Integrált áramkör ( IC , IC, angol IC ); mikroáramkör , m/s , chip ( eng. chip : „vékony lemez”: eredetileg mikroáramkör kristálylemezre utalt kifejezés ) - mikroelektronikai eszköz - félvezető hordozóra ( ostya vagy film) készült tetszőleges bonyolultságú elektronikus áramkör (kristály) és nem szétválasztható házban vagy anélkül kell elhelyezni a mikroegységbe való beépítés esetén [1] .
A legtöbb mikroáramkört felületre szerelhető csomagolásban gyártják .
Az integrált áramkör (IC) alatt gyakran egy kristályt vagy egy elektronikus áramkörrel ellátott filmet értünk, a mikroáramkör (MC) pedig egy házba zárt IC. Ugyanakkor a chip - komponensek kifejezés " felületre szerelhető alkatrészeket " jelent (ellentétben a lapon lévő lyukakon keresztül forrasztó alkatrészekkel ).
1952. május 7-én Geoffrey Dummer brit rádiómérnök először vetette fel azt az ötletet, hogy sok szabványos elektronikus komponenst egy monolitikus félvezető kristályban egyesítsenek . Ezen javaslatok megvalósítása azokban az években a technológia elégtelen fejlettsége miatt nem valósulhatott meg.
1958 végén és 1959 első felében áttörés következett be a félvezetőiparban. 1959-ben Eduard Keondjian kifejlesztette az integrált áramkör első prototípusát. [2] [3] [4] [5] Három férfi három amerikai magánvállalat képviseletében három alapvető problémát oldott meg, amelyek megakadályozták az integrált áramkörök létrehozását. Jack Kilby , a Texas Instruments szabadalmaztatta a fúziós elvet, megalkotta az első tökéletlen IC prototípusokat, és tömeggyártásba vitte őket. Kurt Lehovec , a Sprague Electric Company munkatársa feltalált egy módszert az egyetlen félvezető chipen kialakított alkatrészek elektromos leválasztására ( pn junction isolation ) . Robert Noyce ( Fairchild Semiconductor ) feltalált egy módszert az IC alkatrészek elektromos összekapcsolására ( alumínium bevonat ), és javasolta az alkatrész -leválasztás továbbfejlesztett változatát, amely Jean Hoerni legújabb síktechnológiáján alapul . 1960. szeptember 27-én Jay Last csoportja Noyce és Ernie ötletei alapján létrehozta az első működőképes félvezető IC-t a Fairchild Semiconductornál . A Texas Instruments , amely a Kilby találmányának szabadalmát birtokolta, szabadalmi háborút indított a versenytársak ellen, amely 1966-ban a technológiai keresztlicencekről szóló egyezséggel zárult .
Ezeknek a sorozatoknak a korai logikai IC-jei szó szerint szabványos komponensekből épültek fel, amelyek méretét és konfigurációját a technológiai folyamat szabta meg. Azok az áramköri mérnökök, akik egy adott családba tartozó logikai IC-ket terveztek, ugyanazokkal a tipikus diódákkal és tranzisztorokkal működtek. 1961-1962-ben. A tervezési paradigmát a Sylvania vezető tervezője, Tom Longo törte meg , aki úttörő szerepet játszott a különböző tranzisztor-konfigurációk egyetlen IC -ben történő használatában, az áramkörben betöltött funkciójuktól függően. 1962 végén a Sylvania piacra dobta a Longo tranzisztor-tranzisztor logika (TTL) első családját , amely történelmileg az integrált logika első típusa, amelynek sikerült tartósan megvívnia a lábát a piacon. Az analóg áramkörökben a Fairchild műveleti erősítő tervezője, Bob Widlar 1964-1965-ben egy ilyen szintű áttörést ért el .
A Szovjetunió első mikroáramkörét 1961-ben hozták létre a TRTI -ben (Taganrog Radio Engineering Institute) LN Kolesov [6] vezetésével . Ez az esemény felkeltette az ország tudományos közösségének figyelmét, és a TRTI-t a Felsőoktatási Minisztérium rendszerének vezetőjévé hagyták jóvá a nagy megbízhatóságú mikroelektronikai berendezések létrehozásának és gyártásának automatizálásának problémájában. L. N. Kolesovot magát nevezték ki a koordinációs tanács elnökének e probléma miatt.
A Szovjetunióban az első hibrid vastagfilmes integrált áramkört (201-es "Tropa" sorozat) 1963-65-ben fejlesztették ki a Precíziós Technológiai Kutatóintézetben (" Angstrem "), sorozatgyártása 1965 óta. A fejlesztésben a NIEM (ma Argon Research Institute ) szakemberei vettek részt [7] [8] .
A Szovjetunióban az első félvezető integrált áramkört síktechnológia alapján hozták létre , amelyet 1960 elején fejlesztettek ki a NII-35- nél (akkor NII "Pulsar" névre keresztelték ) egy csapat, amelyet később áthelyeztek a NIIME-hez (" Micron "). . Az első hazai szilícium integrált áramkör létrehozása a TS-100 integrált szilícium áramkörök sorozatának (37 elem - egy trigger áramkör bonyolultságának megfelelő , az amerikai IC-k analógja) fejlesztésére és gyártására összpontosult katonai elfogadottsággal . a Texas Instruments SN - 51 sorozata ). A reprodukálandó szilícium integrált áramkörök prototípusait és gyártási mintáit az USA-ból szereztük be. A munkát az NII-35-ben (Trutko igazgató) és a Fryazinsky Semiconductor Plant -ban (Kolmogorov igazgató) végezték egy ballisztikus rakéta- irányítórendszer autonóm magasságmérőjében történő felhasználásra vonatkozó védelmi parancs alapján . A fejlesztés hat tipikus integrált szilícium síkáramkört tartalmazott a TS-100 sorozatból, és a kísérleti gyártás megszervezésével három évig tartott az NII-35-nél (1962-től 1965-ig). További két évbe telt a gyári gyártás elsajátítása katonai elfogadottsággal Fryazinóban (1967) [9] .
Ezzel párhuzamosan az integrált áramkör kifejlesztésén dolgoztak a Voronyezsi Félvezető Eszközök Üzemében (jelenleg JSC NIIET ) található Központi Tervezési Irodában. 1965-ben A. I. Shokin elektronikai ipari miniszter VZPP- ben tett látogatása során az üzemet utasították, hogy végezzen kutatási munkát a szilícium monolitikus áramkör - K+F "Titan" - létrehozására (a minisztérium augusztus 16-i 92. számú rendelete). , 1965), amely az év végére elkészült az ütemterv előtt. A témát sikeresen benyújtották az Állami Bizottsághoz, és a 104 darab dióda-tranzisztoros logikai áramkör sorozata lett az első fix eredmény a szilárdtest-mikroelektronika területén, amely a Gazdaságfejlesztési Minisztérium december 30-i végzésében is tükröződött. 1965. 403. szám [10] [11] .
Az integráltság mértékétől függően az integrált áramkörök következő elnevezései használatosak:
Korábban már elavult neveket is használtak: ultra-nagy méretű integrált áramkör (ULSI) - 1-10 milliótól 1 milliárd elemig egy kristályban [12] [13] , és néha egy giga-nagy integrált áramkör ( GBIC) - több mint 1 milliárd elem egy kristályban. Jelenleg, a 2010-es években az "UBIS" és a "GBIS" elnevezéseket gyakorlatilag nem használják, és minden 10 ezernél több elemet tartalmazó mikroáramkör VLSI-nek minősül.
Analóg IC -k – a bemeneti és kimeneti jelek folyamatos függvényként változnak a pozitívtól a negatív tápfeszültségig.
Digitális mikroáramkörök - a bemeneti és kimeneti jeleknek két értéke lehet: egy logikai nulla vagy egy logikai, amelyek mindegyike egy bizonyos feszültségtartománynak felel meg. Például a +5 V tápfeszültségű TTL típusú mikroáramköröknél a 0 ... 0,4 V feszültségtartomány egy logikai nullának, a 2,4 és 5 V közötti tartomány pedig egy logikai tartománynak felel meg; az ESL logikai chipek esetében -5,2 V tápfeszültségnél a -0,8 és -1,03 V közötti tartomány logikai egység, a -1,6 és -1,75 V közötti tartomány logikai nulla.
Az analóg-digitális IC-k egyesítik a digitális és analóg jelfeldolgozás formáit , például jelerősítőt és analóg -digitális átalakítót .
Egy integrált áramkör teljes, tetszőlegesen összetett funkcionalitással rendelkezhet - akár egy teljes mikroszámítógépig ( egycsipes mikroszámítógép ).
Az analóg integrált ( mikro ) áramkör ( AIS , AIMS ) olyan integrált áramkör, amelynek bemeneti és kimeneti jelei a folytonos függvény törvénye szerint változnak (azaz analóg jelek ).
Egy analóg IC laboratóriumi mintáját a Texas Instruments készítette az USA-ban 1958 -ban . Ez egy fáziseltolásos generátor volt . 1962- ben megjelent az analóg mikroáramkörök első sorozata - SN52. Kis teljesítményű, alacsony frekvenciájú erősítővel , műveleti erősítővel és videoerősítővel [14] volt .
A Szovjetunióban az 1970-es évek végére analóg integrált áramkörök nagy választékát szerezték be. Használatuk lehetővé tette az eszközök megbízhatóságának növelését, a berendezések beállításának egyszerűsítését, sőt gyakran az üzemeltetés közbeni karbantartási igények kiküszöbölését is [15] .
Az alábbiakban felsoroljuk azokat az eszközöket, amelyek funkcióit analóg IC-k képesek ellátni. Gyakran előfordul, hogy egy mikroáramkör egyszerre többet helyettesít belőlük (például a K174XA42 egy szuperheterodin FM rádióvevő összes csomópontját tartalmazza [16] ).
Az analóg mikroáramköröket hangerősítő és hangvisszaadó berendezésekben, videomagnókban , televíziókban , kommunikációs technológiában, mérőműszerekben, analóg számítógépekben , másodlagos tápegységekben stb.
Analóg számítógépekbenA digitális integrált áramkör (digitális áramkör) olyan integrált áramkör, amelyet a diszkrét függvény törvénye szerint változó jelek átalakítására és feldolgozására terveztek.
A digitális integrált áramkörök tranzisztoros kapcsolókon alapulnak, amelyek két stabil állapotban lehetnek: nyitott és zárt. A tranzisztoros kapcsolók használata lehetővé teszi különféle logikai, trigger és egyéb integrált áramkörök létrehozását. A digitális integrált áramköröket diszkrét információfeldolgozó eszközökben használják elektronikus számítógépekhez ( számítógépekhez ), automatizálási rendszerekhez stb.
A digitális integrált áramkörök számos előnnyel rendelkeznek az analógokkal szemben:
Az analóg-digitális integrált áramkör (analóg-digitális mikroáramkör) egy olyan integrált áramkör, amelyet arra terveztek, hogy a diszkrét függvény törvénye szerint változó jeleket olyan jelekké alakítsa , amelyek a folytonos függvény törvénye szerint változnak , és fordítva.
Egy-egy mikroáramkör gyakran több eszköz funkcióját látja el egyszerre (például az egymást követő közelítő ADC-k tartalmaznak egy DAC-t, így kétirányú átalakítást végezhetnek). Azon eszközök listája (nem teljes), amelyek funkcióit analóg-digitális IC-k látják el:
Az analóg mikroáramkörök fő elemei a tranzisztorok ( bipoláris vagy mező ). A tranzisztorgyártási technológia különbsége jelentősen befolyásolja a mikroáramkörök jellemzőit. Ezért a gyártási technológiát gyakran feltüntetik a mikroáramkör leírásában, hogy hangsúlyozzák a mikroáramkör tulajdonságainak és képességeinek általános jellemzőit. A modern technológiák a bipoláris és a térhatású tranzisztoros technológiákat kombinálják a jobb chipteljesítmény elérése érdekében.
Tervezési szintek:
szintén
Jelenleg (2022) az integrált áramkörök többségét speciális CAD-rendszerekkel tervezték, amelyek lehetővé teszik a gyártási folyamatok automatizálását és jelentős felgyorsítását , például a topológiai fotomaszkok beszerzését.
Jelenleg sok cég gyárt analóg mikroáramköröket: Analog Devices , Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments stb.
Az integrált elemek szubmikron méretűre való áttérés bonyolítja az AIMS tervezését. Például a rövid kapuhosszú MOSFET -ek számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek korlátozzák az analóg blokkokban való felhasználásukat: magas szintű alacsony frekvenciájú vibrálási zaj ; a küszöbfeszültség és a meredekség erős elterjedése, ami a differenciál- és műveleti erősítők nagy eltolási feszültségének megjelenéséhez vezet; alacsony kimeneti alacsony jel ellenállás és a kaszkádok erősítése aktív terhelés mellett ; a pn-átmenetek alacsony áttörési feszültsége és a lefolyó - forrás rés , ami a tápfeszültség csökkenését és a dinamikatartomány csökkenését okozza [22] .
Technológiák logika típusa szerint:
Ugyanazon típusú tranzisztorok felhasználásával mikroáramkörök építhetők különböző módszerekkel, például statikus vagy dinamikus .
A CMOS és a TTL (TTLSh) technológiák a leggyakoribb chiplogikák. Ahol az áramfelvételt spórolni kell, ott CMOS technológiát alkalmaznak, ahol fontosabb a sebesség és nincs szükség energiafogyasztásra, ott TTL technológiát alkalmaznak. A CMOS mikroáramkörök gyenge pontja a statikus elektromossággal szembeni sebezhetőség - elég, ha kézzel megérinti a mikroáramkör kimenetét, és már nem garantált az integritása. A TTL és CMOS technológiák fejlődésével a mikroáramkörök közelednek a paraméterek tekintetében és ennek eredményeként például az 1564-es sorozatú mikroáramkörök CMOS technológiával készülnek, funkcionalitása és elhelyezése a tokban hasonló a TTL-hez. technológia.
Az ESL technológiával gyártott chipek a leggyorsabbak, de egyben a legenergiaigényesebbek is, és számítástechnikai gyártásban olyan esetekben kerültek felhasználásra, ahol a számítási sebesség volt a legfontosabb paraméter. A Szovjetunióban a legtermékenyebb ES106x típusú számítógépeket ESL mikroáramkörökön gyártották. Ma ezt a technológiát ritkán használják.
Félvezető mikroáramkör - minden elem és elemközi kapcsolat egy félvezető kristályon (hordozón) történik.
Szubsztrátum – általában egykristályos félvezető lapka , amelyet filmek , heterostruktúrák létrehozására és egykristályrétegek növesztésére terveztek epitaxiás ( heteroepitaxia , homoepitaxia , endotaxia ), kristályosítási stb. eljárással. [23] Szilícium , germánium , gallium-arzenid , üveg - kerámia [24] ] , a zafír a mikroáramkörök hordozóinak egyik anyaga.
A mikroáramkörök gyártása során a fotolitográfia módszerét (vetítés, kontaktus stb.) alkalmazzák, míg az áramkört szilícium egykristályok gyémántkorongokkal vékony szeletekre vágásával nyert hordozón (általában szilícium ) alakítják ki. A mikroáramkörök elemeinek lineáris méretei miatt elhagyták a látható fény , sőt az ultraibolya sugárzás közeli használatát a megvilágítás során.
A mikrochip gyártási folyamat jellemzőjeként a fotorepeater topológia minimálisan szabályozott méretei (kontaktablak szilícium-oxidban, kapu szélessége tranzisztorokban stb.) és ennek eredményeként a chipen lévő tranzisztorok (és egyéb elemek) méretei jelzik. Ez a paraméter azonban számos más gyártási lehetőségtől függ: a kapott szilícium tisztasága, az injektorok jellemzői, fotolitográfiai eljárások, maratási és porlasztási módszerek .
Az 1970-es években a sorozatgyártású mikroáramkörök minimális szabályozható mérete 2-8 µm volt , az 1980 -as években ezt 0,5-2 µm-re csökkentették [25] .
Az 1990-es években a „platformháborúk” új fordulója miatt a kísérleti módszereket elkezdték bevezetni a gyártásba, és rohamosan fejlődtek: az 1990-es évek elején a processzorokat (például a korai Pentium és Pentium Pro ) 0,5-0,6-os processzorral gyártották. mikronos technológia (500-600 nm), majd a technológia elérte a 250-350 nm-t. A következő processzorok ( Pentium II , K 6-2 + , Athlon ) már 180 nm-es technológiával készültek. 2002-2004-ben 90 nm-es gyártási folyamatokat sajátítottak el (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4) [25] .
A következő processzorokat UV fény segítségével ( ArF excimer lézer , 193 nm hullámhossz) gyártották. Átlagosan 2 évente került sor az iparági vezetők ITRS-terv szerinti új műszaki eljárásainak bevezetésére, miközben az egységnyi területre jutó tranzisztorok száma megkétszereződött: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011) [ 26] [27] , 14 nm (2014) [28] , 10 nm (2018), 5 nm (2020), 3 nm (2022) [29] .
2015-ben a becslések szerint az új technikai eljárások bevezetése lassulni fog [30] .
Az integrált áramkörök minőségének ellenőrzésére széles körben alkalmazzák az úgynevezett tesztstruktúrákat .
Az analóg és digitális mikroáramkörök sorozatban készülnek. A sorozat olyan mikroáramkörök csoportja, amelyek egyetlen tervezési és technológiai kialakításúak, és közös használatra szolgálnak. Az azonos sorozatú mikroáramkörök általában azonos tápfeszültséggel rendelkeznek, a bemeneti és kimeneti ellenállások, jelszintek szerint illeszkednek.
A mikroáramkör háza egy olyan szerkezet, amely megvédi a mikroáramkör kristályát a külső hatásoktól, valamint a mikroáramkör elektronikus áramkörbe történő felszerelésének kényelmét szolgálja. Magát a testet dielektromos anyagból (műanyagból, ritkábban kerámiából) tartalmazza, egy vezetékkészletet a kristály külső áramkörökkel való elektromos összekötéséhez vezetékek segítségével , jelöléssel.
A mikroáramkörök csomagjaihoz számos lehetőség kínálkozik, amelyek különböznek a mikroáramkör érintkezőinek számától, a rögzítési módtól és a működési feltételektől. A szerelési technológia egyszerűsítése érdekében a mikroáramkörök gyártói nemzetközi szabványok kidolgozásával próbálják egységesíteni a csomagokat.
Néha a mikroáramkörök keret nélküli kivitelben készülnek - azaz védelem nélküli kristályban. A csomag nélküli chipeket általában hibrid mikroegységbe történő beépítésre tervezték. Tömeges olcsó termékek esetén lehetséges a közvetlen szerelés nyomtatott áramköri lapra .
Az Intel elsőként gyártott mikroprocesszor ( angol mikroprocesszor ) funkcióit ellátó mikroáramkört – Intel 4004 -et . A továbbfejlesztett 8088 és 8086 mikroprocesszorok alapján az IBM kiadta jól ismert személyi számítógépeit .
A mikroprocesszor képezi a számítógép magját, további funkciókat, például kommunikációt a perifériákkal , speciálisan erre a célra tervezett lapkakészletekkel ( chipset ) hajtottak végre . Az első számítógépeknél a készletekben lévő chipek számát tízre és százra becsülték, a modern rendszerekben ez egy, kettő vagy három chipből álló készlet. A közelmúltban a chipkészlet funkcióinak (memóriavezérlő, PCI Express buszvezérlő ) fokozatos átvitele a processzorra.
A beépített RAM -mal és ROM -mal, memória- és I/O-vezérlőkkel, valamint egyéb kiegészítő funkciókkal rendelkező mikroprocesszorokat mikrovezérlőknek nevezzük .
2017-ben az integrált áramkörök globális piacát 700 milliárd dollárra becsülték [31]
A fő gyártók és exportőrök Ázsiában vannak: Szingapúr (115 milliárd dollár), Dél-Korea (104 milliárd dollár), Kína (80,1 milliárd dollár) és Malajzia (55,7 milliárd dollár). A legnagyobb európai exportőr Németország (1,4 milliárd dollár), az amerikai az USA (28,9 milliárd dollár). A legnagyobb importőrök Kína (207 milliárd dollár), Hongkong (168 milliárd dollár), Szingapúr (57,8 milliárd dollár), Dél-Korea (38,6 milliárd dollár) és Malajzia (37,3 milliárd dollár).
Az orosz jogszabályok jogi védelmet biztosítanak az integrált áramkörök topológiái számára. Az integrált áramkör topológiája az integrált áramkör elemkészletének térgeometriai elrendezése és a köztük lévő kapcsolatok egy anyaghordozón rögzítettek ( az Orosz Föderáció Polgári Törvénykönyvének 1448. cikke ).
Az integrált áramköri topológia szerzője a következő szellemi jogokkal rendelkezik:
Az integrált áramkör topológiájának szerzőjét egyéb jogok is megilletik, beleértve a szolgáltatástopológia használatáért járó díjazáshoz való jogot.
A topológia kizárólagos joga tíz évig érvényes. A jogtulajdonos ezen időszak alatt, ha kívánja, regisztrálhatja a topológiát a Szellemi Tulajdon-, Szabadalmak és Védjegyek Szövetségi Szolgálatánál . [32]
Szótárak és enciklopédiák | ||||
---|---|---|---|---|
|
Félvezető csomag típusok | |
---|---|
Dupla kimenet |
|
Három tűs | |
Következtetések egy sorban | SIP/SIL |
Következtetések két sorban |
|
Kimenetek négy oldalon | |
Mátrix csapok | |
Technológia |
|
Lásd még |
|