Чтобы сегодня найти работающее от электричества устройство без печатной платы внутри, придется постараться. Печатные платы стали основой буквально всего, что сложнее выключателя. Да и в выключателях печатные платы уже не редкость. Трудно представить, что начало такому разнообразию технологий положил талантливый инженер, бежавший от режима и поначалу стремившийся оптимизировать сборку радиоприемников в своей мастерской.
Пауль Эйслер, родом из Вены, с юности увлекался радиотехникой, но реализовать свою страсть не мог на родине. К середине 1930-х годов под влиянием радикализующейся Германии Австрия закрывала для лиц еврейского происхождения многие перспективные профессии в области высоких технологий. Поэтому Эйслер трудился в печатной индустрии, а точнее — на литографическом производстве, что не привлекало внимания нацистов. Этот опыт помог инженеру позднее создать революционное изобретение — в 1936 году, когда он бежал в Англию.
Правительство Британии встретило мигранта без энтузиазма, лишив его разрешения на работу. Чтобы не остаться без средств к существованию, Эйслер занялся сбором и продажей радиоприемников с собственного дома. Несмотря на простоту конструкции — несколько ламп, резисторов, катушки и динамика — процесс был трудоемким из-за отсутствия других способов монтажа электронных компонентов кроме навесного. Значит, на раме — чаще всего деревянной или жестяной — требовалось закрепить все основные элементы и цоколи для ламп, а затем соединить их проводами в электрическую схему.
Чтобы повысить производительность труда, Эйслер разработал способ избавиться от проводов и объединить несущую и соединяющую функции в одном элементе. В качестве материала использовалась литография: медную фольгу наклеивали на изолирующую подложку, наносили электрическую схему стойкой к травлению краской и удаляли лишний металл. К получавшимся дорожкам припаивали необходимые детали устройства. В результате сборка занимала значительно меньше времени.
Зачем нужна плата печатная и почему?
Принцип, разработанный Эйслером, используется до сих пор при изготовлении простых печатных плат. В основе субтрактивного метода лежит нанесение трафарета токопроводящих дорожек стойкой к растворителю краской на заготовки — печатью таким образом создается рисунок. Аналогично типографский станок в XV веке произвел революцию в обмене информацией. Изобретение Эйслера открывало путь массовому производству идентичных изделий. Это было востребовано в межвоенный период, когда наблюдался бум радиотехники и спрос на приемники рос ежегодно.
Развитие зарождавшейся в то время индустрии бытовой микроэлектроники можно оценить по таким цифрам: с 1922 по 1929 год только американцы … потратилиБытовые радиоприемники стоили 3,4 миллиарда долларов. С 60 тысяч в 1921 году количество приемников выросло до 12 миллионов к 1930 году. При учете инфляции сумма хватила бы на 24 космических программы «Аполлон». Это означает возможность совершить не шесть, а 144 посадки на Луну.
По радио сообщали новости, спортивные результаты, серьёзные театральные спектакли, детективные рассказы, мелодрамы, развлекательные передачи — практически всё, что сегодня доступно по телевизору или онлайн. имело соответствующего предшественника в эфире.
Помимо технологичности и масштабируемости производства, печатные платы приобрели ещё одну функцию — конструктивную.
Такой подход сразу исключал несколько технологических этапов производства: от создания шасси (несущих конструкций внутри корпуса устройства) до монтажа комплектующих. Эйслер предвосхитил время, ведь устоявшийся порядок вещей в промышленности было невыгодно менять — проще модернизировать существующие технологии, чем радикально перестраивать их на более совершенные.
Вплоть до конца 1960-х годов большинство бытовых радиоприемников и телевизоров производились с использованием навесного монтажа. Их принципиальные схемы были сравнительно простыми, а применяемые компоненты — дешевыми и крупными. Военные и ученые, за счет спроса на вычислительную технику и узкоспециализированную электронику, придали колоссальный импульс развитию печатных плат.
От радиовзрывателя к микросхеме
Печатные платы обладали еще одним важным преимуществом перед навесным монтажом: возможность изготовления более компактных устройств. В это время США и Великобритания стремились к максимально плотной компоновке электронных компонентов, так как им необходимо было разместить радар с электронной начинкой в артиллерийском снаряде.
Концепция продемонстрировала эффективность при испытаниях с низкоскоростными боеприпасами — ракетами. Однако с боевыми снарядами результатов не удалось достичь: в их взрывателях меньше места и большие перегрузки, до пятидесяти тысяч. GВо время выстрела компоненты, весящие всего несколько граммов, могли достигать десятков килограммов. патент Эйслера.
Инженеры разместили схему приемопередатчика, полосового фильтра и усилителя на плате небольшого диаметра благодаря использованию самых легких ламп. Устойчивость к перегрузкам и вибрациям обеспечивали плотная компоновка и заливка смолой.
Разработку радиовзрывателей тщательно скрывали, подобно созданию атомной бомбы. После войны часть инноваций, включая усовершенствованный технологический процесс, разработанный Эйслером, рассекретили. Его секретность не имела смысла — каждая американская компания в отрасли уже знала его на практике.
В Британии сложилась аналогичная ситуация, хотя патент Эйслера имел первостепенное значение. Менее чем через пять лет после своего повторного появления печатные платы превратились в обычную технологию.
Вторая мировая война продемонстрировала важность радиооборудования (передатчиков, приемников и радаров), а также огромную пользу вычислительных машин. Первые компьютеры создавались на основе реле и ламп — компонентов, отличавшихся низкой эффективностью и медленной скоростью работы.
Требование к электроэнергии было колоссальным, а выполнение расчетов могло занимать часы или дни. Несмотря на это, компьютеры стали незаменимыми для задач статистики (государственное управление) и решения сложнейших теоретических и прикладных физико-математических задач (фундаментальные исследования, космонавтика, военные разработки).
Работы по замене ламп на вакуумные велись как в Америке, так и в Европе. В 1947 году инженеры Bell Laboratories Уильям Шокли (William Bradford Shockley Jr.), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Houser Brattain) создалиПервый рабочий образец транзистора. Подобные исследования велиВ Европе соревнование проходило, но победу одержала американская команда, проявив большую скорость. Появление транзисторов как готовых к продажам изделий привело к их быстрому замещению ламп.
Новые электронные компоненты стали настолько малыми, что им не нужен был отдельный корпус. Печатная плата могла размещать их. На такой же площади теперь помещалось значительно больше элементов, соединенных в общую электрическую цепь.
В самых современных устройствах применяют двухсторонние платы с рисунком токопроводящих дорожек на обеих сторонах. Сначала связь между слоями осуществлялась с помощью перемычек, но затем появились металлизированные переходные отверстия. Одним из первых подобных решений … патентует корпорация Hazeltine в 1963 году.
С появлением транзисторных компьютеров доступ к вычислительной технике получают не только высокоприоритетные государственные учреждения. Помимо военных и самых богатых научных организаций, вычислительная техника приходит в университеты и исследовательские подразделения коммерческих компаний. Компьютеры превращаются в незаменимый инструмент для самых разных отраслей человеческой деятельности. Там, где сотни инженеров и тысячи людей-калькуляторов трудились месяцами, теперь машина справляется за считаные часы — следовательно, растет спрос на компьютеры.
Микросхемы постепенно вытесняют транзисторы. Это новое изобретение изобрел инженер Texas Instruments Джек Килби (Jack KilbyВ 1958 году. Спустя чуть более года после этого, Роберт Нойс Robert Norton Noyce) из Fairchild SemiconductorРазработали микросхему по планарному процессу.
Исследование Килби было важно, но все современные микрочипы построены по схеме, предложенной Нойсом, которая оказалась более практичной. Микросхемы быстро стали применяться в компьютерах, прежде всего космических и военных. NASAКомпания являлась самым большим покупателем микросхем на глобальном рынке.
Уменьшение размеров электронных компонентов породило для создателей печатных плат ряд новых трудностей. К примеру, часто двух слоёв оказывалось недостаточно, или же плата получалась громоздкой и неудобной в применении.
Сложность плат увеличилась настолько, что их ручное проектирование и масштабирование стали чрезмерно затратными. Минимальная ошибка в схеме приводила к бракованной партии. Многослойные платы решали первую проблему, специализированное программное обеспечение для моделирования электроники — вторую.
Гибкие и гибко-жесткие печатные платы
Развитие печатных плат включает и сохраняет гибкие и гибко-жесткие конструкции. Эта технология позволяет создать эквивалент нескольких печатных плат, расположенных в объемной структуре и соединенных между собой шлейфами из неразрывных дорожек на гибкой основе. Такая конструкция исключает разъемы как потенциальные точки отказа и источник помех. Исторически такие платы понадобились военной и космической отрасли, а позже, ближе к 1990-м годам, они вошли и в массовую миниатюрную электронику.
Разработка и производство гибких и гибко-жестких плат не отличается от «обычных», но для изготовления требуется иной материал. Эти материалы вызывают трудности. Гибкую основу сложнее провести по всем этапам технологического процесса без повреждений. Кроме того, сами материалы дороже — полиимид вместо текстолита и специальный наполнитель между слоями (адгезивная пленка), сохраняющий эластичность после отвердевания, чтобы при изгибе конструкция не трескалась.
Гибкие и гибко-жесткие платы превосходят жесткие по нескольким параметрам: устойчивость к вибрациям и температурным перепадам, возможность быть компактнее и принимать сложные формы. Их используют там, где цена не является решающим фактором, а достоинства критически важны: в космической электронике, медицинских устройствах и промышленном оборудовании для экстремальных условий (например, буровой технике).
Слои, программы, маски
К середине 1970-х годов большинство любителей радио могли сами собирать печатные платы, а приобрести готовую заготовку в магазине электроники представлялось легкой задачей.
Печатные платы стали использоваться повсеместно. В бытовых устройствах их применяют даже там, где большая часть компонентов по-прежнему крепится навесным монтажом — настолько стало их производство доступным. Микросхемы позволили вычислительной технике появиться в частных домах и квартирах. В 1977 году на рынок поступают одновременно три персональных компьютера: Commodore PET 2001, Apple II и TRS-80 Model I. И даже в карманы — калькулятор HP-35 (1972 год).
До начала 1980-х годов разработка электроники почти не претерпевала изменений и была трудоемким ручным процессом. Все схемы рисовали от руки, по отдельности для каждого слоя. К тому времени печатные платы не только становились все более востребованными, но и усложнялись. На это вызов стала… компьютеризация разработки печатных плат.
Первоначально ПО для проектирования плат разрабатывалось в исследовательских целях или компаниями-производителями электроники самостоятельно.
Это были специализированные закрытые программы, не имевшие широкого применения. Пока одна организация занималась разработкой как печатных плат, так и конечного изделия на их основе, серьёзных проблем не возникало. Но с ростом участия нескольких компаний появлялся хаос: приходилось либо создавать конвертеры и «программы-посредники» с нуля, либо возвращаться к традиционным методам работы — черчению от руки и кульманом.
В начале 1980-х годов рынок увидел появление нескольких коммерческих решений для автоматизации проектирования электронных устройств. Electronic Design Automation, EDA). Именно тогда родились легендарный P-CAD, пакеты разработки ECAD (DraculaИ три пионера компьютерной разработки не обошли вниманием. CAD): Mentor Graphics (ныне принадлежит Siemens), Daisy Systems (поглощена Mentor) и Valid Logic Systems (поглощена Cadence). Создание EDAМногие участники рынка, начиная от различных уровней, поощряли развитие рынка как прямо, так и косвенно. Это выгодно как компаниям-разработчикам электроники, так и непосредственно производителям.
Для разработки программного обеспечения по проектированию и предварительному тестированию схем понадобились способы хранения и передачи их описаний в электронном формате. GerberВ 1980 году это представляло собой способ цифрового хранения последовательности команд для фотоплоттеров, применяемых, в том числе, для изготовления трафаретов плат. GerberВвели возможность сохранения всей информации, необходимой для изготовления платы: от схемы прокладки дорожек и положения электронных компонентов до зон нанесения паяльной маски и толщины слоев. Формат получил широкое распространение и по сей день его усовершенствованные версии являются де-факто стандартом в проектировании печатных плат.
На сегодня существует великое множество EDAОт программ для подготовки схем даже непрофессионалом до мощных комплексов для специалистов, учитывающих особенности выбранных деталей и производственных технологий.
В дополнение к Gerber набирает популярность формат ODB++Это база данных с полной информацией о производстве платы: не просто схемы отдельных слоёв, но и связи между ними, технологические параметры и характеристики каждой площадки. EDAРазвитие функций идет рука об руку с совершенствованием инструментов. В связи с возрастающей сложностью электронных устройств требуется все более тщательный учёт и контроль всех аспектов при проектировании.
До 1980-х годов существовали узкоспециализированные программные решения для разработки плат. Например, Intel разрабатывал платы под свои чипы с помощью собственного ПО, Texas Instruments поступал аналогичным образом. Применение компонентов разных производителей и схем разного дизайна в одном продукте создавало проблемы с согласованием сред разработки, стандартов и техпроцессов.
Потребность в унификации ПО росла вместе с развитием персональных компьютеров и их производительностью. К началу 1990-х годов мы работали в P-CAD и создавали платы независимо от вендора компонентов и завода, печатающего их. Сейчас у нас в арсенале — мощнейшие Cadence Allegro и Siemens (ранее Mentor Graphics) Xpedition.
С их помощью работа строится следующим образом: инженер получает техническое задание на плату с описанием задач, которые она будет выполнять, необходимых компонентов и параметров (цена, размеры).
Вначале инженер создает принципиальную электрическую схему, которая содержит перечень элементов, список цепей и соединений, а также ограничений для создания проводящего рисунка печатной платы. Затем он последовательно разрабатывает посадочные места компонентов, планирует их размещение на печатной плате, определяет топологию и проводит предтопологическое моделирование. После этого переходит к созданию топологии, проведению проверок DFM/DFA/DFT, посттопологическому моделированию.
От инженера-конструктора печатных плат требуются внимательность, усидчивость и скорость работы.
Поэтому необходимо уверенно владеть инструментами проектирования и понимать их возможности: на базовом уровне владеть системами моделирования, инструментами подготовки плат к производству, разбираться в основах производства, хорошо понимать теорию целостности сигналов и питания. Когда цифровой «чертеж» платы готов, его отправляют в другой класс ПО — CAM. (Computer Assisted Manufacturing. — Прим. ред.)На заводе эти системы делают плату технологичной, формулируют программы фрезерных и сверлящих операций, осуществляют ремонт топологии и добавляют на схему элементов компенсацию на подтрав. Евгений Дыбошин - инженер по производству печатных плат и эксперт по CAM-обработке. 
В производстве продукции ответвлением миниатюризации электронных компонентов становятся многослойные платы. Микросхемы занимают меньше места, чем равное количество отдельных транзисторов, но у них больше выводов на единицу площади. Это увеличивает число необходимых соединений. Для связи между слоями используют не только сквозные переходные отверстия, а также глухие или погребенные — проходящие лишь через часть слоев платы. Кроме того, возросшая плотность компоновки требует модернизации технологических процессов или разработки новых.
Для повышения числа дорожек на той же площади целесообразно уменьшить ширину каждой. Однако уменьшение ширины до бесконечности и увеличение плотности размещения не представляется возможным. В связи с этим выполнение требований современных конструкций печатных плат в значительной степени зависит от совершенствования химических составов, материалов и процессов.
Распространение миниатюрных корпусов микросхем началось… SOICНачиная с простых и далее усложняясь, технология поверхностного монтажа нашла применение в массовом производстве печатных плат. Поверхностный монтаж невозможен без паяльных масок — специальных покрытий, защищающих дорожки от замыкания во время пайки.
Невообразимая сложность бытия
Наступила первая половина 1990-х годов, компьютеры стали повсеместными. Компьютеры уменьшаются в размерах, становятся доступнее и мощнее. Каждая профессия, если еще не попала, то в скором времени окажется под влиянием информационных технологий. Персональные вычислительные машины повышают эффективность практически любого труда. Производители компьютеров стремятся сделать их еще более дешевыми и экономичными, чтобы удовлетворить спрос и потребность в практичности.
Изготовители печатных плат сталкиваются с трудностями, которые раньше были свойственны только сложнейшим специализированным устройствам. Даже сравнительно простые платы сейчас проектируются с учетом комплексного сопротивления всей цепи и ее отдельных участков — импеданса. Любой проводник излучает электромагнитное поле при протекании тока в нем, и одновременно в нем возникают токи, индуцированные внешним электромагнитным излучением. В современных цифровых устройствах значения импульсных токов велики, а уровни сигналов низкие, поэтому актуальны вопросы взаимного влияния цепей (перекрестных наводок). cross-talk) становятся все более значимыми при проектировании.
В процессе производства стали необходимы новые технологические процессы для более точного контроля сечения токопроводящих дорожек. Современная мобильная электроника нуждается в платформах, изготовленных по стандартам высокочастотных изделий. Такие платформы зачастую производятся по технологиям с донаращиванием дорожек (полуаддитивным). SAP и mSAP).
Полуаддитивные процессы, необходимые для сложных печатных плат, — область развития технологий производства печатных плат, где отечественная инженерная школа внесла вклад мирового уровня. В Советском Союзе их применяли при изготовлении гибридных схем и полиимидных многослойных печатных плат. Изготовление началось ещё в 1980-х, когда их трудно было назвать самыми востребованными для массового производства. Это был технологический задел для перспективного высокочастотного оборудования, которым страна, к сожалению, воспользоваться не успела.
Выход СССР на передовые позиции в разработке и производстве печатных плат произошёл не сразу. Первые эксперименты с выпуском массовых изделий на основе печатных плат начались примерно тогда же, как и в Германии — в первой половине 1950-х. Тем не менее ещё два десятилетия преобладал навесной монтаж.
Масштабный рывок произошёл в 1976 году, когда для обеспечения страны потребительской электроникой на базе печатных плат стартовала специальная госпрограмма. Ввезли передовое оборудование из Германии, Швейцарии, США и Италии для производства многослойных печатных плат. Спустя несколько лет технологические процессы перевели на отечественные химические составы. Следующим этапом была разработка собственных станков и оборудования. Оно не превосходило импортное по характеристикам, но позволяло рассчитывать только на свои силы.
Поставки с Запада в СССР и планирование развития промышленности руководящими инстанциями стимулировали прорывные инновации. В первую очередь обеспечивался оборонный приоритет страны. Их внедрению в производстве массовых изделий помешала перестройка, которая затормозила модернизацию заводов. Руководителем компании «Остек — СТ» является Петр Семенов, генеральный директор ООО «Остек — СТ». 
Люди будущего уже среди нас
Возможно, кажется, что печатные платы достигли предела сложности. Однако развитие не прекращается. Технологии, применяемые сегодня, были заложены давно, задолго до широкого распространения. Полуаддитивные методы производства ( SAP, mSAPРазработки начала XXI века основаны на достижениях 1980-х и 1990-х годов. Поверхностный монтаж появился ещё в 1960-х, но долгое время не использовался широко. Например, Эйслер суммировал опыт предшественников за два столетия в области литографии, а радиоинженеры экспериментировали с прототипами печатных плат почти за 40 лет до него.
Россия, а ранее Советский Союз, имела сильную инженерную школу в производстве микроэлектроники, частью которой являются печатные платы. Наша страна технологически в этой области не была лидером, но и значительно отстававшей не являлась. Многие теоретические разработки были либо на опережении времени, либо соответствовали мировым стандартам. Так, полуаддитивный техпроцесс был опробован в СССР в 1980-х годах, практически одновременно с аналогичными экспериментами в США и Германии.
Опытом и экспертизой российских специалистов, развитием отечественных инженерных компаний страна сможет обеспечить технологическую устойчивость и суверенитет. Для этого необходимо организовать и сформировать ключевые процессы в пределах России.
В развитии производственных площадок, приспособленных для серийного выпуска современной корпоративной электроники, делаются существенные шаги. В России открылся самый большой инновационный завод полного цикла. YADRO Fab DUBNAВозникновение таких площадок предъявляет высокие требования: настоящее производство должно быть построено с учётом новых норм, опираясь на передовые практики и подходы, а также способно удовлетворять внутренний спрос.
Современный мир немыслим без множества сложных устройств и высоких технологий. Каждый день это всё сильнее меняет общество и образ жизни людей. Понять все нюансы порой сложно даже специалистам, поэтому мы активно делимся своим опытом. В том числе недавно запустили просветительский проект. «Истовый инженер»В ходе этого проекта целью является создание более ясного и подробного представления о современных технологиях и инженерии для всех желающих. Наши авторы – учёные, предприниматели и, разумеется, инженеры. У проекта ещё канал в TelegramЗдесь публикуются подборки интересных материалов о технической истории и фактах из жизни инженеров.
Одна из таких тем – печатные платы и электронные модули. цикл материаловВ рамках этого проекта последовательно демонстрируются детали и тонкости каждого этапа производства. Вышедшая серия представляет собой погружение в технологии изготовления печатных плат и электронных сборок на их основе, методы управления и отслеживания производственных потоков при массовом выпуске, а также решения, обеспечивающие максимальное качество. Заместитель директора по производству печатных плат компании YADRO — Екатерина Алясова. Мы надеемся, что практические знания ведущих специалистов данной области, которые поделились ими в статьях, интервью и лекциях проекта. YADRO«Истовый инженер» будет интересен и полезен нашим читателям. Для некоторых может стать мостиком в новую сферу деятельности, а для других – и началом новой профессии.
Реклама, ООО «КНС Групп», ИНН 7701411241, erid: 2VtzqwJV4kx.