Integrirana vezja: kaj so, razlike s tiskanimi in še več

P integrirana vezja, čipi, mikročipi, IC (integrirano vezje) ali CI (integrirano vezje), ali kakorkoli jih želite poimenovati, so vrsta elektronskih vezij, ki so omogočila napredek tehnologije na trenutne ravni. Brez tega izuma računalništvo in telekomunikacije verjetno ne bi bili to, kar so, elektronske in električne naprave pa bi bile zelo različne.

Kljub svoji majhni velikosti in temu, da so povsod, se ta integrirana vezja skrivajo velika presenečenja za odkrivanje. Tukaj lahko izveste veliko več o teh Elektronske komponente...

Kaj so integrirana vezja?

P integrirana vezja so blazinice iz polprevodnika inkapsulirano in vsebuje posneto elektronsko vezje. Glede na logično družino, ki ji pripadajo, bodo ta vezja sestavljena iz različnih miniaturiziranih elektronskih komponent. Na primer, lahko so diode, tranzistorji, upori, kondenzatorji itd.

Zahvaljujoč njim je bilo mogoče razviti sodobna elektronika in začeti novo obdobje glede na odlično integracijo, ki jo omogočajo. Pravzaprav lahko nekateri današnji najnaprednejši čipi integrirajo do milijarde tranzistorjev v matrico, ki je le nekaj kvadratnih milimetrov.

Zgodovina čipov

Sprva je elektronika začela uporabljati grobo vakuumski ventili podobno kot običajne žarnice. Ti ventili so bili veliki, zelo neučinkoviti, precej so se segreli in zlahka počili, zato je bilo treba zamenjati pregorele, da bi računalniki in druga oprema, ki jih je imela, še naprej delovali.

En Leta 1947 je prišel izum tranzistorja, kos, ki bi nadomestil stare ventile in ki bi prav tako revolucioniral elektroniko. Zahvaljujoč njemu je bilo mogoče imeti polprevodniško napravo, veliko bolj odporno, učinkovito in hitrejšo od ventilov. Vendar so nekateri mislili, da bi lahko več teh elementov integrirali v en sam silicijev čip. Tako so nastala prva integrirana vezja v zgodovini.

Sčasoma se je polprevodniška elektronika razvila in zmanjšala velikost komponent ter znižala stroške. V poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja je izumitelj Texas Instruments imenovan Jack Kilby, mu je prišlo na misel, da bi ustvaril polprevodniški čip in nekaj ožičenja, ki je prepletala različne dele. To je postal prvi žeton v zgodovini in zanj bo še dobil Nobelovo nagrado.

Skoraj vzporedno, robert noyceTakrat je bil uslužbenec podjetja Fairchild Semiconductor (kasneje eden od ustanoviteljev Intela), prav tako je razvil podobno napravo, vendar z velikimi prednostmi pred Kilbyjevo. Noyce je ustvaril idejo, ki bi umaknila mesto današnjim integriranim vezjem. Ta tehnologija se je imenovala planarna in je imela prednosti pred Kilbyjevo tehnologijo mesa.

Od takrat se ni ustavilo evolucijo in izboljšanje teh komponent. Stroški so padli, prav tako poraba goriva in velikost, medtem ko sta se zmogljivost in zmogljivost dramatično izboljšala. Noben drug sektor se ni tako razvil in noben drug sektor ni imel tako velikega vpliva na človeštvo ...

Kako so narejeni?

Postopek z dne proizvodnja integriranih vezij je izjemno zapleteno. Vendar, kot je razvidno iz videoposnetka, ga je mogoče povzeti v nekaj preprostejših korakih, da bodo ljudje lahko razumeli, kako se izvajajo.

Tukaj bom poskusil povzeti korake oblikovanja najboljši možni, ne da bi šel pregloboko, saj bi dal za tisoče člankov:

1. Bodite del potrebe, aplikacije, za katero morate ustvariti elektronsko vezje.
2. Oblikovalska skupina je zadolžena za opis značilnosti in specifikacij, ki jih mora imeti čip.
3. Nato bo načrtovanje začelo uporabljati logična vrata in druge pomnilniške elemente itd., dokler ne bo dosežena logična zasnova, ki razvije funkcijo, za katero je ta čip zasnovan.
4. Po tem bo šel skozi vrsto korakov, med katerimi se izvajajo testi in simulacije, da se ugotovi, ali deluje pravilno na logični ravni, in izdelajo se celo testni čipi, da se preveri, ali to počnejo fizično.
5. Ko je faza načrtovanja zaključena, se iz postavitve oblikovanega vezja ustvari serija mask za izdelavo. Na njih je vgraviran vzorec, tako da ga je mogoče vgravirati na silicij.
6. Ta vzorec uporablja livarna ali tovarna za ustvarjanje integriranih vezij v polprevodniški rezini. Te rezine običajno vsebujejo do 200 ali 300 čipov v nekaterih primerih.

To je vse do faze načrtovanja, od proizvodna stran, imajo:

1. Silicijev mineral se pridobiva iz peska ali kremena.
2. Ko je enkrat rafiniran v ultra čist ali EGS (Electronic-Grade Silicon), s stopnjo čistosti, višjo od silicija, ki se uporablja v drugih industrijah.
3. Ta EGS prispe v obliki kosov v livarno, kjer ga stopijo v lončku in ga skozi semenski kristal pripravijo za rast po metodi Czochralskega. Tako, da je lahko razumljivo, podobno kot na sejmih izdelujejo tipično sladko vato, uvedeš paličico (semenski kristal) in bombažno (staljeni silicij) palčke in se poveča volumen.
4. Na koncu tega koraka je rezultat ingot, velik kos monokristalnega silicijevega kristala v obliki valja. Ta rezina je narezana na zelo tanke rezine.
5. Te rezine gredo skozi vrsto postopkov za poliranje površine, tako da ostanejo neonesnažene za začetek proizvodnje.
6. Nato bodo te rezine šle skozi več ponavljajočih se procesov, da na njih ustvarijo čips. Ti procesi so fizikalno-kemijske vrste, kot so fotolitografija, jedkanje ali jedkanje, epitaksijalna rast, oksidacija, ionska implantacija itd.
7. Končna ideja je ustvariti elektronske komponente, običajno tranzistorje, na substratu rezin in nato dodati plasti za medsebojno povezavo omenjenih komponent, da tvorijo logična vrata v najnižji plasti, nato pa so v naslednjih plasteh ta vrata povezana, da tvorijo elementarne enote (seštevalnike, registre, ...), v naslednjih slojih funkcionalne enote (pomnilnik, ALU, FPU, ...), in končno so vse med seboj povezane, da ustvarijo celotno vezje, na primer CPU. Na naprednem čipu je lahko do 20 plasti.
8. Po vseh teh procesih, ki lahko trajajo več mesecev, bo za vsako rezino pridobljenih na stotine enakih vezij. Naslednja stvar je, da jih preizkusimo in razrežemo, torej razdelimo na posamezne silikonske čipe.
9. Zdaj, ko so ohlapne matrice, nadaljujemo z inkapsulacijo (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...), kjer je čip zaščiten in so ploščice, ki so na površini prevodne sledi, povezane z zatiči integriranega vezja. .

Očitno, niso vsa integrirana vezja enaka. Tukaj sem govoril o funkcionalnih enotah in bolj zapletenih stvareh, kot je CPU, vendar obstajajo tudi zelo preprosta vezja, kot je časovnik 555 ali IC s 4 logičnimi vrati, ki so izjemno preprosta. Imeli bodo le nekaj deset komponent in bodo povezani z eno ali nekaj plastmi kovinskih povezav ...

Vrste IC

Ne obstaja samo ena vrsta, ampak več vrste integriranih vezij. Najpomembnejši, ki jih lahko najdete, so:

• Digitalna integrirana vezja: so precej priljubljeni in se uporabljajo v številnih sodobnih napravah, od računalnikov, do mobilnih naprav, pametnih televizorjev itd. Zanje je značilno, da delujejo na podlagi digitalnega sistema, torej z 0 in 1, pri čemer je 0 nizkonapetostni signal in 1 visokonapetostni signal. Tako kodirajo informacije in delujejo. Primeri so lahko PLC, FPGA, pomnilniki, CPU, GPU, MCU itd.
• Analogno: namesto da bi temeljili na binarnih signalih, so v tem primeru neprekinjeni signali spremenljivke v napetosti. Zahvaljujoč temu lahko opravljajo naloge, kot so filtriranje, širitev signala, demodulacija, modulacija itd. Seveda mnogi sistemi delujejo tako z analognimi kot digitalnimi vezji, pri čemer uporabljajo AD/DA pretvorniki. Lahko jih razdelimo v dve veliki skupini, linearna integrirana vezja in radiofrekvenčna (RF). Primeri so lahko čip za filtriranje zvoka, ojačevalniki zvoka, sistemi za oddajanje ali sprejem elektromagnetnih valov, senzorji itd.
• IC z mešanimi signali: kot že ime pove, so mešanica obojega. Nekateri primeri so lahko sami analogno-digitalni ali digitalno-analogni pretvorniki, določeni čipi za ure, časovniki, kodirniki/dekoderji itd.

Razlike s tiskanimi vezji

Integriranih vezij ne smemo zamenjevati s tiskanimi vezji. Oba sta različni stvari. Medtem ko se prve nanašajo na mikročipe, kot ste videli, tiskana vezja, ali PCBSo še ena vrsta elektronskih vezij, ki so natisnjena na večjih ploščah.

The razlike najbolj opazni so:

• Tiskana vezja: sestavljeni so iz plošče, ki ima vzorec prevodnih linij, kot so bakrene tirnice za povezavo različnih vstavljenih komponent (kondenzatorji, tranzistorji, upori, mikročipi, ...), spajkane s kositrnim spajkanjem, poleg dielektrika material (podlaga), ki ločuje plasti povezovalnih povezav. Običajno imajo tudi skoznje luknje ali prehode za komponente, ki niso nameščene na površino (SMD). Po drugi strani pa imajo običajno legendo, vrsto oznak, črk in številk za identifikacijo komponent in olajšanje vzdrževanja. Za zaščito bakra, ki zlahka oksidira, imajo običajno površinsko obdelavo. In za razliko od integriranih vezij, jih je mogoče popraviti, zamenjati poškodovane komponente ali obnoviti medsebojne povezave.
• Integrirana vezjaSo zelo majhne velikosti, v trdnem stanju in imajo nizke stroške množične proizvodnje. Za razliko od tiskanega vezja jih ni mogoče popraviti, saj so njihove komponente in povezave tako zelo majhni, da je to nemogoče.

Niti integrirana vezja niso nadomestek za tiskana vezja niti obratno. Oboje ima svojo uporabo in v večini primerov gresta skupaj v praktični uporabi ...

Najbolj priljubljena integrirana vezja

Končno obstaja množica zelo priljubljena integrirana vezja zaposlenih za projekte na področju elektronike, kot so npr logična vrata. So poceni in jih je mogoče zlahka najti v trgovinah, kot je Amazon ali specializirana elektronika. Tukaj je na primer nekaj najbolj priljubljenih:

• 75 priljubljenih kompletov IC iz Interstellar Electronics
• Ni najdenih izdelkov.
• 10 IC priljubljenega časovnika NE555.
• Ni najdenih izdelkov.