Інтегральні схеми: які вони, відмінності від друкованих та інше

L інтегральні схеми, мікросхеми, мікросхеми, IC (Integrated Circuit) або CI (Integrated Circuit), або як ви хочете їх називати, вони є типом електронних схем, які зробили можливим просування технологій до сучасних рівнів. Без цього винаходу комп’ютери та телекомунікації, ймовірно, не були б такими, якими вони є, а електронні та електричні пристрої були б дуже різними.

Незважаючи на свій крихітний розмір і те, що вони є скрізь, ці інтегральні схеми приховуються великі сюрпризи для відкриття. Тут ви можете дізнатися про них набагато більше Електронні компоненти...

Що таке інтегральні схеми?

L інтегральні мікросхеми - це прокладки з напівпровідника інкапсульований і містить записану електронну схему. Залежно від логічного сімейства, до якого вони належать, ці схеми будуть складатися з різних мініатюрних електронних компонентів. Наприклад, це можуть бути діоди, транзистори, резистори, конденсатори тощо.

Завдяки їм вдалося розвиватися сучасна електроніка і розпочати нову еру з огляду на велику інтеграцію, яку вони дозволяють. Насправді, деякі з найдосконаліших чіпів сьогодні можуть інтегрувати до мільярдів транзисторів у кристал площею всього кілька міліметрів квадратних.

Історія чіпсів

Спочатку в електроніці почали використовувати грубу вакуумні клапани схожі на звичайні лампочки. Ці клапани були великі, дуже неефективні, вони сильно нагрівалися, і вони легко ламалися, тому довелося замінити продуті, щоб комп’ютери та інше обладнання, на якому вони були, працювали.

En У 1947 році відбувся винахід транзистора, частина, яка замінила б старі клапани, а також здійснила революцію в електроніці. Завдяки йому можна було мати твердотільний пристрій, набагато стійкіший, ефективніший і швидший за клапани. Однак дехто думав, що вони можуть інтегрувати кілька з цих елементів в один кремнієвий чіп. Так були створені перші в історії інтегральні схеми.

З часом твердотільна електроніка розвивалася і зменшувала розміри компонентів, а також знижувала витрати. Наприкінці 50-х років винахідник Texas Instruments ім Джек Кілбі, йому спало на думку створити напівпровідниковий чіп і деякі проводки, які переплітають різні частини. Це стала першою фішкою в історії, і він отримав за неї Нобелівську премію.

Майже паралельно, Роберт НойсУ той час, співробітник Fairchild Semiconductor (згодом один із засновників Intel), він також розробив подібний пристрій, але з великими перевагами перед Kilby's. Нойс створив ідею, яка поступиться місцем сучасним інтегральним схемам. Цю технологію назвали планарною, і вона мала переваги перед технологією меза Кілбі.

Відтоді воно не припиняється еволюція і вдосконалення цих компонентів. Витрати різко впали, а також економія палива та розміри, а продуктивність та продуктивність значно покращилися. Жоден інший сектор не розвивався настільки сильно, і жоден інший сектор не мав такого великого впливу на людство...

Як вони виготовляються?

Процедура виробництво інтегральних схем це надзвичайно складно. Однак, як видно на відео, це можна звести до кількох простіших кроків, щоб люди могли зрозуміти, як це робиться.

Ось я спробую підсумуйте етапи проектування найкраще з можливих, не заглиблюючись надто глибоко, оскільки це дало б тисячі статей:

1. Станьте частиною потреби, програми, для якої вам потрібно створити електронну схему.
2. Команда дизайнерів відповідає за визначення характеристик і специфікацій, які повинен мати чіп.
3. Потім розробка почне використовувати логічні вентилі та інші елементи пам’яті тощо, поки не буде досягнуто логічний дизайн, який розвиває функцію, для якої призначений цей чіп.
4. Після цього він пройде серію кроків, між якими проводяться тести та моделювання, щоб визначити, чи він працює правильно на логічному рівні, і навіть виробляються тестові мікросхеми, щоб перевірити, чи роблять вони це фізично.
5. Після завершення етапу проектування на основі макета спроектованої схеми створюється серія масок для виготовлення. На них вигравірують візерунок, щоб його можна було вигравірувати на силіконі.
6. Цей шаблон використовується на ливарному виробництві або на заводі для створення інтегральних схем у напівпровідниковій пластині. Ці пластини зазвичай містять до 200 або 300 чіпсів у деяких випадках.

Це аж до етапу проектування виробнича сторона, мають:

1. Мінерал кремнію отримують з піску або кварцу.
2. Після рафінування він стає ультрачистим, або EGS (кремній електронного класу), з рівнем чистоти вищим, ніж кремній, який використовується в інших галузях промисловості.
3. Цей EGS надходить у вигляді шматочків на ливарний цех, де його розплавляють у тиглі та за допомогою затравочного кристала вирощують за методом Чохральського. Щоб було легко зрозуміти, це схоже на те, як виготовляють типову цукрову вату на ярмарках, ви вводите палички (затравку) і бавовняні (розплавлений кремній) палички і збільшується в об’ємі.
4. В кінці цього кроку в результаті виходить злиток, великий шматок монокристалічного кристала кремнію у формі циліндра. Цей брусок нарізається на дуже тонкі пластини.
5. Ці пластини проходять ряд процесів для полірування поверхні, щоб вони залишалися незабрудненими до початку виробництва.
6. Після цього ці пластини пройдуть кілька повторюваних процесів, щоб створити на них чіпси. Ці процеси фізико-хімічного типу, такі як фотолітографія, травлення або травлення, епітаксійне зростання, окислення, іонна імплантація тощо.
7. Кінцева ідея полягає в тому, щоб створити електронні компоненти, як правило, транзистори, на підкладці пластини, а потім додати шари для з’єднання цих компонентів, щоб утворити логічні вентилі в нижньому шарі, потім у наступних шарах ці вентилі з’єднуються, щоб утворити елементарні блоки (суматори, регістри, ...), на наступних рівнях функціональні блоки (пам'ять, ALU, FPU, ...), і, нарешті, всі вони з'єднані між собою для створення повної схеми, наприклад, CPU. На вдосконаленому чіпі може бути до 20 шарів.
8. Після всіх цих процесів, для завершення яких може знадобитися кілька місяців, для кожної пластини будуть отримані сотні рівних схем. Наступне – перевірити і нарізати їх, тобто розділити на окремі кремнієві чіпи.
9. Тепер, коли вони не закріплені, ми приступаємо до інкапсуляції (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...), де мікросхема захищена, а колодки, які є провідними доріжками на поверхні, з'єднані з контактами інтегральної схеми. .

Очевидно, не всі інтегральні схеми однакові. Тут я говорив про функціональні блоки та більш складні речі, такі як процесор, але є також дуже прості схеми, такі як таймер 555 або мікросхема з 4 логічними елементами, які надзвичайно прості. Вони складатимуть лише кілька десятків компонентів і будуть пов’язані одним або кількома шарами металевих з’єднань...

Типи ІМС

Існує не тільки один тип, а кілька види інтегральних мікросхем. Найвідоміші з них:

• Цифрові інтегральні схеми: вони досить популярні і використовуються в багатьох сучасних пристроях, від комп’ютерів до мобільних пристроїв, Smart TV тощо. Вони характеризуються тим, що працюють на основі цифрової системи, тобто з 0 і 1, причому 0 – це сигнал низької напруги, а 1 – сигнал високої напруги. Ось як вони кодують інформацію та працюють. Прикладами можуть бути PLC, FPGA, пам'ять, CPU, GPU, MCU тощо.
• Аналоговий: замість того, щоб базуватися на двійкових сигналах, у цьому випадку вони є безперервними сигналами змінні напруги. Завдяки цьому вони можуть виконувати такі завдання, як фільтрація, розширення сигналу, демодуляція, модуляція тощо. Звичайно, багато систем працюють як з аналоговими, так і з цифровими схемами, використовуючи АЦП/ЦА перетворювачі. Їх можна розділити на дві великі групи, лінійні інтегральні схеми та радіочастотні (РЧ). Прикладами можуть бути мікросхеми для фільтрації звуку, підсилювачі звуку, системи випромінювання або прийому електромагнітних хвиль, датчики тощо.
• ІМС зі змішаним сигналом: як випливає з назви, вони є сумішшю обох. Прикладами можуть бути самі аналого-цифрові чи цифрово-аналогові перетворювачі, певні мікросхеми для годинників, таймерів, кодерів/декодерів тощо.

Відмінності від друкованих схем

Інтегральні схеми не слід плутати з друкованими. Вони обидва різні речі. У той час як перші відносяться до мікрочіпів, як ви бачили, друковані схеми, або друкованої платиЦе ще один тип електронних схем, які друкуються на більших пластинах.

The відмінності найбільш помітними є:

• Друковані схеми: вони складаються з пластини, яка має візерунок провідних ліній, таких як мідні доріжки для з'єднання різних вставлених компонентів (конденсаторів, транзисторів, резисторів, мікрочіпів, ...), спаяних олов'яним паянням, на додаток до діелектрика матеріал (підкладка), що розділяє шари сполучних взаємозв'язків. Вони також, як правило, мають наскрізні отвори або отвори для компонентів неповерхневого монтажу (SMD). З іншого боку, вони зазвичай мають легенду, серію позначок, букв і цифр для ідентифікації компонентів і полегшення обслуговування. Для захисту міді, яка легко окислюється, їх зазвичай обробляють поверхнею. І, на відміну від інтегральних схем, їх можна ремонтувати, замінюючи пошкоджені компоненти або відновлюючи з’єднання.
• Інтегральні схемиВони дуже невеликі за розміром, тверді, мають низьку вартість масового виробництва. На відміну від друкованої плати, їх неможливо відремонтувати, оскільки їх компоненти та з'єднання настільки крихітні, що це неможливо.

Ні інтегральні схеми не замінюють друковані схеми, ні навпаки. Обидва мають своє застосування, і в більшості випадків вони поєднуються в практичних застосуваннях ...

Найпопулярніші інтегральні схеми

Нарешті, існує безліч дуже популярні інтегральні схеми співробітників для проектів електроніки, таких як логічні ворота. Вони дешеві, і їх можна легко знайти в таких магазинах, як Amazon або спеціалізованої електроніки. Наприклад, ось деякі з найпопулярніших:

• 75 популярних комплектів мікросхем від Interstellar Electronics
• Не знайдено жодної продукції.
• 10 мікросхем популярного таймера NE555.
• Не знайдено жодної продукції.