TEKNIKHISTORIA

Utdrag ur Elektronik i Norden nr 12 2002

50 års elektronikutveckling:

Från elektronrör till SiP

De senaste 50 åren präglas av genomgripande förändringar.
Det gäller såväl material som komponenter, byggsätt, system, kvalitet som prisbild. Artikeln är en historisk exposé över elektronikutvecklingen.

Viktiga utvecklingslinjer är:

digitalteknikens utbredning,

programminnesstyrda funktioner,

utvecklingen från enfunktions- till systemkomponenter,

miniatyriseringen,

den ständigt ökande komplexiteten,

byggsättens utveckling,

kvalitetsteknikens utveckling,

nya tillämpningsområden,

den moderna konsumentelektroniken,

prisutvecklingen -pris som funktion av funktionalitet och tillförlitlighet.

För att belysa de senaste 50 årens utveckling inom komponent- byggsätts- och elektroniktillverkningsområdena kan vi jämföra nu och då. "Nu" kan sammanfattas med hög komplexitet och ett stort antal funktioner i liten volym samt hög tillförlitlighet till lågt pris. Det gäller för exempelvis en mobiltelefon.

"Då" kan illustreras med enkla funktioner i betydande volym, med dagens mått mätt låg tillförlitlighet samt ett högt pris, t ex en s k trafikmottagare, en kortvågsmottagare för professionell användning.

Observera att äldre tiders uppdelning i kvalitetshänseende i konsumentelektronik och professionell elektronik inte längre är adekvat.

Kännetecknande för mobiltelefonen är digital teknik, mycket hög komplexitet, programstyrda funktioner, hög integreringsgrad, avancerad intern förbindningsteknik samt långt driven automatiserad tillverkning. För mottagarna från omkring 1950 gäller analog teknik, diskreta komponenter samt manuell tillverkning.

Komponentpanorama

I slutet av 40-talet och i början av 50-talet såg komponentpanoramat helt annorlunda ut än i dag. I de allra flesta fallen var regeln en funktion per fysisk komponent. Det mest framträdande undantaget var olika typer av elektronrör, t ex triod-hexod (för blandarsteg i superheterodynmottagare), diod-triod (för AM-detektering och LF-förstärkning) och dubbeldiod (för nätlikriktare). Ett annat undantag var dubbla elektrolytkondensatorer i en gemensam bägare (för användning i nätlikriktare). Ett tredje undantag var spolsystem för radiomottagare, bestående av ett mer eller mindre komplicerat system av bl a spolar, trimkondensatorer och våglängdsomkopplare.

IEEE ger i minnesskriften "50 Years of Components, Packaging and Manufacturing Technology" följande översikt över de passiva komponenter som dåtidens elektronikkonstruktör måste känna till och kunna använda:

motstånd (massa, kolfilm, metallfilm och trådlindade),

fasta kondensatorer ("aluminiumelektrolyt", pappers, mylar, glimmer och tantal (med vätskeelektrolyt) samt keramiska kondensatorer och oljefyllda papperskondensatorer i stora bägare (diameter ca 75 mm, höjd ca 150 mm),

induktiva komponenter (trådlindade med axiella tilledare),

anslutningsdon (redan då en rik flora),

kvartskristaller (nästan alla tidsbestämmande kretsar baserades på kristaller; dessa var vanligen hermetiskt kapslade i metallhöljen),

pulstransformatorer (med lindade ferritkärnor),

minneselement (uteslutande av ferritkärneutförande med tre eller fyra ledare genom kärnans centrum),

switchar, fläktar, kabelstammar, chassier och ramdelar.

Till detta kan läggas till exempel vridkondensatorer (enkla och gangade), trimkondensatorer, potentiometrar (enkla, dubbla och trim-), reostater, nättransformatorer, drosslar, transformatorer till LF-slutsteg och högtalare.

Intet nytt

Under andra hälften av 1900-talet ökade uppmärksamheten på kvaliteten hos komponenter, tillverkningsprocesser, apparater och system mycket kraftigt. Kvalitetsperspektivet i sig var dock inte något nytt, t ex hade IEEE redan 1950 klara belägg för att det fanns miljondollarbesparningar att hämta om man började ägna komponenterna mer uppmärksamhet redan på konstruktionsstadiet. Man sade med andra ord klart ut att 1950-talets komponenter var allt annat än tillförlitliga, men man saknade standardiserade metoder för att testa komponenter. Alltså tvingades man börja utveckla sådana metoder.

Med den ringa kunskap man då hade om komponentfel visste man ändå att omkring 60 procent av de fel man upptäckte berodde på dåliga tillverkningsmetoder och olämpliga material. En vanlig orsak var t ex att man kombinerade material med olika termisk utvidgning.

Värme, fukt och svampbildning stod för omkring 80 procent av de miljöfaktorer som bidrog till komponentfelen, stötar och vibration för de återstående 20 procenten.

Miniatyrisering

Tillkomsten av transistorn 1947, utvecklingen av mönsterkortstekniken samt patentansökningarna för de första integrerade kretsarna 1959 startade en utveckling i riktning mot miniatyrisering och ökande komplexitet, ett förlopp som fortfarande pågår. Men i och med att elektroniken började komprimeras blev borttransport av förlustvärme ett ständigt växande problem.

Tillkomsten av den integrerade kretsen medverkade i sin tur till en kraftig utveckling på materialsidan. Man upptäckte möjligheter hos nya material och utvecklade metoder för att prova dessa. Utvecklingen inom förbindningstekniken tog fart, likaså accelererade utvecklingen av nya metoder för tillverkning. I åtskilliga fall uppvisade dessa precisionsegenskaper av tidigare otänkbart slag. En förutsättning för utvecklingen var dock att man enades om metoder för att prova material, komponenter, tillverkningsmetoder och elektronik. Därför tog också standardiseringen fart på allvar.

Miniatyriseringen, utvecklingen mot lägre förlusteffekter, ökande tillförlitlighet och minskningen av tillverkningskostnaderna startade den lavinartade utveckling som vi ännu inte ser slutet av. I och med att man lyckades passera olika tekniska och tillverkningstekniska barriärer och dessutom kunde tillverka komponenter allt billigare, lades grunden för den snabba utveckling av konsumentelektroniken som vi sett sedan dess. Hörapparater, radiomottagare, miniräknare och armbandsur var här föregångare.

Några av halvledarepokens alla tidigaste försök till massprodukter var transistorradiomottagare. En av de första, om inte den allra första, var Regency TR1, som kom 1954 och var bestyckad med germaniumtransistorer. Tidigare samma år hade Texas Instruments (TI) börjat serietillverka skikttransistorer av kisel med odlade PN-övergångar, vilka var avsedda för just radiomottagare.

1954 eller 1955 gjorde japanska Sony sitt första insteg på marknaden, också med en transistorradio, TR-52.

Framsynt fullträff

Man kan likna de första 50 åren av halvledarepoken med en rymdraket. Det första steget motsvaras av tillkomsten av transistorn, det andra av den integrerade kretsen och det tredje av den halvledarminnes- och mikroprocessorbaserade elektroniken.

Även om man kan datera födelsen av den integrerade kretsen till 1959, uppstod tanken att integrera komponentfunktioner i ett block långt tidigare. En synnerligen framsynt prognosmakare var britten Geoffrey William Arnold Dummer, som på en stor komponentkonferens i Washington redan 1952, framförde något som ibland kallas "Dummer's prediction". Han sade då enligt tidskriften Electronics:

"With the advent of the transistor and the work in semiconductors generally, it seems now possible to envisage electronic equipment in a solid block with no connecting wires. The block may consist of layers of insulating, conducting, rectifying and amplifying materials, the electrical functions being connected directly by cutting out areas of various layers."

Sällan har en teknikvision fått så omfattande genomslag i verkligheten som Dummers. Han var anställd hos brittiska "Royal Radar Establishment" och hans föredrag handlade om tillförlitlighet hos radarkomponenter.

Mönsterkortet

Även om mönsterkorttekniken började växa till sig först under 50-talet, är de grundläggande tankarna bakom denna förbindningsteknik betydligt äldre. Redan före 1930 hade man kommit fram till att det måste finnas bättre sätt att förbinda komponenter än med hjälp av kopplingstråd. Redan 1925 patenterade exempelvis Charles Ducas (förmodligen i USA) en metod att framställa elektropläterade ledare av koppar, silver eller guld på ytan av ickeledande material. Tekniken, som var en föregångare till dagens kortteknik slog emellertid inte igenom. Det gjorde däremot i viss mån en variant baserad på stansade mässingsremsor på bakelitunderlag. Den förbindningstekniken debuterade 1930 i en sexrörs radiomottagare.

Ett steg i utvecklingen togs 1944 i Storbritannien då Paul Eisler fick patent på en metod att tillverka "tryckta kretsar" utgående från en metallfolie laminerad på en basskiva av ett isolerande material. Därmed var grunden lagd för det moderna mönsterkortet.

1950 startade Powers Chemco i USA ett laboratorium för att vidareutveckla ett förfarande som man börjat experimentera med inom det amerikanska försvaret året före och som resulterade i etsade laminat som kunde dopplödas. Verksamheten ledde till bildandet av Photocircuits Corp, som gjorde sig känt som licensgivare av processer för mönsterkortstillverkning. Med dessa licenser kom etableringen av mönsterkortföretag i gång på allvar.

Det vanligaste basmaterialet var i början s k fenolpapper, ett pappersmaterial som impregneras med polymeren fenol. Fenolpapperskort har emellertid begränsningar som gjorde att man tidigt såg att de inte passade för professionella applikationer. Däremot blev de snabbt vanliga i t ex radio- och TV-mottagare.

Man såg sig därför om efter alternativ, bl a pappersepoxi, och sedan kom glasfiberarmerade polymerkort. 1952 kom kort baserade på glasfiberepoxi, 1953 kom kort med genompläterade hål (tekniken godkändes av det amerikanska försvaret året därpå), 1955 debuterade lödmasktekniken och 1960 kom de första flerlagerskorten. 1963 - 1964 hade flerlagerskorten utvecklats till en kommersiellt acceptabel nivå. Därefter inleddes en förfining kännetecknad av bl a allt smalare ledarbredder och mindre isolationsavstånd, allt mindre lödöar, större kortareor, samt fler ledar- och isolationslager, nya basmaterial och metoder för avledning av förlustvärme.

Ett exempel: Inom IBM hade man i början av 80-talet utvecklat ett 32-lagerskort med formatet 24 × 28 tum (ca 61 × 71 cm) och som bestyckat med komponenter vägde drygt 45 kg. Kortets strömförbrukning var upp emot 1 kA (1 000 A!), och med tanke på strömmatningen var det försett med inre kopparplan och kraftiga yttre kopparstänger.

En fråga som diskuterades på sin tid var hur långt man rimligen kunde driva flerlagerstekniken. Enligt uppgift studerade bl a japanerna den här frågan och efter försök och kalkyler kom man fram till att den övre gränsen låg på drygt 70 lager. Ju fler lager desto snabbare ökar ju problemen med kortkvalitet och godtagbart produktionsutbyte, och därmed tillverkningskostnaderna, som till sist sätter ett tak för utvecklingen.

Förbindningsteknik

Perioden 1947 - 1960 kännetecknades inte bara av transistorer och idéer om möjligheter till integrering utan också av ett antal andra, mindre omtalade men väl så viktiga utvecklingsförlopp. Till exempel såg tjockfilmstekniken dagens ljus efter att under andra världskriget ha vuxit fram ur utvecklingen av zonrör (tändare för t ex bomber). Tunnfilmstekniken föddes 1959 och utvecklades inom Bell Labs som en metod att på substrat av keramik eller glas förånga detaljer av tantal, vilka bildar ledarbanor, motstånd och kondensatorer.

Andra resultat från den här perioden är avancerade metoder för trådförbindning, bl a virning som kom 1953. Vidare inleddes miniatyriseringen av de passiva komponenterna. Slutligen kom utvecklingen av automatiserad montering av komponenter på mönsterkort. Redan 1954 hade United Shoe Manufacturing i USA kommit med automater som kunde montera trådbyglar och axiella motstånd på kort med en hastighet av upp till 100 kort per timme (källan upplyser varken om monteringshastigheten eller kortens storlek).

Trådförbindningar, ledare på mönsterkort, tjockfilmskretsar och tunnfilmskretsar kan illustrera tidiga, moderna sätt att förbinda elektronikkomponenter. Utvecklingen fortsatte med nya komponentformer, nya förbindningssätt och nya tillverkningsmetoder.

Viktigt vad gäller komponenterna är, vid sidan om miniatyriseringen, övergången till nya material i t ex kapslingar. I dag kapslas enligt IEEE 90 procent av alla halvledarkomponenter i epoxiplast. Det var helt annorlunda för 50 år sedan då plast inte räckte till i tillförlitlighet. För krävande applikationer gällde keramik eller metall.

Byggsättsutveckling

Ett mycket viktigt steg i utvecklingen är tillkomsten av ytmontering på mönsterkort. Ytmontering på substrat för hybridkretsar fanns sedan tidigare, enligt uppgift redan på 60-talet: IBM, "flip-chip", 1964.

Ytmontering på kort började att ta fart i början av 80-talet och innebar något av en revolution som drog med sig en snabb utveckling av komponenterna och en ökad automatisering av tillverkningen. Enligt IEEE ytmonterades år 2000 ca 70 procent av alla tillverkade kretskort.

En kapslingsfamilj för integrerade kretsar som kom att få en särskild stor betydelse för genomslaget av ytmonteringstekniken, var "chip carrier". Denna, vanligen kvadratiska kapsel, slog igenom för både keramiskt kapslade komponenter (LLCC, Leadless Chip Carrier eller Leadless Ceramic Carrier) och plastkapslade (PLCC, Plastic Leaded Chip Carrier).

Enligt IVF är det med tillkomsten av CC-kapslarna som man kan börja tala om elektronikbyggsätt som något mer än enbart förbindnings- och monteringsteknik. 80-talets elektronikkonstruktörer kunde i ökande omfattning börja att välja mellan antingen hål- eller ytmonterade komponenter.

Betonas skall att valet av byggsätt inte enbart är ett val mellan olika förbindningssätt utan också ett val genom vilket man kan påverka produktens egenskaper.

FPT

En förfining av ytmonteringstekniken är "Fine Pitch Technology" (FPT), som kom i början av 90-talet med integrerade kretsar med under 0,65 mm delningsavstånd mellan ben eller uttag. Ett annat är "Ball Grid Array" (BGA), som växte fram under senare hälften av 90-talet. Typiskt för BGA är de många anslutningarna, 200 och uppåt, med ett delningsavstånd på som mest 1,27 mm. Ytterligare en utveckling är att man monterar nakna chip direkt på ytan av en bärare. Efter att de monterats täcks de med ett miljöskyddande material. En vidareutveckling av BGA-kapslarna är CSP (Chip Size Packages) som inte får vara mer än 20 procent större än det chip som finns i kapseln.

Nästa steg i utvecklingen kan förslagsvis utgöras av de s k mikrosystemen, som kom i slutet av 90-talet. Samtidigt började optotekniken att gripa omkring sig och vi ser i dag att optiska och elektronikoptiska lösningar pekar på en utvecklingsväg in i framtiden, likaså möjligen lösningar baserade på dopade polymerer samt sådana på mikrostrukturer i kristallina material, s k nanoteknik. Ännu längre fram i tiden kittlar elektronik baserad på biologiska material vår fantasi. Men nu gäller det att se upp.

Är det någonting som de gångna 50 årens elektronikutveckling borde ha lärt oss så är det att vi skall vara ytterst försiktiga med att sia om framtiden. Det gäller både nya "teknologier" och när sådana kan väntas slå igenom på marknaden.

Under de gångna 50 åren har komponenter och förbindningsteknik, alltså byggsätt, utvecklats från att vara en tredje eller andra rangens till en första rangens faktor vid konstruktion av elektronik. I dag är valet av byggsätt avgörande för en produkts producerbarhet, egenskaper, pris och tillförlitlighet.

Kilby och Noyce

William Shockley, John Bardeen Jr och Walter Brattain betraktas välförtjänt som transistorns uppfinnare, vilket bekräftades genom att de tre fick dela på nobelpriset i fysik 1956. När det gäller den monolitiska integreringen finns det två andra personer, som förtjänar att kallas teknikens uppfinnare, nämligen Jack Kilby på Texas Instruments och Bob Noyce på Fairchild.

Kilby hade kommit på tanken att tillverka alla funktionselement i en krets på ett monolitiskt chip av kisel. Noyce däremot, närmade sig den monolitiska integreringen från andra hållet. Han var den förste som insåg att det var möjligt att trycka elektriskt ledande och förbindande metallremsor på ett chip, något som gjordes möjligt genom den av Jean Hoerni hos Fairchild 1958 utvecklade planarprocessen.

Både Kilby och Noyce skickade in sina patentansökningar 1959 och båda tilldelades sedermera den amerikanska prestigefylla utmärkelsen "National Medal of Science", vilket innebar att man slagit fast att Kilby och Noyce tillsammans är den monolitiska integreringens uppfinnare.

Minnen & processorer

Enligt ovan kan det tredje raketsteget under halvledarepokens första 50 år motsvara teknik baserad på halvledarminnen och mikroprocessorer, med kringkretsar. Utvecklingen inleddes med att IBM kom med det första halvledarminnet. Detta bestod av fyra chip på ett kvadratiskt substrat av keramik med ca 13 mm kantlängd. Varje chip hade kapaciteten 16 bit. 1971 följde man upp med ett MOS-chip på 128 bit.

Sedan kom Intel in i bilden, först med minnen sedan, 1971, med en kretsfamilj bestående av mikroprocessorn 4004, läsminnet 4001, skriv/läsminnet 4002 och in/utkretsen 4003. Processorkretsen innehöll 2 300 transistorelement och klarade 60 000 operationer per sekund. Processorn är den komponent som fått framstå som exponent för inledningen till hela mikrodatorepoken, men egentligen är det hela familjen man skall tänka på. De nämnda kretsarna startade den lavinartade utveckling vi ännu befinner oss i.

Kvalitet

Mycket viktigt för de senaste 50 årens elektroniktillverkning är kvaliteten vid tillverkning av material, komponenter och system, liksom slutprodukterna själva. Eftersom deltillförlitligheterna multipliceras till en total tillförlitlighet, blir kvaliteten hos den enskilda detaljen snabbt viktigare ju mer komplicerat uppbyggd en produkt är. En annan aspekt är att för att elektroniken skulle kunna finna nya tillämpningar inom militära, rymdtekniska, medicinska och industriella områden, så måste den möta ständigt ökade krav på tillförlitlighet i sin avsedda användning.

Här bör den i mitten av 1900-talet i kvalitetshänseende nedvärderade konsumentelektroniken nämnas. Tillförlitligheten hos dagens konsumentelektronik ligger nämligen skyhögt över den hos 50-talets hemelektronikprodukter; i de flesta fall även över vad som gällde för dåtidens proffselektronik. Ett tydligt exempel på konsumentelektronik med ytterst höga krav på tillförlitlighet är fordonselektroniken.

Kvalitet inom industriproduktion blev ett begrepp som snabbt ökade i betydelse under andra världskriget, framför allt i USA. Tidigt började man utveckla olika metoder för att selektera fram godkända produktexemplar ur stora produktflöden. Nästa steg bestod i att man med hjälp av statistiska hjälpmedel började lära sig att styra produktionen i riktning mot noll fel. "Ständig förbättring" blev ett slagord i denna strävan.

Den amerikanske statistikern W Edwards Deming kom under 40-talet med grunderna i ett tankesystem för kvalitetsbygge som, konstigt nog inte amerikanerna, utan japanerna, var först med att anamma; i varje fall när det gällde elektronikproduktion.

Deming besökte Japan 1947 och redogjorde för sina tankar. Japanerna accepterade snabbt hans idéer och började i början av 50-talet att omsätta dem i praktiken. Det ledde till en betydande kvalitetshöjning inom stora delar av den japanska elektronikproduktionen.

Medan man i USA och Europa testade fram kvalitet, byggde japanerna i stigande omfattning kvalitet redan från början. Utvecklingen pågick till 1983 då en varningslampa tändes i USA. Då rapporterade Hewlett-Packard att japanska komponenter uppvisade en betydligt högre tillförlitlighet än motsvarande amerikanska (enligt uppgift bl a lysdioder). "Three orders of magnitude", dvs tre tiopotenser, angavs skillnaden till.

Denna iakttagelse bidrog sedan till en omsvängning mot statistisk kvalitetsstyrning i både USA och Europa.

Författare: Gunnar Christiernin

Artikeln är inspirerad av "50 Years of Components, Packaging and Manufacturing Technology", en IEEE-broschyr som belyser utvecklingen 1950 -2000. Broschyren har utarbetats av IEEE CPMT Society och IEEE History Center.
En mycket givande bok är "An Age of Innovation -- The World of Electronics 1930-2000. McGraw-Hill Publications Co, 1981. ISBN 0-07-606688-6.

Klippt av Stig Hetze 2017-01-11