Пятнадцать лет назад я покупал отдельно телефон, фотоаппарат, GPS-навигатор и MP3-плеер. У меня был рюкзак, полный гаджетов, и куча проводов для их зарядки. Сегодня всё это заменяет один смартфон. Он не просто стал легче и мощнее — он меняет то, как я общаюсь, работаю и отдыхаю.

Знаете, что самое удивительное в современной электронике? Мы перестаем её замечать. Каждый день мы носим в карманах устройства мощнее компьютеров, которые отправляли людей на Луну. И воспринимаем это как норму.

Вычислительная мощность растет, но размеры устройств остаются прежними или даже уменьшаются. Кажется, что инженеры бесконечно уплотняют компоненты в ограниченном пространстве и нарушают законы физики.

В этой статье мы проследим, как эволюционировали наши гаджеты за последние десятилетия. А затем заглянем внутрь устройств и разберемся, какие технологии делают это возможным.

Дисклеймер: мы упростили описания, чтобы статья была интересна широкой аудитории.

Мобильные технологии развивают остальные отрасли

В 90-х телефоны были громоздкими кирпичами и умели только звонить и отправлять SMS. Их монохромные экраны показывали текст и примитивные изображения. Самые продвинутые модели включали калькулятор, будильник и игру "Змейка".

В 2000-х телефоны стали компактнее с цветными экранами и начали объединять несколько устройств. Они получили первые камеры (1-5 Мп), MP3-плееры, радио и простой доступ в интернет через WAP/GPRS.

В 2010-х телефоны превратились в полноценные смартфоны с сенсорными HD-экранами и мощными процессорами. Они могли снимать HD-видео, использовать 4G-интернет, работать с сотнями приложений. Заменили множество устройств: постепенно нас покинули фотоаппараты, навигаторы, плееры и кошельки.

К 2025 году смартфоны обзавелись нейропроцессорами и камерами профессионального уровня. Они поддерживают 5G, биометрию, дополненную реальность. Управляют умным домом. Процессоры сравнялись по мощности с ноутбуками. Теперь полный гаджетов рюкзак помещается у нас в кармане!

Есть и минусы у такого развития. Теперь устройства сложно ремонтировать. Если 15 лет назад замена аккумулятора в телефоне занимала 30 секунд, то сейчас для этого нужна мастерская с микроскопом.

Мобильные технологии — локомотив, который тянет за собой остальную промышленность. Компоненты для мобильных устройств надежные и недорогие, поэтому быстро мигрируют в другие отрасли.

Экраны светят ярче, а энергии тратят меньше

Когда-то я пользовался телефоном с тусклым монохромным экраном, на котором едва можно было разобрать текст в солнечный день. Сегодня смартфоны радуют яркими и сочными изображениями даже при прямом солнечном свете.

В современных дисплеях, которые часто называют «LED», на самом деле используют комбинацию технологий — LED-подсветка + LCD-матрица (правильнее называть их LED-LCD). 

Это работает так: задняя LED-подсветка светит через жидкие кристаллы, которые либо пропускают, либо блокируют свет. Затем свет проходит через цветные фильтры, формируя изображение. Представьте фонарик, светящий через витраж — примерно так это работает.

Более современные OLED-экраны работают иначе. В них каждый пиксель — это отдельный источник света. Такой дисплей полностью отключает пиксели в тёмных областях изображения. Поэтому на iPhone с OLED-экраном чёрный цвет выглядит действительно чёрным, а не тёмно-серым, как на iPhone с LED-LCD. Ярче всего эта разница заметна при просмотре ночных сцен в фильмах — звёзды в космосе кажутся ярче, а чернота космоса — глубже.

Есть и другие отличия. OLED-дисплеи тоньше и могут быть гибкими, что позволило создать складные смартфоны. Но они дороже в производстве и могут выгорать со временем — возможно, вы замечали остаточные изображения на экране старых моделей телефонов.

Micro LED — революционно новая технология дисплеев.

Это пример Micro LED — новейшей технологии дисплеев, где каждый пиксель состоит из микроскопических светодиодов размером менее 100 микрон. Для сравнения: толщина человеческого волоса — около 70 микрон.

Как и OLED, каждый пиксель Micro LED сам излучает свет и может полностью отключаться. Но в отличие от органических материалов OLED, здесь используют неорганические, более долговечные светодиоды.

Кроме "Сферы", технология используется в телевизорах Samsung The Wall и некоторых передовых автомобильных дисплеях, например, в круглом экране новых Mini Cooper.

Сравнение технологий дисплеев

Автомобили превратились в компьютеры на колесах

Иногда вспоминаю старенькую «Волгу» отца. Механический спидометр, несколько контрольных лампочек. Самой продвинутой электроникой был кассетный магнитофон, который отец установил в гараже сам.

Современный автомобиль — это компьютер на колёсах, который содержит до 100 электронных блоков управления и несколько километров проводки. Для сравнения, среднестатистический автомобиль 1990-х имел около 10–15 электронных блоков и примерно в3–4 раза меньше проводки.

Возьмём, к примеру, системы помощи водителю (ADAS). Они используют камеры, радары, лидары и другие сенсоры, чтобы «видеть» дорогу. Все эти данные компьютер обрабатывает в реальном времени.

HDI-платы позволяют разместить все необходимые компоненты в ограниченном пространстве автомобиля. А самые продвинутые системы автопилота, как в Tesla Model 3 или Mercedes EQS, уже используют Ultra HDI для максимальной производительности при минимальных размерах.

Сравнение автомобильной электроники

Впрочем, такая сложность имеет минус — стоимость ремонта современного автомобиля после даже небольшой аварии может быть в несколько раз выше, чем у моделей 20-летней давности. Все из-за дорогих датчиков и прочей электроники.

Медицинские устройства годами работают от одной батарейки

Первые фитнес-браслеты умели считать шаги и приблизительно оценивать калории. Точность оставляла желать лучшего — погрешность в подсчёте шагов достигала 20–30%.

Сейчас смарт-часы измеряют пульс с точностью 95–98% от медицинского оборудования, уровень кислорода в крови с погрешностью ±2%, снимают ЭКГ, отслеживают фазы сна, обнаруживают падения и могут вызвать экстренные службы. Apple Watch умещает в корпусе размером с монету процессор, несколько сенсоров, батарею, экран и модули связи.

Современные кардиостимуляторы имеют размер около 2,5 см и вес менее 2 грамм — в 10 раз меньше и легче моделей 20-летней давности. При этом они способны непрерывно работать до 15 лет без замены батареи.

Секрет — в тех же сверхплотных платах, которые позволяют разместить сложную электронику в минимальном объёме. Хотя HDI-платы технологически сложнее, они позволяют создать устройство с меньшим количеством компонентов и соединений, что снижает вероятность поломки.

Более короткие проводники обеспечивают лучшую целостность сигналов. В плотных компоновках расстояния между компонентами меньше. Это снижает задержки сигналов, помехи и перекрестные наводки.

Благодаря этому мы получаем не просто маленькие, но и сверхнадёжные устройства. А надёжность в медицине — первый приоритет.

Как все уместить в маленьком корпусе

Возьмите свой смартфон и задумайтесь — как инженерам удалось втиснуть столько функций в такой тонкий корпус? Ответ кроется в уплотнении компонентов. Если раньше дорожки на печатных платах можно было разглядеть невооруженным глазом, то теперь для этого нужен микроскоп.

Печатная плата — это основа электронного устройства, его скелет и нервная система одновременно. В современных устройствах к ней предъявляются жесткие технические требования, что классический процесс производства уже не справляется. 

Чтобы создавать сверхтонкие смартфоны, миниатюрные медицинские имплантаты и компактные автомобильные системы, пришлось разработать новые технологии производства ПП. Давайте разберемся, как это работает.

Эволюция плотности печатных плат

Для сравнения: если бы дорожка на печатной плате была шириной с городскую улицу, то за 20 лет мы перешли от шестиполосного проспекта к узкому переулку, где едва разминутся два велосипедиста.

Мы уже рассказывали, как производим классические печатные платы. Берем пластину с нанесённым слоем меди толщиной 12–105 микрон, покрываем её фоторезистом, засвечиваем через шаблон, а затем травим незащищённые участки меди. В итоге остаются только нужные дорожки.

Но есть предел тому, насколько тонкими могут быть дорожки при таком подходе — примерно 75-100 микрон. Представьте, что вы вырезаете фигурки из бумаги — чем тоньше линии, тем сложнее их вырезать аккуратно. Примерно так же и с травлением меди.

Поэтому для HDI и Ultra HDI плат используют другие технологии — SAP (Semi-Additive Process, полуаддитивный процесс) и mSAP (modified Semi-Additive Process, модифицированный полуаддитивный процесс).

В SAP мы начинаем с очень тонкого слоя меди (меньше 1,5 микрон), наносим фоторезист, создаём узор, открывающий области, где нужна толстая медь, и затем наращиваем медь электрохимическим способом. После этого удаляем фоторезист и вытравливаем тонкий начальный слой меди там, где не нужны дорожки. То есть процесс обратный: если в классическом мы убирали ненужную медь, то здесь мы ее добавляем в нужных нам местах.

Это похоже на рисование восковыми мелками, а затем заливание рисунка акварелью — краска пристаёт только там, где нет воска. Только вместо воска у нас фоторезист, а вместо краски — медь.

mSAP работает аналогично, но начинается с чуть более толстого слоя меди (больше 1,5 микрон), что упрощает производство.

Так получаются дорожки шириной до 5–25 микрон. Для сравнения: самая тонкая линия, которую может увидеть человеческий глаз, имеет ширину около 30 микрон. То есть дорожки на современных платах буквально не увидеть без микроскопа!

Сравнение технологий производства печатных плат

Заключение

Люди привыкли, что каждый год смартфоны становятся быстрее, телевизоры — чётче, а умные часы — функциональнее. В этом и состоит парадокс современных технологий: чем лучше они работают, тем меньше мы их замечаем. Вы не задумываетесь о микропроцессоре в своём телефоне, пока всё работает гладко. Но за этой незаметностью стоят тысячи инженеров и десятилетия исследований.

Спасибо, что прочитали.

У нас есть канал о печатных платах. Разбираем сложные технические вопросы, делимся экспертизой в производстве и проектировании. Выкладываем полезные материалы и руководства. Отвечаем на вопросы в комментариях. Некоторые темы, которые уже обсуждали:

• классы IPC, их отличия и схожесть с ГОСТ;

• концепция DFM при проектировании плат;

• проектирование HDI-плат и их особенности;

• финишные покрытия;

• возможности производств в целом.

Подписывайтесь, будет интересно.