Integrierte Schaltkreise: Was sind sie, Unterschiede zu gedruckten und mehr

Die integrierte Schaltkreise, Chips, Mikrochips, IC (Integrated Circuit) oder CI (Integrated Circuit), oder wie auch immer Sie sie nennen möchten, sie sind eine Art elektronischer Schaltungen, die den Fortschritt der Technologie auf das aktuelle Niveau ermöglicht haben. Ohne diese Erfindung wären Computer und Telekommunikation wahrscheinlich nicht das, was sie sind, und elektronische und elektrische Geräte wären ganz anders.

Trotz ihrer geringen Größe und der Tatsache, dass sie überall sind, verstecken sich diese integrierten Schaltkreise tolle Überraschungen zu entdecken. Hier erfährst du noch viel mehr darüber Elektronische Bauteile...

Was sind integrierte Schaltkreise?

Die integrierte Schaltungen sind Pads eines Halbleiters gekapselt und enthaltend eine aufgezeichnete elektronische Schaltung. Je nach Logikfamilie, zu der sie gehören, bestehen diese Schaltungen aus unterschiedlichen miniaturisierten elektronischen Bauteilen. Dies können beispielsweise Dioden, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren usw. sein.

Dank ihnen war es möglich, sich zu entwickeln moderne Elektronik und beginnen eine neue Ära angesichts der großartigen Integration, die sie ermöglichen. Tatsächlich können einige der fortschrittlichsten Chips von heute bis zu Milliarden von Transistoren in einem Chip von nur wenigen Millimetern im Quadrat integrieren.

Geschichte der Chips

Zuerst begann die Elektronik mit groben Vakuumventile ähnlich wie bei herkömmlichen Glühbirnen. Diese Ventile waren groß, sehr ineffizient, wurden ziemlich heiß und brachen leicht, so dass es notwendig war, die durchgebrannten zu ersetzen, damit die Computer und andere Geräte, die sie hatten, weiter funktionierten.

En 1947 würde die Erfindung des Transistors kommen, ein Stück, das die alten Ventile ersetzen und auch die Elektronik revolutionieren würde. Dank ihm war es möglich, ein Festkörpergerät zu haben, das viel widerstandsfähiger, effizienter und schneller als Ventile ist. Einige dachten jedoch, sie könnten mehrere dieser Elemente in einen einzigen Siliziumchip integrieren. So entstanden die ersten integrierten Schaltkreise der Geschichte.

Im Laufe der Zeit hat sich die Festkörperelektronik weiterentwickelt und die Größe der Komponenten reduziert sowie die Kosten gesenkt. In den späten 50er Jahren wurde ein Erfinder von Texas Instruments namens Jack Kilby, kam es ihm in den Sinn, einen Halbleiterchip und eine Verkabelung zu bauen, die die verschiedenen Teile miteinander verwoben. Dies war der erste Chip in der Geschichte, und er würde dafür den Nobelpreis gewinnen.

Fast parallel, Robert NoyceEr war damals Mitarbeiter von Fairchild Semiconductor (später einer der Gründer von Intel) und entwickelte ebenfalls ein ähnliches Gerät, jedoch mit großen Vorteilen gegenüber dem von Kilby. Noyce hatte die Idee geschaffen, die den heutigen integrierten Schaltkreisen weichen würde. Diese Technologie wurde als planar bezeichnet und hatte Vorteile gegenüber der Mesa-Technologie von Kilby.

Seitdem hat es nicht aufgehört Evolution und Verbesserung dieser Komponenten. Die Kosten sind ebenso wie der Kraftstoffverbrauch und die Größe eingebrochen, während sich Leistung und Leistung dramatisch verbessert haben. Kein anderer Sektor hat sich so stark entwickelt, und kein anderer Sektor hat einen so großen Einfluss auf die Menschheit ...

Wie werden sie hergestellt?

Das Verfahren von Herstellung von integrierten Schaltkreisen es ist extrem komplex. Wie im Video zu sehen ist, kann es jedoch in ein paar einfacheren Schritten zusammengefasst werden, damit die Leute verstehen, wie sie gemacht werden.

Hier werde ich es versuchen fassen Sie die Designschritte zusammen das bestmögliche, ohne zu tief zu gehen, da es für Tausende von Artikeln geben würde:

1. Seien Sie Teil eines Bedarfs, einer Anwendung, für die Sie eine elektronische Schaltung erstellen müssen.
2. Ein Designteam ist dafür verantwortlich, die Eigenschaften und Spezifikationen zu skizzieren, die der Chip haben sollte.
3. Dann beginnt der Entwurf mit der Verwendung von Logikgattern und anderen Speicherelementen usw., bis ein Logikentwurf erreicht ist, der die Funktion entwickelt, für die dieser Chip entworfen wurde.
4. Danach durchläuft es eine Reihe von Schritten, zwischen denen Tests und Simulationen durchgeführt werden, um festzustellen, ob es auf logischer Ebene korrekt funktioniert, und sogar Testchips werden hergestellt, um zu sehen, ob sie dies physisch tun.
5. Sobald die Designphase abgeschlossen ist, wird eine Reihe von Masken für die Herstellung aus dem Layout der entworfenen Schaltung erstellt. Auf ihnen ist ein Muster eingraviert, damit es auf das Silikon graviert werden kann.
6. Dieses Muster wird von der Gießerei oder Fabrik verwendet, um die integrierten Schaltkreise in einem Halbleiterwafer herzustellen. Diese Wafer enthalten in der Regel bis zu 200 oder 300 Chips in einigen Fällen.

Dies ist so weit wie die Entwurfsphase, von die Fertigungsseitehaben wir:

1. Das Siliziummineral wird aus Sand oder Quarz gewonnen.
2. Sobald es zu ultrareinem oder EGS (Electronic-Grade Silicon) veredelt ist, mit einem höheren Reinheitsgrad als das in anderen Industrien verwendete Silizium.
3. Dieses EGS gelangt stückweise in die Gießerei, wo es in einem Tiegel geschmolzen und durch einen Impfkristall nach dem Czochralski-Verfahren zum Wachsen gebracht wird. Damit es leicht verständlich ist, wird ähnlich wie die typische Zuckerwatte auf Messen hergestellt, man stellt den Stick (Keimkristall) und die Watte (geschmolzenes Silikon) vor und vergrößert das Volumen.
4. Am Ende dieses Schrittes steht ein Ingot, ein großes Stück monokristallinen Siliziumkristalls in Form eines Zylinders. Dieser Riegel wird in sehr dünne Wafer geschnitten.
5. Diese Wafer durchlaufen eine Reihe von Prozessen, um die Oberfläche zu polieren, damit sie für den Produktionsstart unverschmutzt bleiben.
6. Danach durchlaufen diese Wafer mehrere sich wiederholende Prozesse, um die Chips darauf zu erzeugen. Diese Prozesse sind physikalisch-chemischer Art, wie Photolithographie, Ätzen oder Ätzen, epitaktisches Wachstum, Oxidation, Ionenimplantation usw.
7. Die letzte Idee besteht darin, auf dem Wafersubstrat elektronische Komponenten, im Allgemeinen Transistoren, zu erzeugen und dann Schichten hinzuzufügen, um diese Komponenten zu verbinden, um in der untersten Schicht logische Gatter zu bilden, dann werden diese Gates in den folgenden Schichten zu elementaren Einheiten (Addierer, Register, ...), in den folgenden Schichten Funktionseinheiten (Speicher, ALU, FPU, ...) und schließlich alle miteinander verbunden sind, um die komplette Schaltung zu bilden, beispielsweise eine CPU. Auf einem fortschrittlichen Chip können bis zu 20 Schichten vorhanden sein.
8. Nach all diesen Prozessen, die mehrere Monate dauern können, werden Hunderte von gleichen Schaltungen für jeden Wafer erhalten. Als nächstes werden sie getestet und geschnitten, also in einzelne Siliziumchips aufgeteilt.
9. Da es sich nun um lose Chips handelt, fahren wir mit der Kapselung (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) fort, wo der Chip geschützt ist und die Pads, die Leiterbahnen auf der Oberfläche sind, mit den Pins des integrierten Schaltkreises verbunden sind .

Offensichtlich Nicht alle integrierten Schaltkreise sind gleich. Hier habe ich über Funktionseinheiten und komplexere Dinge wie eine CPU gesprochen, aber es gibt auch sehr einfache Schaltungen wie einen 555-Timer oder einen IC mit 4 Logikgattern, die extrem einfach sind. Sie werden nur aus wenigen Dutzend Komponenten bestehen und mit einer oder wenigen Lagen metallischer Verbindungen verbunden sein ...

Arten von ICs

Es gibt nicht nur einen Typ, sondern mehrere Arten von integrierten Schaltkreisen. Die bekanntesten, die Sie finden können, sind:

• Digitale integrierte Schaltkreise: Sie sind sehr beliebt und werden in vielen modernen Geräten verwendet, von Computern über Mobilgeräte bis hin zu Smart-TVs usw. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach dem digitalen System arbeiten, dh mit 0 und 1, wobei 0 ein Niederspannungssignal und 1 ein Hochspannungssignal ist. Auf diese Weise verschlüsseln sie Informationen und arbeiten. Beispiele können SPS, FPGA, Speicher, CPU, GPU, MCU usw. sein.
• Analoge: Anstatt auf binären Signalen zu basieren, handelt es sich in diesem Fall um kontinuierliche Signale Variablen in Spannung. Dadurch können sie Aufgaben wie Filterung, Signalerweiterung, Demodulation, Modulation etc. Natürlich arbeiten viele Systeme sowohl mit analogen als auch mit digitalen Schaltungen und nutzen dabei AD/DA-Wandler. Sie können in zwei große Gruppen unterteilt werden, lineare integrierte Schaltkreise und Radiofrequenz (RF). Beispiele könnten ein Chip zur Audiofilterung, Schallverstärker, Sende- oder Empfangssysteme für elektromagnetische Wellen, Sensoren usw. sein.
• Mixed-Signal-ICs: Wie der Name schon sagt, sind sie eine Mischung aus beidem. Einige Beispiele könnten die Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandler selbst sein, bestimmte Chips für Uhren, Timer, Encoder / Decoder usw.

Unterschiede zu gedruckten Schaltungen

Integrierte Schaltungen sollten nicht mit gedruckten Schaltungen verwechselt werden. Es sind beides verschiedene Dinge. Während sich erstere auf Mikrochips beziehen, wie Sie gesehen haben, Leiterplatte, oder PCBSie sind eine andere Art von elektronischen Schaltungen, die auf größere Platten gedruckt werden.

Die diferencias am bemerkenswertesten sind:

• Leiterplatte: Sie bestehen aus einer Platte mit einem Muster von Leiterbahnen, wie Kupferbahnen zur Verbindung der verschiedenen eingesetzten Komponenten (Kondensatoren, Transistoren, Widerstände, Mikrochips, ...), die durch Zinnlöten gelötet sind, zusätzlich zu einem Dielektrikum Material (Substrat), das die Schichten der Verbindungsverbindungen trennt. Sie haben typischerweise auch Durchgangslöcher oder Vias für Nicht-Surface-Mount-(SMD)-Komponenten. Andererseits haben sie meist eine Legende, eine Reihe von Markierungen, Buchstaben und Zahlen, um die Komponenten zu identifizieren und die Wartung zu erleichtern. Um Kupfer, das leicht oxidiert, zu schützen, haben sie in der Regel eine Oberflächenbehandlung. Und im Gegensatz zu integrierten Schaltkreisen können sie repariert werden, beschädigte Komponenten ersetzen oder Verbindungen wiederherstellen.
• Integrierte SchaltkreiseSie sind sehr klein, fester Zustand und haben niedrige Massenproduktionskosten. Im Gegensatz zu einer Leiterplatte können diese nicht repariert werden, da ihre Komponenten und Verbindungen so winzig sind, dass dies unmöglich ist.

Weder integrierte Schaltungen ersetzen gedruckte Schaltungen noch umgekehrt. Beides hat seinen Nutzen und geht in der Praxis meist zusammen...

Die beliebtesten integrierten Schaltkreise

Schließlich gibt es eine Vielzahl von sehr beliebte integrierte Schaltungen Mitarbeiter für Elektronikprojekte, wie die von Logikgatter. Sie sind billig und können leicht in Geschäften wie Amazon oder spezialisierten Elektronikartikeln gefunden werden. Hier sind zum Beispiel einige der beliebtesten:

• 75 beliebte ICs-Kits von Interstellar Electronics
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• 10 ICs des beliebten NE555-Timers.
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