I circuiti integrati, chip, microchip, IC (circuito integrato) o CI (circuito integrato), o come volete chiamarli, sono un tipo di circuiti elettronici che hanno reso possibile il progresso della tecnologia ai livelli attuali. Senza questa invenzione, l'informatica e le telecomunicazioni probabilmente non sarebbero ciò che sono e i dispositivi elettronici ed elettrici sarebbero molto diversi.
Nonostante le loro piccole dimensioni e il fatto che siano ovunque, questi circuiti integrati si nascondono grandi sorprese da scoprire. Qui puoi saperne di più su questi Componenti elettronici...
Cosa sono i circuiti integrati?
I i circuiti integrati sono pad di un semiconduttore incapsulato e contenente un circuito elettronico registrato. A seconda della famiglia logica di appartenenza, questi circuiti saranno costituiti da diversi componenti elettronici miniaturizzati. Ad esempio, possono essere diodi, transistor, resistori, condensatori, ecc.
Grazie a loro è stato possibile svilupparsi elettronica moderna e iniziare una nuova era data la grande integrazione che consentono. In effetti, alcuni dei chip più avanzati di oggi possono integrare fino a miliardi di transistor in un die di pochi millimetri quadrati.
Storia delle patatine
All'inizio, l'elettronica iniziò a usare ruvida valvole per vuoto simile alle lampadine tradizionali. Queste valvole erano grandi, molto inefficienti, si scaldavano abbastanza e si rompevano facilmente, quindi è stato necessario sostituire quelle bruciate in modo che i computer e le altre apparecchiature che le avevano continuassero a funzionare.
En Nel 1947 sarebbe arrivata l'invenzione del transistor, un pezzo che andrebbe a sostituire le vecchie valvole e che rivoluzionerebbe anche l'elettronica. Grazie a lui è stato possibile avere un dispositivo a stato solido, molto più resistente, efficiente e veloce delle valvole. Tuttavia, alcuni pensavano di poter integrare molti di questi elementi in un unico chip di silicio. Nascono così i primi circuiti integrati della storia.
Nel tempo, l'elettronica a stato solido si è evoluta e ha ridotto le dimensioni dei componenti, oltre a ridurre i costi. Alla fine degli anni '50, un inventore di Texas Instruments di nome Jack Kilby, gli venne in mente di creare un chip semiconduttore e dei cablaggi che intrecciassero le diverse parti. Questo è diventato il primo chip della storia e per questo avrebbe vinto il Premio Nobel.
Quasi in parallelo, roberto nocciolaA quel tempo, dipendente di Fairchild Semiconductor (poi uno dei fondatori di Intel), sviluppò anche un dispositivo simile, ma con grandi vantaggi rispetto a quello di Kilby. Noyce aveva creato l'idea che avrebbe lasciato il posto ai circuiti integrati di oggi. Questa tecnologia era chiamata planare e presentava vantaggi rispetto alla tecnologia mesa di Kilby.
Da allora non si è più fermato evoluzione e miglioramento di queste componenti. I costi sono crollati, così come il risparmio di carburante e le dimensioni, mentre le prestazioni e le prestazioni sono notevolmente migliorate. Nessun altro settore si è evoluto così tanto, e nessun altro settore ha avuto un così grande impatto sull'umanità...
Come sono fatti?
La procedura di fabbricazione di circuiti integrati è estremamente complesso. Tuttavia, come si vede nel video, può essere riassunto in pochi passaggi più semplici in modo che le persone possano capire come sono fatte.
Qui proverò riassumere le fasi di progettazione il meglio possibile, senza andare troppo in profondità, dato che darebbe per migliaia di articoli:
- Entra a far parte di un'esigenza, un'applicazione per la quale devi creare un circuito elettronico.
- Un team di progettazione ha il compito di delineare le caratteristiche e le specifiche che il chip dovrebbe avere.
- Quindi, il progetto inizierà a utilizzare porte logiche e altri elementi di memoria, ecc., fino a quando non si ottiene un progetto logico che sviluppa la funzione per cui è progettato questo chip.
- Successivamente, passerà attraverso una serie di passaggi tra i quali vengono eseguiti test e simulazioni per determinare che funziona correttamente a livello logico e persino i chip di test vengono prodotti per vedere se lo fanno fisicamente.
- Una volta conclusa la fase di progettazione, dal tracciato del circuito progettato vengono create una serie di maschere per la produzione. Un motivo è inciso su di loro in modo che possa essere inciso sul silicone.
- Questo modello viene utilizzato dalla fonderia o dalla fabbrica per creare i circuiti integrati in un wafer a semiconduttore. Questi wafer di solito contengono fino a 200 o 300 chip in alcuni casi.
Questo è per quanto riguarda la fase di progettazione, da il lato manifatturiero, abbiamo:
- Il minerale di silicio è ottenuto da sabbia o quarzo.
- Una volta raffinato per essere ultrapuro, o EGS (Electronic-Grade Silicon), con un livello di purezza superiore al silicio utilizzato in altri settori.
- Questo EGS arriva sotto forma di pezzi alla fonderia, dove viene fuso in un crogiolo e per mezzo di un cristallo di semi viene fatto crescere usando il metodo Czochralski. Per essere facilmente intuito, è simile a come si fa lo zucchero filato tipico delle fiere, si introduce il bastoncino (seme di cristallo) e i bastoncini di cotone (silicio fuso) e aumenta di volume.
- Alla fine di quel passaggio, il risultato è un lingotto, un grosso pezzo di cristallo di silicio monocristallino a forma di cilindro. Questa barra viene tagliata in wafer molto sottili.
- Questi wafer passano attraverso una serie di processi per lucidare la superficie in modo che rimangano non inquinati per l'inizio della produzione.
- Successivamente, questi wafer passeranno attraverso diversi processi ripetitivi per creare i chip su di essi. Questi processi sono di tipo fisico-chimico, come fotolitografia, incisione o incisione, crescita epitassiale, ossidazione, impianto ionico, ecc.
- L'idea finale è quella di creare componenti elettronici, generalmente transistor, sul substrato del wafer, quindi aggiungere strati per interconnettere detti componenti per formare porte logiche nello strato più basso, quindi negli strati successivi queste porte vengono collegate a formare unità elementari (sommatori, registri, ...), nei livelli successivi le unità funzionali (memoria, ALU, FPU, ...), e infine tutte sono interconnesse per creare il circuito completo, ad esempio una CPU. Su un chip avanzato possono esserci fino a 20 strati.
- Dopo tutti questi processi, che possono richiedere diversi mesi per essere completati, si otterranno centinaia di circuiti uguali per ogni wafer. La prossima cosa è testarli e tagliarli, ovvero dividerli in singoli chip di silicio.
- Ora che sono die sciolti, si procede all'incapsulamento (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) dove il chip è protetto e sono collegati i pad, che sono tracce conduttive in superficie, con i pin del circuito integrato .
ovviamente, non tutti i circuiti integrati sono uguali. Qui ho parlato di unità funzionali e cose più complesse come una CPU, ma ci sono anche circuiti molto semplici come un timer 555 o un circuito integrato con 4 porte logiche che sono estremamente semplici. Avranno solo poche decine di componenti e saranno collegati con uno o pochi strati di interconnessioni metalliche...
Tipi di circuiti integrati
Non c'è solo un tipo, ma diversi tipi di circuiti integrati. I più importanti che puoi trovare sono:
- Circuiti integrati digitali: sono abbastanza popolari e utilizzati in molti dispositivi moderni, dai computer, ai dispositivi mobili, alle Smart TV, ecc. Sono caratterizzati dal funzionamento basato sul sistema digitale, cioè con 0 e 1, dove 0 rappresenta un segnale a bassa tensione e 1 un segnale alto. Questo è il modo in cui codificano le informazioni e operano. Esempi possono essere PLC, FPGA, memorie, CPU, GPU, MCU, ecc.
- analogico: invece di essere basati su segnali binari, in questo caso sono segnali continui variabili in tensione. Grazie a ciò, possono svolgere compiti come filtraggio, espansione del segnale, demodulazione, modulazione, ecc. Naturalmente, molti sistemi funzionano con circuiti sia analogici che digitali, utilizzando Convertitori AD/DA. Possono essere divisi in due grandi gruppi, circuiti integrati lineari e radiofrequenza (RF). Esempi potrebbero essere un chip per il filtraggio audio, amplificatori del suono, sistemi di emissione o ricezione di onde elettromagnetiche, sensori, ecc.
- CI a segnale misto: come suggerisce il nome, sono un misto di entrambi. Alcuni esempi potrebbero essere gli stessi convertitori analogico-digitali o digitali-analogici, alcuni chip per orologi, timer, codificatori/decodificatori, ecc.
Differenze con i circuiti stampati
I circuiti integrati non devono essere confusi con i circuiti stampati. Sono entrambe cose diverse. Mentre i primi si riferiscono ai microchip, come hai visto, circuiti stampati, o PCBSono un altro tipo di circuiti elettronici stampati su lastre più grandi.
Le diferencias i più notevoli sono:
- Circuiti stampati: sono costituiti da una piastra che presenta un pattern di linee conduttive, come le piste di rame per collegare i diversi componenti inseriti (condensatori, transistor, resistori, microchip, ...), saldati mediante saldatura a stagno, oltre a un dielettrico materiale (substrato) che separa gli strati delle interconnessioni di collegamento. In genere hanno anche fori passanti, o vie, per componenti non a montaggio superficiale (SMD). Di solito hanno invece una legenda, una serie di segni, lettere e numeri per identificare i componenti e facilitare la manutenzione. Per proteggere il rame, che si ossida facilmente, di solito hanno un trattamento superficiale. E, a differenza dei circuiti integrati, possono essere riparati, sostituendo componenti danneggiati o ripristinando le interconnessioni.
- Circuiti integratiSono di dimensioni molto ridotte, allo stato solido e hanno un basso costo di produzione in serie. A differenza di un PCB, questi non possono essere riparati poiché i loro componenti e le connessioni sono così minuscoli che è impossibile.
Né i circuiti integrati sono sostituti dei circuiti stampati né viceversa. Entrambi hanno i loro usi e nella maggior parte dei casi vanno insieme in applicazioni pratiche...
I circuiti integrati più diffusi
Infine, ce ne sono una moltitudine circuiti integrati molto diffusi dipendenti per progetti di elettronica, come quelli di porte logiche. Sono economici e possono essere facilmente trovati in negozi come Amazon o elettronica specializzata. Ad esempio, ecco alcuni dei più popolari:
- 75 popolari kit di circuiti integrati di Interstellar Electronics
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- 10 circuiti integrati del popolare timer NE555.
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