Układy scalone: ​​czym one są, różnice w stosunku do drukowanych i nie tylko

L układy scalone, chipy, mikroczipy, IC (Integrated Circuit) lub CI (Integrated Circuit), czy jakkolwiek chcesz je nazwać, są rodzajem obwodów elektronicznych, które umożliwiły postęp technologii do obecnego poziomu. Bez tego wynalazku informatyka i telekomunikacja prawdopodobnie nie byłyby tym, czym są, a urządzenia elektroniczne i elektryczne byłyby bardzo różne.

Pomimo niewielkich rozmiarów i tego, że są wszędzie, te układy scalone chowają wspaniałe niespodzianki do odkrycia. Tutaj możesz dowiedzieć się o nich znacznie więcej Części elektroniczne...

Czym są układy scalone?

L układy scalone to pady półprzewodnika obudowane i zawierające zarejestrowany układ elektroniczny. W zależności od rodziny układów logicznych, do której należą, obwody te będą składały się z różnych zminiaturyzowanych elementów elektronicznych. Na przykład mogą to być diody, tranzystory, rezystory, kondensatory itp.

Dzięki nim możliwy był rozwój nowoczesna elektronika i rozpocząć nową erę, biorąc pod uwagę wspaniałą integrację, na jaką pozwalają. W rzeczywistości niektóre z najbardziej zaawansowanych obecnie chipów mogą zintegrować nawet miliardy tranzystorów w kostce o powierzchni zaledwie kilku milimetrów kwadratowych.

Historia żetonów

Początkowo elektronika zaczęła używać szorstkości zawory próżniowe podobny do konwencjonalnych żarówek. Te zawory były duże, bardzo niesprawne, dość się nagrzewały i łatwo pękały, więc trzeba było wymienić przepalone, aby komputery i inny sprzęt, który je posiadał, działały dalej.

En 1947 to wynalezienie tranzystora, kawałek, który miałby zastąpić stare zawory, a także zrewolucjonizować elektronikę. Dzięki niemu możliwe było posiadanie urządzenia półprzewodnikowego, znacznie odporniejszego, wydajniejszego i szybszego niż zawory. Jednak niektórzy sądzili, że mogą zintegrować kilka z tych elementów w jednym chipie krzemowym. Tak powstały pierwsze w historii układy scalone.

Z biegiem czasu elektronika półprzewodnikowa ewoluowała i zmniejszała rozmiar komponentów, a także obniżała koszty. Pod koniec lat pięćdziesiątych wynalazca Texas Instruments o imieniu Jacka Kilby'ego, przyszło mu do głowy, aby stworzyć chip półprzewodnikowy i trochę okablowania, które przeplatały różne części. Był to pierwszy żeton w historii, za który zdobył nagrodę Nobla.

Niemal równolegle Robert NowickiW tym czasie pracownik Fairchild Semiconductor (później jeden z założycieli Intela) również opracował podobne urządzenie, ale z wielką przewagą nad Kilby's. Noyce stworzył pomysł, który ustąpił miejsca dzisiejszym układom scalonym. Ta technologia została nazwana planarną i miała przewagę nad technologią mes Kilby'ego.

Od tego czasu to się nie skończyło ewolucja i ulepszanie tych komponentów. Koszty gwałtownie spadły, podobnie jak oszczędność paliwa i rozmiar, podczas gdy osiągi i osiągi znacznie się poprawiły. Żaden inny sektor nie ewoluował tak bardzo, a żaden inny nie miał tak wielkiego wpływu na ludzkość…

Jak są zrobione?

Procedura z produkcja układów scalonych jest niezwykle złożony. Jednak, jak widać na filmie, można to podsumować w kilku prostszych krokach, aby ludzie mogli zrozumieć, jak to się robi.

Tutaj spróbuję podsumować etapy projektowania najlepsze z możliwych, nie zagłębiając się zbytnio, gdyż dałoby to za tysiące artykułów:

1. Bądź częścią potrzeby, aplikacji, dla której musisz stworzyć obwód elektroniczny.
2. Zespół projektowy odpowiada za nakreślenie cech i specyfikacji, jakie powinien posiadać chip.
3. Następnie projekt zacznie korzystać z bramek logicznych i innych elementów pamięci itp., aż do osiągnięcia projektu logicznego, który rozwinie funkcję, dla której ten układ został zaprojektowany.
4. Następnie przejdzie przez serię kroków, między którymi przeprowadzane są testy i symulacje, aby ustalić, czy działa poprawnie na poziomie logicznym, a nawet produkowane są chipy testowe, aby sprawdzić, czy robią to fizycznie.
5. Po zakończeniu etapu projektowania z układu projektowanego obwodu powstaje seria masek do produkcji. Na nich wygrawerowany jest wzór, który można wygrawerować na silikonie.
6. Ten wzór jest używany przez odlewnię lub fabrykę do tworzenia układów scalonych w płytce półprzewodnikowej. Wafle te zawierają zwykle do 200 lub 300 żetonów w niektórych przypadkach.

To już etap projektowania, od strona produkcyjnaMamy:

1. Minerał krzemowy pozyskiwany jest z piasku lub kwarcu.
2. Po oczyszczeniu do ultraczystego krzemu, czyli EGS (Electronic-Grade Silicon), o poziomie czystości wyższym niż krzem stosowany w innych gałęziach przemysłu.
3. Ten EGS dociera w postaci kawałków do odlewni, gdzie jest topiony w tyglu i przez kryształ zaszczepiający jest wytwarzany metodą Czochralskiego. Aby było to łatwe do zrozumienia, jest to podobne do tego, jak robi się typową watę cukrową na targach, wprowadzasz sztyft (kryształ zarodkowy) i watę (roztopiony silikon) przykleja się i zwiększa swoją objętość.
4. Na końcu tego etapu powstaje wlewek, duży kawałek monokrystalicznego kryształu krzemu w kształcie walca. Ten baton jest krojony na bardzo cienkie wafle.
5. Wafle te przechodzą szereg procesów w celu polerowania powierzchni, aby pozostały niezanieczyszczone przed rozpoczęciem produkcji.
6. Następnie te wafle przejdą kilka powtarzających się procesów, aby utworzyć na nich żetony. Są to procesy fizykochemiczne, takie jak fotolitografia, trawienie lub trawienie, wzrost epitaksjalny, utlenianie, implantacja jonów itp.
7. Ostatecznym pomysłem jest stworzenie elementów elektronicznych, ogólnie tranzystorów, na podłożu wafla, a następnie dodanie warstw w celu połączenia tych elementów w celu utworzenia bramek logicznych w najniższej warstwie, a następnie w kolejnych warstwach te bramki są połączone, tworząc jednostki elementarne (sumatory, rejestry, ...), w kolejnych warstwach jednostki funkcjonalne (pamięć, ALU, FPU, ...), a na końcu wszystkie są ze sobą połączone, tworząc kompletny obwód, na przykład CPU. Na zaawansowanym chipie może być do 20 warstw.
8. Po tych wszystkich procesach, których ukończenie może zająć kilka miesięcy, dla każdego wafla uzyska się setki równych obwodów. Następną rzeczą jest ich przetestowanie i pocięcie, czyli podzielenie na pojedyncze chipy krzemowe.
9. Teraz, gdy są to wykrojniki luzem, przystępujemy do enkapsulacji (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) gdzie chip jest chroniony i łączone są pady, które są ścieżkami przewodzącymi na powierzchni, z pinami układu scalonego .

Widocznie, nie wszystkie układy scalone są takie same. Mówiłem tutaj o jednostkach funkcjonalnych i bardziej złożonych rzeczach, takich jak procesor, ale są też bardzo proste obwody, takie jak zegar 555 lub układ scalony z 4 bramkami logicznymi, które są niezwykle proste. Będą one składać się z zaledwie kilkudziesięciu elementów i będą połączone jedną lub kilkoma warstwami metalicznych połączeń...

Rodzaje układów scalonych

Jest nie tylko jeden rodzaj, ale kilka rodzaje układów scalonych. Najbardziej znane, jakie można znaleźć, to:

• Cyfrowe układy scalone: są dość popularne i używane w wielu nowoczesnych urządzeniach, od komputerów po urządzenia mobilne, Smart TV itp. Charakteryzują się pracą w oparciu o układ cyfrowy, czyli z 0 i 1, gdzie 0 to sygnał niskonapięciowy, a 1 to sygnał wysoki. W ten sposób kodują informacje i działają. Przykładami mogą być sterowniki PLC, FPGA, pamięci, CPU, GPU, MCU itp.
• Analog: zamiast opierać się na sygnałach binarnych, w tym przypadku są to sygnały ciągłe zmienne w napięciu. Dzięki temu mogą realizować zadania takie jak filtrowanie, rozszerzanie sygnału, demodulacja, modulacja itp. Oczywiście wiele systemów współpracuje zarówno z obwodami analogowymi, jak i cyfrowymi, wykorzystując Konwertery AD/DA. Można je podzielić na dwie duże grupy, liniowe układy scalone i częstotliwości radiowe (RF). Przykładami mogą być chipy do filtrowania dźwięku, wzmacniacze dźwięku, systemy emisji lub odbioru fal elektromagnetycznych, czujniki itp.
• Układy scalone sygnałów mieszanych: jak sama nazwa wskazuje, są mieszanką obu. Przykładami mogą być same przetworniki analogowo-cyfrowe lub cyfrowo-analogowe, niektóre układy do zegarów, timerów, enkoderów / dekoderów itp.

Różnice z obwodami drukowanymi

Układów scalonych nie należy mylić z obwodami drukowanymi. Obie są różnymi rzeczami. Podczas gdy te pierwsze odnoszą się do mikrochipów, jak widzieliście, obwody drukowane, lub PCBTo kolejny rodzaj obwodów elektronicznych drukowanych na większych płytkach.

Te diferencias najbardziej godne uwagi są:

• Obwody drukowane: składają się z płytki, która ma wzór linii przewodzących, takich jak ścieżki miedziane, aby połączyć różne wstawione komponenty (kondensatory, tranzystory, rezystory, mikroukłady, ...), lutowane cyną, oprócz dielektryka materiał (podłoże) oddzielający warstwy złączy łączących. Zazwyczaj mają również otwory przelotowe lub przelotki do elementów innych niż montaż powierzchniowy (SMD). Z drugiej strony mają zwykle legendę, serię znaków, liter i cyfr, które identyfikują komponenty i ułatwiają konserwację. Aby chronić miedź, która łatwo się utlenia, zwykle poddaje się je obróbce powierzchniowej. I w przeciwieństwie do układów scalonych można je naprawiać, wymieniając uszkodzone komponenty lub odnawiając połączenia.
• Układy scaloneSą bardzo małe, półprzewodnikowe i mają niski koszt masowej produkcji. W przeciwieństwie do PCB nie można ich naprawić, ponieważ ich komponenty i połączenia są tak małe, że jest to niemożliwe.

Ani układy scalone nie są substytutami obwodów drukowanych, ani odwrotnie. Oba mają swoje zastosowania i w większości przypadków łączą się w praktycznych zastosowaniach...

Najpopularniejsze układy scalone

Wreszcie istnieje wiele bardzo popularne układy scalone pracowników przy projektach elektronicznych, m.in bramki logiczne. Są tanie i można je łatwo znaleźć w sklepach takich jak Amazon czy specjalistycznej elektronice. Na przykład oto niektóre z najpopularniejszych:

• 75 popularnych zestawów układów scalonych firmy Interstellar Electronics
• Nie znaleziono produktów.
• 10 układów scalonych popularnego timera NE555.
• Nie znaleziono produktów.