پيش از آنکه اين انديشه شکل بگيرد ؛ لازم بوده است که برخی پيشرفت ها و فن آوری ها ؛ که می توانند زمينه ساز آن باشند تکامل يافته و به دنيای دانش و تکنولوژی شناسانده شده باشند . بردهای مدار چاپی (PCB) در واقع تکامل يافته سيستم های اتصال الکتريکی است که در سال 1850 توسعه يافته بود . در اين سيستم ها از نوارها يا ميله های فلزی برای اتصال قطعات بزرگ الکتريکی که خود بر روی پايه های چوبی نصب شده بودند ؛ استفاده می شد . با گذشت زمان نوارهای فلزی بوسيله سيم هايي که به پيچ های ترمينال ها متصل بودند جايگزين شدند و پايه های چوبی با شاسی های فلزی جايگزين گرديدند . در سال 1852 هنگامی که در انگلستان W.H.F. Talbot يک فرآيند فتواچينگ را که بر روی مس قابل بکارگيری بود ، به ثبت رسانيد ، بردهای مداری و ميکرومداری از رويا و آرزو خارج شدند . در عين حال فرآيند بکار گرفته شده ؛ شامل بکارگيری نخستين فتورزيست هايي بود که ساخته شده بودند . طی سال های بعد پيشرفت هايي در زمينه های مختلف از قبيل توسعه و بهبود انواع فتورزيست ها و هم چنين فرآيندهای آبکاری فلزات و به ويژه آبکاری سطوح غير فلزی حاصل گرديد .

در آن سال ها برای ساخت تجهيزات برقی بدون استفاده از بردهای مدار چاپی (PCB) ؛ روش اتصال مستقيم قطعات را به يکديگر به کار می گرفتند . در اين روش , همواره معايب زير با تجهيزات ساخته شده همراه بود .

1- هر سيستم مونتاژ شده با ديگر سيستم ها متفاوت بود . ( نبود تکرار پذيری در توليد )

2- کار مونتاژ نيازمند حضور افراد توانا و با تجربه بود .

3- تعميرمشکل بود و برای پيداکردن قطعه معيوب ؛ سيم ها و اتصالات نيز درمنطقه معيوب بايد به دقت و همزمان کنترل مي شد .

4- نقشه ای معتبر که محل قطعات را نشان بدهد وجود نداشت .

5- مقاومت در برابر ارتعاشات و تکان ها پائين بود و قطعات از محل خود جابجا می شدند و امکان اتصال کوتاه وجود داشت .

6- هم شنوايي و مسائل مشابه قابل حل کردن نبود . زيرا محل قطعات تغيير می کرد .

7- توليد انبوه غير ممکن بود .

اولين قدم برای حل اين قبيل مسائل انتقال قطعات مونتاژ شده به درون يک چارچوب و نمايش ترسيمی مکان دقيق هر قطعه بود . براي سال ها متمادي و حتي در طول سال های جنگ جهانی دوم و پس از آن روشی که تکنيک اتصال نقطه به نقطه خوانده می شد به طور گسترده ای به خدمت گرفته شد که واجد برخی مزايای اساسی بردهای مدار چاپی (PCB) بود . يكي از دوستان توماس اديسون به نام Frank Sprague كه بنيان گزار Sprague Electric بود ؛ در سال 1904 وقتي كه هنوز درس مي خواند ؛ فكر حذف اتصال نقطه به نقطه را با توماس اديسون در ميان گذاشته بود . توماس اديسون كه اولين حباب لامپ الكتريكي خود را به بازار عرضه كرده بود ؛ روي اين مشكل كار كرد و در پاسخ به دوستش چند ايده را مطرح كرد . 1) بكارگيري انتخابي نوعي چسب ( پليمر ) همراه با پودر گرافيت و يا پودر فلزي نظير پودر برنز . 2) پياده كردن طرح هادي بر روي يك دي الكتريك با نيترات نقره و سپس احيا آن به نقره فلزي . 3) بكارگيري ورقه نازك طلا و چسباندن آن بر روي يك پايه مطابق طرح هادي .

اگرچه اديسون در تذكرات كوتاه خود از چاپ يادي نمي كند اما دست كم دو طرح اول او بسادگي با فرآيندهاي متعدد ساخت مدار چاپی (PCB) كه امروزه هم استفاده مي شود ؛ همخواني دارد . روش اول كه مبتني بر بكارگيري يك پليمر همراه با ذرات هادي است ، پايه اي براي فن آوري امروزي Thick Film است و نظريه دوم او همان آبكاري الكترولس است . شايد اگر اديسون بر روي اين مشكل كار كرده بود ؛ آبكاري مس و ترسيب در خلا را كه پيشتر به ثبت رسانيده بود را بكار مي گرفت .

اما شهرت توماس اديسون باعث نمی شود كه نظريه بسيار جالب توجه آلبرت هانسون برليني كه در لندن سكني گزيده بود و در سال 1903 آن را به صورت يك اختراع در انگلستان به ثبت رسانيد ؛ در ذكر تاريخچه بردهاي مدار چاپی (PCB) به فراموشي سپرده شود . اختراع آلبرت هانسون براي رفع نياز ارتباط هاي تلفني بود . فرآيند او اگرچه يك روش مدار چاپی (PCB) واقعي نبود ؛ اما طرح هادي فلزي را بر روي يك بستر غير هادي ايجاد مي كرد . در روش او ورق هاي نازك فلزي ابتدا مطابق طرح هادي برش خورده و سپس بر روي كاغذهاي پارافيني يا نظاير آن چسبانده مي شد . تصوير زير از متن اصلي سند ثبت اختراع او گرفته شده است .

 

هانسون برخي نوآوري ها را نيز اضافه مي كند كه مي تواند به عنوان اصول مدرن ساخت مدارهاي چاپي در نظر گرفته شود . اين مخترع تشخيص داده بود كه تراكم مداري خيلي مهم است و از اينرو مدارهاي خود را با هادي هايي در دو طرف طراحي كرده بود كه در شكل زير ( Figure 2 ) ديده مي شود . او همچنين مي دانست كه ارتباط بين لايه اي چقدر مي تواند حياتي باشد و لذا سوراخ هاي دستيابي بين لايه اي و عبور از سطح بالا به پائين هادي ها به صورت انتخابي را اضافه كرده بود . اگرچه اين اتصالات خام و ابتدايي بنظرمي رسند اما اختراع وي در سال 1903 بوضوح توصيفي از مدارهاي دوطرفه متاليزه بود . آلبرت هانسون همچنين بيان داشت كه هادي ها مي تواند در محل خود از طريق آبكاري الكتريكي و يا بكارگيري پودر فلزي در يك حامل مناسب ( مركب هادي ) تشكيل شود . اين كه در نخستين ثبت اختراع مدار چاپی (PCB) ؛ چنين نظريه هايي كه مي تواند مدرن در نظر گرفته شود؛ آمده ؛ جالب توجه است .

نظريه هاي متعددي در طول دهه هاي بعدي همچنان كه دانش الكترونيك گسترش مي يافت ؛ با سرعت هيجان برانگيزي پديدار شد . راديو خيلي زود به مهم ترين پيش برنده مدار چاپی (PCB) بدل گشت . بي سيم توجه جهاني را به خود جلب كرده بود . اولين ايستگاه عمومي راديو KQW – San Jose( كاليفرنيا ) در سال 1912 شروع به كار كرده بود و در اواخر دهه دوم قرن بيستم ؛ راديو به اغلب كشورهاي بزرگ دنيا معرفي شده بود . كشتي ها سيستم راديويي ماركوني را با خود حمل مي كردند و بي سيم دركار نجات زندگي انسان ها كارآمدي خود را نشان داده بود . خيلي زود مطابق پيش بينيDavid Sarnoff كه NBC و RCA را هدايت مي كرد ، راديو در هر خانواده اي حضور يافت . پيشتازان الكترونيك براي توليد انبوه مدارهاي چاپي بازار بزرگي را مي توانستند پيش رو ببينند و مخترعين با قدرت براي پاسخ گويي به اين نياز ؛ فعال بودند .

اصول اوليه ساخت مدارهاي الكترونيكي مبتني بر روش هاي افزايشي بود و هادي ها بر روي بستري غير هادي نشانده مي شدند . پيش از اين فلز بري اسيدي شناخته شده بود و قرن ها بود كه از آن استفاده مي شد . اما در سال 1913 Arthur Berry اختراعي به ثبت رسانيد و طي آن مدعي روش ساخت مدار با تكنيك فلز بري بود . او فرآيندي را توصيف مي كرد كه سطح فلزي پيش از فلز بري با يك پوشش مقاوم پوشانيده مي شد . Berry به عنوان نخستين كسي كه مدارهاي فلزبري شده را توصيف مي كند ظاهر گرديد . بعدها ( April 1930 ) Littledale نيز روش مشابهي را بيان كرد و به ثبت رسانيد .

فتوليتوگرافي در طول روزهاي گسترش مدارهاي چاپي به خوبي شناخته شده بود اما فرآيندهاي كاهشي به آن بي توجه مانده بودند . Bassit (1925) جزئيات خاصي از فتوليتوگرافي شامل استفاده از نمك هاي كروم حساس به نور را ارائه كرد . اگرچه ثبت اختراع Bassist با ساخت صفحات چاپ سروكار داشت ؛ به دليل نشانيدن الكتريكي مس بر روي صفحات عايق ؛ بسادگي براي مدارسازي قابل تعميم بود .

نخستين گام چشمگير از سوي چارلز دوكاس بود كه برداشته شد . او در تاريخ دوم مارس 1925 در آمريكا اختراع خود را به ثبت رسانيد . دوکاس روشی را برای ايجاد طرح های هادی آبکاری شده بر روی يک بستر غير هادی پيشنهاد کرد . وی برای ايجاد اين طرح هادی از استنسيل و چاپ با يک مرکب هادی استفاده کرده بود و پس از برداشتن استنسيل ، خطوط را تا ضخامت مورد نظر با آبکاری الکتريکی تقويت می کرد . اين طرح ها به الگوهای مداری امروزی شباهت قابل ملاحظه ای داشته اند . با اين روش نام « برد مدار چاپی (PCB) » متولد می شود . اين روش به طرز چشمگيری ساخت وسايل برقی را آسان می نمود . فرآيند ساده ای که به توسط کارگر غير ماهر نيز انجام شدنی بود .

تنها پس از هفده روز Francis T. Harmann فرآيندی را به ثبت رسانيد که روش کاهشی ساخت برد مدار چاپی (PCB) خوانده شد وآن را بايد پيشتاز فن آوری مس بری در نظر گرفت .

در آوريل 1926 در فرانسه Cesar Pasolini برای روش افزايشی ساخت اتصالات الکتريکی اختراعش را ثبت کرد و در استراليا درسپتامبر 1928 توسط Samule Charles Ryder فرآيندی مربوط به ساخت سيم پيچ های القايی برای استفاده درگيرنده های راديويی به ثبت رسيد. او چاپ يا پاشش مستقيم رنگ هادی بر روی بستر را پيشنهاد کرده بود .

سهم عمده برای توسعه فن آوری نوين ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) بوسيله Dr. Pual Eisler (1907 – 1995) ادا گرديد . امروزه او را پدر مدار چاپی (PCB) می شناسند .وی يک اتريشی ساکن انگلستان بود و آنچه را که احتمالا قديمی ترين برد مدار چاپی (PCB) است ، به صورتی که ما می شناسيم ؛ به عنوان بخشی از يک راديو ساخت . شکل ( 5 ) – صفحه بعد .

اين راديو اولين وسيله ای است که با استفاده از يک بردمدار چاپی (PCB) کار کرده است و فن آوری آن به وسيله Pual Eisler اختراع شده است . در روش وی پوششی مقاوم به شکل طرح مداری بر روی سطح مسی چاپ می شد و بخش های نپوشيده با مس بری حذف می گرديد.

Eisler در سال 1943 روشی را برای مس بری کردن طرح هادی يا مدار بر روی لايه ای از ورقه نازک مسی که به يک پايه يا بستر غيرهادی تقويت شده با الياف شيشه ؛ چسبيده بود در انگلستان به ثبت رسانيد . امروزه اين فرآيند به طور کلی با نام «Print & Etch » خوانده می شود. همچنين در سوم فوريه 1944 روش خود را در آمريکا ثبت کرد و حدود چهار سال بعد در سال 1948 حق امتياز ثبت شده به Eisler داده شد. او کار خود را در زمينه بردهای مدار چاپی (PCB) ادامه داده و حق امتياز های ديگری را به ثبت رسانيد . استفاده گسترده از روش Eisler تا دهه 1950 عملی نگرديد اما در سال 1947 معلوم شدکه تعداد زيادی از بردهای مدار چاپی (PCB) مورد استفاده صنايع نظامی در ساخت ساز و برگ ارتش ؛ در ايالات متحده آمريکا ساخته می شده است . درواقع جنگ جهانی دوم و نيازهای ارتش آمريکا به تجهيزات نوين از سويی اين فن آوری جديد را به پيش رانده و از سوي ديگر مانع از تجاری سازی آن شده بود . علاقه مندی به ساخت و استفاده از بردهای مدار چاپی (PCB) پس از جنگ به سرعت رشد کرد و فرآيندهای متعددی در اوايل سال 1950 به صنعت الکترونيک معرفی گرديد . به ويژه اينکه در همين زمان ترانزيستور به بازار عرضه شد و کوچک بودن آن گرايش به بردهای مدار چاپی (PCB) را تشديد نمود . درمقايسه با لوله های خلا که بسيار بزرگ بودند و با نصب نقطه به نقطه و روش های مرسوم مونتاژ، همخوانی داشتند . يعنی توسعه ترانزيستور ؛ بهره برداری از مدارهای چاپی را با حذف يکی از پرحجم ترين قطعات ؛ لوله های خلا ؛ آسان سازی کرد . توسعه بيشتر منجر به توليد مدارهای مجتمع در دهه 1960 گرديد .

در روزهای ابتدايی ساخت صنعتی راديو و تا پايان جنگ جهانی دوم ؛ گيرنده های راديويی شامل قطعاتی مانند مقاومت ها ؛ خازن ها ؛ سيم پيچ ها و لوله های الکترونيکی بودند که بوسيله سيم هايي که با عايق های رنگی مشخص می گرديد ؛ به يکديگر متصل می شدند. هر رنگ به مثابه يک کد؛ مشخص کننده اتصال مداری ويژه ای بود که مورد قبول جهانی نيز قرار گرفته بود . حتی به منظور تسهيل توليد و رديابی خطا ها ؛ سيم ها را به اندازه های يکسان بريده و به هم می بستند تا به شکل يک تسمه در می آمد و در سرعت بخشيدن به عمليات مونتاژ موثر بود .

در طول دهه 1950و اوايل دهه 1960 ميلادی ؛ صفحات مدار چاپی (PCB) از انواع رزين ها در مخلوط با انواع متفاوتی از مواد ساخته می شد ؛ اما بردهای مدار چاپی (PCB) همچنان يک طرفه مانده بودند . توسعه صنعت الکترونيک پس از جنگ جهانی دوم و تقاضای بالا برای محصولات مصرفی مانند راديو و تلويزيون و به طور همزمان استفاده از صنعت الکترونيک در کاربردهای نظامی ؛ موجب سخت تر شدن مقررات و الزاماتی برای قابليت اطمينان بيشتر بردهای مدار چاپی (PCB) و نيز افزايش تراکم مداری و پيچيدگی آن ها شد و با رسيدن به بالاترين تراکم مداری نياز به جايگزينی با بردهای دو رو بيش از پيش احساس گرديد . روش های مختلف و فنون توليد که در طول اين دوره برای ساخت مدار و اتصالات ميانی کاملا عموميت پيدا کرده بود ؛ در اواخر دهه 50 به فرآيندهای آبکاری بر روی ورقه های نازک فلزی منجر گرديد. همچنين تا ظهور فرآيندهای مناسب آبکاری بر روی سطوح غيرهادی جهت متاليزه کردن ديواره سوراخ ها ، استفاده از استوانه های فلزی خاصی که eye let خوانده می شدند ، برای اتصال مدارها در دو سطح بالايی و پائينی بردمدار چاپی (PCB) روشی پذيرفته شده بود .

آبکاری به عنوان روشی برای ايجاد اتصالات ميانی دو طرف برد مدار چاپی (PCB) در طول اين دهه به آهستگی رشد کرد . در سال 1948 ؛ Wein در ضمن بررسی های خود در زمينه فرآيندهای متاليزه کردن سطوح نارسانا با مس ، فرآيندی دو مرحله ای را برای حساس کردن و فعال کردن سطوح نارسانا به منظور ترسيب غيرالکتريکی مس ؛ به کار برد . متاليزه کردن سطوح نارسانا از مدت ها پيش شناخته شده بود . اما اين روش ها به دليل ناپايداری محلول ها و تجزيه آن ها در کمتر از چند ساعت و نيز قيمت بالا ؛ به ندرت برای توليد انبوه توصيه می شدند . در فاصله سال های 1955 – 1953 شرکت موتورولا ، فرآيند آبکاری مس را برای ايجاد اتصال ميان دو طرف برد مدار چاپی (PCB) معرفی کرد که برای توليد انبوه مناسب تر بود . Atkinson در سال 1956 حق امتيازی را در زمينه آبکاری غيرالکتريکی و فعال سازی سطوح نارسانا به ثبت رسانيد که روشی موفق بود . سپس فرآيندهای ديگری نيز به دنبال آمدند و عاقبت در سال 1960 شرکت Shipley کاتاليست کلوئيدی مناسبی را معرفی کرد که به سرعت در صنعت مدار چاپی (PCB) وارد شد و تا امروز باقی مانده است . در سال 1964 شرکت photocircuit آمريکا فرآيندی تمام افزايشی را توسعه داد که در آن ماده پايه بدون مس است و مس بر روی نقاط دلخواه به صورت انتخابی آبکاری می شود .

نزديک به 40 سال روش غالب برای متاليزه کردن سوراخ های ارتباطی در بردهای دورو شامل فرآيندهای کاتاليتيکی بود که با پوشش دهی مس به طريقه الکترولس دنبال می شد . بکارگيری روش هاي متاليزه مستقيم که در دهه 80 ميلادي توسعه يافت ؛ يک سطح رسانا بر روي جداره غير هادي سوراخ ها توليد مي کند . اين فن آوري ها عموما مدعي هستند که نسبت به روش هاي کلاسيک متاليزه کردن ؛ از نظر کنترل و مراحل اجرايي ساده تر بوده ؛ و ضمن کاهش مصرف آب ؛ تصفيه پساب آن ها نيز راحت تر است و با مواد آلاينده کمتري درگير مي باشند . ايده اصلي متاليزه مستقيم براي سيستم پالاديم به ثبت امتياز شخصي بنام رادووسکي Radovsky در 1963 باز مي گردد که روشي را برای ايجاد يک فيلم هادي جريان الکتريسيته از جنس پالاديم در ديواره سوراخ های برد مدار چاپی (PCB) از يک شکل نيمه کلوئيدي براي متاليزه کردن مستقيم برد مدار چاپی (PCB) ؛ توصيف نمود . اختراع رادووسکي هرگز تجاري نشد، اما بعدها روش های گوناگون متاليزه کردن مستقيم مبتنی بر بکارگيری پالاديم ؛ گرافيت و پليمر هادی پيشنهاد و عرضه شد . از آن زمان تا کنون تغييرات بيشتری رخ داده است . در اوايل و اواسط دهه 1960 بردهای چندلايه به ويژه برای مصارف نظامی که در آن قيمت نسبت به تراکم ؛ وزن و قابليت اطمينان در مقام دوم اهميت قرار می گيرد ؛ رشد يافتند .

فن آوری نصب سطحی که در دهه 1980 با آن آشنا شده ايم در واقع بيست سال پيش تر و در دهه 60 کشف شده بود . سلدرماسک ها از آغاز دهه 1950 بکار برده می شدند و از آن برای کمک به کاهش خوردگی خطوط مداری و قطعات استفاده می کردند . ترکيبات اپوکسی ؛ مشابه با آنچه که امروز به نام Conformal Coating می شناسيم بر روی سطح بردهای مونتاژ شده پاشيده می شد . عاقبت مرکب های سلدر ماسک به روش سيلک اسکرين بر روی بردها پيش از مونتاژ قطعات ؛ چاپ شد که به تميز ماندن بردها و کاهش خوردگی و جلوگيری از اکسيد شدن آن ها کمک می کرد . در طول دهه 1970 هنوز سطح خطوط هادی و مدارها با پوشش قلع / سرب پوشانده می شد ؛ که در حين فرآيند ساخت و به طريق الکتروليز ايجاد شده بود . اين پوشش در حين فرآيند لحيم کاری ؛ ذوب شده و سبب چروک شدن پوشش سلدر ماسک می شد . از اواخر دهه 1970 روش Hot Air Solder Leveling ( H.A.S.L ) و يا به اختصار HAL بکار گرفته شد که امکان می داد قلع / سرب پس از مس بری از سطح خطوط هادی برداشته شده و به اين ترتيب مشکلات مربوط به آن حذف گردد . به اين ترتيب پوشش سلدر ماسک ( محافظ در برابر لحيم ) مستقيم بر روی مس چاپ می شد و فقط پدها و ديواره سوراخ های آبکاری شده باقی می ماندند تا در حينِ فرآيند ِمونتاژ با لحيم آغشته شوند. با کوچک شدن سوراخ ها و خطوط هادی ؛ کارها از نظر مداری ؛ متراکم تر شدند و بکارگيری نوع فيلم خشک برای چاپ سلدر ماسک برای اولين بار در آمريکا رايج شد در حالی که اولين پوشش های موسوم به فتوايميج Photo Image در اروپا و ژاپن توسعه می يافتند . همچنين در اروپا مرکب هايی که به روش پوشش پرده ای Curtain Coating بکار گرفته می شدند ؛ عرضه شد و مورد استفاده قرار گرفت . اما ژاپنی ها بيشتر بر روی چاپ سيلک اسکرين ِانواع مرکب های فتوايميج با محلول های ظهور بر پايه آب متمرکز بودند . ناگفته نماند که تمامی اين روش ها از يک واحد نوردهی پرتو فرابنفش و نورابزار ( فيلم ) استفاده می نمايند .

منابع مورد استفاده

• R.S. khandpur – Printed Circuit Boards, Design, Fabrication, assembly and Testing. Tata McGraw-Hill – 2008
• Ken Gilleo, Ph.D. – The Circuit Centennial - http://www.et-trends.com/files/Circuits_100Years.pdf
• http://www.eiconnect.com/eipcbres.aspx?type=history
• Ken Gilleo, Ph.D. – The history of the PRINTED CIRCUIT – PC FAB. Vol. 22, No. 1, January 1999