L'évolution des circuits imprimés : innovations et impact

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Les circuits imprimés sont les composants internes qui transmettent les signaux électriques à travers les appareils électroniques. Chaque fois que vous allumez un ordinateur ou appuyez sur un bouton d'un smartphone, radio-réveil ou composant stéréo, vous interagissez avec un circuit imprimé, qui se trouve à l'intérieur des boîtiers de tous ces appareils. Si l'électricité est le sang vital de l'électronique, les circuits imprimés sont les organes internes vitaux.

Dans le monde d'aujourd'hui fortement dépendant des appareils, la plupart des gens ignorent les circuits complexes contenus dans chaque smartphone ou lecteur MP3 portable. Sans circuits imprimés, la technologie moderne n'aurait jamais été possible.

Que sont les circuits imprimés ?

Un circuit imprimé (PCB) est un dispositif substrat qui comporte des composants électriques gravés. Les PCB existent en variétés simple face, double couche et multicouche avec des couches de cuivre correspondantes. Les PCB à plus haute densité consistent en plusieurs couches. Ceux-ci contiennent des trous métallisés qui relient les conducteurs sur différentes couches. Sur les PCB plus élaborés, le substrat sera souvent garni de condensateurs, résistances et autres composants. Les couches de la plupart des PCB rigides consistent généralement en un substrat fait de résine époxy verre FR-4.

Les PCB sont intégraux à pratiquement tous les appareils électroniques, à l'exception des produits les plus simples. La conception d'un PCB implique des détails de circuit complexes, mais l'assemblage et la production de PCB peuvent être mis en œuvre uniformément. Puisque les PCB consistent en des composants montés, câblés avec une seule pièce, la production de masse de PCB est un processus simple, relativement peu coûteux et généralement sans erreur, surtout comparé à d'autres options de câblage comme le point-à-point et le wire wrap.

L'acronyme PCB s'applique aux cartes nues et aux cartes assemblées. Si une carte comporte des connexions en cuivre, mais manque de pièces intégrées, le nom le plus approprié serait printed wiring board, malgré l'élimination virtuelle de ce terme du langage technologique. D'autres termes plus courants incluent printed circuit board assembly et printed circuit assembly, qui est un PCB avec des pièces électroniques.

Où les circuits imprimés sont-ils utilisés ?

Les circuits imprimés sont essentiels dans une vaste gamme d'appareils électroniques et de composants informatiques. Les PCB sous leur forme moderne existent depuis les années 1960, quand ils étaient des composants dans les calculatrices, caisses enregistreuses et autres appareils simples avec circuits électriques.

Dans les années 1970, les PCB ont commencé à apparaître dans les montres numériques et certains des premiers jeux vidéo et ordinateurs personnels. Dans les années 1980, les PCB étaient dans les radios-réveils, magnétoscopes, consoles de jeu Atari, lecteurs CD et laserdisc et téléphones sans fil. Pendant les années 1990, un PCB de plus en plus avancé et miniaturisé a été responsable de la propagation des ordinateurs de bureau et périphériques comme scanners et imprimantes parmi les Américains ordinaires.

L'évolution rapide des appareils informatiques depuis la fin des années 1990 a conduit à des PCB de plus en plus petits avec une capacité supérieure aux cartes des décennies précédentes. Les smartphones, par exemple, sont devenus plus compacts, tout en étant résistants aux dommages. Un développement similaire s'est produit sur environ 12 ans avec les lecteurs MP3 portables, qui sont passés des lourds et encombrants lecteurs Archos du début des années 2000 aux modèles iPod Nano élégants et légers favoris des auditeurs d'aujourd'hui en déplacement.

Le développement de composants puces avec une plus grande polyvalence a facilité la miniaturisation des appareils. Avec les micro ball grid arrays et des cartes plus courtes, les entreprises peuvent maintenant fabriquer de petits appareils informatiques, sachant que les PCB sont suffisamment compacts pour tenir dans le boîtier en question. Cela contraste avec les PCB antérieurs, où la taille de la carte dictait souvent les exigences de taille de l'appareil d'enceinte.

L'histoire des PCB

Au cours du dernier demi-siècle, les composants technologiques des PCB ont été quantifiés à des niveaux micro. Pendant les années 1960, le PCB dans une calculatrice typique consistait en environ 30 transistors. Aujourd'hui, le PCB dans un ordinateur moyen comporte des millions de transistors dans une seule puce sur la carte mère. Ces développements ont rendu possible de charger des niveaux croissants de fonctionnalité sur des appareils de plus en plus petits. De plus, des composants tels que condensateurs et résistances ont aussi rétréci à des fractions de leurs tailles antérieures.

Les capacités avancées que les PCB modernes offrent ont habitué les utilisateurs à des activations en une fraction de seconde sur chaque invite concevable. En toute vraisemblance, un utilisateur actuel d'un PC ou appareil mobile s'inquiétera au moindre délai de cinq secondes sur une fonction donnée. Peut-être le signe le plus révélateur de l'évolution des PCB est dans les jeux vidéo, qui ont progressé des systèmes Pong simples des années 1970 aux scénarios photoréalistes permettant aux joueurs de combattre et courir via les consoles de jeu d'aujourd'hui.

Nous pouvons retracer l'histoire des circuits imprimés à une époque bien avant qu'ils n'existent en conception. Les roues étaient en mouvement dès que Benjamin Franklin a fait voler un cerf-volant dans un orage et a découvert la qualité électrique de la foudre.

1850-1900

Un trait marquant de la seconde moitié du 19e siècle fut les avancées technologiques par bonds. Dans les décennies qui suivirent la Guerre de Sécession, les villes le long de la côte Est et à travers le Midwest furent équipées d'énergie électrique, déplaçant l'utilisation du pétrole de chauffage et du charbon. À mesure que l'électricité se propageait, les banlieues et zones rurales furent aussi connectées au nouveau réseau électrique. Le pétrole, pendant ce temps, perdit presque son utilité jusqu'à ce que les automobiles rendent l'essence nécessaire au tournant du siècle.

La propagation de l'énergie électrique préfigura l'introduction des téléphones, ampoules et appareils photo grand public, qui arrivèrent sur le marché pendant le dernier quart des années 1800. Même si le PCB lui-même n'existait pas dans cet intervalle, les fondations technologiques pour son développement éventuel étaient presque uniquement ancrées dans la fin du 19e siècle.

1900-1950

En 1903, l'inventeur allemand Albert Hanson déposa le premier brevet pour un dispositif de type PCB. Le dispositif était un conducteur plat pour une carte isolante multicouche. Cependant, des dispositifs de ce type ne verraient pas d'utilisation généralisée dans les technologies émergentes du début du 20e siècle, une période qui vit l'introduction des radios, phonographes, machines à laver, sécheuses et aspirateurs.

Tout comme l'excès naïf de l'Âge doré sombra avec le Titanic, et les horreurs de la Grande Guerre humilièrent les sentiments nationalistes, le plus grand triomphe de l'homme sur la nature fut le développement de l'aviation. Au milieu de l'expérience ratée de la Prohibition, les Américains étaient plus pressés de s'éloigner des machines et de se rendre au speakeasy le plus proche pour des nuits arrosées de gin sous des lumières Art déco.

La Grande Dépression, déclenchée par le krach boursier d'octobre 1929, fut un revers supplémentaire pour l'évolution des PCB. L'événement mit fin à la frivolité de l'Âge du Jazz et inaugura une période de chaînes de travaux forcés, files d'attente pour le pain et taudis exigus où les familles manquaient d'argent pour dépenser sur des articles de luxe.

La première adaptation significative de la technologie de type PCB se produisit après l'attaque de Pearl Harbor en décembre 1941 qui prit l'Amérique par surprise. Les services de renseignement militaire croyaient qu'ils auraient pu prévenir cette attaque si le Département d'État avait été mieux équipé pour communiquer avec la base militaire d'Honolulu, où des indices de danger imminent planaient depuis un certain temps.

Alors que la nation s'embourbait dans la Seconde Guerre mondiale, les forces militaires américaines rencontrèrent un dispositif britannique connu sous le nom de fusée de proximité, qui équipait les obus d'artillerie de la capacité de toucher des cibles précises à travers de vastes étendues de terre et de mer.

L'armée américaine adopta finalement et adopta le concept derrière la fusée de proximité, améliorant la conception et la rendant adaptée à la production de masse. À peu près au même moment, l'inventeur autrichien basé au Royaume-Uni Paul Eisler fit avancer le concept PCB avec un dispositif utilisant du cuivre sur une base de verre non conductrice. La conception préfigurait l'isolation cuivre haut/bas moderne sur les PCB. L'inventeur introduisit aussi une radio équipée de PCB en 1943 qui se révélerait plus tard utile dans les opérations militaires.

1950-2000

Avec la fin de la Seconde Guerre mondiale vint un retour à la vie domestique alors que les militaires américains revenaient d'Europe et d'Extrême-Orient. Frank Sinatra enchaîna les tubes, les bobby soxers échangèrent le maquillage de jambes pour de vrais nylons et les familles s'échauffèrent pour de nouvelles inventions comme l'album disque 33 tours et le téléviseur. La fin de la Grande Dépression fit naître la classe moyenne, ce qui stimula le développement suburbain à travers les périphéries des villes et le Midwest américain.

La première utilisation significative d'après-guerre des PCB vint en 1947 avec le transistor des Bell Labs. Alors que les tensions de la Guerre froide montaient entre les États-Unis et l'Union soviétique pendant les années 1950, chaque côté dut booster ses capacités de communication pour rester au courant des développements sur le front ennemi. Juste au moment où Elvis Presley fit ses premiers écrans TV en secouant son bassin sur « Heartbreak Hotel », l'armée américaine breveta le « Processing of Assembling Electrical Circuits » en 1956.

Pour la première fois, la capacité de retenir l'électricité et de communiquer entre composants à pistes de cuivre était venue à maturation. La course était maintenant lancée pour être le premier dans l'espace, que les Soviétiques gagnèrent sur plusieurs fronts en envoyant le premier satellite, Spoutnik, en 1957. Ils suivirent cet exploit par le premier lancement non habité vers la lune et la première orbite habitée de la Terre en 1959 et 1961, respectivement.

En 1963 — juste au moment où les États-Unis intensifiaient leurs propres exploits spatiaux et les baby-boomers en deuil de JFK se préparaient pour les Beatles et l'invasion britannique qui s'ensuivit — deux développements se produisirent dans la technologie PCB. L'un impliquait une technologie de trou métallisé traversant, un brevet de Hazeltine Corp. qui permit de rapprocher les composants sur le même PCB sans risque de conflit. La seconde innovation à cette époque fut le développement de la technologie de montage en surface, grâce à IBM. Les deux innovations furent des composants essentiels des propulseurs de fusée Saturn.

Alors que les années 1960 psychédéliques et Technicolor cédaient la place aux années 1970 cocaïnées et à larges costumes, l'ingénieur de Texas Instruments Jack Kilby introduisit le premier microprocesseur. Kilby développa le circuit intégré, qui vit une adoption rapide dans l'assemblage électronique. À ce moment, les PCB étaient devenus de rigueur dans la technologie informatique. Pendant la seconde moitié de la décennie, les premiers ordinateurs domestiques arrivèrent sur le marché, commençant par le MITS Altair 8800 et l'IMSAI 8080 en 1975, suivis par l'Apple 1 en avril 1976.

Bien qu'innovant pour son temps, la technologie du 8-track, Super 8, analogique des années 1970 fut rapidement dépassée par les avancées high-tech du son surround, cristal clair, numérique des années 1980. Alors que Michael Jackson faisait moonwalker la génération X dans l'ère vidéo, la décennie vit des appareils dépendants des PCB apparaître dans les salons et poches des Américains ordinaires. Gadgets tels que magnétoscopes VHS, lecteurs de disques compacts, Walkmans, téléphones sans fil et consoles de jeu transmettaient tous des signaux via PCB. Les ordinateurs personnels et logiciels EDA firent aussi des percées pendant cette période.

Quoi que les années 1990 aient pu manquer en identité culturelle, ce fut une période florissante pour la technologie PCB. Les années 90 furent la décennie où les appareils devinrent plus petits grâce aux développements dans la conception PCB qui permirent plus de portes sur une seule puce. À mesure que plus de foyers se connectèrent à Internet — d'abord via des services dial-up puis, vers la fin de la décennie, par câble et lignes DSL — l'ordinateur personnel devint un élément domestique.

Les ordinateurs n'étaient plus les grosses machines compliquées qui déclenchaient des explosions nucléaires en appuyant sur le mauvais bouton — ils étaient maintenant des appareils compacts, accessibles, interactifs qui apportaient un monde plein d'informations au bout des doigts de tous. Les PCB étaient aussi un composant significatif des téléphones portables, qui surpassèrent rapidement le téléphone sans fil à antenne pour devenir un symbole de statut courant au milieu des années 90.

Au milieu des avancées technologiques rapides et de la miniaturisation vint un besoin accru de concevoir des PCB avec un potentiel de modification à l'esprit. Alors qu'il était possible de modifier les PCB antérieurs avec un simple recâblage, les nouvelles cartes avaient des pièces plus minuscules physiquement plus difficiles à modifier, sans parler de souder. Par conséquent, la conception PCB devint un processus plus dédié.

2000 et au-delà

Le 21e siècle a vu les innovations des 50 dernières années intégrées et compactées en unités singulières et légères que les gens peuvent emporter partout. Alors qu'autrefois vous aviez besoin d'un appareil distinct pour chaque fonction — un téléphone pour les appels, une calculatrice pour les maths, une chaîne stéréo pour la musique, une télévision pour les films et émissions, un PC pour l'accès Internet, un appareil photo pour les photos, etc. — vous pouvez maintenant effectuer toutes les fonctions et consommer tout type de média sur un ordinateur portable, tablette ou smartphone connecté mobile.

On ne peut que deviner ce que l'avenir pourrait réserver pour les PCB et la technologie qu'ils donnent vie. Alors que les discussions se propagent sur les maisons intelligentes, véhicules autonomes et intelligence artificielle, des PCB de diverses dimensions seront probablement des composants dans les boutons et poignées automatiques dans les bâtiments et voitures informatisés. De même, les PCB pourraient éventuellement être insérés sous les pièces mobiles de technologies anticipées comme les robots militaires et collaboratifs.

Circuits imprimés de qualité de Millennium Circuits Limited

Depuis le développement de l'électronique et de la technologie informatisée, les circuits imprimés ont contenu le circuit interne qui permet à de tels appareils de s'activer et fonctionner. Sans circuits imprimés, la technologie d'après-guerre n'aurait jamais pu approcher son état actuel de haute capacité et sophistication high-tech. Alors que le potentiel ultime des appareils informatiques approche de son plateau, le public attend un futur de drones de livraison, voitures autonomes, main-d'œuvre robotique et appareils intelligents.

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