Geïntegreerde schakelingen: wat zijn het, verschillen met gedrukte en meer

De geïntegreerde schakelingen, chips, microchips, IC (Integrated Circuit) of CI (Integrated Circuit), of hoe je ze ook wilt noemen, ze zijn een soort elektronische circuits die de vooruitgang van technologie naar het huidige niveau mogelijk hebben gemaakt. Zonder deze uitvinding zouden computers en telecommunicatie waarschijnlijk niet zijn wat ze zijn, en zouden elektronische en elektrische apparaten heel anders zijn.

Ondanks hun kleine formaat, en dat ze overal zijn, verbergen deze geïntegreerde schakelingen grote verrassingen om te ontdekken. Hier kun je veel meer over leren Elektronische componenten...

Wat zijn geïntegreerde schakelingen?

De geïntegreerde schakelingen zijn pads van een halfgeleider ingekapseld en met een geregistreerd elektronisch circuit. Afhankelijk van de logische familie waartoe ze behoren, zullen deze circuits bestaan ​​uit verschillende geminiaturiseerde elektronische componenten. Het kunnen bijvoorbeeld diodes, transistors, weerstanden, condensatoren, enz.

Dankzij hen is het mogelijk geweest om te ontwikkelen moderne elektronica en begin een nieuw tijdperk gezien de geweldige integratie die ze mogelijk maken. In feite kunnen sommige van de meest geavanceerde chips van vandaag tot miljarden transistors integreren in een chip van slechts enkele millimeters in het vierkant.

Geschiedenis van chips

In het begin begon elektronica ruw te gebruiken vacuümkleppen vergelijkbaar met conventionele gloeilampen. Deze kleppen waren groot, erg inefficiënt, ze werden behoorlijk heet en ze braken gemakkelijk, dus het was nodig om de opgeblazen exemplaren te vervangen, zodat de computers en andere apparatuur die ze hadden, bleven werken.

En 1947 zou de uitvinding van de transistor komen, een stuk dat de oude kleppen zou vervangen en dat ook een revolutie teweeg zou brengen in de elektronica. Dankzij hem was het mogelijk om een ​​solid-state apparaat te hebben, veel resistenter, efficiënter en sneller dan kleppen. Sommigen dachten echter dat ze verschillende van deze elementen in een enkele siliciumchip konden integreren. Zo ontstonden de eerste geïntegreerde schakelingen in de geschiedenis.

In de loop van de tijd is de solid-state elektronica geëvolueerd en zijn de componenten kleiner geworden, terwijl de kosten zijn verlaagd. In de late jaren 50, een uitvinder van Texas Instruments genaamd Jack Kilby, kwam het bij hem op om een ​​halfgeleiderchip te maken en wat bedrading die de verschillende onderdelen met elkaar verweven. Dit werd de eerste chip in de geschiedenis en hij zou er de Nobelprijs voor winnen.

Bijna parallel, robert noyceIn die tijd ontwikkelde hij als medewerker van Fairchild Semiconductor (later een van de oprichters van Intel) ook een soortgelijk apparaat, maar met grote voordelen ten opzichte van Kilby's. Noyce had het idee gecreëerd dat plaats zou maken voor de huidige geïntegreerde schakelingen. Deze technologie werd planair genoemd en had voordelen ten opzichte van Kilby's mesa-technologie.

Sindsdien is het niet meer gestopt de evolutie en verbetering van deze componenten. De kosten zijn gedaald, evenals het brandstofverbruik en de afmetingen, terwijl de prestaties en prestaties dramatisch zijn verbeterd. Geen enkele andere sector is zo sterk geëvolueerd, en geen enkele andere sector heeft zo'n grote impact gehad op de mensheid...

Hoe worden ze gemaakt?

De procedure van fabricage van geïntegreerde schakelingen het is buitengewoon complex. Zoals te zien is in de video, kan het echter worden samengevat in een paar eenvoudiger stappen, zodat mensen kunnen begrijpen hoe ze het doen.

Hier zal ik het proberen vat de ontwerpstappen samen het best mogelijke, zonder te diep te gaan, aangezien het duizenden artikelen zou opleveren:

1. Maak deel uit van een behoefte, een toepassing waarvoor u een elektronisch circuit moet maken.
2. Een ontwerpteam is verantwoordelijk voor het schetsen van de kenmerken en specificaties die de chip moet hebben.
3. Vervolgens zal het ontwerp logische poorten en andere geheugenelementen, enz. gaan gebruiken totdat een logisch ontwerp is bereikt dat de functie ontwikkelt waarvoor deze chip is ontworpen.
4. Hierna doorloopt het een reeks stappen waartussen tests en simulaties worden uitgevoerd om te bepalen of het op logisch niveau correct werkt, en zelfs testchips worden vervaardigd om te zien of ze het fysiek doen.
5. Zodra de ontwerpfase is voltooid, wordt een reeks maskers voor fabricage gemaakt op basis van de lay-out van het ontworpen circuit. Er is een patroon op gegraveerd zodat het op het silicium gegraveerd kan worden.
6. Dit patroon wordt door de gieterij of fabriek gebruikt om de geïntegreerde schakelingen in een halfgeleiderwafel te maken. Deze wafels bevatten in sommige gevallen meestal tot 200 of 300 chips.

Dit is zo ver als de ontwerpfase, van de productiekant, we hebben:

1. Het siliciummineraal wordt gewonnen uit zand of kwarts.
2. Zodra het is verfijnd om ultrazuiver te zijn, of EGS (Electronic-Grade Silicon), met een zuiverheidsniveau dat hoger is dan het silicium dat in andere industrieën wordt gebruikt.
3. Dit EGS komt in de vorm van stukjes bij de gieterij aan, waar het wordt gesmolten in een kroes en door middel van een entkristal wordt gekweekt volgens de Czochralski-methode. Om gemakkelijk te begrijpen, het is vergelijkbaar met hoe de typische suikerspin op beurzen wordt gemaakt, je introduceert de stok (zaadkristal) en de katoenen (gesmolten silicium) stokjes en neemt in volume toe.
4. Aan het einde van die stap is het resultaat een staaf, een groot stuk monokristallijn siliciumkristal in de vorm van een cilinder. Deze reep wordt in zeer dunne wafels gesneden.
5. Deze wafels doorlopen een reeks processen om het oppervlak te polijsten, zodat ze niet vervuild blijven voor de start van de productie.
6. Daarna zullen deze wafels verschillende repetitieve processen doorlopen om de chips erop te maken. Deze processen zijn van een fysisch-chemisch type, zoals fotolithografie, etsen of etsen, epitaxiale groei, oxidatie, ionenimplantatie, enz.
7. Het uiteindelijke idee is om elektronische componenten, over het algemeen transistors, op het wafelsubstraat te maken en vervolgens lagen toe te voegen om de componenten met elkaar te verbinden om logische poorten in de onderste laag te vormen, en in de volgende lagen worden deze poorten verbonden om elementaire eenheden te vormen (optellers, registers, ...), in de volgende lagen functionele eenheden (geheugen, ALU, FPU, ...), en tenslotte zijn ze allemaal met elkaar verbonden om het volledige circuit te creëren, bijvoorbeeld een CPU. Op een geavanceerde chip kunnen maximaal 20 lagen zitten.
8. Na al deze processen, die enkele maanden in beslag kunnen nemen, zullen voor elke wafer honderden gelijke circuits worden verkregen. Het volgende is om ze te testen en te snijden, dat wil zeggen, ze te verdelen in individuele siliciumchips.
9. Nu het losse matrijzen zijn, gaan we verder met het inkapselen (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) waar de chip is beschermd en de pads zijn verbonden, die geleidende sporen op het oppervlak zijn, met de pinnen van de geïntegreerde schakeling .

natuurlijk, niet alle geïntegreerde schakelingen zijn hetzelfde. Hier heb ik het gehad over functionele eenheden en complexere dingen zoals een CPU, maar er zijn ook heel eenvoudige circuits zoals een 555-timer of een IC met 4 logische poorten die extreem eenvoudig zijn. Ze zullen slechts enkele tientallen componenten hebben en worden verbonden met een of enkele lagen metalen verbindingen ...

Soorten IC's

Er is niet slechts één type, maar meerdere soorten geïntegreerde schakelingen. De meest prominente die u kunt vinden zijn:

• Digitale geïntegreerde schakelingen: ze zijn behoorlijk populair en worden in veel moderne apparaten gebruikt, van computers tot mobiele apparaten, Smart TV's, enz. Ze worden gekenmerkt door te werken op basis van het digitale systeem, dat wil zeggen, waarbij 0 en 1, waarbij 0 een laagspanningssignaal is en 1 een hoog signaal is. Dit is hoe ze informatie coderen en werken. Voorbeelden kunnen zijn PLC's, FPGA's, geheugens, CPU, GPU, MCU, enz.
• Analoog: in plaats van gebaseerd te zijn op binaire signalen, zijn het in dit geval continue signalen variabelen in spanning. Hierdoor kunnen ze taken uitvoeren zoals filteren, signaaluitbreiding, demodulatie, modulatie, enz. Natuurlijk werken veel systemen met zowel analoge als digitale circuits, waarbij gebruik wordt gemaakt van: AD / DA-converters. Ze kunnen worden onderverdeeld in twee grote groepen, lineaire geïntegreerde schakelingen en radiofrequentie (RF). Denk aan een chip voor audiofiltering, geluidsversterkers, emissie- of ontvangstsystemen voor elektromagnetische golven, sensoren, etc.
• Gemengde signaal-IC's: zoals de naam al doet vermoeden, zijn ze een combinatie van beide. Enkele voorbeelden zijn de analoog-digitaal of digitaal-analoog omvormers zelf, bepaalde chips voor klokken, timers, encoders/decoders, etc.

Verschillen met printplaten

Geïntegreerde schakelingen moeten niet worden verward met gedrukte schakelingen. Het zijn allebei verschillende dingen. Terwijl de eerste verwijzen naar microchips, zoals u hebt gezien, gedrukte schakelingen, of PCBZe zijn een ander type elektronische schakelingen die op grotere platen zijn afgedrukt.

De diferencias meest opvallende zijn:

• Gedrukte schakelingen: ze bestaan ​​uit een plaat met een patroon van geleidende lijnen, zoals kopersporen om de verschillende ingevoegde componenten (condensatoren, transistors, weerstanden, microchips, ...) te verbinden, gesoldeerd door tinsolderen, naast een diëlektricum materiaal (substraat) dat de lagen van verbindende onderlinge verbindingen scheidt. Ze hebben meestal ook doorlopende gaten, of via's, voor niet-oppervlaktemontage (SMD) componenten. Aan de andere kant hebben ze meestal een legende, een reeks markeringen, letters en cijfers om de componenten te identificeren en het onderhoud te vergemakkelijken. Om koper, dat gemakkelijk oxideert, te beschermen, hebben ze meestal een oppervlaktebehandeling. En, in tegenstelling tot geïntegreerde schakelingen, kunnen ze worden gerepareerd, waarbij beschadigde componenten worden vervangen of verbindingen worden hersteld.
• Geïntegreerde schakelingenZe zijn erg klein van formaat, in vaste toestand en hebben lage massaproductiekosten. In tegenstelling tot een PCB kunnen deze niet worden gerepareerd, omdat hun componenten en verbindingen zo extreem klein zijn dat het onmogelijk is.

Noch geïntegreerde schakelingen zijn substituten voor gedrukte schakelingen, noch vice versa. Beide hebben hun nut en gaan in de meeste gevallen samen in praktische toepassingen...

Meest populaire geïntegreerde schakelingen

Tot slot zijn er een groot aantal zeer populaire geïntegreerde schakelingen medewerkers voor elektronicaprojecten, zoals die van logische poorten. Ze zijn goedkoop en kunnen gemakkelijk worden gevonden in winkels zoals Amazon of gespecialiseerde elektronica. Hier zijn bijvoorbeeld enkele van de meest populaire:

• 75 populaire IC's-kit van Interstellar Electronics
• Geen producten gevonden..
• 10 IC's van de populaire NE555-timer.
• Geen producten gevonden..