Není známo, kdo jako první přišel s nápadem umístit dva nebo více tranzistorů na jeden polovodičový čip. Tato myšlenka mohla vzniknout hned poté, co polovodičový průmysl začal vyrábět polovodičové prvky. Je známo, že teoretický základ tohoto přístupu byl publikován na počátku 50. let 20. století. Překonání technologických problémů trvalo necelých 10 let a již počátkem 60. let bylo v USA představeno první zařízení obsahující několik elektronických součástek v jednom balení - mikročip (čip). Od té doby se lidstvo vydalo na cestu dokonalosti, která má teprve skončit.
Účel plošných spojů
V současné době se v integrovaných konstrukcích vyrábí široká škála elektronických součástek s různým stupněm integrace. Lze je použít jako stavební kameny k sestavení různých elektronických zařízení. Například obvod rádiového přijímače lze realizovat různými způsoby. Výchozím bodem je použití mikroobvodových sad tranzistorů. Propojením jejich vodičů je možné vytvořit přijímací zařízení. Dalším krokem je použití jednotlivých sestav v integrovaném návrhu (každý ve vlastním pouzdře):
- radiofrekvenční zesilovač
- heterodyn;
- mixér;
- zesilovač zvukové frekvence.
Konečně nejmodernější variantou je umístění celého přijímače do jediného čipu a přidání pouze několika externích pasivních prvků. Je zřejmé, že s rostoucím stupněm integrace se návrh obvodů zjednodušuje. Dokonce i kompletní počítač lze nyní realizovat na jediném čipu. Jeho výkon bude stále nižší než u běžných výpočetních zařízení, ale s technologickým pokrokem se snad podaří překonat i tento bod.
Typy čipů
V současné době se vyrábí obrovské množství typů mikroobvodů. Prakticky jakákoli kompletní elektronická sestava, standardní nebo specializovaná, se dodává v mikro provedení. V rámci jednoho přehledu není možné uvést a rozebrat všechny typy. Obecně lze však integrované obvody rozdělit do tří globálních kategorií podle jejich funkčnosti.
- Digitální. Pracují s diskrétními signály. Na vstup jsou přiváděny digitální úrovně a z výstupu jsou rovněž odebírány signály v digitální podobě. Tato třída zařízení pokrývá oblast od jednoduchých logických prvků až po nejpokročilejší mikroprocesory. Patří sem také programovatelná logická pole, paměťová zařízení atd.
- Analogový. Pracují se signály, které se mění podle spojitého zákona. Typickým příkladem takového čipu je zesilovač zvukové frekvence. Do této třídy patří také integrované stabilizátory vedení, generátory signálu, měřicí senzory a další. Sady pasivních prvků (rezistory, RC obvody atd.) patří rovněž do kategorie analogových.rezistory, RC obvody atd.).
- Analogově-digitální (digitálně-analogové). Tyto čipy nepřevádějí pouze diskrétní data na spojitá nebo naopak. Zdrojové nebo přijímané signály ve stejném pouzdře mohou být zesíleny, konvertovány, modulovány, dekódovány atd. Analogově-digitální senzory se široce používají ke komunikaci měřicích obvodů různých technologických procesů s výpočetními zařízeními.
Integrované obvody se také dělí podle typu výroby:
- Polovodičový - vyrobený na jednom polovodičovém čipu;
- Filmové - pasivní prvky se vyrábějí na bázi tlustých nebo tenkých filmů;
- Hybridní: aktivní polovodičová zařízení (tranzistory atd.).
Pro použití mikroobvodů však tato klasifikace ve většině případů neposkytuje mnoho praktických informací.
Chipshells
Kvůli ochraně vnitřního obsahu a zjednodušení instalace jsou mikroobvody umístěny v obalu. Zpočátku se většina mikroobvodů vyráběla v kovovém pouzdře (kulatý nebo obdélníkový) s pružnými kolíky rozmístěnými po obvodu.
Tento návrh nemohl plně využít výhod miniaturizace, protože rozměry zařízení byly v porovnání s velikostí čipu velmi velké. Kromě toho byl stupeň integrace nízký, což problém jen zhoršovalo. V polovině šedesátých let se objevilo pouzdro DIP (dvojitý řadový balíček), obdélníkový box s pevnými kolíky na obou stranách. Problém velkých rozměrů nebyl vyřešen, nicméně toto řešení umožnilo dosáhnout vyšší hustoty balení a usnadnilo automatizovanou montáž elektronických obvodů. Počet vývodů DIP se pohybuje od 4 do 64, i když jednotky s více než 40 vývody jsou stále velmi vzácné.
Důležité! Rozteč vývodů mikroobvodů DIP domácí výroby je 2,5 mm, u dovážených mikroobvodů je 2,54 mm (1 řádek = 0,1 palce.). Z tohoto důvodu vznikají problémy při nahrazování zdánlivě kompletních ruských a dovážených protějšků. Malý rozdíl znesnadňuje umístění stejných funkcí a přiřazení pinů do desek a panelů.
S rozvojem elektronických technologií se ukázaly nevýhody DIP balení. Mikroprocesory neměly dostatek pinů a rostoucí počet pinů vyžadoval více místa na deskách. Druhým problémem, který ukončil éru nadvlády DIP, bylo rozšíření povrchové montáže. Místo pájení čipů do otvorů na deskách se pájely přímo na podložky. Tento způsob montáže se ukázal jako velmi racionální, a proto vznikla potřeba čipů v obalech uzpůsobených k pájení na povrch. A proces výměny montážních zařízení s "otvory" (pravý otvor) prvky s názvem SMD (detail pro povrchovou montáž).
Prvním krokem k povrchové montáži bylo zavedení pouzdra SOIC a jeho modifikací (SOP, HSOP a další návrhy). Stejně jako u typů DIP jsou dříky uspořádány ve dvou řadách na dlouhých stranách, ale jsou rovnoběžné se spodní stranou pouzdra.
Dalším vývojem prošlo pouzdro QFP. Toto pouzdro má na každé straně čtvercové kolíky. Je podobný balíčku PLLC, ale má blíže k DIP, i když nožičky jsou také po celém obvodu.
Čipy DIP si po určitou dobu udržely svou pozici v oblasti programovatelných zařízení (ROM, řadiče, PLM), ale rozšíření programování na čipu vytlačilo dvouřadé pouzdra s pravými otvory i z této oblasti. V dnešní době jsou i součástky, které se dříve montovaly do otvorů, jako jsou integrované regulátory napětí apod., připraveny pro montáž SMD.
Vývoj pouzder mikroprocesorů se ubíral jinou cestou. Protože se počet vývodů nevejde do obvodu žádného čtverce rozumné velikosti, jsou nožičky velkého čipu uspořádány do matice (PGA, LGA atd.).
Výhody používání čipů
Nástup mikročipu způsobil revoluci ve světě elektroniky (zejména v oblasti mikroprocesorové technologie). Počítače na trubkách, které zabíraly jednu nebo více místností, jsou připomínány jako historická kuriozita. Moderní procesor však obsahuje přibližně 20 miliard tranzistorů. Předpokládáme-li, že plocha diskrétního tranzistoru je alespoň 0,1 cm2, musela by plocha, kterou zabírá procesor jako celek, činit nejméně 200 000 metrů čtverečních - přibližně 2000 třípokojových bytů střední velikosti.
Je třeba také zajistit místo pro paměť, zvukové karty, zvukové karty, síťové adaptéry a další periferní zařízení. Náklady na montáž tolika diskrétních součástek by byly obrovské a spolehlivost by byla nepřijatelně nízká. Odstraňování problémů a opravy by byly časově velmi náročné. Je jasné, že éra osobních počítačů by bez vysoce integrovaných obvodů nikdy nenastala. Bez moderních technologií by také nevznikla zařízení náročná na výpočetní techniku, od spotřebních až po průmyslová nebo vědecká zařízení.
Směr vývoje elektroniky je na mnoho let dopředu dán. Jedná se především o zvýšení stupně integrace prvků čipu, což je dáno neustálým vývojem technologií. Až možnosti mikroelektroniky dosáhnou svých hranic, čeká nás kvalitativní skok, ale to je záležitost spíše vzdálené budoucnosti.
Související články:
