Spis treści:
Jest ich kilkaset rodzajów i znajdziemy je niemal wszędzie – poznajcie układy scalone!
Układy scalone wokół nas
W niniejszym artykule przedstawiono historię oraz ogólny zarys budowy i niektóre przykłady układów scalonych stosowanych we współczesnej elektronice.
Na początku był tranzystor
Zanim światem elektroniki zawładnął krzem, królowała elektronika próżniowa, tj. lampy elektronowe. Każda lampa elektronowa była wykonywana ręcznie, co wymagało bardzo wysokiej skrupulatności. Przełom nastąpił pod koniec 1947 roku w Murray Hill w stanie New Jersey w USA – zespół konstruktorów z firmy Bell Telephone Laboratories, składający się z Williama Shockleya, Johna Bardeena i Waltera Brattaina, stworzył prototyp przyrządu półprzewodnikowego opartego na germanie, czyli tranzystor ostrzowy. Kilka lat później został on wyparty przez tranzystor złączowy (bipolarny), który skonstruował Shockley. Twórcy tranzystora w 1956 roku otrzymali nagrodę Nobla. Ten niewielki element spowodował prawdziwą rewolucję w światowym przemyśle – użycie lamp elektronowych na liniach technologicznych przeszło do historii.
Nic dziwnego, w odróżnieniu od swoich próżniowych odpowiedników, tranzystory pobierały znacznie mniej energii. W 1955 roku William Shockley opuścił Bell Telephone Laboratories i przeniósł się na Uniwersytet Stanforda w miejscowości Stanford w stanie Kalifornia. Najlepsi naukowcy z tej uczelni, na czele z Shockleyem, zostają wysłani do przemysłu – powstaje Dolina Krzemowa. Prace nad tranzystorem bipolarnym są kontynuowane. Tranzystor oparty na germanie miał niestety poważną wadę – w temperaturach rzędu herbaty w szklance przestawał działać, a jak wiadomo zarówno na froncie wojennym, jak i w kosmosie, gdzie również używa się elektroniki, skala temperatury sięga nieporównywalnie dalej. Tym sposobem przemysłem elektroniki zawładnął krzem – pierwiastek chemiczny o znacznie lepszych właściwościach temperaturowych względem germanu.
Zdradziecka ósemka i pierwszy układ scalony
Dwa lata później, w 1957 roku, podwładni Shockleya opuszczają Stanford (tzw. zdradziecka ósemka) i przenoszą się do San Jose w Kalifornii, gdzie zakładają przedsiębiorstwo Fairchild Semiconductor Corporation. Jednym ze współzałożycieli tego przedsiębiorstwa był Robert Noyce. To właśnie jemu przypisuje się pomysł skonstruowania kilku tranzystorów, ale połączonych ze sobą w jednej obudowie – tak oto w 1959 roku powstał pierwszy układ scalony bazujący na bipolarnych tranzystorach krzemowych. Równolegle Jack Kilby, pracujący jako konstruktor w firmie Texas Instruments, opracował układ scalony na tranzystorach germanowych, co stało się przedmiotem batalii sądowej o udzielenie patentu.
W rezultacie zarówno Robert Noyce, jak i Jack Kilby są dziś prawnie uznawani za wynalazców pierwszych układów scalonych. Również w 1959 roku Mohamed Atalla i Dawon Kahng, wówczas pracownicy Bell Telephone Laboratories, opracowali tranzystor polowy MOSFET, który po dziś dzień stanowi komórkę budującą strukturę układów scalonych, m.in. procesorów komputerowych rodziny x86, gdzie przoduje przedsiębiorstwo Intel, którego współzałożycielem był wspomniany już Robert Noyce.
Czystość to podstawa!
Proces produkcyjny układów scalonych jest bardzo złożony i wymaga precyzji na poziomie więcej niż chirurgicznym. Ponadto pomieszczenia, w których prowadzona jest produkcja, to najczystsze pomieszczenia na świecie – nawet w porównaniu do sal operacyjnych najlepszych szpitali. Najmniejsza drobinka kurzu jest największym wrogiem półprzewodnika. Obecność kurzu w salach produkcyjnych mogłaby zastopować proces produkcyjny na miesiąc, a to by wygenerowało potwornie duże straty ekonomiczne. Z tego względu pracownicy fabryk układów scalonych są ubrani w odpowiednie kombinezony, a pomieszczenia produkcyjne są oddzielone przez specjalne śluzy, w których jest prowadzona kontrola obecności kurzu i jego usuwanie z kombinezonów pracowników.
Połączenia wewnątrz układów scalonych
W elementarnym skrócie – produkcja układów scalonych polega na nanoszeniu izolowanych elektrycznie względem siebie warstw rezystywno-przewodzących na wspólną płytkę wykonaną z materiału dielektrycznego. Warstwy te tworzą tranzystory połączone ze sobą w metalowej sieci. Odpowiednie połączenia pomiędzy warstwami półprzewodnikowymi są wyprowadzane na zewnątrz obudowy układu scalonego, zgodnie z założeniami projektowymi. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat można dostrzec, że liczba tranzystorów, jakie udało się upchnąć pod jedną obudowę, rosła w tempie liniowym – szczególnie dotyczy to układów mikroprocesorowych, gdzie pierwszy komercyjny procesor, czyli Intel 4004 (1971), zawierał 2300 tranzystorów, podczas gdy współczesne procesory składają się z kilkudziesięciu miliardów tranzystorów.
Układy scalone – od projektu do gotowego produktu
Projektowanie układów scalonych odbywa się przy użyciu komputerów, gdzie za pomocą odpowiedniego oprogramowania projektowego tworzy się strukturę połączeń wewnątrz układu scalonego. Sieć połączeń jest oczywiście projektowana w powiększeniu idącym w dziesiątki tysięcy lub miliony razy rozmiaru rzeczywistego. Po zaprojektowaniu struktura widoczna w powiększeniu na ekranie komputera jest zmniejszana do rozmiaru docelowego, na podstawie której zostaje utworzona fotografia matrycy. Wszystkie ścieżki matrycy są rysowane dwa razy za pomocą zrobotyzowanej maszyny do rysowania ścieżek, aby wyeliminować ryzyko popełnienia błędu produkcyjnego. Utworzony w ten sposób wzorzec umożliwia wykonanie właściwej struktury na powierzchni wafla krzemowego w procesie fotolitografii, który obejmuje kąpiel wafla krzemowego w emulsji fotograficznej, a następnie utwardzenie odbitego obrazu w silnym świetle ultrafioletowym. W kolejnym etapie wafle krzemu są zanurzane w roztworze, w którym usuwana jest warstwa krzemu niezasłonięta szablonem wzorcowym. Po usunięciu roztworu powstaje docelowy wzór struktury tranzystorów i połączeń pomiędzy nimi. Następnie powstają kolejne warstwy, które są ze sobą łączone oraz domieszkowane. W kolejnym etapie nakładana jest warstwa izolacyjna i wypełnienie ciekłą miedzią. W takiej formie układ scalony jest gotowy do precyzyjnego wycięcia, oszlifowania i umieszczenia w obudowie z wyprowadzeniami.
Obudowy układów scalonych
Istnieje wiele rodzajów obudów dla układów scalonych. Obudowa ma za zadanie chronić i trzymać w ryzach strukturę wewnętrzną układu scalonego. Dzięki umieszczeniu w obudowie możemy układ scalony bezpiecznie ująć palcami lub za pomocą specjalnych chwytaków bez obawy o jego uszkodzenie, choć należy mieć na uwadze ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), zwłaszcza w przypadku wrażliwych pod tym względem układów CMOS. Obudowa także pozwala na odprowadzanie ciepła – również podczas lutowania układu scalonego do płytki PCB. Układy scalone występują zarówno w obudowach do montażu przewlekanego (THT), np. DIL14 (obudowa dwurzędowa, po siedem wyprowadzeń w rzędzie) czy SIL8 (obudowa jednorzędowa, po osiem wyprowadzeń w rzędzie), jak i w obudowach do montażu powierzchniowego (SMD), np. SO8 czy TSSOP24. Bardziej rozbudowane układy scalone, np. 32-bitowe mikrokontrolery i mikroprocesory, mogą być umieszczone w obudowach o powierzchni kwadratu, gdzie na każdym boku są rozmieszczone wyprowadzenia, np. TQFP64 czy QFN16 – ten drugi typ charakteryzuje się tym, że jego wyprowadzenia są umieszczone od spodu obudowy. Bardzo często jeden typ układu scalonego jest produkowany w kilku rodzajach obudów, dzięki czemu możemy dobrać interesujący nas element pod wymiary płytki PCB naszego urządzenia elektronicznego. Z uwagi na oszczędność miejsca i złożoność konstrukcji często wybiera się układy scalone w wersji SMD, gdzie wymiary są znacznie mniejsze względem ich odpowiedników w wersji THT. Niemniej jednak układy scalone do montażu przewlekanego mają istotną zaletę praktyczną pod kątem tworzenia i testowania prototypów – łatwo je umieścić w gniazdach płytki stykowej. Jeśli natomiast nasz projekt urządzenia elektronicznego wykonujemy całkowicie w technologii THT, a wymagany do naszego projektu układ scalony jest dostępny tylko w wersji SMD, możemy zakupić specjalny adapter, tj. płytkę PCB, do której lutujemy układ SMD – jego wyprowadzenia łączą się z oczkami lutowniczymi do przylutowania goldpinów.
Identyfikacja układów scalonych
Na obudowie każdego układu scalonego znajdziemy nadrukowany specjalny kod identyfikacyjny. Na podstawie tego kodu możemy odszukać w internecie i poznać dokumentację interesującego nas układu scalonego. Dużo rodzajów układów scalonych tworzy rodziny, w które mają podstawowy człon kodyfikacyjny, np. CD4011 czy CD4051 to układy logiczne CMOS, podczas gdy SN74HC595 to układ logiczny wykonany w technologii TTL. Oprócz bazowego oznaczenia na obudowie układu scalonego możemy także zobaczyć kod oznaczający nr seryjny partii produkcyjnej oraz logo producenta. Istotne jest też oznaczenie wyprowadzeń – zwykle możemy spotkać się z wygrawerowaną kropką przy wyprowadzeniu nr 1 lub wycięciem w obudowie, po którego lewej stronie (patrząc od góry) zostało umieszczone pierwsze wyprowadzenie. Niektórzy producenci urządzeń elektronicznych, w celu zwiększenia ochrony prawnej swojej własności intelektualnej, celowo zamazują oznaczenia na obudowie układu scalonego, aby podmioty upoważnione miały problem z odtworzeniem urządzenia.
Rodzaje układów scalonych
Od czasu wynalezienia pierwszego układu scalonego pod koniec lat 50. XX wieku powstały setki rodzajów układów scalonych, które różnią się między sobą m.in. technologią wykonania i przeznaczeniem docelowym. Niektóre rodzaje układów scalonych są tak uniwersalne, że zostały one poddane pewnej standaryzacji, np. pod względem rozmieszczenia wyprowadzeń odpowiadających za zasilanie układu. Biorąc pod uwagę rodzaj obsługiwanych sygnałów, możemy wyróżnić:
- Analogowe układy scalone – takie układy działają na sygnałach prądów i napięć zmieniających się w czasie w sposób ciągły. Szczególnie popularnym rodzajem analogowego układu scalonego jest wzmacniacz operacyjny, taki jak np. LM358, TL072 czy NE5532. Na podstawie takiego wzmacniacza możemy zbudować m.in. przedwzmacniacz audio, aktywny filtr dolnozaporowy, a także przyrządy pomiarowe.
- Cyfrowe układy scalone – do tej grupy zaliczamy układy elektroniczne operujące na sygnałach dyskretnych, czyli takich, które zmieniają się w sposób skokowy lub impulsowy w dziedzinie czasu, a napięcia, na których operują, reprezentują odpowiednie stany logiczne – niski i wysoki, a w niektórych układach dodatkowo stan wysokiej impedancji (Hi-Z). Do przykładowych układów cyfrowych należą m.in. bramki logiczne, przerzutniki, liczniki, mikrokontrolery, mikroprocesory i układy FPGA.
- Mieszane układy scalone – są to układy scalone stanowiące połączenie układów analogowych i cyfrowych. Zaliczamy do nich m.in. przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, a także generatory DCO, procesory dźwięku czy pętle synchronizacji fazowej (PLL).
