Obecnie mamy dostęp do wielu luksusów, jakie oferuje nam technologia. Ludzie 100 lat temu nie mogli nawet o niektórych z nich pomarzyć. Gdyby zobaczyli, jaką technologią dysponujemy teraz, to z pewnością byłaby ona dla nich nie do odróżnienia od magii.
Z pewnością dla nas, elektroników, jednym z ważniejszych wynalazków XX wieku była płytka drukowana. Technologię tą opracował i opatentował Paul Eisler w 1943 roku. Opatentował on metodę wytrawiania miedzianej folii, przyklejonej do dielektrycznego podłoża wzmocnionego włóknem szklanym. Jakkolwiek technologia ta stworzona została już w latach '40, to dopiero później, w latach '50 została doceniona wraz z pojawieniem się tranzystorów.
Zdjęcie po lewej stronie pokazuje radio lampowe z 1940 roku. W tych czasach nie było jeszcze płytek drukowanych. Wszystko wydaje się być w nieładzie. Elementy elektroniczne zamontowane są niemalże wszędzie; połączone zostały ze sobą krótkimi odcinkami kabli. Takie urządzenia były niesamowicie trudne w projektowaniu, testowani i debugowaniu. Cały proces produkcji wykonywany był ręcznie, co mocno zwiększało koszty urządzeń elektronicznych i pogarszało ich niezawodność.
Jeśli teraz przeniesiemy się szybko około 20 lat w przód, to zobaczymy w latach '60 XX wieku nowoczesne elementy do montażu przewlekanego montowane na pierwszych płytkach wielowarstwowych. Kolejne 20 lat w przód i możemy zobaczyć wprowadzenie pierwszych układów scalonych i elementów dyskretnych do montażu powierzchniowego.
Do lat '80 włącznie płytki drukowane projektowane były manualnie, bez wykorzystania komputerów. Jak inżynierowie radzili sobie z tym wyzwaniem? Jak to robili?
* Stół kreślarski.
* Podświetlony stół.
* Mylarową siatkę.
* Narzędzie do orientowania pinów elementów elektronicznych.
* Szablony do odrysowywania.
* Arkusze mylaru o grubości 7 milsów.
* Arkusze mylaru o grubości 2 milsów.
* Kalkę techniczną.
* Specjalną taśmę cięto w różnych szerokościach.
* Nóż lub skalpel.
* Kolorowe długopisy.
* 5 milimetrowy ołówek HB i ołówek mechaniczny.
Pierwszym krokiem w tym procesie jest oczywiście narysowanie schematu. Dzisiaj robimy to - jak łatwo się domyślić - zupełnie inaczej niż kiedyś, gdy nie było do tego odpowiednich programów. Schematy kreśliło się ręcznie, tak jak każdą inną dokumentację techniczną w tamtych czasach.
Kreślarze używali standardowego zestawu ołówków, ostrzynek, ekierek, linijek i gumki pracując na specjalnym, pochylonym stole kreślarskim. Aby ułatwić sobie pracę, stosowano specjalne szablony - każdy element elektroniczny miał swój osobny, dzięki czemu łatwo było, aby każdy kondensator w układzie wyglądał tak samo. Najpierw nanosiło się elementy elektroniczne, korzystając z szablonów, a potem za pomocą ołówka, linijki i ekierki rysowało się połączenia elektryczne i już - schemat był gotowy.
Następnie schemat był sprawdzany i ewentualnie korygowany. Zatwierdzony schemat przekazać można było dalej, do projektanta płytek drukowanych. W dzisiejszych czasach normalnym wydaje nam się, że schemat tworzy ta sama osoba, która rysuje płytkę drukowaną. W przeszłości tak nie było - za te dwie rzeczy odpowiadali różni inżynierowie - jedni specjalizowali się w rysowaniu schematów, drudzy w projektowaniu PCB. Pokazuje to z jednej strony, jaką drogę przebyła do dzisiejszych czasów technika projektowania urządzeń elektronicznych, a z drugiej strony obrazuje o ile więcej wiedzieć muszą dzisiejsi inżynierowie, którzy łączą w sobie te dwa fachy.
Elementy układane były z wykorzystaniem szablonów, od których odrysowywało się kształt wyprowadzeń/padów układu lub nawet naklejek z gotowymi, narysowanymi padami. Dostępne były całe arkusze z takimi naklejkami w różnych formach i kształtach, odpowiadających różnym obudowom układów elektronicznych, z jakich ówcześnie korzystano. Z pomocą tych szablonów lub naklejek rozmieszczano elementy.
Kiedy poszczególne elementy rozmieszczone są już na mylarowej folii, można rozpocząć ich łączenie. Na początku szkicowano poszczególnie ścieżki z pomocą pisaków, aby dało się je łatwo zmienić. Najczęściej używaną kombinacją na płytkach dwuwarstwowych był czerwony i niebieski (co zostało do dzisiaj w postaci domyślnej gamy kolorów nowoczesnych programów do projektowania PCB). Gdy inżynier był już zadowolony ze swojego projektu, szkic pisakiem zastępowała specjalna taśma o różnej grubości. Te taśmy również dostępne były w wielu kolorach, co ułatwiało odróżnienie od siebie ścieżek na poszczególnych warstwach.
Kolory i idea warstw projektu pozostały w zasadzie od wtedy do dzisiaj niezmienione. Ten wstęp historyczny z pewnością pozwoli nam lepiej zrozumieć, dlaczego obecne programy CAD do projektowania płytek drukowanych wyglądają tak jak wyglądają. Wszystko wynika z historii tego, jak projektowano je ręcznie.
Stanowisko projektanta płytek drukowanych w latach '80 XX wieku.
Co dalej? Mamy już schemat i projekt płytki drukowanej w postaci poszczególnych warstw na folii mylarowej. Tutaj przebieg procesu nie odbiega za bardzo od obecnego. Folie wysyłane były (klasyczną pocztą) do zakładu produkcyjnego (tak jak dzisiaj wysyłamy Gerbery) i następnie z ich pomocą naświetlało się klisze, które wykorzystywane były do fotolitograficznego trawienia płytek drukowanych. Czasami klisze też naświetlało się w biurze projektowym i wysyłało do zakładu gotowe maski.
Czasy przed obecnością programów CAD z pewnością nie były łatwe. Projektowanie płytek drukowanych było trudnym i długotrwałym procesem wymagającym niezwykłych umiejętności manualnych. Od tego czasu robi się to łatwiej, szybciej i taniej. Komputery zagościły na biurkach inżynierów projektujących PCB w połowie lat '80 zeszłego stulecia. Oprogramowanie do projektowania płytek drukowanych przeszło dość złożoną ewolucję, ale o tym napiszemy w kolejnej części cyklu.
Źródła:
https://www.eeweb.com/profile/alex-tamari/articles/eras-of-pcb-design-the-land-before-cad
http://www.pcbwizards.com/
Fajne!
