Integrinė grandinė (mikroschema) — apibrėžimas, tipai ir paskirtis
Sužinokite, kas yra integrinė grandinė (mikroschema), jos tipai — analoginės, skaitmeninės, mišrios — ir paskirtis: nuo procesorių iki atminties. Skaitykite daugiau.
Integrinis grandynas (dažniau vadinamas integrine schema, mikroschema, silicio lustu, kompiuterio lustu arba mikroschema) – tai specialiai paruošto silicio (arba kito puslaidininkio) gabalėlis, į kurį fotolitografijos būdu išgraviruojama elektroninė schema. Silicio mikroschemose gali būti loginiai vartai, kompiuterių procesoriai, atmintis ir specialūs įtaisai. Mikroschema yra trapi ir jautri aplinkos poveikiui, todėl ją dažnai uždengia apsauginė plastikinė pakuotė arba metalinis korpusas. Elektrinis ryšys su mikroschema paprastai užtikrinamas plonais laidais (wire bonding) arba tiesioginiu litavimu prie kontaktų; šie laidai sujungia lustą su metaliniais kaiščiais ar kontaktų plokšte, per kurią lustas integruojamas į platesnį elektroninį įrenginį.
Kaip gaminama integrinė grandinė?
Gamybos procesas prasideda nuo plono silicio disko – plokštelės (wafer). Ant plokštelės atliekami keli pagrindiniai etapai: oksidacija, plonasluoksnių medžiagų nusodinimas, fotolitografijos procesai, dopinimas (jonų implantacija), etch (rievių išgraviravimas), metalo sluoksnių dengimas, testavimas ir galutinis pjaustymas (dicing). Fotolitografijos metu per šabloną (maskę) šviesa selektyviai aktyvuoja arba apsaugo tam tikras zonas, taip sukuriant labai smulkias grandinės struktūras. Po gamybos kiekvienas paruoštas lustas išbandomas (wafer testing), o po to atskiri lustai (die) supakuojami ir patikrinami dar kartą (final testing).
Pakuotės, jungtys ir montavimo būdai
Mikroschemų pakuotės tipai yra labai įvairūs: nuo senesnių DIP (Dual In-line Package) iki plokščių SMD (Surface-Mount Device) pakuočių, tokių kaip QFP, SOIC ir moderniausių BGA (Ball Grid Array). Pakuotė apsaugo lustą nuo mechaninių pažeidimų, drėgmės ir elektrostatinio iškrovimo, taip pat padeda šilumos išsklaidymui. Jungtys gali būti metaliniai kaiščiai, luiteliai ar litavimo kamuoliukai (BGA). Taip pat taikomi flip-chip metodai, kai lustas montuojamas tiesiogiai ant plokštės paviršiaus, sumažinant laidų ilgį ir paspartinant signalų perdavimą.
Tipai ir paskirtis
Integriniai grandynai skirstomi pagal funkcijas ir signalų pobūdį. Jie gali būti:
- analoginius – skirti nuolatiniams (nepertraukiamiems) signalams tvarkyti, pavyzdžiui, stiprintuvai, matavimo grandinės;
- skaitmeninius – dirbančius su dviejų lygių (0/1) signalais: loginiai elementai, procesoriai, skaičiavimo vienetai;
- mišrių signalų (analoginiai ir skaitmeniniai tame pačiame luste) – dažnai naudojami garso, radijo ir matavimo įrangai, kur reikia užtikrinti tiek analoginę, tiek skaitmeninę apdorojimo grandinę;
- specializuotus prietaisus: ASIC (application-specific integrated circuit), FPGA (programuojamos logikos matrica), mikrovaldiklius (MCU) ir SoC (system on chip), kuriuose viename luste sujungiamos kelios funkcijos.
Mikroschemos gali būti sukurtos labai konkrečiam uždaviniui – pavyzdžiui, skaičiuotuvui, arba būti bendros paskirties („universalūs“ logikos elementai ar atminties lustai). Atminties ir loginės struktūros bei procesoriai dažnai derinami kuriant sudėtingus elektroninius įrenginius.
Privalumai ir trūkumai
Privalumai:
- Maža kaina dėl masinės gamybos: daug komponentų telpa į vieną lustą, todėl vieneto savikaina mažėja;
- Didelis našumas: trumpesni signalų keliai – greitesnis veikimas ir mažesni energijos nuostoliai;
- Mažas dydis ir svoris – leidžia kurti kompaktiškus įrenginius;
- Aukštesnis patikimumas – mažiau jungčių tarp atskirų komponentų reiškia mažiau gedimų vietų.
Trūkumai ir iššūkiai:
- Šilumos valdymas – dideli integracijos laipsniai lemia intensyvesnį šilumos išsklaidymą ir reikalauja efektyvių aušinimo sprendimų;
- Aukštos pradinių investicijų sąnaudos (NRE – non-recurring engineering) kuriant naują lustą, ypač ASIC;
- Jautrumas elektrostatiniam iškrovimui (ESD) ir mechaniniams poveikiams;
- Technologinių ribų iššūkiai: miniatiūrizacija reikalauja pažangių litografijos technologijų (pvz., EUV) ir naujų medžiagų.
Ateities tendencijos
Technologijos vystosi link didesnės integracijos ir naujų architektūrų: 3D lustų sujungimas, System-on-Chip (SoC) sprendimai, pažangios litografijos priemonės ir naujos puslaidininkių medžiagos (pvz., SiC, GaN). Nors Moore’o dėsnis lėtėja, gamintojai ieško būdų, kaip išlaikyti spartą ir energijos efektyvumą, integruojant funkcijas ir tobulinant šilumos valdymą.
Puslaidininkinis
Puslaidininkį, pvz., silicį, galima valdyti taip, kad juo tekėtų (arba netektų tekėti) srovė. Tai leidžia sukurti tranzistorius, kurie gali valdyti vienas kitą. Jų yra daugelyje buities daiktų, pavyzdžiui, radijo imtuvuose, kompiuteriuose, telefonuose ir daugelyje kitų. Kiti puslaidininkiniai įtaisai yra saulės elementai, diodai ir šviesos diodai (šviesos diodai).
Dvigubos eilutės pakuotės (DIP) vaizdas iš šono
Plastikinio keturbriaunio plokščiojo paketo (PQFP) paveikslėlis
Išradimas
1958 ir 1959 m. dviem žmonėms beveik tuo pačiu metu kilo idėja sukurti integrinį grandyną. Tranzistoriai buvo tapę įprastu dalyku, naudojamu buitiniuose prietaisuose, pavyzdžiui, radijo imtuvuose. Jie turėjo įtakos viskam, pradedant radijo imtuvais ir baigiant telefonais, o tuo metu gamintojams reikėjo mažesnio vakuuminių lempų pakaitalo. Tranzistoriai buvo mažesni už vakuumines lempas, tačiau kai kuriems naujausiems elektronikos prietaisams, pavyzdžiui, raketų valdymui, jie nebuvo pakankamai maži.
Vieną liepos mėnesio dieną Jackas Kilby dirbo "Texas Instruments" įmonėje, kai jam kilo mintis, kad visos grandinės dalys, ne tik tranzistorius, gali būti pagamintos iš silicio. Tuo metu niekas nedėjo kondensatorių ir rezistorių į integrinius grandynus. Tai turėjo pakeisti ateitį ir palengvinti integrinių grandynų gamybą bei pardavimą. Kilbio viršininkui ši idėja patiko ir jis liepė imtis darbo. Iki rugsėjo 12 d. Kilbis sukūrė veikiantį modelį, o vasario 6 d. "Texas Instruments" pateikė patentą. Jų pirmoji "kietoji grandinė" buvo piršto galiuko dydžio.
Tuo tarpu Kalifornijoje tą patį sumanė kitas vyras. 1959 m. sausį Robertas Noyce'as dirbo nedidelėje "Fairchild Semiconductor" pradedančiojoje įmonėje. Jis taip pat suprato, kad visą grandinę galima sutalpinti į vieną lustą. Kol Kilbis buvo parengęs atskirų komponentų gamybos detales, Noyce'as sugalvojo daug geresnį būdą, kaip sujungti dalis. Ši konstrukcija buvo pavadinta "vieninga grandine". Visos šios detalės pasiteisino, nes 1961 m. balandžio 25 d. patentų biuras pirmąjį integrinio grandyno patentą išdavė Robertui Noyce'ui, o Kilby paraiška dar buvo analizuojama. Šiandien pripažįstama, kad abu vyrai nepriklausomai sugalvojo šią idėją.
Netrukus atsirado dviejų rūšių integriniai grandynai: hibridiniai (HIC) ir monolitiniai (MIC). Hibridiniai išnyko XX a. pabaigoje.
Kartos
| Pavadinimas | Laikotarpis | Tranzistorių skaičius kiekviename luste (apytiksliai) |
| SSI (mažos apimties integracija) | septintojo dešimtmečio pradžia | viename luste yra tik keli tranzistoriai |
| MSI (vidutinio masto integracija) | septintojo dešimtmečio pabaiga | šimtai tranzistorių kiekviename luste. |
| LSI (didelės apimties integracija) | aštuntojo dešimtmečio vidurys | dešimtys tūkstančių tranzistorių viename luste. |
| VLSI (labai didelės apimties integracija) | 20-ojo dešimtmečio pabaigoje šimtmetis | šimtai tūkstančių tranzistorių |
| ULSI (itin didelės apimties integracija) | XXI a. | daugiau nei 1 milijonas tranzistorių |
※ Skirtumas tarp VLSI ir ULSI nėra aiškiai apibrėžtas.
Klasifikacija
Integriniai grandynai gali būti supakuoti į DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) ir kitų tipų mikroschemų pakuotes. Kai kurios mažos yra supakuotos pagal paviršinio montavimo technologiją. Viduje esantys tranzistoriai gali būti bipoliniai tranzistoriai, naudojami neįprastose grandinėse, pavyzdžiui, tose, kuriose reikia labai didelio perjungimo greičio. Tačiau dauguma jų yra MOSFET tranzistoriai.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra integrinis grandynas?
A.: Integrinis grandynas, dar vadinamas mikroschema arba mikroschema, yra specialiai paruošto silicio gabalas, ant kurio fotolitografijos būdu išgraviruotas elektroninis grandynas.
K: Kokie prietaisų, kurie gali būti įmontuoti į silicio lustą, pavyzdžiai?
A: Silicio lustuose gali būti loginiai vartai, kompiuterių procesoriai, atmintis ir specialūs įtaisai.
K: Kodėl lustą supa plastikinė pakuotė?
A: Mikroschema yra labai trapi, todėl jai apsaugoti naudojama plastikinė pakuotė.
K: Kaip su lustu užmezgamas elektrinis kontaktas?
A.: Elektrinis kontaktas su lustu užtikrinamas per mažus laidus, kurie jungia lustą su didesniais metaliniais kaiščiais, išsikišusiais iš pakuotės.
K: Kokie yra du integrinių grandynų, o ne diskrečiųjų grandynų naudojimo privalumai?
A.: Integriniai grandynai turi du pagrindinius pranašumus prieš diskretines grandines: kaina ir našumas. Kaina maža, nes į vieną lustą galima įdėti milijonus tranzistorių, užuot kūrus grandinę su pavieniais tranzistoriais. Našumas didesnis, nes komponentai gali veikti greičiau ir naudoti mažiau energijos.
K: Kokios yra skirtingos integrinių grandynų rūšys?
A: Integriniai grandynai gali būti skirstomi į analoginius, skaitmeninius ir mišrių signalų (analoginiai ir skaitmeniniai tame pačiame luste).
K: Ar gali būti vienas lustas skirtas konkrečiam tikslui?
A: Taip, mikroschema gali būti sukurta konkrečiai paskirčiai, pavyzdžiui, skaičiuotuvo mikroschema gali veikti tik kaip skaičiuotuvas.
Ieškoti