Nie wiadomo, kto pierwszy wpadł na pomysł umieszczenia dwóch lub więcej tranzystorów na jednym układzie półprzewodnikowym. Pomysł mógł powstać tuż po rozpoczęciu produkcji elementów półprzewodnikowych przez przemysł półprzewodnikowy. Wiadomo, że teoretyczne podstawy tego podejścia zostały opublikowane na początku lat 50. Przezwyciężenie problemów technologicznych zajęło mniej niż 10 lat i już na początku lat 60. ubiegłego wieku powstało pierwsze urządzenie zawierające kilka elementów elektronicznych w jednym pakiecie - mikroprocesor (chip). Od tego czasu ludzkość wkroczyła na drogę doskonałości, która jeszcze się nie zakończyła.
Przeznaczenie obwodów drukowanych
Obecnie w układach scalonych produkuje się wiele różnych elementów elektronicznych o różnym stopniu integracji. Można ich używać jak klocków do składania różnych urządzeń elektronicznych. Na przykład obwód odbiornika radiowego może być wykonany na różne sposoby. Punktem wyjścia jest zastosowanie mikroobwodów z tranzystorami. Łącząc ich przewody, można stworzyć urządzenie odbiorcze. Kolejnym krokiem jest wykorzystanie poszczególnych zespołów w projekcie zintegrowanym (każdy w swojej własnej obudowie):
- wzmacniacz częstotliwości radiowej
- heterodyna;
- mieszadło;
- wzmacniacz częstotliwości audio.
Wreszcie najnowocześniejszym wariantem jest umieszczenie całego odbiornika w jednym układzie scalonym, z dodaniem tylko kilku zewnętrznych elementów pasywnych. Oczywiście wraz ze wzrostem stopnia integracji projektowanie obwodów staje się prostsze. Nawet kompletny komputer może być obecnie umieszczony na pojedynczym układzie scalonym. Jego wydajność nadal będzie niższa niż w przypadku konwencjonalnych urządzeń komputerowych, ale wraz z postępem technologicznym być może uda się pokonać i ten punkt.
Typy chipów
Obecnie produkuje się ogromną liczbę typów mikroukładów. Praktycznie każdy kompletny zespół elektroniczny, standardowy lub specjalistyczny, jest dostępny w wersji mikro. Nie jest możliwe wymienienie i omówienie wszystkich typów w ramach jednego przeglądu. Jednak ogólnie rzecz biorąc, układy scalone można podzielić na trzy ogólne kategorie, zależnie od ich funkcjonalności.
- Cyfrowy. Pracują one z sygnałami dyskretnymi. Na wejście podawane są poziomy cyfrowe, a z wyjścia pobierane są sygnały w postaci cyfrowej. Ta klasa urządzeń obejmuje zakres od prostych elementów logicznych do najbardziej zaawansowanych mikroprocesorów. Obejmuje to również programowalne tablice logiczne, urządzenia pamięciowe itp.
- Analogowy. Pracują one z sygnałami, które zmieniają się zgodnie z prawem ciągłości. Typowym przykładem tego typu układu jest wzmacniacz częstotliwości audio. W skład tej klasy wchodzą również zintegrowane stabilizatory linii, generatory sygnału, czujniki pomiarowe i inne. Zestawy elementów pasywnych (rezystory, obwody RC itp.) również należą do kategorii analogowej.oporniki, obwody RC itp.).
- Analogowo - cyfrowy (cyfrowo - analogowy). Układy te nie tylko przetwarzają dane dyskretne na dane ciągłe lub odwrotnie. Sygnały źródłowe lub odbierane w tej samej obudowie mogą być wzmacniane, przekształcane, modulowane, dekodowane itp. Czujniki analogowo-cyfrowe są powszechnie stosowane do komunikacji obwodów pomiarowych różnych procesów technologicznych z urządzeniami obliczeniowymi.
Układy scalone dzieli się także ze względu na rodzaj produkcji:
- Półprzewodnikowy - wykonany na pojedynczym chipie półprzewodnikowym;
- Folia - elementy pasywne są produkowane na bazie grubych lub cienkich folii;
- Hybryda: aktywne urządzenia półprzewodnikowe (tranzystory itp.).
Jednak w przypadku zastosowań mikroukładów klasyfikacja ta w większości przypadków nie daje zbyt wielu praktycznych informacji.
Chipshells
Aby chronić zawartość wewnętrzną i uprościć instalację, mikroukłady są umieszczane w pakiecie. Początkowo większość mikroukładów była produkowana w metalowej obudowie (okrągłe lub prostokątne) z elastycznymi bolcami rozmieszczonymi na całym obwodzie.
W tej konstrukcji nie można było w pełni wykorzystać miniaturyzacji, ponieważ wymiary urządzenia były bardzo duże w porównaniu z rozmiarem układu scalonego. Ponadto stopień integracji był niski, co tylko pogłębiało problem. W połowie lat sześćdziesiątych wprowadzono pakiet DIP (pakiet z podwójną linią), prostokątne pudełko ze sztywnymi bolcami po obu stronach. Problem dużych rozmiarów nie został rozwiązany, ale mimo to rozwiązanie to pozwoliło uzyskać większą gęstość upakowania, a także ułatwiło zautomatyzowany montaż układów elektronicznych. Liczba pinów DIP waha się od 4 do 64, choć urządzenia z więcej niż 40 pinami są nadal bardzo rzadkie.
Ważne! Skok mikroukładów DIP produkcji krajowej wynosi 2,5 mm, a mikroukładów importowanych - 2,54 mm (1 linia = 0,1 cala.). Z tego powodu pojawiają się problemy przy wymianie pozornie kompletnych odpowiedników rosyjskich i importowanych. Mała rozbieżność utrudnia dopasowanie tej samej funkcjonalności i przypisanie pinów do tablic i paneli.
Wraz z rozwojem technologii elektronicznej ujawniły się wady pakietów DIP. Mikroprocesory nie miały wystarczającej liczby pinów, a rosnąca liczba pinów wymagała więcej miejsca na płytkach. Drugim problemem, który zakończył erę dominacji układów DIP, było upowszechnienie się montażu powierzchniowego. Zamiast lutować układy scalone w otwory na płytkach, lutowano je bezpośrednio do padów. Ta metoda montażu okazała się bardzo racjonalna, dlatego pojawiło się zapotrzebowanie na układy scalone w opakowaniach przystosowanych do lutowania do powierzchni. Oraz proces wymiany elementów mocujących z "dziurkami" (prawdziwy otwór) elementy o nazwie SMD (detal natynkowy).
Pierwszym krokiem w kierunku konstrukcji montowanych powierzchniowo było wprowadzenie pakietów SOIC i ich modyfikacji (SOP, HSOP i inne projekty). Podobnie jak w przypadku typów DIP, trzony są ułożone w dwóch rzędach na dłuższych bokach, ale są równoległe do spodu obudowy.
Kolejną nowością jest obudowa QFP. Obudowa ma kwadratowe kołki po obu stronach. Jest on podobny do pakietu PLLC, ale jest bardziej zbliżony do pakietu DIP, chociaż nóżki są również na całym obwodzie.
Przez pewien czas układy DIP utrzymywały swoją pozycję w sektorze urządzeń programowalnych (Pamięci ROM, kontrolery, PLM), ale upowszechnienie programowania na chipie wyparło z tego obszaru również pakiety dwurzędowe z otworem. Obecnie nawet elementy, które kiedyś były montowane w otworach - takie jak zintegrowane regulatory napięcia itp.
Rozwój obudów mikroprocesorów poszedł inną drogą. Ponieważ liczba pinów nie mieści się na obwodzie żadnego kwadratu o rozsądnych wymiarach, nóżki dużego układu scalonego są ułożone w kształt matrycy (PGA, LGA itd.).
Zalety stosowania chipów
Pojawienie się mikroprocesora zrewolucjonizowało świat elektroniki (zwłaszcza w technologii mikroprocesorowej). Komputery na lampach, które zajmowały jeden lub kilka pokoi, są pamiętane jako ciekawostka historyczna. Ale współczesny procesor zawiera około 20 miliardów tranzystorów. Jeśli przyjmiemy, że powierzchnia dyskretnego tranzystora wynosi co najmniej 0,1 centymetra kwadratowego, to powierzchnia zajmowana przez cały procesor musiałaby wynosić co najmniej 200 000 metrów kwadratowych - czyli około 2000 trzypokojowych mieszkań średniej wielkości.
Należy również przewidzieć miejsce na pamięć, karty dźwiękowe, karty audio, karty sieciowe i inne urządzenia peryferyjne. Koszt montażu tak dużej liczby elementów dyskretnych byłby ogromny, a niezawodność byłaby niedopuszczalnie niska. Rozwiązywanie problemów i naprawa byłyby niezwykle czasochłonne. Nie ulega wątpliwości, że era komputerów osobistych bez układów scalonych nie miałaby miejsca. Bez nowoczesnych technologii nie powstałyby również urządzenia wymagające dużej mocy obliczeniowej, od urządzeń konsumenckich po urządzenia przemysłowe i naukowe.
Kierunek rozwoju elektroniki jest już przesądzony na wiele lat. Jest to przede wszystkim wzrost stopnia integracji elementów układu scalonego, co wynika z ciągłego rozwoju technologii. Gdy możliwości mikroelektroniki osiągną swoje granice, czeka nas skok jakościowy, ale jest to kwestia raczej odległej przyszłości.
Powiązane artykuły:
