Es ist nicht bekannt, wer zuerst auf die Idee kam, zwei oder mehr Transistoren auf einem einzigen Halbleiterchip unterzubringen. Die Idee könnte kurz nach dem Beginn der Produktion von Halbleiterelementen durch die Halbleiterindustrie entstanden sein. Es ist bekannt, dass die theoretische Grundlage für diesen Ansatz in den frühen 1950er Jahren veröffentlicht wurde. Es dauerte weniger als 10 Jahre, um die technologischen Probleme zu überwinden, und bereits Anfang der 60er Jahre wurde das erste Gerät mit mehreren elektronischen Komponenten in einem Gehäuse - ein Mikrochip (Chip). Seitdem hat die Menschheit einen Weg der Vervollkommnung eingeschlagen, der noch nicht zu Ende ist.
Zweck von gedruckten Schaltungen
Gegenwärtig wird eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen mit unterschiedlichem Integrationsgrad in integrierten Schaltungen hergestellt. Sie können wie Bausteine verwendet werden, um verschiedene elektronische Geräte zusammenzubauen. Eine Funkempfängerschaltung kann zum Beispiel auf verschiedene Weise implementiert werden. Ein erster Ansatzpunkt ist die Verwendung von Mikroschaltungen aus Transistoren. Durch Verbinden der Kabel kann ein Empfängergerät hergestellt werden. Der nächste Schritt ist die Verwendung einzelner Baugruppen in einem integrierten Entwurf (jedes in seinem eigenen Gehäuse):
- Hochfrequenzverstärker
- heterodyn;
- Mischer;
- Tonfrequenzverstärker.
Die modernste Variante schließlich besteht darin, den gesamten Empfänger in einem einzigen Chip unterzubringen und nur wenige externe passive Elemente hinzuzufügen. Es liegt auf der Hand, dass mit zunehmendem Integrationsgrad die Konstruktion von Schaltungen einfacher wird. Sogar ein kompletter Computer kann jetzt auf einem einzigen Chip realisiert werden. Seine Leistung wird immer noch geringer sein als die herkömmlicher Computer, aber mit den Fortschritten in der Technologie kann vielleicht auch dieser Punkt gemeistert werden.
Chip-Typen
Es gibt eine enorme Anzahl von Arten von Mikroschaltungen, die heute hergestellt werden. Praktisch jede komplette elektronische Baugruppe, ob Standard- oder Spezialbaugruppe, ist in Mikrobauweise erhältlich. Es ist nicht möglich, alle Typen im Rahmen einer Übersicht aufzulisten und zu zerlegen. Im Allgemeinen lassen sich ICs jedoch je nach ihrer Funktionalität in drei globale Kategorien einteilen.
- Digital. Sie arbeiten mit diskreten Signalen. In den Eingang werden digitale Pegel eingespeist und am Ausgang werden ebenfalls Signale in digitaler Form abgegriffen. Diese Geräteklasse deckt den Bereich von einfachen Logikelementen bis hin zu den modernsten Mikroprozessoren ab. Dazu gehören auch programmierbare Logik-Arrays, Speichergeräte usw.
- Analog. Sie arbeiten mit Signalen, die sich nach einem kontinuierlichen Gesetz verändern. Ein typisches Beispiel für diese Art von Chip ist ein Tonfrequenzverstärker. Ebenfalls in dieser Klasse enthalten sind integrierte Leitungsstabilisatoren, Signalgeneratoren, Messsensoren und mehr. Passive Elemente (Widerstände, RC-Glieder usw.) gehören ebenfalls zur Kategorie der analogen Elemente.Widerstände, RC-Schaltungen usw.).
- Analog-Digital (digital-analog). Diese Chips wandeln nicht nur diskrete Daten in kontinuierliche Daten um oder umgekehrt. Quell- oder Empfangssignale können im selben Gehäuse verstärkt, umgewandelt, moduliert, dekodiert usw. werden. Analog-Digital-Sensoren werden häufig zur Kommunikation von Messkreisen verschiedener technologischer Prozesse mit Computergeräten verwendet.
ICs werden auch nach der Art der Herstellung unterteilt:
- Halbleiter - hergestellt auf einem einzigen Halbleiterchip;
- Film - passive Elemente werden auf der Basis von dicken oder dünnen Filmen hergestellt;
- Hybrid: aktive Halbleiterbauelemente (Transistoren usw.).
Für die Anwendung von Mikroschaltungen ist diese Klassifizierung jedoch in den meisten Fällen nicht sehr aussagekräftig.
Chipsschalen
Zum Schutz des Innenlebens und zur Vereinfachung der Installation sind die Mikroschaltungen in einem Gehäuse untergebracht. Ursprünglich wurden die meisten Mikroschaltungen in einem Metallgehäuse hergestellt (rund oder rechteckig) mit flexiblen Stiften, die um den Umfang herum angeordnet sind.
Dieses Design konnte die Vorteile der Miniaturisierung nicht voll ausschöpfen, da die Abmessungen des Geräts im Vergleich zur Chipgröße sehr groß waren. Darüber hinaus war der Grad der Integration gering, was das Problem noch verschärfte. Mitte der sechziger Jahre wurde das DIP-Gehäuse (Doppel-Inline-Paket), ein rechteckiger Kasten mit starren Stiften auf beiden Seiten. Das Problem der großen Abmessungen wurde zwar nicht gelöst, aber diese Lösung ermöglichte eine höhere Packungsdichte und erleichterte die automatisierte Montage elektronischer Schaltungen. Die Anzahl der DIP-Pins reicht von 4 bis 64, wobei Geräte mit mehr als 40 noch sehr selten sind.
Wichtig! Der Pin-Abstand von DIP-Mikroschaltungen aus einheimischer Produktion beträgt 2,5 mm, der von importierten Mikroschaltungen 2,54 mm (1 Zeile = 0,1 Zoll.). Aus diesem Grund entstehen Probleme beim Austausch vollständiger, scheinbar russischer und importierter Gegenstücke. Eine kleine Diskrepanz macht es schwierig, die gleiche Funktionalität und Pin-Belegung in Boards und Panels unterzubringen.
Mit der Entwicklung der elektronischen Technologie wurden die Nachteile von DIP-Gehäusen deutlich. Mikroprozessoren hatten nicht genügend Pins, und die steigende Anzahl von Pins erforderte mehr Platz auf den Platinen. Das zweite Problem, das die Ära der DIP-Vorherrschaft beendete, war die zunehmende Verbreitung der Oberflächenmontage. Anstatt Chips in Löcher auf der Platine zu löten, wurden sie direkt auf Pads gelötet. Diese Art der Montage erwies sich als sehr rationell, so dass ein Bedarf an Chips in Gehäusen entstand, die für das Löten an der Oberfläche geeignet waren. Und das Verfahren zum Ersetzen der "Loch"-Montagevorrichtungen (richtiges Loch) Elemente genannt SMD (Aufputz-Detail).
Der erste Schritt zu einem oberflächenmontierten Design war die Einführung von SOIC-Gehäusen und deren Modifikationen (SOP, HSOP und andere Entwürfe). Wie bei den DIP-Typen sind die Stiele in zwei Reihen an den Längsseiten angeordnet, aber sie sind parallel zur Unterseite des Gehäuses.
Eine weitere Entwicklung ist das QFP-Gehäuse. Dieses Gehäuse hat auf jeder Seite quadratische Stifte. Es ähnelt dem PLLC-Paket, ist aber näher am DIP, obwohl die Schenkel ebenfalls um den gesamten Umfang herum angeordnet sind.
Eine Zeit lang konnten sich DIP-Chips im Bereich der programmierbaren Bauteile behaupten (ROMs, Steuerungen, PLM), aber die Verbreitung der On-Chip-Programmierung hat die zweireihigen True-Hole-Gehäuse auch aus diesem Bereich verdrängt. Selbst Teile, die früher in Löchern montiert wurden - wie integrierte Spannungsregler usw. - sind heute SMD-fähig.
Die Entwicklung von Mikroprozessorgehäusen hat einen anderen Weg genommen. Da die Anzahl der Stifte nicht in den Umfang eines halbwegs großen Quadrats passt, werden die Beine eines großen Chips in einer Matrix angeordnet (PGA, LGA, etc.).
Vorteile der Verwendung von Chips
Das Aufkommen des Mikrochips hat die Welt der Elektronik revolutioniert (insbesondere in der Mikroprozessortechnik). Die Röhrencomputer, die ein oder mehrere Zimmer beanspruchten, bleiben als historische Kuriosität in Erinnerung. Eine moderne CPU enthält jedoch etwa 20 Milliarden Transistoren. Geht man von einer diskreten Transistorfläche von mindestens 0,1 Quadratzentimetern aus, so müsste der gesamte Prozessor eine Fläche von mindestens 200000 Quadratmetern einnehmen - etwa 2000 Dreizimmerwohnungen mittlerer Größe.
Außerdem muss Platz für Arbeitsspeicher, Soundkarten, Audiokarten, Netzwerkadapter und andere Peripheriegeräte vorgesehen werden. Die Kosten für den Einbau so vieler diskreter Komponenten wären enorm und die Zuverlässigkeit wäre inakzeptabel gering. Die Fehlersuche und Reparatur wäre unglaublich zeitaufwändig gewesen. Es ist klar, dass es die Ära der Personal Computer ohne hochintegrierte Schaltkreise nicht gegeben hätte. Außerdem wären ohne moderne Technologie keine rechenintensiven Geräte für Verbraucher, Industrie oder Wissenschaft entstanden.
Die Richtung der Elektronikentwicklung ist für viele Jahre vorgegeben. Dies ist in erster Linie auf den zunehmenden Integrationsgrad der Chipelemente zurückzuführen, der durch die ständige Weiterentwicklung der Technologie bedingt ist. Ein qualitativer Sprung steht bevor, wenn die Möglichkeiten der Mikroelektronik an ihre Grenzen stoßen, aber das ist eine Angelegenheit der eher fernen Zukunft.
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