Circuit integrat ( IC , IC , IC engleză ); microcircuit , m / s , cip ( ing. cip : „placă subțire”: inițial termenul se referea la o placă de cristal de microcircuit ) - dispozitiv microelectronic - un circuit electronic de complexitate arbitrară (cristal) realizat pe un substrat semiconductor ( placă sau film) și plasate într-o carcasă neseparabilă sau fără aceasta în cazul includerii în microansamblu [1] .
Majoritatea microcircuitelor sunt fabricate în pachete de montare la suprafață .
Adesea, un circuit integrat (IC) este înțeles ca un cristal sau un film cu un circuit electronic, iar un microcircuit (MC) este un IC închis într-o carcasă. În același timp, expresia cip -component înseamnă „ componente pentru montare la suprafață ” (spre deosebire de componentele pentru lipirea prin găurile de pe placă ).
La 7 mai 1952, inginerul radio britanic Geoffrey Dummer a propus pentru prima dată ideea de a combina multe componente electronice standard într-un cristal semiconductor monolitic . Implementarea acestor propuneri în acei ani nu a putut avea loc din cauza dezvoltării insuficiente a tehnologiei.
La sfârșitul anului 1958 și în prima jumătate a anului 1959, a avut loc o descoperire în industria semiconductoarelor. În 1959, Eduard Keondjian a dezvoltat primul prototip de circuit integrat. [2] [3] [4] [5] Trei bărbați reprezentând trei corporații private americane au rezolvat trei probleme fundamentale care au împiedicat crearea de circuite integrate. Jack Kilby de la Texas Instruments a brevetat principiul fuziunii, a creat primele prototipuri imperfecte IC și le-a adus la producția de masă. Kurt Lehovec de la Sprague Electric Company a inventat o metodă pentru izolarea electrică a componentelor formate pe un singur cip semiconductor ( izolarea joncțiunii pn ) . Robert Noyce de la Fairchild Semiconductor a inventat o metodă de conectare electrică a componentelor IC ( placare cu aluminiu ) și a propus o versiune îmbunătățită a izolației componentelor bazată pe cea mai recentă tehnologie plană a lui Jean Hoerni . Pe 27 septembrie 1960, grupul lui Jay Last a creat primul IC semiconductor funcțional la Fairchild Semiconductor , pe baza ideilor lui Noyce și Ernie. Texas Instruments , care deținea brevetul pentru invenția lui Kilby, a lansat un război al brevetelor împotriva concurenților, care s-a încheiat în 1966 cu un acord privind acordarea de licențe încrucișate tehnologice .
Circuitele integrate logice timpurii ale acestor serii au fost construite literalmente din componente standard , ale căror dimensiuni și configurații au fost stabilite de procesul tehnologic. Inginerii de circuite care au proiectat circuite integrate logice ale unei anumite familii au funcționat cu aceleași diode și tranzistoare tipice. În 1961-1962. Paradigma de proiectare a fost ruptă de designerul principal al Sylvania , Tom Longo , care a fost pionier în utilizarea diferitelor configurații de tranzistori într-un singur IC , în funcție de funcția lor în circuit. La sfârșitul anului 1962, Sylvania a lansat prima familie de logică tranzistor-tranzistor (TTL) a lui Longo, din punct de vedere istoric, primul tip de logică integrată care a reușit să capete o poziție permanentă pe piață. În circuitele analogice , o descoperire la acest nivel a fost făcută în 1964-1965 de către designerul de amplificatoare operaționale Fairchild Bob Widlar .
Primul microcircuit din URSS a fost creat în 1961 la TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) sub conducerea lui LN Kolesov [6] . Acest eveniment a atras atenția comunității științifice a țării, iar TRTI a fost aprobat ca lider în sistemul Ministerului Învățământului Superior în problema realizării echipamentelor microelectronice de înaltă fiabilitate și automatizării producției acestora. Însuși L. N. Kolesov a fost numit președinte al Consiliului Coordonator pentru această problemă.
Primul circuit integrat hibrid cu peliculă groasă din URSS (seria 201 „Tropa”) a fost dezvoltat în 1963-65 la Institutul de Cercetare a Tehnologiei de Precizie („ Angstrem ”), producție în serie din 1965. Specialiști de la NIEM (acum Institutul de Cercetare Argon ) au participat la dezvoltare [7] [8] .
Primul circuit integrat cu semiconductor din URSS a fost creat pe baza tehnologiei planare , dezvoltată la începutul anului 1960 la NII-35 (apoi redenumit NII „Pulsar” ) de către o echipă, care a fost ulterior transferată la NIIME („ Micron ”). . Crearea primului circuit integrat de siliciu intern a fost axată pe dezvoltarea și producția cu acceptarea militară a unei serii de circuite integrate de siliciu TS-100 (37 de elemente - echivalentul complexității circuitului unui declanșator , un analog al circuitelor integrate americane ale seria SN - 51 de la Texas Instruments ). Prototipuri și mostre de producție de circuite integrate de siliciu pentru reproducere au fost obținute din SUA. Lucrarea a fost efectuată la NII-35 (director Trutko) și Uzina de semiconductori Fryazinsky (director Kolmogorov) în temeiul unui ordin de apărare pentru utilizare într-un altimetru autonom al unui sistem de ghidare a rachetelor balistice . Dezvoltarea a inclus șase circuite planare integrate tipice din siliciu din seria TS-100 și, odată cu organizarea producției pilot, a durat trei ani la NII-35 (din 1962 până în 1965). A fost nevoie de încă doi ani pentru a stăpâni producția din fabrică cu acceptare militară în Fryazino (1967) [9] .
În paralel, s-au desfășurat lucrări privind dezvoltarea unui circuit integrat la Biroul central de proiectare de la Uzina de dispozitive semiconductoare Voronezh (acum JSC NIIET ). În 1965, în timpul unei vizite la VZPP a ministrului industriei electronice A.I.Shokin, fabrica a fost însărcinată să efectueze lucrări de cercetare privind realizarea unui circuit monolitic de siliciu - R&D „Titan” (Ordinul Ministerului nr. 92 din 16 august). , 1965), care a fost finalizat înainte de termen până la sfârșitul anului. Subiectul a fost înaintat cu succes Comisiei de Stat, iar o serie de 104 circuite logice diodă-tranzistor a devenit prima realizare fixă în domeniul microelectronicii în stare solidă, care a fost reflectată în ordinul Ministerului Dezvoltării Economice din 30 decembrie, 1965 Nr. 403 [10] [11] .
În funcție de gradul de integrare, se folosesc următoarele denumiri de circuite integrate:
Anterior, acum erau folosite și nume învechite: un circuit integrat la scară ultra-largă (ULSI) - de la 1-10 milioane la 1 miliard de elemente într-un cristal [12] [13] și, uneori, un circuit integrat giga-mare ( GBIC) - mai mult de 1 miliard de elemente într-un cristal. În prezent, în anii 2010, denumirile „UBIS” și „GBIS” nu sunt practic utilizate, iar toate microcircuitele cu mai mult de 10 mii de elemente sunt clasificate ca VLSI.
CI analogice - semnalele de intrare și ieșire variază ca o funcție continuă de la tensiunea de alimentare pozitivă la negativă.
Microcircuite digitale - semnalele de intrare și de ieșire pot avea două valori: un zero logic sau unul logic, fiecare dintre acestea corespunzând unui anumit interval de tensiune. De exemplu, pentru microcircuite de tip TTL cu o tensiune de alimentare de +5 V, intervalul de tensiune de 0 ... 0,4 V corespunde unui zero logic, iar intervalul de la 2,4 la 5 V corespunde unuia logic; pentru cipurile logice ESL la o tensiune de alimentare de -5,2 V, intervalul de la -0,8 la -1,03 V este o unitate logică, iar de la -1,6 la -1,75 V este un zero logic.
Circuitele integrate analog-digitale combină forme de procesare a semnalului digital și analogic , cum ar fi un amplificator de semnal și un convertor analog-digital .
Un circuit integrat poate avea o funcționalitate completă, arbitrar complexă - până la un întreg microcomputer ( microcomputer cu un singur cip ).
Circuitul integrat ( micro ) analog ( AIS , AIMS ) este un circuit integrat ale cărui semnale de intrare și ieșire se modifică conform legii unei funcții continue (adică sunt semnale analogice ).
O probă de laborator dintr-un circuit integrat analog a fost creată de Texas Instruments în SUA în 1958 . Era un generator de schimbare de fază . În 1962, a apărut prima serie de microcircuite analogice - SN52. Avea un amplificator de joasă frecvență , un amplificator operațional și un amplificator video [14] .
În URSS, o gamă largă de circuite integrate analogice a fost obținută până la sfârșitul anilor 1970. Utilizarea lor a făcut posibilă creșterea fiabilității dispozitivelor, simplificarea configurației echipamentelor și, adesea, chiar eliminarea necesității de întreținere în timpul funcționării [15] .
Mai jos este o listă parțială a dispozitivelor ale căror funcții pot fi îndeplinite de circuite integrate analogice. Adesea, un microcircuit înlocuiește mai multe dintre ele simultan (de exemplu, K174XA42 conține toate nodurile unui receptor radio FM superheterodin [16] ).
Microcircuitele analogice sunt utilizate în echipamentele de amplificare și reproducere a sunetului, în aparate video , televizoare , tehnologie de comunicații, instrumente de măsură, calculatoare analogice , surse de alimentare secundare etc.
În calculatoarele analogiceUn circuit integrat digital (circuit digital) este un circuit integrat conceput pentru a converti și procesa semnale care se modifică conform legii unei funcții discrete .
Circuitele integrate digitale se bazează pe comutatoare cu tranzistori care pot fi în două stări stabile: deschis și închis. Utilizarea comutatoarelor cu tranzistori face posibilă crearea diverselor circuite logice, declanșatoare și alte circuite integrate. Circuitele integrate digitale sunt utilizate în dispozitivele discrete de procesare a informațiilor pentru calculatoare electronice ( calculatoare ), sisteme de automatizare etc.
Circuitele integrate digitale au o serie de avantaje față de cele analogice:
Circuitul integrat analog-digital (microcircuit analog-digital) este un circuit integrat conceput pentru a converti semnalele care se modifică conform legii unei funcții discrete în semnale care se schimbă conform legii unei funcții continue și invers.
Adesea, un microcircuit îndeplinește funcțiile mai multor dispozitive simultan (de exemplu, ADC-urile de aproximare succesive conțin un DAC, astfel încât să poată efectua conversii în două sensuri). Lista de dispozitive (incompletă), ale căror funcții pot fi îndeplinite de circuite integrate analog-digitale:
Elementul principal al microcircuitelor analogice sunt tranzistoarele ( bipolare sau de câmp ). Diferența în tehnologia de fabricație a tranzistorilor afectează în mod semnificativ caracteristicile microcircuitelor. Prin urmare, tehnologia de fabricație este adesea indicată în descrierea microcircuitului pentru a sublinia caracteristicile generale ale proprietăților și capacităților microcircuitului. Tehnologiile moderne combină tehnologiile bipolare și cele ale tranzistorilor cu efect de câmp pentru a obține performanțe îmbunătățite ale cipului.
Niveluri de proiectare:
precum și
În prezent (2022), majoritatea circuitelor integrate sunt proiectate folosind sisteme CAD specializate , care vă permit să automatizați și să accelerați semnificativ procesele de producție , de exemplu, obținerea de măști fototopologice.
În prezent, microcircuitele analogice sunt fabricate de multe companii: Analog Devices , Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments etc.
Trecerea la dimensiuni submicronice ale elementelor integrale complică proiectarea AIMS. De exemplu, MOSFET -urile cu o lungime scurtă de poartă au o serie de caracteristici care limitează utilizarea lor în blocuri analogice: un nivel ridicat de zgomot de pâlpâire de joasă frecvență ; o răspândire puternică a tensiunii de prag și a pantei, ceea ce duce la apariția unei tensiuni offset mari a amplificatoarelor diferențiale și operaționale ; rezistență la semnal scăzut de ieșire și amplificarea cascadelor cu sarcină activă ; tensiunea de rupere scăzută a joncțiunilor pn și decalajul dren - sursă , determinând o scădere a tensiunii de alimentare și o scădere a intervalului dinamic [22] .
Tehnologii după tip de logică:
Folosind același tip de tranzistoare, microcircuitele pot fi construite folosind metodologii diferite, cum ar fi statice sau dinamice .
Tehnologiile CMOS și TTL (TTLSh) sunt cele mai comune logici de cip. Acolo unde este necesară economisirea consumului de curent, se folosește tehnologia CMOS, unde viteza este mai importantă și nu este necesar consumul de energie, se folosește tehnologia TTL. Punctul slab al microcircuitelor CMOS este vulnerabilitatea la electricitatea statică - este suficient să atingeți ieșirea microcircuitului cu mâna, iar integritatea acestuia nu mai este garantată. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor TTL și CMOS, microcircuitele se apropie din punct de vedere al parametrilor și, drept urmare, de exemplu, seria 1564 de microcircuite este realizată folosind tehnologia CMOS, iar funcționalitatea și amplasarea în carcasă sunt similare cu cele ale TTL. tehnologie.
Chipurile fabricate folosind tehnologia ESL sunt cele mai rapide, dar și cele mai consumatoare de energie, și au fost folosite în producția de tehnologie informatică în cazurile în care cel mai important parametru a fost viteza de calcul. În URSS, cele mai productive computere de tip ES106x au fost fabricate pe microcircuite ESL. Acum această tehnologie este rar folosită.
Microcircuit semiconductor - toate elementele și conexiunile între elemente sunt realizate pe un cristal semiconductor (substrat).
Substrat - de obicei o placă de semiconductor monocristal , concepută pentru a crea pelicule , heterostructuri și pentru a crește straturi monocristaline folosind procesul de epitaxie ( heteroepitaxie , homoepitaxie , endotaxie ), cristalizare etc. [23] Siliciu , germaniu , arseniură de galiu , sticlă - ceramică [24] ] , safirul este unul dintre materialele pentru substraturile microcircuitelor.
La fabricarea microcircuitelor se folosește metoda fotolitografiei (proiectare, contact etc.), în timp ce circuitul este format pe un substrat (de obicei siliciu ) obținut prin tăierea monocristalelor de siliciu în plachete subțiri cu discuri de diamant. Datorită dimensiunilor mici ale elementelor microcircuitelor, s-a renunțat la utilizarea luminii vizibile și chiar a radiațiilor ultraviolete în apropierea iluminării.
Ca o caracteristică a procesului de producție a microcipului , dimensiunile minime controlate ale topologiei fotorepetitorului (ferestre de contact în oxid de siliciu, lățimea porții în tranzistori etc.) și, ca urmare, dimensiunile tranzistorilor (și a altor elemente) pe un cip. sunt indicate. Acest parametru este însă interdependent cu o serie de alte posibilități de producție: puritatea siliciului obținut, caracteristicile injectoarelor, metodele de fotolitografie, metodele de gravare și pulverizare .
În anii 1970, dimensiunea minimă controlabilă a microcircuitelor produse în masă era de 2-8 µm , în anii 1980 a fost redusă la 0,5-2 µm [25] .
În anii 1990, din cauza unei noi runde de „războaie ale platformelor”, metodele experimentale au început să fie introduse în producție și s-au îmbunătățit rapid: la începutul anilor 1990, procesoarele (de exemplu, Pentium timpuriu și Pentium Pro ) au fost fabricate folosind 0,5-0,6. tehnologie micron (500-600 nm), apoi tehnologia a ajuns la 250-350 nm. Următoarele procesoare ( Pentium II , K 6-2 +, Athlon ) au fost deja realizate folosind tehnologia 180 nm. În 2002-2004, procesele de fabricație de 90 nm au fost stăpânite (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4) [25] .
Următoarele procesoare au fost fabricate utilizând lumină UV ( laser excimer ArF , lungime de undă 193 nm). În medie, introducerea de noi procese tehnice de către liderii industriei conform planului ITRS a avut loc la fiecare 2 ani, dubland în același timp numărul de tranzistori pe unitate de suprafață: 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] .
În 2015, s-au estimat că introducerea de noi procese tehnice va încetini [30] .
Pentru a controla calitatea circuitelor integrate, așa-numitele structuri de testare sunt utilizate pe scară largă .
Microcircuitele analogice și digitale sunt produse în serie. O serie este un grup de microcircuite care au un singur design și design tehnologic și sunt destinate utilizării în comun. Microcircuitele din aceeași serie, de regulă, au aceleași tensiuni ale surselor de alimentare, sunt potrivite în ceea ce privește rezistențele de intrare și ieșire, nivelurile de semnal.
O carcasă de microcircuit este o structură concepută pentru a proteja cristalul microcircuitului de influențele externe, precum și pentru confortul montării microcircuitului într-un circuit electronic. Conține corpul propriu-zis din material dielectric (plastic, mai rar ceramică), un set de conductori pentru conectarea electrică a cristalului cu circuite externe prin intermediul cablurilor , marcaj.
Există multe opțiuni pentru pachetele de microcircuite, care diferă în funcție de numărul de pini de microcircuit, metoda de montare și condițiile de funcționare. Pentru a simplifica tehnologia de montare, producătorii de microcircuite încearcă să unifice pachetele prin dezvoltarea standardelor internaționale.
Uneori, microcircuitele sunt produse într-un design fără cadru - adică un cristal fără protecție. Cipurile fără pachet sunt de obicei proiectate pentru montarea într-un micro-ansamblu hibrid. Pentru produse ieftine în masă, montarea directă pe o placă de circuit imprimat este posibilă .
Intel a fost primul care a fabricat un microcircuit care îndeplinea funcțiile unui microprocesor ( microprocesor englezesc ) - Intel 4004 . Pe baza microprocesoarelor îmbunătățite 8088 și 8086 , IBM și-a lansat binecunoscutele computere personale .
Microprocesorul formează nucleul computerului, funcții suplimentare, cum ar fi comunicarea cu periferice , au fost realizate folosind chipset-uri special concepute ( chipset ). Pentru primele computere , numărul de cipuri din seturi a fost estimat la zeci și sute; în sistemele moderne, acesta este un set de unul, două sau trei cipuri. Recent, au existat tendințe de transfer gradual al funcțiilor chipset-ului (controler de memorie, controler de magistrală PCI Express ) către procesor.
Microprocesoarele cu RAM și ROM încorporate, memorie și controlere I/O și alte funcții suplimentare sunt numite microcontrolere .
În 2017, piața globală a circuitelor integrate a fost estimată la 700 de miliarde de dolari [31]
Principalii producători și exportatori sunt în Asia: Singapore (115 miliarde dolari), Coreea de Sud (104 miliarde dolari), China (80,1 miliarde dolari) și Malaezia (55,7 miliarde dolari). Cel mai mare exportator european este Germania (1,4 miliarde de dolari), cel american este SUA (28,9 miliarde de dolari). Cei mai mari importatori sunt China (207 miliarde dolari), Hong Kong (168 miliarde dolari), Singapore (57,8 miliarde dolari), Coreea de Sud (38,6 miliarde dolari) și Malaezia (37,3 miliarde dolari).
Legislația rusă oferă protecție juridică pentru topologiile circuitelor integrate. Topologia unui circuit integrat este aranjarea spațială-geometrică a setului de elemente ale unui circuit integrat și conexiunile dintre ele fixate pe un suport de material (articolul 1448 din Codul civil al Federației Ruse ).
Autorul topologiei circuitului integrat deține următoarele drepturi intelectuale:
Autorul topologiei circuitului integrat deține și alte drepturi, inclusiv dreptul la remunerație pentru utilizarea topologiei serviciului.
Dreptul exclusiv la topologie este valabil timp de zece ani. Titularul dreptului în această perioadă poate, dacă dorește, să înregistreze topologia la Serviciul Federal pentru Proprietate Intelectuală, Brevete și Mărci . [32]
Dicționare și enciclopedii | ||||
---|---|---|---|---|
|
Tipuri de pachete de semiconductori | |
---|---|
Ieșire dublă |
|
Trei pini | |
Concluzii pe un rând | SIP/SIL |
Concluzii pe două rânduri |
|
Prize pe patru laturi | |
Pinuri de matrice | |
Tehnologie | |
Vezi si |
|