Pastariesiems 50 metų yra būdingi visose srityse įvykę pokyčiai. Tai galima pasakyti ir apie medžiagas, ir apie komponentus, surinkimo būdus, sistemas, kokybę bei kainas. Šiame straipsnyje pateikiama elektronikos vystymosi istorijos apžvalga.

   Svarbiausios pažangos gairės šios:
· Skaitmeninių technologijų plėtra;
· Atmintyje įrašytų programų valdomos funkcijos;
· Vieną funkciją atliekančių komponentų keitimas sisteminiais;
· Miniatiūrizavimas;
· Vis didėjantis sudėtingumas;
· Konstrukcijų tobulėjimas;
· Gerėjanti kokybės kontrolė;
· Naujos taikymų sritys;
· Šiuolaikinė buitinė elektronika;
· Pokyčiai kainodaroje - kaina ima priklausyti nuo funkcionalumo ir patikimumo.

   Norėdami suvokti per pastaruosius 50 metų vykusius komponentų, grandynų ir elektronikos prietaisų gamybos pokyčius, pabandykime palyginti tai, kas yra dabar, su tuo, kas buvo tada. Būseną "dabar" galime apibūdinti dideliu kompleksiškumu, - nedideliame tūryje sugebama sutalpinti daug skirtingų funkcijų, - dideliu patikimumu ir nedidele kaina. Visa tai, pavyzdžiui, tinka kalbant apie mobilius telefonus.

   "Tada" paprastesnes funkcijas atliekantys komponentai užėmė didesnį tūrį; patikimumas, matuojant jį šiandienos masteliu, buvo menkas, o kaina didelė, todėl daug dabar įprastų prietaisų, - tokių, kaip trumpųjų bangų radijo siųstuvai, - buvo skirti tik profesionalams.

   Galima pastebėti, kad anksčiau tikęs prietaisų skirstymas pagal kokybę į buitinę ir profesionalams skirtą elektroniką šiandien jau prarado bet kokią prasmę.

   Kalbant apie mobiliuosius telefonus, skiriamasis bruožas yra skaitmeninė technologija, labai didelis sudėtingumas, programiškai valdomos funkcijos, aukštas integravimo lygis, šiuolaikinės išorinių sąsajų technologijos ir žymiai pažangesnė automatizuota gamyba.Tuo tarpu jiems giminingiems, apie 1950 metus gamintiems siųstuvams buvo būdinga analoginė technologija, diskretiški komponentai ir daug rankų darbo reikalaujanti gamyba.

Komponentų panorama

   Penktojo dešimtmečio pabaigoje ir šeštojo pradžioje komponentų sektoriaus panorama buvo visai kitokia negu šiandien. Daugeliu atvejų vienas fizinis komponentas atlikdavo kurią nors vieną funkciją. Buvo kelios išimtys iš šios taisyklės, iš kurių žinomiausios susijusios su kai kuriomis radijo lempų rūšimis: triodas-heksodas (skirtas superheterodinų maišiklių laipsniui), diodas-triodas (naudotas amplitudiškai moduliuotų signalų detektavimui ir kai kuriuose stiprintuvuose) bei dvigubas diodas (tinklo įtampos lygintuvams). Antroji išimtis buvo sudvejinti elektrolitiniai kondensatoriai, skirti tinklo įtampos lygintuvams, o trečioji - radijo imtuvams skirtos ričių sistemos, sudarytos iš įvairaus sudėtingumo ričių, trimerinių kondensatorių ir bangos ilgio diapazonų perjungiklių rinkinio.

   Savo jubiliejiniame leidinyje "50 metų komponentų, korpusavimo ir gamybos technologijoms" IEEE pateikia sąrašą pasyviųjų komponentų, kuriuos privalėjo žinoti kiekvienas tų laikų elektronikos konstruktorius:
· Varžai (tūriniai, anglies plėvelės, metalo plėvelės ir kintami);
· Fiksuotos talpos kondensatoriai ("aliuminio elektrolito", popieriaus, mailaro, žėručio ir tantalo (su skystuoju elektrolitu) bei keraminiai kondensatoriai ir alyva užpildyti didelio korpuso (skersmuo apie 75 mm, aukštis apie 150 mm) kondensatoriai);
· Induktyvieji komponentai;
· Kontaktinės plokštelės (taip pat gausu įvairiausių variantų);
· Kvarco kristalai (beveik visi grandynai, naudoję laike kintančius signalus, rėmėsi tokiais kristalais, kurie paprastai būdavo hermetiškai uždaryti metalinėse dėžutėse);
· Impulsiniai transformatoriai (su feritinėmis šerdimis);
· Atminties elementai (beveik išskirtinai pagaminti su feritine šerdimi, per kurios vidurį ėjo trys ar keturi laidininkai);
· Perjungikliai, relės, kabelių jungtys, šasi ir kiti korpuso elementai.

   Šį sąrašą dar reiktų papildyti, pavyzdžiui, kintančios talpos kondensatoriais, potenciometrais, reostatais, tinklo transformatoriais, droseliais, galinio laipsnio garso dažnių transformatoriais ir garsiakalbiais.

   Antrojoje dvidešimtojo amžiaus pusėje labai padidėjo dėmesys, skiriamas komponentų kokybei, jų gamybos procesams, technologinei įrangai ir technologinėms sistemoms. Pati kokybės problema nebuvo itin nauja: IEEE dar 1950 m. atkreipė dėmesį į tai, kad būtų galima sutaupyti milijonus, jei konstruktoriai pradėtų skirti daugiau dėmesio tinkamų komponentų pasirinkimui. Nors visiems buvo aišku, kad šeštojo dešimtmečio elektronikos komponentai nebuvo pakankamai patikimi, trūko standartinių jų patikros metodų. Taigi, inžinieriai privalėjo sukurti šiuos metodus.

   Iš tų menkų tuometinių turėtų žinių apie komponentų broką aiškėjo, kad 60 procentų kaltės už jį teko blogiems technologiniams procesams ir netikusioms medžiagoms. Pavyzdžiui, būdinga gedimų priežastis buvo ta, jog buvo derinamos medžiagos su skirtingais šiluminio plėtimosi koeficientais. Šiluma, drėgmė ir porų susidarymas lėmė 80 proc. visų su aplinkos poveikiu susijusių gedimų, tuo tarpu likę 20 proc. gedimų atsirasdavo dėl vibracijų ir smūgių.

Miniatiūrizavimas

   Tranzistoriaus atsiradimas 1947 m., spausdintinės plokštės išradimas ir pirmieji integriniai grandynai, pasirodę 1959 m., pradėjo naują tendenciją, kuriai būdingas miniatiūrizavimas ir didėjantis kompleksiškumo laipsnis - ši tendencija vyrauja iki pat šių dienų. Tačiau, kartu su elektronikos prietaisų mažėjimu, vis didesnė problema buvo komponentuose išsiskyrusios šilumos nuvedimas.

   Tuo pat metu, integrinių grandynų pasirodymas stipriai stumtelėjo į priekį medžiagų tyrimus. Buvo aptinkamos vis platesnės naujųjų medžiagų savybės ir sukuriami tų savybių panaudojimo būdai. Tobulėjo jungtys, labai paspartėjo ir naujų gamybos technologijų kūrimas. Kai kuriais atvejais šios technologijos būdavo preciziškesnės nei tikėtasi jas kuriant. Svarbus pažangos veiksnys buvo tai, kad pavyko susitarti dėl medžiagų, komponentų, gamybos metodų ir elektronikos prietaisų patikros būdų. Imta standartizuoti visas elektronikos pramonės šakas.

   Miniatiūrizavimas, mažos galios prietaisų sukūrimas, didėjantis jų patikimumas ir mažėjanti gamybos kaina pradėjo laviną primenantį procesą, kurio pabaigos vis dar nesimato. Kadangi sėkmingai pavykdavo įveikti šio proceso kelyje iškylančius techninius ir technologinius barjerus, o komponentus pavykdavo gaminti vis pigiau ir pigiau, tai tapo pagrindu mūsų dabar matomam sparčiam buitinės elektronikos vystymuisi. Klausos aparatai, radijo imtuvai, kalkuliatoriai ir rankiniai laikrodžiai buvo šios elektronikos pradininkai.

   Patys pirmieji puslaidininkių epochos bandymai sukonstruoti masiškai gaminamus produktus buvo susiję su tranzistoriniais radijo imtuvais. Viename pirmųjų tokių prietaisų (jeigu ne pačiame pirmajame) Regency TR1, pasirodžiusiame 1954 m., buvo gausu germanio tranzistorių. Šiek tiek anksčiau tais pačiais metais Texas Instruments (TI) pradėjo serijinę plėvelinių silicio tranzistorių, skirtų būtent radijo imtuvams, gamybą.

   1954 ar 1955 m. į rinką įžengė japonų kompanija Sony, irgi pradėjusi pardavinėti tranzistorinius radijo imtuvus, TR-52.

Tiksli pranašystė

   Pirmuosius 50 puslaidininkių epochos metų būtų galima palyginti su kosmine raketa. Pirmąją raketos pakopą atitinka tranzistoriaus atsiradimas, antrąją - integriniai grandynai, o trečiąją - puslaidininkine atmintimi ir mikroprocesoriais grįsta elektronika.

   Nors integrinio grandyno gimimo data paprastai yra laikomi 1959 metai, mintis viename bloke sutelkti daugelį funkcijų atliekančius komponentus kilo gerokai anksčiau. Įžvalgusis prognozuotojas buvo britas Geoffrey William Arnold Dummer, didelėje 1952 m. Vašingtone vykusioje elektronikos konferencijoje paskelbęs tai, kas dabar kartais yra pavadinama "Dummerio pranašyste". Žurnale "Electronics" spausdinami jo žodžiai: "Atsiradus tranzistoriams ir puslaidininkiams, tampa įmanoma viename kietame bloke be jungiamųjų laidų sukurti ištisą elektronikos įrenginį. Tokį bloką sudarytų izoliuojančios, laidžios, lyginančios ir stiprinančios medžiagos sluoksniai, jų elektrinės funkcijos būtų derinamos išpjaunat įvairių sluoksnių dalis."

   Reta technikos vizija pasitvirtindavo taip, kaip Dummerio pranašystė. Tuo metu jis dirbo Karališkoje radarų tarnyboje, o savo pranešime nagrinėjo radarams skirtų komponentų patikimumą.

Spausdintinė plokštė

   Spausdintinių plokščių, kurios plačiau buvo pradėtos naudoti tik šeštajame dešimtmetyje, idėja taip pat gimė kur kas anksčiau. Jau iki 1930 m. buvo suprasta, kad turėtų egzistuoti geresnis komponentų sujungimo būdas už įprastinius laidus. Pavyzdžiui, 1925 m. Charles Ducas užpatentavo JAV galvaninį vario, sidabro arba aukso sluoksnio nusodinimą izoliuojančios medžiagos paviršiuje. Bet tuo metu ši technologija, tapusi šiuolaikinių spausdintinių plokščių gamybos pagrindu, nepaplito. Tai būdavo atliekama kitaip - bakelito pagrinde įštampavus žalvario kontaktus. Ši jungimo technologija debiutavo 1930 m. šešių lempų radijo imtuve.

   Didelis žingsnis pirmyn buvo žengtas 1944 m. Didžiojoje Britanijoje, kur Paulis Eisleris gavo patentą "spausdintų grandynų" gamybai naudojant metalo folija laminuotas izoliuojančios medžiagos pagrindo plokšteles. Taip gimė šiuolaikinės spausdintinės plokštės.

   1950 m. JAV kompanija Powers Chemco įsteigė laboratoriją, kurioje Amerikos kariškių užsakymu buvo pradėtos kurti metalizuotos plokštelės, kurias būtų galima ėsdinti ir lituoti. Šios veiklos pagrindu atsirado kompanija Photocircuits Corp., kuri išgarsėjo pardavinėdama spausdintinių plokščių gamybos licenzijas. Šios licenzijos sudarė sąlygas įsitvirtinti daugybei tokias plokštes tiekusių įmonių.

   Iš pradžių pagrindas buvo gaminamas iš vadinamojo fenolinio popieriaus - popierinės medžiagos, impregnuotos polimeru fenoliu. Tačiau fenolinis popierius turėjo nemažai trūkumų, todėl gana anksti suprasta, jog jis netiks profesionaliems poreikiams. Nepaisnt to, radijo ir televizijos aparatuose jis buvo naudojamas pakankamai plačiai.

   Atkakliai ieškota įvairių alternatyvų. Vienas iš pavyzdžių - popieriaus ir epoksidinės dervos derinys. 1952 m. pasirodė plokštės, pagamintos iš stiklo pluošto ir epoksidinės dervos, 1953 m. atsirado plokštės su galvaniškai padengtomis skylėmis (po metų šią technologiją patvirtino Amerikos kariškiai), 1955 m. debiutavo litavimo šablonų technologija, o 1960 m. pasirodė pirmosios daugiasluoksnės plokštės. 1963-1964 m. daugiasluoksnės plokštės tapo komerciškos. Buvo sugalvota patobulinimų: vis siauresni laidininko takeliai, mažesni izoliatoriaus tarpai, mažesnės litavimo salelės, didesnis bendras plokštės plotas, daugiau laidininko ir izoliatoriaus sluoksnių, naujos tobulesnės medžiagos ir šilumos nuostolių nuvedimo būdai.

   Vienas pavyzdys: IBM korporacija devintojo dešimtmečio pradžioje sukūrė 32 sluoksnių plokštę, kurios dydis buvo 61x71 cm, o kartu su joje sumontuotais komponentais svėrė apie 45 kg. Ši plokštė sunaudodavo 1 kA srovę, todėl viduje turėjo storą vario juostą, o išorėje stiprius vario strypus.

   Vienu metu buvo nemažai ginčytasi, ar daug dar vystysis daugiasluoksnių plokščių technologija. Teigiama, kad, pavyzdžiui, japonai buvo išstudijavę šį klausimą ir po bandymų bei skaičiavimų konstatavę, kad aukštutinė riba bus apie 70 sluoksnių. Kuo daugiau plokštėje yra sluoksnių, tuo greičiau atsiranda problemų dėl plokščių kokybės ir priimtinos gamybos išeigos, o tuo pačiu didėja ir gamybos kaina, kuri galiausiai ir sustabdo tolesnį vystymąsi.

Jungimo technologija

   1947 - 1960 metų laikotarpis ženklus ne tik tranzistorių ir integravimo idėjų atsiradimu, bet ir keliomis rečiau prisimenamomis taip pat labai svarbiomis naujovėmis. Buvo sukurta storųjų sluoksnių technologija, kuri Antrojo pasaulinio karo metais naudota gaminant aviacijos bombų detonatorius. 1959 m. Bello laboratorijose atsirado plonasluoksnė technologija, kuri tuomet buvo naudojama keramikos arba stiklo padėklų paviršiuje formuojant tantalo detales, sudarančias laidininko takelius, varžas arba kondensatorius.

   Kitas svarbus to laikotarpio rezultatas buvo tobulesnių sujungimo laidais metodų sukūrimas. Vėliau buvo mažinami pasyvieji komponentai. Galiausiai pavyko automatizuoti komponentų montavimą spausdintinėse plokštėse. Jau 1954 m. United Shoe Manufacturing iš JAV pagamino automatus, sugebančius per valandą sumontuoti 100 plokščių laidų pynėmis ir rezistoriais (šaltinis nenurodo nei montavimo greičio, nei to, kokio dydžio buvo tos plokštės).

   Laidų pynės, spausdintinės plokštės laidininkai, storasluoksniai ir plonasluoksniai grandynai yra būdingi ankstyviesiems šiuolaikinio elektronikos komponentų sujungimo metodams. Vėliau sukurti naujos formos komponentai, nauji sujungimų tipai ir nauji gamybos metodai.

   Miniatiūrizavimo požiūriu buvo svarbus perėjimas prie komponentų gamyboje naudojamų naujų medžiagų, pavyzdžiui, medžiagų jų korpusams. Šiandien, IEEE teigimu, 90 proc. visų puslaidininkinių komponentų yra montuojami epoksidiniame plastike. Prieš 50 metų plastikai dar nebuvo pakankamai patikimi. Svarbesnėse vietose buvo naudojama keramika arba metalas.

Montažo konstrukcijos tobulinimas

   Labai svarbus pažangos etapas buvo paviršinio montavimo technologijos atsiradimas ("flip chip", IBM, 1964 m.). Paviršinis komponentų montavimas spausdintinėse plokštėse ypač paplito devintajame dešimtmetyje. Tada jis ir sukėlė tikrą perversmą, paskatinusį sparčiau tobulinti komponentus ir automatizuoti gamybos procesus. Pagal IEEE duomenis, 2000 m. paviršinis montavimas buvo naudotas gaminant net 70 proc. visų plokščių.

   Paviršinio montavimo paplitimui reikšmės turėjo naujai sukurti "chip carrier" tipo integrinių grandynų korpusai. Šios, dažniausiai kvadrato formos, kapsulės buvo pradėtos plačiai naudoti įmontuojant lustus ir keramikoje (LLCC - Leadless Ceramic Carrier), ir plastike (PLCC - Plastic Leaded Chip Carrier).

   IVF teigimu, atsiradus CC kapsulėms, elektronikos konstrukcijose pradėtos diegti unifikuotos sujungimo ir montavimo technologijos. Devintojo dešimtmečio elektronikos konstruktoriai gavo didesnį skylėse ir paviršiuje montuoti tinkančių komponentų pasirinkimą.

   Svarbu, kad toks konstrukcijos pasirinkimas lemdavo ne vien sujungimų tipą, bet ir žymiai paveikdavo daugelį gaminio savybių.

FPT

   Svarbus paviršinio montažo technologijos patobulinimas yra FPT - "Fine Pitch Technology" (smulkių žingsnių technologija), kuri pasirodė dešimtojo dešimtmečio pradžioje kartu su integriniais grandynais, tarp kurių kojelių arba išvadų buvo mažesni nei 0,65 mm nuotoliai. Kita panaši technologija yra "Ball Grid Array" (BGA) - kvadratinė rutuliukų matrica, atsiradusi antroje šio dešimtmečio pusėje. BGA yra būdinga daug išvadų, - 200 ir daugiau, atstumas tarp jų neviršija 1,27 mm. "Plikas" lustas yra montuojamas tiesiog plokštės paviršiuje. Po to viskas yra padengiama aplinkos poveikiui atsparia medžiaga. Vėliau atsiradęs BGA variantas yra CSP (Chip Size Packages - lusto dydžio korpusai), ne daugiau kaip 20 proc. didesni už korpuse įtaisytą lustą.

   Kitas evoliucijos etapas galėtų būti vadinamosios mikrosistemos, atsiradusios dešimtojo dešimtmečio pabaigoje. Tuo pat metu pradėtos intensyviai vystyti optinės technologijos, kurių dėka šiandien greitai tobulėja optiniai ir elektrooptiniai prietaisai, atsiranda daug naujų techninių sprendimų, besiremiančių legiruotais polimerais ar kristalinėse medžiagose sukurtomis mikrostruktūromis (vadinamosios nanotechnologijos).

   Per praėjusius 50 metų komponentų, jų sujungimo ir montavimo technologijos iš trečiaeilės ar antraeilės svarbos dalykų tapo svarbiausiuoju elektronikos konstrukcijų faktoriumi. Šiandien montažo pasirinkimas gali turėti lemiamą reikšmę produkto gamybos išeigai, parametrams, kainai ir patikimumui.

Kilby ir Noyce

    Williamas Schockley, Johnas Bardeenas ir Walteris Brattainas pelnytai laikomi tranzistoriaus išradėjais. Už tai jiems 1956 m. buvo suteikta Nobelio premija fizikos srityje. Kalbant apie monolitišką integravimą, yra ir kiti du žmonės, kuriuos galima vadinti šios technologijos išradėjais. Tai Jackas Kilby iš Texas Instruments ir Bobas Noyce iš Fairchild.

   Kilby sugalvojo visus funkcinius elementus gaminti viename silicio kristale sutalpintame grandyne.Tuo tarpu Noyce artėjo prie monolitinio integravimo iš kitos pusės. Jis pirmasis suprato, kad lusto paviršiuje įmanoma sukurti elektriškai laidžius jungiamuosius metalo takelius, panaudojant Jean Hoerni iš Fairchild 1958 metais sukurtus planarinius procesus.

Ir Kilby, ir Noyce savo patentų paraiškas išsiuntė 1959 metais, abu jie buvo apdovanoti prestižiniu Amerikos Nacionaliniu mokslo medaliu. Šitaip netiesiogiai pripažinta, kad abu jie yra monolitinio integravimo išradėjai.

Atmintinės ir procesoriai

   Pirmųjų 50-ties puslaidininkių epochos metų trečiąją pakopą atitinka technologija, kuri remiasi puslaidininkinėmis atmintinėmis ir mikroprocesoriais. Šiai technologijai pradžią davė IBM, sukūrusi pirmąją puslaidininkinę atmintį. Ją sudarė keturi lustai, įtvirtinti kvadratiniame 13 mm dydžio keramikos padėkle. Kiekvieno lusto atminties talpa buvo 16 bitų. 1971 m. šį prietaisą pakeitė MOS lustas, turėjęs 128 bitų talpą.

   Po to horizonte pasirodė Intel, pradžioje pradėjęs gaminti atmintines, o vėliau, 1971 m. pateikęs rinkai ištisą grandynų šeimą, į kurią įėjo mikroprocesorius 4004, tik nuskaitomoji atmintinė 4001, įrašomoji ir nuskaitomoji atmintinė 4002 ir įvesties - išvesties grandynas 4003. Procesoriaus grandyne buvo 2300 tranzistorių, jis sugebėdavo atlikti 60 000 operacijų per sekundę. Kai kalbama apie mikrokompiuterių epochą, pirmiausia prisimenami procesoriai, bet reikia atminti, kad vienodai svarbūs yra visi šie grandynai. Būtent jie pradėjo spartų vystymąsi, kurio liudininkais šiandien esame.

Kokybė

   Per pastaruosius 50 metų labai padidėjo medžiagų, komponentų, sistemų ir pačių galutinių produktų kokybės reikšmė. Kadangi tik padidinę atskirų dalių patikimumą, sukursime patikimą visumą, gaminiams sudėtingėjant kiekvienos detalės kokybė tapo vis svarbesnė. Be to, elektronikai ieškant naujų taikymo sričių karo, kosminėje, medicinos ir pramonės technikoje, vis griežtėjo elektronikos gaminiams keliami patikimumo reikalavimai.

   Čia verta paminėti dvidešimto amžiaus viduryje kokybės požiūriu nevertintą buitinę elektroniką. Šiandieninės buitinės elektronikos patikimumo laipsnis, lyginant jį su šeštuoju dešimtmečiu, yra lyg diena ir naktis. Daugeliu požiūrių dabartinė buitinė elektronika yra gerokai pranašesnė ir už vadinamąją tuometinę profesionaliąją elektroniką. Ypatingas buitinės elektronikos, kuriai keliami itin griežti patikimumo reikalavimai, pavyzdys yra automobilių elektronika.

   Pramonės gamybos kokybės reikšmė sparčiai augo jau Antrojo pasaulinio karo metais, ypač Jungtinėse Valstijose. Anksti pradėti kurti specialūs metodai, kuriais remiantis dideliuose gamybos srautuose būtų galima išrinkti gaminių egzempliorius, atitinkančius keliamus reikalavimus. Kitas žingsnis buvo žengtas tada, kai, pasitelkus statistikos priemones, pradėta valdyti gamybos procesus stengiantis iki nulio sumažinti brokuotų gaminių skaičių.

   Amerikiečių statistikas W. Edwards Demingas penktajame dešimtmetyje sukūrė mokslinius kokybės kontrolės sistemos pagrindus, kuriuos, kad ir kaip keista, elektronikos srityje pirmieji panaudojo ne amerikiečiai, bet japonai.

   Demingas aplankė Japoniją 1947 m. ir ten papasakojo savo idėjas. Japonai jas labai greitai priėmė ir šeštojo dešimtmečio pradžioje pradėjo diegti praktikoje. Tai lėmė ženklų didelės dalies japonų elektronikos pramonės gaminių kokybės pagerėjimą.

   Kol JAV ir Europa vis dar tenkinosi jau užbaigtų gaminių kokybės testais, japonai vis dažniau kokybę kontroliavo nuo pat pradinių technologinių procesų. Tokia tendencija vyravo iki 1983 m. Tuomet Hewlett-Packard paskelbė ataskaitą, kurioje buvo tvirtinama, kad japoniškieji komponentai yra ženkliai patikimesni už amerikietiškuosius. Pavyzdžiui, šviesos diodų atveju skirtumas sudarė tris eiles arba tūkstantį kartų.

   Būtent po šio konstatavimo ir JAV, ir Europoje buvo pereita prie statistinės kokybės kontrolės.