Integrirani krugovi: što su, razlike s tiskanim i još mnogo toga

The integrirani krugovi, čipovi, mikročipovi, IC (integrirani krug) ili CI (integrirani krug), ili kako god ih želite nazvati, oni su vrsta elektroničkih sklopova koji su omogućili napredak tehnologije na trenutne razine. Bez ovog izuma, računalstvo i telekomunikacije vjerojatno ne bi bili ono što jesu, a elektronički i električni uređaji bili bi vrlo različiti.

Unatoč svojoj maloj veličini, te da su posvuda, ovi integrirani krugovi skrivaju se velika iznenađenja za otkrivanje. Ovdje možete naučiti mnogo više o njima Elektroničke komponente...

Što su integrirani krugovi?

The integrirani krugovi su jastučići od poluvodiča inkapsuliran i koji sadrži snimljeni elektronički sklop. Ovisno o logičkoj obitelji kojoj pripadaju, ti će sklopovi biti sastavljeni od različitih minijaturiziranih elektroničkih komponenti. Na primjer, to mogu biti diode, tranzistori, otpornici, kondenzatori itd.

Zahvaljujući njima bilo je moguće razviti se moderna elektronika i započeti novu eru s obzirom na veliku integraciju koju dopuštaju. Zapravo, neki od današnjih najnaprednijih čipova mogu integrirati do milijarde tranzistora u matricu veličine samo nekoliko milimetara kvadrata.

Povijest čipsa

U početku se elektronika počela koristiti grubo vakuumski ventili slično konvencionalnim žaruljama. Ti su ventili bili veliki, vrlo neučinkoviti, prilično su se zagrijali i lako su pukli, pa je bilo potrebno zamijeniti ispuhane kako bi računala i ostala oprema koja ih je imala i dalje radila.

En 1947. dolazi do izuma tranzistora, komad koji bi zamijenio stare ventile i koji bi također napravio revoluciju u elektronici. Zahvaljujući njemu, bilo je moguće imati poluprovodnički uređaj, puno otporniji, učinkovitiji i brži od ventila. Međutim, neki su mislili da bi mogli integrirati nekoliko ovih elemenata u jedan silikonski čip. Tako su nastali prvi integrirani krugovi u povijesti.

S vremenom se elektronika u čvrstom stanju razvila i smanjila veličinu komponenti, kao i smanjila troškove. U kasnim 50-im, izumitelj Texas Instruments nazvan Jack Kilby, palo mu je na pamet da stvori poluvodički čip i neko ožičenje koje isprepliće različite dijelove. Ovo je postao prvi čip u povijesti, a on će za njega dobiti Nobelovu nagradu.

Gotovo paralelno, robert noyceU to vrijeme, zaposlenik tvrtke Fairchild Semiconductor (kasnije jedan od osnivača Intela), također je razvio sličan uređaj, ali s velikim prednostima u odnosu na Kilbyjev. Noyce je stvorio ideju koja će ustupiti mjesto današnjim integriranim krugovima. Ova tehnologija nazvana je planarnom i imala je prednosti u odnosu na Kilbyjevu tehnologiju mesa.

Od tada to nije prestalo evolucija i poboljšanje ovih komponenti. Troškovi su naglo pali, kao i potrošnja goriva i veličina, dok su se performanse i performanse dramatično poboljšale. Niti jedan drugi sektor nije se toliko razvio, niti jedan drugi sektor nije imao tako velik utjecaj na čovječanstvo...

Kako se prave?

Postupak od proizvodnja integriranih krugova izuzetno je složen. Međutim, kao što se vidi u videu, može se sažeti u nekoliko jednostavnijih koraka kako bi ljudi razumjeli kako se to radi.

Evo probat ću sažeti korake dizajna najbolja moguća, a da ne ide previše duboko, jer bi dala za tisuće članaka:

1. Budite dio potrebe, aplikacije za koju trebate stvoriti elektronički sklop.
2. Dizajnerski tim zadužen je za navođenje karakteristika i specifikacija koje bi čip trebao imati.
3. Zatim će dizajn početi koristiti logička vrata i druge memorijske elemente, itd., sve dok se ne postigne logički dizajn koji razvija funkciju za koju je ovaj čip dizajniran.
4. Nakon toga, proći će niz koraka između kojih se provode testovi i simulacije kako bi se utvrdilo da radi ispravno na logičkoj razini, a čak se proizvode i testni čipovi kako bi se provjerilo rade li to fizički.
5. Nakon što je faza projektiranja završena, iz izgleda projektiranog kruga stvara se niz maski za proizvodnju. Na njima je ugraviran uzorak kako bi se mogao ugravirati na silicij.
6. Ovaj uzorak koristi ljevaonica ili tvornica za stvaranje integriranih krugova u poluvodičkoj pločici. Ove oblatne obično sadrže do 200 ili 300 čipsa u nekim slučajevima.

Ovo je što se tiče faze dizajna, od proizvodnu stranu, imamo:

1. Mineral silicija dobiva se iz pijeska ili kvarca.
2. Nakon što se rafinira da bude ultra-čist, ili EGS (Electronic-Grade Silicon), s razinom čistoće višom od silicija koji se koristi u drugim industrijama.
3. Ovaj EGS u obliku komada stiže u ljevaonicu, gdje se topi u lončiću i kroz sjemenski kristal se uzgaja po metodi Czochralskog. Da bi bilo lakše razumjeti, slično je kako se pravi tipična šećerna vata na sajmovima, uvedete štapić (sjemenski kristal) i pamuk (otopljeni silicij) štapiće i povećava volumen.
4. Na kraju tog koraka, rezultat je ingot, veliki komad monokristalnog kristala silicija u obliku cilindra. Ova šipka je izrezana na vrlo tanke oblatne.
5. Ove oblatne prolaze kroz niz procesa za poliranje površine kako bi ostale nezagađene za početak proizvodnje.
6. Nakon toga, ove oblatne će proći kroz nekoliko ponavljajućih procesa kako bi na njima stvorile čips. Ovi procesi su fizikalno-kemijskog tipa, kao što su fotolitografija, jetkanje ili jetkanje, epitaksijalni rast, oksidacija, implantacija iona itd.
7. Konačna ideja je stvoriti elektroničke komponente, općenito tranzistori, na podlozi pločice, a zatim dodati slojeve za međusobno povezivanje navedenih komponenti kako bi se formirala logička vrata u najnižem sloju, a zatim se u sljedećim slojevima ta vrata povezuju kako bi formirali elementarne jedinice (zbrajalice, registri, ...), u sljedećim slojevima funkcionalne jedinice (memorija, ALU, FPU, ...), i konačno svi su međusobno povezani kako bi se stvorio kompletan sklop, na primjer, CPU. Na naprednom čipu može biti do 20 slojeva.
8. Nakon svih ovih procesa, koji mogu potrajati nekoliko mjeseci, dobit će se stotine jednakih krugova za svaku pločicu. Sljedeće ih je testirati i rezati, odnosno podijeliti na pojedinačne silikonske čipove.
9. Sada kada su labave matrice, nastavljamo s kapsuliranjem (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) gdje je čip zaštićen i spojeni jastučići, koji su vodljivi tragovi na površini, s iglama integriranog kruga .

Očito, nisu svi integrirani krugovi isti. Ovdje sam govorio o funkcionalnim jedinicama i složenijim stvarima poput CPU-a, ali postoje i vrlo jednostavni sklopovi poput 555 timera ili IC-a s 4 logička vrata koji su iznimno jednostavni. Imat će samo nekoliko desetaka komponenti i bit će povezane s jednim ili nekoliko slojeva metalnih međuveza...

Vrste IC-a

Ne postoji samo jedna vrsta, već nekoliko vrste integriranih krugova. Najistaknutije koje možete pronaći su:

• Digitalni integrirani krugovi: prilično su popularni i koriste se u mnogim modernim uređajima, od računala, do mobilnih uređaja, Smart TV-a itd. Karakterizira ih rad baziran na digitalnom sustavu, odnosno s 0 i 1, pri čemu je 0 niskonaponski signal, a 1 visoki signal. Ovako kodiraju informacije i djeluju. Primjeri mogu biti PLC, FPGA, memorije, CPU, GPU, MCU, itd.
• Analog: umjesto da se temelje na binarnim signalima, u ovom slučaju su to kontinuirani signali varijable u naponu. Zahvaljujući tome, mogu ostvariti zadatke kao što su filtriranje, proširenje signala, demodulacija, modulacija itd. Naravno, mnogi sustavi rade s analognim i digitalnim sklopovima, koristeći se AD/DA pretvarači. Mogu se podijeliti u dvije velike skupine, linearni integrirani krugovi i radiofrekvencijski (RF). Primjeri mogu biti čip za audio filtriranje, pojačala zvuka, sustavi za emitiranje ili prijem elektromagnetskih valova, senzori itd.
• IC-ovi s mješovitim signalom: kao što ime govori, mješavina su oboje. Neki primjeri mogu biti sami analogno-digitalni ili digitalno-analogni pretvarači, određeni čipovi za satove, mjerači vremena, koderi/dekoderi, itd.

Razlike s tiskanim krugovima

Integrirane sklopove ne treba miješati s tiskanim krugovima. Oboje su različite stvari. Dok se prvi odnose na mikročipove, kao što ste vidjeli, tiskani krugovi, ili PCBOni su još jedna vrsta elektroničkih sklopova koji su tiskani na većim pločama.

Las razlike najistaknutiji su:

• Tiskani sklopovi: sastoje se od ploče koja ima uzorak vodljivih vodova, kao što su bakrene staze za povezivanje različitih umetnutih komponenti (kondenzatori, tranzistori, otpornici, mikročipovi, ...), zalemljene limenim lemljenjem, uz dielektrik materijal (podloga) koji odvaja slojeve veznih međuveza. Također obično imaju prolazne rupe ili prolaze za komponente koje se ne postavljaju na površinu (SMD). S druge strane, obično imaju legendu, niz oznaka, slova i brojeva za identifikaciju komponenti i olakšavanje održavanja. Za zaštitu bakra, koji lako oksidira, obično imaju površinsku obradu. I, za razliku od integriranih sklopova, oni se mogu popraviti, zamjenom oštećenih komponenti ili obnavljanjem međuspojeva.
• Integrirani krugoviVrlo su male veličine, čvrstog stanja i niske cijene masovne proizvodnje. Za razliku od PCB-a, oni se ne mogu popraviti jer su njihove komponente i spojevi toliko sićušni da je to nemoguće.

Ni integrirani krugovi nisu zamjena za tiskane krugove niti obrnuto. I jedno i drugo ima svoje namjene i u većini slučajeva ide zajedno u praktične primjene...

Najpopularniji integrirani krugovi

Konačno, postoji mnoštvo vrlo popularni integrirani krugovi zaposlenici za projekte elektronike, kao što su oni iz logička vrata. Jeftini su i lako se mogu pronaći u trgovinama poput Amazona ili specijalizirane elektronike. Na primjer, evo nekih od najpopularnijih:

• 75 popularnih IC kompleta iz Interstellar Electronics
• Nije pronađen nijedan proizvod..
• 10 IC-a popularnog NE555 timera.
• Nije pronađen nijedan proizvod..