Δεν είναι γνωστό ποιος σκέφτηκε πρώτος την ιδέα της τοποθέτησης δύο ή περισσότερων τρανζίστορ σε ένα μόνο τσιπ ημιαγωγού. Η ιδέα μπορεί να προέκυψε αμέσως μετά την έναρξη της παραγωγής στοιχείων ημιαγωγών από τη βιομηχανία ημιαγωγών. Είναι γνωστό ότι η θεωρητική βάση αυτής της προσέγγισης δημοσιεύθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1950. Χρειάστηκαν λιγότερα από 10 χρόνια για να ξεπεραστούν τα τεχνολογικά προβλήματα, και ήδη στις αρχές της δεκαετίας του '60 η πρώτη συσκευή που περιείχε πολλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα σε μια συσκευασία - ένα μικροτσίπ (chip). Από τότε η ανθρωπότητα έχει ξεκινήσει μια πορεία τελειοποίησης που δεν έχει ακόμη τελειώσει.
Σκοπός των τυπωμένων κυκλωμάτων
Επί του παρόντος, μια μεγάλη ποικιλία ηλεκτρονικών εξαρτημάτων με διάφορους βαθμούς ολοκλήρωσης κατασκευάζονται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν δομικά στοιχεία για τη συναρμολόγηση διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών. Για παράδειγμα, ένα κύκλωμα ραδιοφωνικού δέκτη μπορεί να υλοποιηθεί με διάφορους τρόπους. Ένα σημείο εκκίνησης είναι η χρήση μικροκυκλωμάτων-συνόλων τρανζίστορ. Συνδέοντας τα καλώδια τους, είναι δυνατόν να κατασκευαστεί μια συσκευή δέκτη. Το επόμενο βήμα είναι η χρήση μεμονωμένων συγκροτημάτων σε έναν ολοκληρωμένο σχεδιασμό (το καθένα στο δικό του περίβλημα):
- ενισχυτής ραδιοσυχνοτήτων
- ετερόδυνο;
- μίξερ,
- ενισχυτή συχνότητας ήχου.
Τέλος, η πιο σύγχρονη παραλλαγή είναι να υπάρχει ολόκληρος ο δέκτης σε ένα μόνο τσιπ, προσθέτοντας μόνο μερικά εξωτερικά παθητικά στοιχεία. Προφανώς, όσο αυξάνεται ο βαθμός ολοκλήρωσης, ο σχεδιασμός του κυκλώματος γίνεται απλούστερος. Ακόμη και ένας πλήρης υπολογιστής μπορεί πλέον να υλοποιηθεί σε ένα μόνο τσιπ. Η απόδοσή του θα εξακολουθεί να είναι χαμηλότερη από εκείνη των συμβατικών υπολογιστικών συσκευών, αλλά με την πρόοδο της τεχνολογίας, ίσως και αυτό το σημείο να κατακτηθεί.
Τύποι τσιπ
Σήμερα κατασκευάζεται ένας τεράστιος αριθμός τύπων μικροκυκλωμάτων. Σχεδόν κάθε πλήρες ηλεκτρονικό συγκρότημα, τυποποιημένο ή εξειδικευμένο, είναι διαθέσιμο σε μικροσκοπικό σχεδιασμό. Δεν είναι δυνατόν να απαριθμηθούν και να αποσυναρμολογηθούν όλοι οι τύποι στο πλαίσιο μιας ανασκόπησης. Σε γενικές γραμμές, όμως, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να χωριστούν σε τρεις γενικές κατηγορίες ανάλογα με τη λειτουργικότητά τους.
- Ψηφιακή. Λειτουργούν με διακριτά σήματα. Ψηφιακά επίπεδα τροφοδοτούνται στην είσοδο και σήματα σε ψηφιακή μορφή λαμβάνονται επίσης από την έξοδο. Αυτή η κατηγορία συσκευών καλύπτει το πεδίο από τα απλά λογικά στοιχεία έως τους πιο προηγμένους μικροεπεξεργαστές. Αυτό περιλαμβάνει επίσης προγραμματιζόμενες λογικές συστοιχίες, συσκευές μνήμης κ.λπ.
- Αναλογικό. Λειτουργούν με σήματα που μεταβάλλονται σύμφωνα με έναν συνεχή νόμο. Ένα τυπικό παράδειγμα ενός τέτοιου τσιπ είναι ένας ενισχυτής συχνότητας ήχου. Στην κατηγορία αυτή περιλαμβάνονται επίσης ενσωματωμένοι σταθεροποιητές γραμμής, γεννήτριες σήματος, αισθητήρες μέτρησης και πολλά άλλα. Τα σύνολα παθητικών στοιχείων (αντιστάσεις, κυκλώματα RC κ.λπ.) ανήκουν επίσης στην αναλογική κατηγορία.αντιστάσεις, κυκλώματα RC κ.λπ.).
- Αναλογικό σε ψηφιακό (ψηφιακό σε αναλογικό). Αυτά τα τσιπ δεν μετατρέπουν μόνο διακριτά δεδομένα σε συνεχή δεδομένα ή το αντίστροφο. Τα σήματα πηγής ή λήψης στο ίδιο περίβλημα μπορούν να ενισχυθούν, να μετατραπούν, να διαμορφωθούν, να αποκωδικοποιηθούν κ.λπ. Οι αισθητήρες αναλογικού-ψηφιακού τύπου χρησιμοποιούνται ευρέως για την επικοινωνία κυκλωμάτων μέτρησης διαφόρων τεχνολογικών διεργασιών με υπολογιστικές συσκευές.
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα υποδιαιρούνται επίσης ανάλογα με τον τύπο κατασκευής:
- Ημιαγωγός - κατασκευασμένος σε ένα μόνο τσιπ ημιαγωγού,
- Τα φιλμ - παθητικά στοιχεία κατασκευάζονται με βάση παχιά ή λεπτά φιλμ,
- Υβριδικά: ενεργές διατάξεις ημιαγωγών (τρανζίστορ κ.λπ.).
Όμως για την εφαρμογή των μικροκυκλωμάτων αυτή η ταξινόμηση δεν δίνει πολλές πρακτικές πληροφορίες στις περισσότερες περιπτώσεις.
Κοχύλια τσιπς
Για την προστασία του εσωτερικού περιεχομένου και την απλούστευση της εγκατάστασης, τα μικροκυκλώματα τοποθετούνται σε συσκευασία. Αρχικά, τα περισσότερα μικροκυκλώματα κατασκευάζονταν σε μεταλλικό περίβλημα (στρογγυλό ή ορθογώνιο) με εύκαμπτους πείρους τοποθετημένους περιμετρικά.
Αυτός ο σχεδιασμός δεν μπορούσε να εκμεταλλευτεί πλήρως τη μικροσκοπικότητα, επειδή οι διαστάσεις της συσκευής ήταν πολύ μεγάλες σε σύγκριση με το μέγεθος του τσιπ. Επιπλέον, ο βαθμός ολοκλήρωσης ήταν χαμηλός, γεγονός που επιδείνωσε το πρόβλημα. Στα μέσα της δεκαετίας του '60, το πακέτο DIP (συσκευασία διπλής γραμμής), ένα ορθογώνιο κουτί με άκαμπτους πείρους και στις δύο πλευρές. Το πρόβλημα του μεγάλου μεγέθους δεν επιλύθηκε, αλλά παρόλα αυτά, η λύση αυτή επέτρεψε την επίτευξη μεγαλύτερης πυκνότητας συσκευασίας, καθώς και τη διευκόλυνση της αυτοματοποιημένης συναρμολόγησης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Ο αριθμός των ακροδεκτών DIP κυμαίνεται από 4 έως 64, αν και οι μονάδες με περισσότερες από 40 είναι ακόμη πολύ σπάνιες.
Σημαντικό! Το βήμα των μικροκυκλωμάτων DIP εγχώριας παραγωγής είναι 2,5 mm, ενώ το βήμα των εισαγόμενων μικροκυκλωμάτων είναι 2,54 mm (1 γραμμή = 0,1 ίντσα.). Εξαιτίας αυτού, προκύπτουν προβλήματα κατά την αντικατάσταση φαινομενικά πλήρων ρωσικών και εισαγόμενων ομολόγων. Μια μικρή απόκλιση καθιστά δύσκολη την προσαρμογή της ίδιας λειτουργικότητας και ανάθεσης ακίδων σε πίνακες και πίνακες.
Με την ανάπτυξη της ηλεκτρονικής τεχνολογίας, τα μειονεκτήματα των πακέτων DIP έγιναν εμφανή. Οι μικροεπεξεργαστές δεν διέθεταν αρκετές ακίδες και ο αυξανόμενος αριθμός ακίδων απαιτούσε περισσότερο χώρο στις πλακέτες. Το δεύτερο πρόβλημα που έφερε το τέλος της εποχής της κυριαρχίας των DIP ήταν η εξάπλωση της επιφανειακής τοποθέτησης. Αντί να συγκολλούνται τα τσιπ σε οπές στις πλακέτες, συγκολλούνται απευθείας σε μαξιλαράκια. Αυτή η μέθοδος τοποθέτησης αποδείχθηκε πολύ ορθολογική, οπότε υπήρξε ανάγκη για τσιπ σε συσκευασίες προσαρμοσμένες για συγκόλληση στην επιφάνεια. Και η διαδικασία αντικατάστασης των συσκευών τοποθέτησης με "τρύπα" (πραγματική τρύπα) στοιχεία που ονομάζονται SMD (λεπτομέρεια επιφανειακής τοποθέτησης).
Το πρώτο βήμα προς μια επιφανειακά τοποθετημένη σχεδίαση ήταν η εισαγωγή των πακέτων SOIC και των τροποποιήσεών τους (SOP, HSOP και άλλα σχέδια). Όπως και οι τύποι DIP, αυτές οι συσκευασίες έχουν δύο σειρές πείρων στις μεγάλες πλευρές, αλλά αυτές είναι παράλληλες με την κάτω πλευρά του περιβλήματος.
Μια περαιτέρω εξέλιξη είναι το περίβλημα QFP. Αυτή η θήκη έχει καρφίτσες τετράγωνου σχήματος σε κάθε πλευρά. Είναι παρόμοιο με το πακέτο PLLC, αλλά είναι πιο κοντά στο DIP, αν και τα πόδια είναι επίσης σε όλη την περιφέρεια.
Για κάποιο χρονικό διάστημα τα τσιπ DIP διατηρούσαν τη θέση τους στον τομέα των προγραμματιζόμενων συσκευών (ROMs, ελεγκτές, PLM), αλλά η εξάπλωση του προγραμματισμού στο τσιπ έχει εκτοπίσει τα πακέτα διπλής σειράς με αληθινές οπές και από αυτή την περιοχή. Σήμερα, ακόμη και τα εξαρτήματα που τοποθετούνταν σε οπές - όπως οι ενσωματωμένοι ρυθμιστές τάσης κ.λπ. - είναι πλέον έτοιμα για SMD.
Η ανάπτυξη των περιβλημάτων μικροεπεξεργαστών ακολούθησε διαφορετική πορεία. Επειδή ο αριθμός των ακροδεκτών δεν χωράει στην περίμετρο οποιουδήποτε τετραγώνου λογικού μεγέθους, τα πόδια ενός μεγάλου τσιπ είναι τοποθετημένα σε έναν πίνακα (PGA, LGA, κ.λπ.).
Πλεονεκτήματα της χρήσης τσιπ
Η έλευση του μικροτσίπ έφερε επανάσταση στον κόσμο των ηλεκτρονικών (ιδίως στην τεχνολογία μικροεπεξεργαστών). Οι υπολογιστές σε σωλήνες, που καταλάμβαναν ένα ή περισσότερα δωμάτια, μνημονεύονται ως ιστορικό αξιοπερίεργο. Όμως μια σύγχρονη CPU περιέχει περίπου 20 δισεκατομμύρια τρανζίστορ. Αν υποθέσουμε ότι η επιφάνεια των διακριτών τρανζίστορ είναι τουλάχιστον 0,1 τετραγωνικό εκατοστό, η έκταση που καταλαμβάνει ο επεξεργαστής στο σύνολό του θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 200000 τετραγωνικά μέτρα - περίπου 2000 μεσαία διαμερίσματα τριών δωματίων.
Πρέπει επίσης να προβλεφθεί χώρος για μνήμη, κάρτες ήχου, κάρτες ήχου, προσαρμογείς δικτύου και άλλα περιφερειακά. Το κόστος τοποθέτησης τόσων πολλών διακριτών εξαρτημάτων θα ήταν τεράστιο και η αξιοπιστία θα ήταν απαράδεκτα χαμηλή. Η αντιμετώπιση προβλημάτων και η επισκευή θα ήταν απίστευτα χρονοβόρα. Είναι σαφές ότι η εποχή των προσωπικών υπολογιστών χωρίς ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής απόδοσης δεν θα είχε ποτέ εμφανιστεί. Επίσης, χωρίς τη σύγχρονη τεχνολογία, δεν θα είχαν δημιουργηθεί συσκευές έντασης υπολογιστών, από καταναλωτικές έως βιομηχανικές ή επιστημονικές συσκευές.
Η κατεύθυνση της ανάπτυξης των ηλεκτρονικών έχει προκαθοριστεί για πολλά χρόνια. Αυτό οφείλεται κυρίως στην αύξηση του βαθμού ολοκλήρωσης των στοιχείων του τσιπ, η οποία οφείλεται στη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας. Υπάρχει ένα ποιοτικό άλμα μπροστά μας όταν οι δυνατότητες της μικροηλεκτρονικής φτάσουν στα όριά τους, αλλά αυτό είναι ένα θέμα του μάλλον μακρινού μέλλοντος.
Σχετικά άρθρα:
