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PCB的发展简史｜从1870年至今

The History of PCBs from 1870 to Today

本文通过介绍晶体管、集成电路、BGA和SMT，了解PCB（印刷电路板）的历史。

像历史上许多其他伟大的发明一样，我们今天所熟知的印刷电路板（PCB）也是建立在历史进步的基础上的。在我们这个小小的世界角落里，我们可以追溯到PCB 130多年前的历史，当时世界上伟大的工业机器刚刚启动。我们在这篇文章中所涉及的并不是一段完整的历史，而是分享了将PCB推动到当前状态的一些重要节点。

为什么是PCB？

Why PCBs?

随着时间的推移，PCB已经发展成为优化电子制造的工具。曾经很容易用手组装的东西很快就被需要机械的精度和效率的微观部件所取代。以下面的两块电路板为例，一个是20世纪60年代的计算器板，另一个是典型的在现在的电脑上能看到的高密度主板。

1968年计算器与当今现代主板之间的PCB比较。

图片来源：

https://www.oldcalculatormuseum.com/wang362e.html

我们的计算器中大约有30多个晶体管，但在主板的单个芯片上，你会发现超过一百万个晶体管。关键在于技术和PCB设计的发展速度令人印象深刻。在今天的设计中，计算器PCB上的所有东西现在都可以装入单个芯片。这突出了PCB制造业的几个显著趋势：

• 我们正在将更多功能打包到集成电路（IC）和微处理器等高级设备中。

• 我们正在将电阻、电容等无源元件缩小到微观水平。

• 所有这些都增加了我们主板上组件的密度和复杂性。

  
  

这些进步是由产品不断增长的速度和功能推动的。我们希望我们的设备能立即做出响应，甚至几秒钟的延迟都会让我们陷入疯狂。关于功能，请参考视频游戏，早在80年代，你很可能在街机上玩吃豆人游戏。现在我们看到了真实的照片级表现。这种进步简直太疯狂了。

如今视频游戏的视觉效果几乎是照片级的真实感。

图片来源：

https://answers.unrealengine.com/questions/391152/unreal-engine-4-vs-cryengine-5-or-cryengine-3.html

很明显，PCB的发展是我们对设备期望的直接反应。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就是微型化，使制造过程更高效。对电子产品和PCB的狂热是什么时候开始的？那是在镀金时代的黎明时。

镀金时代（1879-1900）The Gilded Age (1879 – 1900)

美国在60年代摆脱了内战，现在美国的制造业正在蓬勃发展，从食物到衣服、家具和铁路轨道。运输业在不断发展，伟大的工程师们正在研究如何在5-7天而不是5-7个月内把一个人从美国东海岸送到西海岸。

这条铁路使从东海岸到西海岸只需几天，而不是几个月。

图片来源：

https://railroad.lindahall.org/essays/brief-history.html

在此期间，我们还将电力引入家庭，首先从城市开始，然后转移到郊区和农村地区。电力现在是煤、木材和石油的替代品。想象在隆冬时节住在纽约，试着用脏煤或柴火做饭或取暖，电力改变了这一切。

值得注意的是，当时在石油市场上的巨头标准石油公司（Standard Oil）并没有供应汽油。他们的市场是为烹饪、油炸和照明而燃烧的油。随着电力的进入，需要定义一种新的油用途，而这将随着汽车的推出而到来。

1878年5月，标准石油公司发行股****，开始了石油垄断。

图片来源：

https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Oil

重大发现

Major Discoveries Made

在镀金时代，我们看到了电磁学的一些重****现。我们有了电机，它能将电能转换为机械能。我们也有了发电机，它通过将机械能转换为电能。

这也是一个天才发明家的时代，他们对当今的电子世界仍有影响，包括：

• Thomas Edison 托马斯·爱迪生于1879年发明了灯泡，1889年发明了电影，还有许多其他的创新。

• Nikola Tesla尼古拉·特斯拉于1888年发明了电动机，1895年发明了交流电源。

• Alexander Graham Bell 亚历山大·格雷厄姆·贝尔于1876年发明了电话。

• George Eastman’s Kodak乔治·伊士曼的柯达于1884年发明了第一台相机。

• Herman Hollerith赫尔曼·霍勒瑞斯于1890年发明了制表机，后来又创立了IBM。

在这一激烈的创新时期，交流和直流是最重要的争论之一。特斯拉的AC最终赢得了胜利，成为远距离输送电力的理想方法。然而，有趣的是，我们今天仍然在处理AC-DC转换问题。

AC可能赢得了比赛，但DC仍然主导着电子产品。

看看你插在墙上的任何电子设备，你都需要把交流电转换成直流电。或者，如果你看一下太阳能电池板的基础设施要求，它们在直流电中发电。必须将其转换为交流电源，然后再转换为直流电源，以便我们的设备使用。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取得了平衡。

在太阳能电池板中，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，如果没有当时的制造能力和电力的广泛影响，PCB将永远不会成为今天的样子。

进步时代（1890-1920）The Progressive Era (1890 – 1920)

进步时代是一个社会改革的时代，美国制定了《谢尔曼反托拉斯法》（正式名称是《保护贸易及商业免受非法限制及垄断法》），打破了标准石油公司的垄断。这也是我们看到第一个PCB专利的时期。1903年，德国发明家阿尔伯特·汉森（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。听起来很熟悉吗？

一幅描绘阿尔伯特·汉森获得的第一项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，他展示了可以在有垂直电线的两层上打一个洞来建立电气连接。

推动电子设备发展Push for electronic devices

在此期间，我们开始看到爱迪生和其他商业领袖在日常家庭应用中大力推动电动设备。这种推动的问题是其完全缺乏标准化。如果你住在纽约或新泽西州，并将爱迪生的电气发明用于照明、取暖或烹饪，然后在另一个城市使用它们，会发生什么呢？它们无法在另一个城市被使用，因为每个城镇都有自己的插座配置。

爱迪生不仅仅想卖给人们一个灯泡，他还想出售一项服务：你可以每月给爱迪生支付电力服务付费以购买灯泡、电器等。当然，这些服务都与其他竞争方法不兼容。

我们要感谢Harvey Hubbel哈维·哈贝尔最终结束了这场混乱。1915年，他申请了标准墙上插座专利，该插头至今仍在使用。不过现在我们没有把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。

多亏了哈维·哈贝尔，我们现在为所有电子产品提供了标准化的墙上插座。

图片来源：

https://connecticuthistory.org/first-us-detachable-electric-plug-today-in-history-november-8/

最后要注意的是，进步时代（Progressive Era）显著的历史事件是第一次世界大战。这场冲突纯粹集中在机械设备和壕沟战上。PCB概念，甚至是基本的电子产品，还没有在军事应用中得到应用，但很快就会得到应用。

咆哮的二十年代The Roaring Twenties (1920s)

随着第一次世界大战接近尾声，我们来到了咆哮的二十年代（Roaring Twenties），看到美国出现了巨大的经济繁荣。这是第一次城市人口比农场人口多。我们还开始看到连锁店和品牌在美国各地推出。你可能在两个不同的城镇有一个或两个家族商店，但现在主要的品牌和商店已经走向全美国。

这一时期最伟大的发明是Henry Ford亨利·福特的汽车及其所需的基础设施。这种情况类似于20世纪90年代，当时我们必须通过制造交换机、路由器和光缆来构建一个重要的基础设施，以处理互联网和我们的信息时代。汽车也不例外。

亨利·福特的第一辆车——四轮摩托车。

图片来源：

https://www.britannica.com/technology/automobile/History-of-the-automobile

汽车的发明The invention of the automobile

在这里，我们看到曾经是泥泞的道路正在铺设。人们需要汽油来驱动汽车，所以加油站应运而生。也有了汽车修理店、配件等。许多人的整个生活方式都是从汽车的发明中诞生的，就像今天一样。

在这段时间里，我们看到了今天仍然依赖的现代家电的引入，如洗衣机、吸尘器和冰箱。这是人们第一次在商店购买易腐商品，并将其储存以延长新鲜度。

但我们的PCB在哪里？在这段时间内，我们还没有看到他们在任何电器或汽车中使用。然而，1925年Charles Ducas查尔斯·杜卡斯提交了一项专利，描述了向绝缘材料中添加导电油墨的过程。这将在后来产生印刷线路板（PWB）。这项专利是第一项类似PCB的申请，但仅用作扁平加热线圈。我们仍然没有在电路板和组件之间实现任何实际的电气连接，但我们正在接近它。

查尔斯·杜卡斯专利图纸

PCB不断发展，这一次被Charles Ducas用作加热线圈。

图片来源：

https://www.google.com/patents/US1563731

大萧条The Great Depression (the 1930s)

1929年，美国股市暴跌，我们这个时代所有伟大的发明和创新都一落千丈。在这里，我们看到了一个失业率高达25%以上的时期，25000家****倒闭，全世界都陷入了困境。这是人类的悲惨时期，它为希特勒、墨索里尼、斯大林的发起和我们未来的世界冲突铺平了道路。PCB可能一直保持沉默，但这一切即将改变。

大萧条影响了所有人，从****到普通工人。

第二次世界大战World War 2 (1939 – 1945)

第二次世界大战期间，在1942年珍珠港爆炸事件后，美国加入了这场战争。珍珠港事件中值得注意的是导致此次袭击的整个通信故障。美国有很好的证据表明即将发生危机，尽管如此，所有与檀香山军事基地联系的方法都不成功，因此该岛受到了突然袭击。

一艘战列舰在珍珠港袭击中失事。

图片来源：

https://www.britannica.com/event/Pearl-Harbor-attack

由于这一失败，美国国防部意识到他们需要一种更可靠的通信方法。这使电子学成为取代电话的主要通信手段。

在第二次世界大战期间，我们看到了今天所知道的PCB在近炸引信中的首次使用。该装置用于高速炮弹，需要在天空或陆地上进行远距离精准射击。近炸引信最初由英国人研制，用于对抗希特勒军队的进攻。后来与美国共享，完善了设计和制造。

PCB的首次应用The first use of a PCB

最早使用PCB的军事应用之一——近炸引信。

图片来源：

https://en.wikipedia.org/wiki/Proximity_fuze

我们还有居住在英国的奥地利人Paul Eisler保罗·艾斯勒，他申请了一项非导电玻璃基铜箔的专利。听起来很熟悉吗？今天，我们仍然使用这个概念来制造顶部/底部有绝缘层和铜的PCB。艾斯勒在1943年用他的PCB制造了一台无线电，这将为未来的军事应用铺平道路，从而使这个想法更进一步。

保罗·艾斯勒用第一块印刷电路板（PCB）制造的收音机。

图片来源：

https://history-computer.com/printed-circuit-board/

婴儿潮一代The Baby Boomers (the 1940s)

随着第二次世界大战接近尾声，我们看到士兵回到家中，开始组建家庭，并有了许多孩子，暗示婴儿潮一代。在这个战后时代，我们看到现有的电器如吸尘器、洗衣机、电视和收音机有了大量的改进。大萧条已经过去，许多消费者终于可以买得起这些设备了并在家里使用它们了。

然而，我们仍然没有看到消费者级别的PCB。保罗·艾斯勒的作品在哪里？看看下面这台旧电视机，你会看到所有的组件，但没有PCB作为基础。

1948年的一台旧摩托罗拉电视，没有PCB。

图片来源：

https://www.antiqueradio.org/motvt73.htm

尽管缺少PCB，我们还是看到晶体管于1947年进入贝尔实验室。1953年，该设备又花了六年时间才最终用于产品中，但为什么这么长时间？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。

1947年，第一个晶体管诞生于贝尔实验室。

图片来源：

https://www.autodesk.com/products/eagle/blog/transistors-world-modern-electrons/

冷战时代（1947-1991）The Cold War Era (1947 – 1991)

冷战时代的到来，标志着美国和苏联之间出现了相当长的紧张时期。

双方都必须加强沟通能力，以了解对方在做什么。在这里，我们看到PCB被充分利用。1956年，美国陆军发布了“组装电路的加工”专利，制造商们有了一种方法来固定电子设备，并在具有铜线的组件之间建立连接。

随着PCB开始进入制造领域，我们发现自己进入了世界上第一次太空竞赛。在此期间，俄罗斯取得了一些成就，包括：

• 1957年****了第一颗人造卫星Sputnik

https://history.nasa.gov/sputnik.html

• 1959年****第一艘月球2号宇宙飞船到月球

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1959-014A

• 1961年，第一位宇航员尤里·加加林环绕地球飞行

https://www.space.com/16159-first-man-in-space.html

1957年，俄罗斯****了第一颗人造卫星Sputnik

图片来源：

https://history.nasa.gov/sputnik.html

人类首次登月First man on the moon 

美国在这一切中处于什么地位？主要是落后，通常需要一到两年的时间来开发相同的技术。为了弥补这一差距，我们看到美国的空间预算在1960年增加了5倍。还有1962年当时美国肯尼迪总统的著名演讲，其中说到：

“我们选择登月！我们选择在这十年中登月并做其他事情，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的最佳能量和技能，因为这是一个我们愿意接受的挑战，一个我们不愿意推迟的挑战，一个我们打算赢得的挑战。” 1962年9月12日，时任美国总统约翰·肯尼迪。

所有这些导致了历史上一个里程碑式的时刻。1969年7月20日，美国实现了人类的第一次登月。

https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/first-person-on-moon.html

首次登陆月球对人类来说是一个历史性的时刻。

图片来源：

https://www.nasa.gov/content/former-astronauts-recall-historic-first-moon-landing

回到PCB，1963年，Hazeltyne公司为第一项电镀通孔技术申请了专利。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。我们还看到了IBM开发的表面贴装技术（SMT）的介绍。这些密集的组件首次在土星火箭助推器中得到实际应用。

通孔PCB技术的第一项专利是1967年。

图片来源：

http://www.google.com.gi/patents/US3323198

微处理器的曙光The Dawn of the Microprocessor (the 1970s)

70年代给我们带来了第一台集成电路形式的微处理器。1958年，德克萨斯仪器公司的杰克·基尔比（Jack Kilby）首次开发了这一技术。Kilby是TI的新手，所以他对IC的创新想法基本上都是自己提出来的。有一次当TI高级工程师被派去参加为期一周的会议时，Kilby留下来，脑子里想着这些想法。他在TI实验室开发了第一个IC，回国的工程师们都很喜欢。

Jack Kilby杰克·基尔比拿着第一块集成电路。

图片来源：

https://www.autodesk.com/products/eagle/blog/the-eagle-effect-how-the-eda-industry-has-been-changed-forever/

20世纪70年代，我们看到集成电路首次用于电子产品制造。此时，如果您没有使用PCB进行连接，那么您就有大麻烦了。

数字时代的曙光（20世纪80年代）

The Dawn of the Digital Age (the 1980s)

数字时代通过推出诸如光盘、VHS、照相机、游戏机、随身听等个人设备，给我们的消费方式带来了巨大的变化。

1980年，Atari电子游戏机让孩子的梦想成真。

图片来源：

http://imgur.com/gallery/2EwON

值得注意的是，PCB当时仍然是用光板和模板手工绘制的，但后来计算机和EDA出现了。我们看到像Protel和EAGLE这样的EDA软件完全改变了我们设计和制造电子产品的方式。我们现在可以将我们的设计保存为Gerber文本文件，而不是PCB照片，这些文件的坐标可以输入到加工制造机中，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。

图片来源：

http://www.evilmadscientist.com/2013/how-printed-circuit-boards-are-designed-1960-edition/

互联网时代The Internet Age (1990s)

在90年代，随着BGA的引入，我们看到硅的使用进入了全面发展的阶段。现在，我们可以在单个芯片上安装更多的门，并开始将内存和系统嵌入芯片（SoC）到一起。这也是一个电子产品高度小型化的时期。我们没有看到任何新的功能添加到PCB上，但整个设计过程正在开始改变和发展，转向IC。

现在设计者必须在他们的布局中实现面向测试的设计（DFT）策略。要弹出一个组件并添加一条蓝线并不是那么容易的。工程师必须从未来返工的角度设计布局。想一想，我可以轻松地删除这些组件吗？所有这些组件都是以某种方式移动的吗？这是一个巨大的担忧。

在这种情况下，0402等较小的组件封装几乎不可能手工焊接电路板。设计师在他的EDA软件中设计，制造商负责实际生产和装配。

从最大到最小的贴片安装组件。

图片来源：

https://weatherhelge.wordpress.com/smd/

混合时代The Hybrid Age (2000s and Beyond)

切回到当代电子和PCB设计；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，你买了一台计算器。你想玩电子游戏，你购买了一台视频游戏机。现在你买了一部智能手机，内置了30种不同的功能。这可能看起来非常明显，但当你看到我们的智能手机所能做的一切时，你会感到非常震惊：

我们正处于设备整合的时代，但接下来会发生什么呢？PCB已经建立，我们几乎所有的东西都有流程和程序。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，75%的设计师正准备退休。该行业似乎正处于危机时期。

PCB设计的未来会是机器人技术吗？可能是在具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取代电子。至于我们已经知道的物理PCB，甚至那些可能在未来发生变化，组件之间的连接不需要物理介质，而是有可能采用电磁波技术。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？What Will the Future Hold?

没有人知道PCB设计，甚至整个电子行业在未来会是什么样子。自从我们的制造业开始动起来，近130年已经过去了。从那时起，随着汽车、电器、电脑、智能手机等重要产品的推出，世界发生了永久性的变化。我们依靠煤炭、木材或石油维持基本生计和生存的日子一去不复返了。现在我们有了可以满足我们日常需求的电子设备。

但未来会怎样？这是一个很大的未知数。众所周知，摆在我们面前的每一项发明都是站在其前身的肩膀上的。我们的前辈们将PCB设计发展到今天的水平，现在我们要创新并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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