Storia dei circuiti stampati: dagli albori al futuro – Parte 1

Come tutte le grandi invenzioni, i circuiti stampati (PCB) sono stati sviluppati grazie agli eventi accaduti nel corso della storia. In questo articolo scopriremo i momenti cruciali che hanno inciso nella formazione del circuito stampato che oggi conosciamo, cioè una scheda utilizzata per collegare elettricamente e supportare meccanicamente i componenti elettronici. Questa scheda è ottenuta tramite un processo di stampa da cui deriva il nome “circuito stampato”.

L’evoluzione dei circuiti stampati ha avuto un ruolo determinante nell’ottimizzazione della produzione elettronica. Tutto quello che una volta veniva montato facilmente a mano, adesso ha lasciato il posto a componenti microscopici che richiedono la precisione e l’efficienza dei macchinari per essere assemblati.

Consideriamo ad esempio le due schede elettroniche mostrate nell’immagine seguente: quella a sinistra è una vecchia scheda di un calcolatore fatta negli anni ’60, l’altra è una tipica scheda madre ad alta densità che puoi trovare facilmente nel tuo computer.

Un vecchio calcolatore conteneva probabilmente poco più 40 transistor oggi invece, in un piccolo chip di una scheda madre ci sono oltre un milione di transistor. La velocità con cui la tecnologia e il design dell’elettronica stanno progredendo è impressionante. Tutto quello che era contenuto in un calcolatore degli anni ’60 adesso si trova in un singolo circuito integrato.

Il progresso dell’elettronica viene guidato dalle esigenze dei consumatori che richiedono maggiore velocità e funzionalità dei prodotti elettronici. Spesso ci aspettiamo che i nostri dispositivi rispondano istantaneamente, e anche un ritardo di un paio di secondi può diventare snervante. I consumatori si aspettano dispositivi veloci, economici e potenti; l’unico modo per soddisfare tali esigenze è quello di miniaturizzare e rendere più efficiente il processo di produzione.

Quando è iniziata l’ascesa verso l’elettronica e i suoi circuiti stampati?

Tutto ebbe inizio nell’età dorata americana (1879 – 1900). Negli Stati Uniti, dopo la guerra civile, la produzione era in forte espansione e proprio in quel periodo vi furono importanti scoperte nel campo dell’elettromagnetismo. Arriva l’elettricità nelle case di tutte famiglie iniziando prima dalle città, poi spostandosi nelle periferie e nelle zone rurali. In quegli anni vissero grandi inventori:

• Thomas Edison che inventò la lampadina nel 1879;
• Nikola Tesla che ha inventato il motore nel 1888 e l’alimentazione alternata nel 1895;
• Alexander Graham Bell inventò il telefono nel 1876;
• George Eastman ha inventato la prima fotocamera nel 1884;
• Herman Hollerith inventò la macchina tabulatrice nel 1890 ed in seguito fondò la IBM.

L’invenzione dei circuiti stampati non risale a quel periodo, tuttavia, senza la capacità produttiva di quel tempo e senza la diffusione dell’elettricità, probabilmente essi non esisterebbero.

Il primo brevetto di un circuito stampato è stato depositato nel 1903 dall’inventore tedesco Albert Hanson, che produsse un modello circuitale formato da un conduttore piano in alluminio posto su un substrato dielettrico. Hanson nel suo brevetto aveva descritto anche il concetto di foro passante, ovvero un foro attraverso due strati collegati da fili perpendicolari per stabilire una connessione elettrica.

I circuiti di Hanson furono usati per semplificare le centraline telefoniche. Secondo gli standard attuali, queste schede sembrerebbero molto grezze. Tuttavia, i circuiti di Hanson avevano molti tratti comuni con i circuiti stampati odierni, compresi le piste conduttrici su entrambi i lati collegate da un foro passante.

Nell’età progressiva (1890 – 1920) si inizia a vedere una diffusione dei dispositivi elettrici nelle case degli americani. La diffusione però è stata rallentata a causa di una mancata standardizzazione. Un abitante di New York che usava le invenzioni elettriche di Tomas Edison non poteva utilizzare le stesse in altre città, perché ogni città aveva le proprie configurazioni di prese. Questo problema fu aggravato dal fatto che Edison non voleva vendere solamente una lampadina, ma voleva vendere un servizio. Avresti avuto il tuo servizio elettrico collegato da Edison per un canone mensile; allora avresti dovuto comprare i suoi dispositivi (lampadine ed elettrodomestici), naturalmente nessuno di questi era compatibile con altri metodi concorrenti.

Dobbiamo ringraziare Harvey Hubbel che nel 1915 ha brevettato la presa a muro standard, il suo brevetto fu una grande vittoria per la standardizzazione del settore. Questo periodo fu segnato dalla prima guerra mondiale in cui i conflitti erano focalizzati esclusivamente su apparecchiature meccaniche e sulla guerra di trincea. Il concetto di PCB e persino l’elettronica di base non erano ancora stati utilizzati per applicazioni militari, ma lo avrebbero fatto presto.

Nel 1925, l’inventore americano Charles Ducas contribuì con un importante passo nella tecnologia dei circuiti. Il suo metodo “additivo” stampava dei percorsi conduttivi direttamente su una superficie isolata. Le piste venivano stampate su una scheda attraverso uno stampino e l’inchiostro applicato poteva condurre elettricità. Questo processo è una versione iniziale dell’electroplating, infatti l’invenzione di Ducas è nota come printed wiring (cablaggio stampato). Ducas è stato anche in grado di prevedere il futuro dei circuiti stampati. Di fatto, i suoi scritti descrivono la possibilità di creare circuiti multistrato collegando insieme più schede.

Durante la seconda guerra mondiale gli Stati Uniti entrano in guerra nel 1942 dopo il bombardamento di Pearl Harbor, dove un difetto nei metodi di comunicazione degli americani favorì l’attacco dei giapponesi. A causa di questo fallimento, il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti si rese conto che c’era bisogno di un metodo di comunicazione affidabile e veloce. Viene perciò favorita la ricerca nel campo dell’elettronica per individuare una valida alternativa al vecchio codice morse.

Durante la Seconda Guerra Mondiale esordisce la prima applicazione militare di un circuito stampato: il dispositivo Proximity fuze MK53, usato nell’artiglieria ad alta velocità per sparare con precisione su grandi distanze in cielo o in terra. Il dispositivo era altresì conosciuto come miccia di prossimità, in grado di far esplodere missili o proiettili automaticamente quando la distanza dal bersaglio diventava molto piccola.

In questo periodo Paul Eisler, un austriaco residente nel Regno Unito, deposita un brevetto di circuito stampato con strati di rame su un substrato di vetro non conduttivo, molto simile ai circuiti che conosciamo oggi con un substrato isolante e delle piste di rame sulla parte superiore e inferiore. La tecnica sottrattiva concepita da Paul Eisler viene usata ancora oggi e consiste nel rimuovere il rame indesiderato per lasciare spazio alle piazzole e alle piste. Nel 1942 Eisler sviluppò la sua prima applicazione dei circuiti stampati realizzando una radio che avrebbe aperto la strada alle applicazioni militari future.

Ma come siamo arrivati ai circuiti stampati che conosciamo oggi? Scopriamolo nel prossimo articolo!