Ολοκληρωμένα κυκλώματα: ποια είναι αυτά, διαφορές με τα τυπωμένα και πολλά άλλα

Ο ολοκληρωμένα κυκλώματα, τσιπ, μικροτσίπ, IC (Integrated Circuit) ή CI (Integrated Circuit), ή όπως θέλετε να τα ονομάσετε, είναι ένα είδος ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που κατέστησαν δυνατή την πρόοδο της τεχνολογίας στα σημερινά επίπεδα. Χωρίς αυτήν την εφεύρεση, οι υπολογιστές και οι τηλεπικοινωνίες πιθανότατα δεν θα ήταν αυτό που είναι, και οι ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές θα ήταν πολύ διαφορετικές.

Παρά το μικροσκοπικό τους μέγεθος και το ότι είναι παντού, αυτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα κρύβονται μεγάλες εκπλήξεις για να ανακαλύψετε. Εδώ μπορείτε να μάθετε περισσότερα για αυτά ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ...

Τι είναι τα ολοκληρωμένα κυκλώματα;

Ο Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι τακάκια ενός ημιαγωγού ενθυλακώνεται και περιέχει ένα καταγεγραμμένο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Ανάλογα με τη λογική οικογένεια στην οποία ανήκουν, αυτά τα κυκλώματα θα αποτελούνται από διαφορετικά μικροσκοπικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι δίοδοι, τρανζίστορ, αντιστάσεις, πυκνωτές κ.λπ.

Χάρη σε αυτά κατέστη δυνατή η ανάπτυξη σύγχρονα ηλεκτρονικά και να ξεκινήσουν μια νέα εποχή δεδομένης της μεγάλης ολοκλήρωσης που επιτρέπουν. Στην πραγματικότητα, μερικά από τα πιο προηγμένα τσιπ του σήμερα μπορούν να ενσωματώσουν έως και δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα καλούπι που είναι μόλις μερικά χιλιοστά τετραγωνικά.

Η ιστορία των τσιπ

Στην αρχή, τα ηλεκτρονικά άρχισαν να χρησιμοποιούν ακατέργαστα βαλβίδες κενού παρόμοια με τους συμβατικούς λαμπτήρες. Αυτές οι βαλβίδες ήταν μεγάλες, πολύ αναποτελεσματικές, ζεσταίνονταν αρκετά και έσπασαν εύκολα, γι' αυτό χρειάστηκε να αντικατασταθούν οι φουσκωμένες έτσι ώστε οι υπολογιστές και ο άλλος εξοπλισμός που τις είχαν να συνεχίσουν να λειτουργούν.

En Το 1947 θα ερχόταν η εφεύρεση του τρανζίστορ, ένα κομμάτι που θα αντικαθιστούσε τις παλιές βαλβίδες και θα έφερε επίσης επανάσταση στα ηλεκτρονικά. Χάρη σε αυτόν, ήταν δυνατό να έχουμε μια συσκευή στερεάς κατάστασης, πολύ πιο ανθεκτική, αποτελεσματική και ταχύτερη από τις βαλβίδες. Ωστόσο, ορισμένοι σκέφτηκαν ότι θα μπορούσαν να ενσωματώσουν πολλά από αυτά τα στοιχεία σε ένα ενιαίο τσιπ πυριτίου. Έτσι δημιουργήθηκαν τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα στην ιστορία.

Με τον καιρό, τα ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης εξελίχθηκαν και μείωσαν το μέγεθος των εξαρτημάτων, καθώς και μείωσαν το κόστος. Στα τέλη της δεκαετίας του 50, ένας εφευρέτης της Texas Instruments ονομάστηκε Τζακ Κίλμπι, του πέρασε από το μυαλό να δημιουργήσει ένα τσιπ ημιαγωγών και κάποια καλωδίωση που συνέπλεκε τα διάφορα μέρη. Αυτό έγινε το πρώτο τσιπ στην ιστορία και θα κέρδιζε το βραβείο Νόμπελ γι' αυτό.

Σχεδόν παράλληλα, Ρόμπερτ ΝόιςΕκείνη την εποχή, υπάλληλος της Fairchild Semiconductor (αργότερα ένας από τους ιδρυτές της Intel), ανέπτυξε επίσης μια παρόμοια συσκευή, αλλά με μεγάλα πλεονεκτήματα έναντι της Kilby's. Ο Noyce είχε δημιουργήσει την ιδέα που θα έδινε τη θέση του στα σημερινά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Αυτή η τεχνολογία ονομαζόταν επίπεδη και είχε πλεονεκτήματα σε σχέση με την τεχνολογία mesa του Kilby.

Από τότε δεν έχει σταματήσει την εξέλιξη και βελτίωση αυτών των στοιχείων. Το κόστος έχει πέσει κατακόρυφα, όπως και η οικονομία καυσίμου και το μέγεθος, ενώ η απόδοση και η απόδοση έχουν βελτιωθεί δραματικά. Κανένας άλλος τομέας δεν έχει εξελιχθεί τόσο πολύ, και κανένας άλλος τομέας δεν είχε τόσο μεγάλο αντίκτυπο στην ανθρωπότητα…

Πώς φτιάχνονται;

Η διαδικασία του κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων είναι εξαιρετικά πολύπλοκο. Ωστόσο, όπως φαίνεται στο βίντεο, μπορεί να συνοψιστεί σε μερικά πιο απλά βήματα, ώστε οι άνθρωποι να καταλάβουν πώς γίνονται.

Εδώ θα προσπαθήσω συνοψίστε τα βήματα του σχεδιασμού το καλύτερο δυνατό, χωρίς να εμβαθύνουμε, αφού θα έδινε για χιλιάδες άρθρα:

1. Γίνετε μέρος μιας ανάγκης, μιας εφαρμογής για την οποία πρέπει να δημιουργήσετε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα.
2. Μια ομάδα σχεδιασμού είναι υπεύθυνη για την περιγραφή των χαρακτηριστικών και των προδιαγραφών που πρέπει να έχει το τσιπ.
3. Στη συνέχεια, η σχεδίαση θα αρχίσει να χρησιμοποιεί λογικές πύλες και άλλα στοιχεία μνήμης, κ.λπ., μέχρι να επιτευχθεί μια λογική σχεδίαση που αναπτύσσει τη λειτουργία για την οποία έχει σχεδιαστεί αυτό το τσιπ.
4. Μετά από αυτό, θα περάσει από μια σειρά βημάτων μεταξύ των οποίων πραγματοποιούνται δοκιμές και προσομοιώσεις για να διαπιστωθεί ότι λειτουργεί σωστά σε λογικό επίπεδο και ακόμη και μάρκες δοκιμής κατασκευάζονται για να δούμε αν το κάνουν φυσικά.
5. Μόλις ολοκληρωθεί το στάδιο του σχεδιασμού, δημιουργείται μια σειρά από μάσκες για την κατασκευή από τη διάταξη του σχεδιασμένου κυκλώματος. Πάνω τους είναι χαραγμένο ένα σχέδιο για να μπορεί να χαραχτεί πάνω στο πυρίτιο.
6. Αυτό το σχέδιο χρησιμοποιείται από το χυτήριο ή το εργοστάσιο, για τη δημιουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε μια γκοφρέτα ημιαγωγών. Αυτές οι γκοφρέτες περιέχουν συνήθως έως και 200 ​​ή 300 μάρκες σε ορισμένες περιπτώσεις.

Αυτό είναι όσο το στάδιο του σχεδιασμού, από την κατασκευαστική πλευρά, έχουμε:

1. Το ορυκτό πυριτίου λαμβάνεται από άμμο ή χαλαζία.
2. Μόλις εξευγενιστεί ώστε να είναι εξαιρετικά καθαρό, ή EGS (Electronic-Grade Silicon), με επίπεδο καθαρότητας υψηλότερο από το πυρίτιο που χρησιμοποιείται σε άλλες βιομηχανίες.
3. Αυτό το EGS φτάνει με τη μορφή τεμαχίων στο χυτήριο, όπου λιώνεται σε ένα χωνευτήριο και μέσω ενός κρυστάλλου σπόρου γίνεται να αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Czochralski. Για να είναι εύκολα κατανοητό, μοιάζει με το πώς φτιάχνεται το τυπικό μαλλί της γριάς στις εκθέσεις, εισάγετε το ξυλάκι (seed crystal) και το βαμβάκι (λιωμένο πυρίτιο) κολλάει και αυξάνεται σε όγκο.
4. Στο τέλος αυτού του βήματος, το αποτέλεσμα είναι μια ράβδος, ένα μεγάλο κομμάτι κρυστάλλου μονοκρυσταλλικού πυριτίου σε σχήμα κυλίνδρου. Αυτή η μπάρα κόβεται σε πολύ λεπτές γκοφρέτες.
5. Αυτές οι γκοφρέτες περνούν από μια σειρά διεργασιών για να γυαλίσουν την επιφάνεια έτσι ώστε να παραμείνουν αμόλυντες για την έναρξη της παραγωγής.
6. Στη συνέχεια, αυτές οι γκοφρέτες θα περάσουν από πολλές επαναλαμβανόμενες διαδικασίες για να δημιουργήσουν τις μάρκες πάνω τους. Οι διεργασίες αυτές είναι φυσικοχημικού τύπου, όπως φωτολιθογραφία, χάραξη ή χάραξη, επιταξιακή ανάπτυξη, οξείδωση, εμφύτευση ιόντων κ.λπ.
7. Η τελική ιδέα είναι να δημιουργηθούν ηλεκτρονικά εξαρτήματα, γενικά τρανζίστορ, στο υπόστρωμα του πλακιδίου, και στη συνέχεια να προστεθούν στρώματα για τη διασύνδεση των εν λόγω εξαρτημάτων για να σχηματιστούν λογικές πύλες στο χαμηλότερο επίπεδο, και στη συνέχεια στα ακόλουθα στρώματα αυτές οι πύλες συνδέονται για να σχηματίσουν στοιχειώδεις μονάδες (αθροιστές, καταχωρητές, ...), στα ακόλουθα επίπεδα λειτουργικές μονάδες (μνήμη, ALU, FPU, ...), και τέλος όλες διασυνδέονται για να δημιουργήσουν το πλήρες κύκλωμα, για παράδειγμα, μια CPU. Σε ένα προηγμένο τσιπ μπορεί να υπάρχουν έως και 20 επίπεδα.
8. Μετά από όλες αυτές τις διαδικασίες, που μπορεί να χρειαστούν αρκετοί μήνες για να ολοκληρωθούν, θα ληφθούν εκατοντάδες ίσα κυκλώματα για κάθε γκοφρέτα. Το επόμενο πράγμα είναι να τα δοκιμάσετε και να τα κόψετε, δηλαδή να τα χωρίσετε σε ατομικά τσιπς πυριτίου.
9. Τώρα που είναι χαλαρές μήτρες, προχωράμε στην ενθυλάκωση (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) όπου προστατεύεται το τσιπ και συνδέονται τα τακάκια, τα οποία είναι αγώγιμα ίχνη στην επιφάνεια, με τις ακίδες του ολοκληρωμένου κυκλώματος .

Προφανώς, δεν είναι όλα τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ίδια. Εδώ έχω μιλήσει για λειτουργικές μονάδες και πιο περίπλοκα πράγματα όπως μια CPU, αλλά υπάρχουν επίσης πολύ απλά κυκλώματα όπως ένα χρονόμετρο 555 ή ένα IC με 4 λογικές πύλες που είναι εξαιρετικά απλά. Θα έχουν μόνο μερικές δεκάδες εξαρτήματα και θα συνδέονται με ένα ή μερικά στρώματα μεταλλικών διασυνδέσεων ...

Τύποι IC

Δεν υπάρχει μόνο ένας τύπος, αλλά πολλά τύπους ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τα πιο σημαντικά που μπορείτε να βρείτε είναι:

• Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα: είναι αρκετά δημοφιλείς και χρησιμοποιούνται σε πολλές σύγχρονες συσκευές, από υπολογιστές έως φορητές συσκευές, Smart TV κ.λπ. Χαρακτηρίζονται από το ότι λειτουργούν με βάση το ψηφιακό σύστημα, δηλαδή με το 0 και το 1, με το 0 να είναι σήμα χαμηλής τάσης και το 1 να είναι σήμα υψηλής. Έτσι κωδικοποιούν πληροφορίες και λειτουργούν. Παραδείγματα μπορεί να είναι PLC, FPGA, μνήμες, CPU, GPU, MCU κ.λπ.
• Αναλογικό: αντί να βασίζονται σε δυαδικά σήματα, στην περίπτωση αυτή είναι συνεχή σήματα μεταβλητές στην τάση. Χάρη σε αυτό, μπορούν να επιτύχουν εργασίες όπως φιλτράρισμα, επέκταση σήματος, αποδιαμόρφωση, διαμόρφωση κ.λπ. Φυσικά, πολλά συστήματα λειτουργούν τόσο με αναλογικά όσο και με ψηφιακά κυκλώματα, κάνοντας χρήση του Μετατροπείς AD / DA. Μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες ομάδες, γραμμικά ολοκληρωμένα κυκλώματα και ραδιοσυχνότητες (RF). Παραδείγματα θα μπορούσαν να είναι ένα τσιπ για φιλτράρισμα ήχου, ενισχυτές ήχου, συστήματα εκπομπής ή λήψης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, αισθητήρες κ.λπ.
• Μικτά IC σήματος: όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι ένα μείγμα και των δύο. Μερικά παραδείγματα θα μπορούσαν να είναι οι ίδιοι οι μετατροπείς αναλογικού-ψηφιακού ή ψηφιακού-αναλογικού, ορισμένα τσιπ για ρολόγια, χρονόμετρα, κωδικοποιητές / αποκωδικοποιητές κ.λπ.

Διαφορές με τυπωμένα κυκλώματα

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα δεν πρέπει να συγχέονται με τα τυπωμένα κυκλώματα. Είναι και τα δύο διαφορετικά πράγματα. Ενώ τα πρώτα αναφέρονται σε μικροτσίπ, όπως είδατε, τυπωμένα κυκλώματα, ή PCBΕίναι ένας άλλος τύπος ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που τυπώνονται σε μεγαλύτερες πλάκες.

ο διαφορές πιο αξιοσημείωτες είναι:

• Τυπωμένα κυκλώματα: αποτελούνται από μια πλάκα που έχει ένα σχέδιο αγώγιμων γραμμών, όπως χάλκινες ράγες για τη σύνδεση των διαφορετικών εισαγόμενων εξαρτημάτων (πυκνωτές, τρανζίστορ, αντιστάσεις, μικροτσίπ, ...), συγκολλημένες με συγκόλληση κασσίτερου, εκτός από ένα διηλεκτρικό υλικό (υπόστρωμα) που διαχωρίζει τα στρώματα των συνδετικών διασυνδέσεων. Έχουν επίσης τυπικά διαμπερείς οπές ή διόδους για εξαρτήματα μη επιφανειακής βάσης (SMD). Από την άλλη πλευρά, έχουν συνήθως ένα υπόμνημα, μια σειρά από σημάδια, γράμματα και αριθμούς για την αναγνώριση των εξαρτημάτων και τη διευκόλυνση της συντήρησης. Για την προστασία του χαλκού, που οξειδώνεται εύκολα, συνήθως έχουν επιφανειακή επεξεργασία. Και, σε αντίθεση με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, μπορούν να επισκευαστούν, αντικαθιστώντας κατεστραμμένα εξαρτήματα ή αποκαθιστώντας τις διασυνδέσεις.
• Ολοκληρωμένα κυκλώματαΕίναι πολύ μικρού μεγέθους, στερεάς κατάστασης και έχουν χαμηλό κόστος μαζικής παραγωγής. Σε αντίθεση με ένα PCB, αυτά δεν μπορούν να επισκευαστούν καθώς τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις τους είναι τόσο πολύ μικροσκοπικά που είναι αδύνατο.

Ούτε τα ολοκληρωμένα κυκλώματα υποκαθιστούν τα τυπωμένα κυκλώματα ούτε το αντίστροφο. Και τα δύο έχουν τις χρήσεις τους και στις περισσότερες περιπτώσεις πάνε μαζί σε πρακτικές εφαρμογές...

Τα πιο δημοφιλή ολοκληρωμένα κυκλώματα

Τέλος, υπάρχουν πολλά πολύ δημοφιλή ολοκληρωμένα κυκλώματα εργαζόμενοι για ηλεκτρονικά έργα, όπως αυτά του λογικές πύλες. Είναι φθηνά και μπορούν να βρεθούν εύκολα σε καταστήματα όπως το Amazon ή εξειδικευμένα ηλεκτρονικά είδη. Για παράδειγμα, εδώ είναι μερικά από τα πιο δημοφιλή:

• 75 δημοφιλή κιτ IC από την Interstellar Electronics
• Δεν βρέθηκαν προϊόντα..
• 10 IC του δημοφιλούς χρονοδιακόπτη NE555.
• Δεν βρέθηκαν προϊόντα..