent na zariadenie opísané ako plochý fóliový vodič na izolačnej doske s viacerými vrstvami. Albert Hanson vo svojom patente opísal aj aplikáciu celej koncepcie. Ukázal, že do dvoch vrstiev môžeme urobiť dieru a mať kolmé vodiče na vytvorenie elektrického spojenia. Pokrokový vek znamenal prvú svetovú vojnu. Tento konflikt bol zameraný výlučne na mechanické zariadenia a zákopovú svetovú vojnu. V skutočnosti sa základná elektronika, a dokonca ani koncepcia plošných spojov, ešte stále nepoužívala vo vojenských aplikáciách, ale čoskoro sa začala vyvíjať.

Búrlivé 20te roky

"printed wire", ktorý si v roku 1925 nechal patentovať Charles Ducas, spočíval vo vytvorení elektrickej cesty priamo na izolovanom povrchu. Hoci táto koncepcia úplne odstránila potrebu zložitého vedenia, prvé funkčné a použiteľné dosky plošných spojov skonštruoval Dr. Paul Eisler v Rakúsku až v roku 1943.

V 20. rokoch 20. storočia konštruovali vývojári dosky s plošnými spojmi z bežných materiálov, ako je bakelit, masonit, vrstvená lepenka a dokonca tenké kúsky dreva. Do materiálu vyvŕtali otvory a na dosku prinitovali alebo priskrutkovali ploché mosadzné drôty. Pripojenie k rôznym súčiastkam sa uskutočňovalo tak, že sa koniec mosadznej stopy pritlačil na dutý nit a zároveň sa do otvoreného konca nitu vtlačili vodiče súčiastky. Hoci sa týmto spôsobom nevytvorilo nič podobné elegantným, atraktívnym a zložitým doskám, ktoré vidíme dnes, tento postup poskytoval konzistentné výsledky a tieto typy dosiek plošných spojov sa bežne používali v gramofónoch a prvých elektrónkových rádiách.

S príchodom elektriny do domácností priniesol prechod od uhlia, dreva a oleja jedinečné možnosti. Majitelia domov túto zmenu prijali s radosťou. Koniec koncov, varenie a vykurovanie ich domovov pomocou elektriny bolo oveľa jednoduchšie a čistejšie.  V tomto období musela spoločnosť Standard Oil, ktorá bola zodpovedná za dodávku oleja používaného na varenie a osvetlenie domácností v USA, nájsť pre svoj olej nové využitie. Stalo sa tak a to so zavedením automobilu.

Druhá svetová vojna

V roku 1947 sa začala výroba prvej obojstrannej dosky plošných spojov. Tento jedinečný dizajn zahŕňal priechodné pokovovanie, ktoré umožnilo vývojárom používať obe strany dosky s plošnými spojmi. Pokovovanie medi na priechodnom otvore umožňovalo šírenie elektrickej vodivosti cez dosku.  

V roku 1949 Moe Abramson a Stanislaus F. Danko, príslušníci amerického armádneho signálneho zboru, vyvinuli prvý proces automatickej montáže dosiek plošných spojov a navždy tak zmenili spôsob výroby PCB. Tento proces zahŕňal použitie vzoru prepojenia medených fólií a technológie ponorného spájkovania na vloženie vodičov komponentov na dosku. Na vytvorenie dosiek vývojári nakreslili vzor zapojenia a odfotografovali ho na zinkovú dosku. Potom vytvorili tlačovú dosku so zinkovou platňou pre ofsetový tlačový stroj. Moe Abramson a Stainslaus F. Danko si tento postup patentovali v roku 1956.

Zavedenie viacvrstvových obvodových dosiek (50. - 70. roky 20. storočia) - Úsvit mikroprocesora

V priebehu 50. a 60. rokov 20. storočia sa materiály používané na výrobu dosiek plošných spojov zmenili zo štandardných bežných materiálov na živice a iné druhy priemyselných materiálov. Tieto nové materiály umožnili vývojárom vyrábať viac DPS v kratšom čase a najmä vo väčších objemoch. Hoci tlač bola obmedzená zatiaľ iba na jednu stranu, tieto dosky ponúkali vyššiu účinnosť v porovnaní s tradičnými metódami zapojenia.

V roku 1960 sa PCB vytvárali so štyrmi a viac vrstvami vodivého materiálu. Tieto novšie dosky šetrili miesto a poskytovali väčšiu flexibilitu. V 70. rokoch 20. storočia sa dosky plošných spojov výrazne zmenšili. V tomto období začali výrobcovia PCB používať metódy spájkovania horúcim vzduchom na efektívnejšie spájkovanie a zlepšenie procesov opráv.

Okrem menších dosiek plošných spojov priniesli 70. roky aj prvý mikroprocesor vo forme integrovaného obvodu (IC). Mikroprocesory, ktoré vyvinul Jack Kilby zo spoločnosti Texas Instruments v roku 1958, predstavovali jedinečné možnosti pre elektronické zariadenia. Integrované obvody sa začali používať vo výrobe elektroniky v 70. rokoch.

1980 - Úsvit digitálneho veku

Osemdesiate roky 20. storočia, známe ako digitálny vek, priniesli obrovské zmeny v pohľade spotrebiteľov na elektroniku. V tomto období ľudia vo svete kupovali elektronické zariadenia alarmujúcou rýchlosťou. Obchody s elektronikou sa snažili udržať regály plné populárnych zariadení vrátane prehrávačov kompaktných diskov, VHS rekordérov, fotoaparátov, herných konzol, prenosných rádií a ďalších. S rastúcim dopytom po elektronike sa zvyšovala aj potreba menších dosiek plošných spojov s väčšou funkčnosťou a obvodovou hustotou.

90. roky 20. storočia - éra internetu

V 80. rokoch 20. storočia sa veľkosť dosiek plošných spojov opäť zmenšila vďaka zavedeniu povrchovej montáže. Z dôvodu nižších výrobných nákladov a zachovania funkčnosti aj pri zmenšujúcej sa veľkosti dosky sa montáž na povrch rýchlo stala metódou voľby v porovnaní s priechodnými komponentmi. V tomto období vývojári stále kreslili PCB ručne pomocou svetelnej tabule a šablón. Keď však v polovici 80. rokov prišli počítače a softvér na automatizáciu elektronického navrhovania (EDA), výrobcovia rýchlo prešli na digitálne navrhovanie. Softvér s oznčením EDA úplne zmenil spôsob, akým vývojári navrhovali a vyrábali PCB, čím ušetrili výrobcom elektroniky nespočetné množstvo hodín.

Napriek tomu, že zložitosť a funkčnosť dosiek s plošnými spojmi sa zvyšovala, náklady na výrobu sa v 90. rokoch výrazne znížili. To umožnilo výrobcom elektroniky vyrábať širokú škálu elektronických zariadení, čo bolo potrebné na udržanie kroku s rastúcim dopytom spotrebiteľov.

V 90. rokoch sa používanie kremíka stalo populárnejším vďaka zavedeniu púzdra typu BGA (ball grid array). Tento typ púzdra na povrchovú montáž, ktorý sa používa pre integrované obvody (IC), poskytuje viac prepojovacích pinov, ako je to možné pri dvojitom radovom alebo plochom púzdre.

Hoci v 90. rokoch 20. storočia nedošlo k žiadnym zásadným zmenám v oblasti plošných spojov, začal sa postupne meniť proces ich navrhovania. Vývojári sa začali oveľa viac sústrediť na integrované obvody a začali implementovať stratégie DFT (Design for Test) do svojich rozložení. Namiesto jednoduchého vytvorenia dosky na jednorazové použitie museli teraz konštruktéri začať plánovať svoje návrhy s ohľadom na budúce prepracovanie. V tomto období sa z návrhárov a výrobcov stali dva samostatné subjekty.

V tomto čase sa elektronické zariadenia stávali zložitejšími a jednotlivci a podniky na celom svete boli od nich čoraz závislejší. V roku 1995 dosiahla výroba plošných spojov trhovú hodnotu 7,1 miliardy dolárov. Bol to tiež rok, keď vývojári začali pri výrobe DPS používať technológiu mikro-via. Táto technológia umožnila zavedenie PCB s vysokou hustotou prepojenia (HDI). Na rozdiel od technológie mechanického vŕtania, ktorá viedla k vyšším nákladom a ťažkostiam pri zlepšovaní, vývojári používajú na výrobu PCB HDI technológiu laserového vŕtania.

Pri výrobe HDI PCB sa využíva pokročilá viacvrstvová technológia, ktorá vývojárom umožňuje integrovať niekoľko vrstiev. Vďaka jedinečnej konštrukcii a vlastnostiam dosky majú HDI PCB vyššiu hustotu obvodov ako iné typy PCB.

Rok 2000 a ďalšie roky - Hybridný vek

Začiatkom roku 2000 sa dosky plošných spojov ešte viac zmenšili a samozrejme aj značne skomplikovali. Hoci sa v tomto období považovalo za normálne 5 až 6 milimetrov stopy a priestoru, nebolo nezvyčajné, že špičkové technologické spoločnosti vyrábali dosky s 3,5 až 4,5 milimetrovou stopou a priestorom.púzdra.

Flexibilné PCB sa stali bežnejšími. Tieto dosky poskytovali cenovo dostupnú možnosť, ideálnu pre konštrukčné púzdra, pri ktorých bol prvoradý priestor. Flexibilné dosky plošných spojov ponúkali široký rozsah pohybu, čo umožňovalo ich použitie v ohybných aj dynamických aplikáciách.

V roku 2006 bol vyvinutý proces ELIC (Every Layer Interconnect). Tento proces využíva na vytvorenie spojov cez každú vrstvu dosky naskladané mikropriestory plnené meďou. Tento jedinečný proces umožňuje vývojárom vytvárať spojenia medzi ľubovoľnými dvoma vrstvami na doske plošných spojov po ich uložení. Hoci tento proces zvýšil úroveň flexibility a umožnil konštruktérom maximalizovať hustotu prepojenia, dosky plošných spojov ELIC sa až do roku 2010 vo veľkej miere nepoužívali.

Moderná výroba PCB

Zatiaľ čo doska s plošnými spojmi v 60. rokoch mohla mať približne 30 tranzistorov, jeden čip na modernej základnej doske môže mať viac ako milión tranzistorov. Vďaka pokročilým technikám a technológiám môžu výrobcovia elektroniky do moderných zariadení vkladať viac funkcií. Zmenšením pasívnych komponentov, ako sú rezistory, kondenzátory, induktory a transformátory, môžu výrobcovia elektroniky zvýšiť hustotu komponentov a komplexnosť svojich dosiek plošných spojov.

Keďže elektronické zariadenia sú čoraz menšie a zložitejšie, ručná montáž už nie je možná. V súčasnosti PCB obsahujú niekoľko mikroskopických komponentov a montáž si vyžaduje mimoriadne vysokú úroveň presnosti a účinnosti, ktorá je dostupná len pri strojovej montáži. Práve tento posun v zložitosti vydláždil cestu pre optimalizovanú výrobu elektroniky.

Budúcnosť

Inžinieri neustále testujú nové technológie a metódy navrhovania a výroby dosiek s plošnými spojmi. S rastúcou popularitou a dostupnosťou 3D tlačiarní sa zvyšuje aj možnosť ich využitia na výrobu zložitých plošných spojov. Použitie 3D tlačiarne by mohlo výrobcom elektroniky umožniť vyvíjať menšie a ľahšie antény a obvody. Dosky vytlačené 3D technológiou umožnia aj jednoduchšie púzdra vďaka ich flexibilnej konštrukcii a menšiemu počtu káblov a konektorov.

Ďalšia možnosť budúcnosti, dosky plošných spojov na báze papiera budú ponúkať rovnakú funkčnosť ako dosky vyrobené z iných materiálov, pričom budú mať zlomok vplyvu na životné prostredie. Okrem toho, že PCB na báze papiera budú ľahkou a flexibilnou alternatívou k tradičným PCB, ich výroba bude oveľa lacnejšia a umožní výrobu širokej škály "zelenej" elektroniky.

Hoci PCB prešli od svojho uvedenia na trh viacerými zmenami a obrovským technologickým vývojom budeme pravdepodobne naďalej svedkami ich ďalších pokrokov a vylepšení. Takže, čo bude ďalej? Nechajme sa prekvapiť.

Páčil sa vám článok? Podporte autora, ďakujem.