VEM UPPFANN MÖNSTERKORTET?

PTH drawing

Vi har letat efter svaret på detta och inser att det inte finns ett entydigt svar. Sanningen är att det är en rad uppfinningar som tillsammans bidragit till dagens PCB. Givetvis finns det ett oändligt material om detta på Internet, men vi har försökt bena ut ett entydigt svar.

Kopparremsor i papper

De äldsta varianterna av mönsterkort är inte vad man kan anse vara ”printed”, men kan vara värt att ta upp ändå, eftersom principen är densamma. En rad udda konstruktioner med bland annat ett trälaminat med mässingsstänger bultade på var sida (1850), samt paraffinerat papper (Pat. Albert Hansson 1903) med kopparremsor limmade inuti. Bilden är från patentansökan och ansökan innefattade även en dubbelsidig variant.

Thomas Edison får väl anses som en av historiens största uppfinnare och stod för c:a 2500 uppfinningar och 1093 patent. Hans gode vän, Frank Sprauge (Sprauge Electric) bad honom ta fram ett förslag på hur man kunde förenkla sammankopplingen av elektriska enheter och tog fram en metod där man målade ledarbanor med ett polymeradesiv som beströddes med grafitpulver. När polymeren härdat, borstade man bort rester av grafiten och fick ett kort som man kan betrakta som ett mönsterkort. Dock ej ”tryckt”. (Paint polymer and coal. 1904).

År 1913 ansökte Arthur Berry om ett patent som visade en metod för att göra kretsar där metall etsades bort. Han beskrev processen att belägga metall med en resist, före etsning, som en förbättring jämfört med skärning som kunde ge brottanvisningar i skarpa hörn. Berry verkar vara den första som beskriver etsade kretsar. Bilden visar hans etsade värmekrets för ett senare patent.

Charles Ducas beskrev både etsning och pläterade ledare. En version involverade galvanisk plätering av ett koppar-, silver- eller guldmönster genom en kontaktmask. Uppvärmning gjorde att ledaren (vanligtvis en spole) kunde separeras från den smältbara bussplattan och masken. En annan Ducas-process innefattar att man bildar spår i ett dielektrikum såsom vax och fyller dem med ledande pasta som galvaniseras. Ledande pasta kan också skrivas ut eller stencileras på dielektrikum och sedan galvaniseras. Båda sidor av det dielektriska skiktet kan användas för kretsar. Faktum är att Ducus fortsätter med att beskriva flerlagerskretsar och ett sätt för samtrafikskikt, ”Två eller flera paneler kan placeras på varandra”. Charles Ducas var först med att uppfinna den galvaniska pläteringen av koppar 1925. Detta är det första patentet, men många olika metoder blev sedan patenterade.

Paul Eisler, en österrikare som lämnade patentansökan i England på vad han kallade ”fotografiskt tryck och etsning av kopparfolie”. Den var den första metoden att framställa mönsterkort för massvolym till en ekonomiskt försvarbar kostnad. De första patenten lämnades in 1943, men mycket säger att bakgrunden till ansökningarna härstammar från 1936. Teknologin härstammade från den väletablerade tryckindustrin, med skillnaden att Eisler arbetade med tunn koppar och etsade all koppar hela vägen ned, för att skapa isolation mellan ledare. I sitt patent refererade Eisler endast till ”as used in the printing industry” och angav inte vilka komponenter etsvätskan bestod av. Detta blev förödande när han senare ansöker om patent i USA, vilken baseras på det brittiska patentet. Förutom att det blev försenat 4år, så dyker det upp konkurrenter som han anser bryter mot patentet. Följaktligen stämmar han en av dem (Bendix), men förlorar till slut målet den 27 Maj 1963. Mycket på grund av den vaga formuleringen ”as used in the printing industry”, vilken rätten tyckte var alldeles för allmängiltig för att kunna bryta emot. Bilden visar hans ”3 bulb radio” från 1942. Vilken är den första elektroniska produkt som använder ett mönsterkort.

Under andra världskriget och samtidigt som Paul Eisler utvecklade sin radio med mönsterkort tog britterna tillsammans med USA fram zonröret som kraftigt ökade träffsäkerhet för artilleri och luftvärn. Den första användningen av mönsterkort i volymproduktion såg sitt ljus. Försök hade gjort tidigare, men elektroniken höll inte för den kraftiga g-belastningen under avfyring av granaten. Den fungerande varianten som sedan massproducerades i USA var baserad på ett dubbelsidigt mönsterkort (ej hålpläterat) där den monterade enheten inkapslades i vax. Man anser att just mönsterkort var av avgörande betydelse för funktion,tillförlitlighet och möjlighet att snabbt kunna producera stora volymer.

Radions genombrott (1930-1940) krävde industriella metoder för att snabbt och billigt kunna ta fram radioapparater i stora volymer. Dock fanns det fortfarande mycket elektronik som tillverkas enligt ”point-to-point”, där kompenterna löddes i varandra utan mönsterkort. Bilden visar en Motorola VT-73 (VT-71) ”Golden View” TV från 1948.

60-talet gav oss ett par förbättringar som förändrade mönsterkorten för alltid – nämligen Hazeltyne Corporations patentansökan från 1963 som den första metoden för genompläterade hål i mönsterkort och utvecklingen av ytmonterade komponenter (SMT) av IBM. Ytmonteringen slog dock inte igenom med full kraft förrän under slutet av 1980-talet. Bägge teknikerna hade avgörande betydelse för packningstätheten och anses avgörande för det stora tekniksprånget under 60-talet. Bilden visar en patentansökan från North American Aviation Inc. och avser en senare variant av hålplätering. 1967 ansöker RCA company om patent på ”multilayer” PCB, då kallat BUM (Build up multi-layer). Dock först långt senare slår flerlagerstekniken igenom på allvar.

En annan teknisk lösning som blev realitet under 60-talet, var det flexibla mönsterkortet. Under fler decennier tidiagre har man olika lösningar på detta problem, med det stora genombrottet sker när Du Pont söker patent på sin produkt ”Kapton” (Polyimid). På grund av sin låga vikt, och förmåga att göra kompakt elektronik, kommer den att användas mycket inom flyg- och rymdindustri. De avgörande egenskaperna är låg vikt, hög isolationsförmåga och stabilitet under extrema temperaturer (-269 till +400 C). Apolloprojektet använde tex. aluminiumbelagd Kapton som isolation på månlandaren (bilden). Under senare år har man dock märkt att materialet kan degraderas under kontant hög temperatur och fukt, och orsakat kortslutingar. Vilket fått stora konsekvenser för flygindustrin, som tvingats till kostsamma modifieringar.

1978 Släpper företaget Quicksilver sin genombrottmaskin ”Hot Air Solder Leveler”. Denna ersatte den gamla ”fusionmetoden” som byggde på att Sn/Pb beläggningen från den galvaniska processen omsmältes i antingen en ”hot oil process” eller ir-ugn. Bilden visar ett omsmält kort, med tidstypiskt vågmönster på ledarna. HASL löste mycket av problemen med omsmälta kort. Mycket därför att man applicerade lödmasken på ren koppar och först därefter adderade ytbehandlingen. HASL är idag den i särklass vanligaste ytbehandlingen.

Under 1990 talet utvecklas “microvia” (den senare definitionen). Idén utvecklas under hela 90-talet och är idag helt avgörande för produktionen av dagens smartphones, läsplattor och annan ultrakompakt elektronik. Ibiden är ett Japanskt företag som stått för hundratals patent rörande PCBer och IC. De var på den tiden världens största tillverkare av mönsterkort och var ledande i utvecklingen av microvia.Även ytbehandlingen ENIG (Electroless Nickel Gold) fick sitt genombrott under denna tid.

VEM VAR DÅ UPPFINNAREN OCH VILKA SLUTSATSER KAN VI DRA?

Av utrymmesskäl har vi inte tagit upp alla idéer och uppfinningar under 1900-talet som rör mönsterkort och dess tillverkning. Metoderna är många och väldigt snarlika. Det finns heller ingen metod som beskriver hela processen vi använder idag som ett enda patent. Det är helt enkelt så att den metoden vi använder idag är produkten av 120års utveckling. Om vi ändå skall försöka avgöra vem som kan anses bidragit mest, så måste vi först definiera ”mönsterkort”. På engelska är det enklare. Det heter ju ”tryckta kretsar”. Även om Edisons ide är tidig med ledare på en skiva som binder ihop komponenter, faller nog vårt val på Paul Eisler (bilden ovan), eftersom hans ide är just ”tryckt”. Hans metod är också reduktiv och fotoöverförd, vilket i stort sett är den teknik som fortfarande används. Tyvärr, lyckades han inte försvara sitt patent och stred för detta under stora delar av sitt liv. Ända tills han dog kände han sig felaktigt behandlad av det amerikanska rättssystemet. Trots att det är fler små uppfinningar som lett fram till dagens mönsterkort, är ju inte för inte som Paul Eisler kallas ”the father of PCB”.

För ”nörden”. Lite speciella konstruktioner som gått till historien.

Vad du ser ovan är en cordwood-krets, en intressant konstruktionsteknik från tiden innan integrerade kretsar. Kretsen består av två kretskort parallellt mot varandra med komponenter som håller dem isär. Detta var på sin tid den tätaste konstruktionstekniken, som användes i allt från slutet av 50-talets rymdteknik till stordatorer som fyllde hela rum.

Multiwire Board, är ett PCB där koppartråd förisolerad med en polyimid och bäddas ihop av en maskin som drar ledarna ”point-to-point”. Eftersom det tillåter korsledningar ökar antalet ledningar som kan finns i ett lager avsevärt, och följaktligen kan ett högdensitetskort tillverkas med ett mindre antal lager än vanliga PCB. Eftersom Multiwire Board använder koppartråd med en enhetlig diameter får den dessutom överlägset bra elektriska egenskaper, såsom att ge stabil karakteristisk impedans. I jämförelse med ett konventionellt mönsterkort, har MWB c:a 3 gånger större packningstäthet. Mycket exklusivt och extremt kostsamt.

Wire wrap är en elektronisk komponentmonteringsteknik som uppfanns för telefonväxlar och senare anpassad för att konstruera kretskort. Komponenterna monterades på ett isoleringskiva och sammankopplades med en islolerad metalltråd mellan sina terminaler. Anslutningarna lindades flera varv runt den oisolerade delan av terminalen eller ett hylsstift på komponenten. Wire wrap tekniken kunde producera enheter som var mer tillförlitliga än mönsterkort. Anslutningarna var mindre benägna att brista på grund av vibrationer eller fysiska påfrestningar. Och avsaknaden av lödning förhindrade lödfel som korrosion, kallödningar etc. Själva anslutningen har även lägre elektriskt motstånd på grund av kallsvetsning av tråden till terminal. Wire wrap-konstruktion blev populär omkring 1960, men användningen har nu minskat kraftigt. Dagens teknik med ytmonterade komponenter har gjort tekniken mycket mindre användbar än tidigare decennier. Bilden ovan visar ”Apollo Guidance Computer”, (Raytheon 1966) som med sin korta livslängd och stränga krav på tillförlitlighet, var en av de tidiga tillämpningarna av wire wrap vid datortillverkning.