Integrovaný obvod ( IC , IC, anglicky IC ); mikroobvod , m / s , čip ( angl. chip : „tenká deska“: původně termín označovaný jako mikroobvodová krystalová deska ) - mikroelektronické zařízení - elektronický obvod libovolné složitosti (krystal) vyrobený na polovodičovém substrátu ( wafer nebo film) a umístěn v neoddělitelném krytu nebo bez něj v případě začlenění do mikrosestavy [1].
Většina mikroobvodů se vyrábí v balíčcích pro povrchovou montáž .
Často se integrovaným obvodem (IC) rozumí krystal nebo fólie s elektronickým obvodem a mikroobvod (MC) je integrovaný obvod uzavřený v pouzdře. Výraz čip - komponenty zároveň znamená „ součástky pro povrchovou montáž “ (na rozdíl od součástek pro pájení skrz otvory na desce ).
května 1952 britský radiotechnik Geoffrey Dummer poprvé předložil myšlenku spojení mnoha standardních elektronických součástek v monolitickém polovodičovém krystalu . Realizace těchto návrhů v těchto letech nemohla proběhnout z důvodu nedostatečného rozvoje techniky.
Koncem roku 1958 a v první polovině roku 1959 nastal průlom v polovodičovém průmyslu. V roce 1959 Eduard Keondjian vyvinul první prototyp integrovaného obvodu. [2] [3] [4] [5] Tři muži zastupující tři soukromé americké korporace vyřešili tři zásadní problémy, které bránily vzniku integrovaných obvodů. Jack Kilby z Texas Instruments patentoval princip fúze, vytvořil první nedokonalé prototypy integrovaných obvodů a uvedl je do sériové výroby. Kurt Lehovec ze společnosti Sprague Electric Company vynalezl metodu elektrické izolace součástek vytvořených na jediném polovodičovém čipu ( izolace pn junction ) . Robert Noyce z Fairchild Semiconductor vynalezl metodu elektrického spojování součástek IC ( aluminium pokovování ) a navrhl vylepšenou verzi izolace součástek založenou na nejnovější planární technologii Jeana Hoerniho . 27. září 1960 vytvořila skupina Jay Lasta první funkční polovodičový integrovaný obvod ve Fairchild Semiconductor na základě myšlenek Noyce a Ernieho. Společnost Texas Instruments , která vlastnila patent na Kilbyho vynález, zahájila patentovou válku proti konkurentům, která skončila v roce 1966 dohodou o vypořádání vzájemného licencování technologií .
Rané logické obvody těchto řad byly postaveny doslova ze standardních součástek, jejichž velikosti a konfigurace byly dány technologickým procesem. Obvodoví inženýři, kteří navrhli logické integrované obvody konkrétní rodiny, pracovali se stejnými typickými diodami a tranzistory. V letech 1961-1962. Designové paradigma bylo rozbito vedoucím konstruktérem Sylvánie Tomem Longem , který propagoval použití různých konfigurací tranzistorů v jediném integrovaném obvodu v závislosti na jejich funkci v obvodu. Koncem roku 1962 Sylvania uvedla na trh první řadu tranzistorově-tranzistorové logiky (TTL) Longo, historicky první typ integrované logiky, kterému se podařilo získat trvalé postavení na trhu. V analogových obvodech udělal průlom této úrovně v letech 1964-1965 konstruktér operačního zesilovače Fairchild Bob Widlar .
První mikroobvod v SSSR vznikl v roce 1961 v TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) pod vedením LN Kolesova [6] . Tato událost přitáhla pozornost vědecké komunity v zemi a TRTI byl schválen jako vedoucí v systému ministerstva vysokého školství v problému vytváření vysoce spolehlivého mikroelektronického zařízení a automatizace jeho výroby. Sám L. N. Kolesov byl pro tento problém jmenován předsedou Koordinační rady.
První v SSSR hybridní tlustovrstvý integrovaný obvod (řada 201 "Tropa") byl vyvinut v letech 1963-65 ve Výzkumném ústavu přesné technologie (" Angstrem "), sériová výroba od roku 1965. Na vývoji se podíleli specialisté z NIEM (nyní Argon Research Institute ) [7] [8] .
První polovodičový integrovaný obvod v SSSR byl vytvořen na základě planární technologie vyvinuté na začátku roku 1960 na NII-35 (tehdy přejmenovaném na NII "Pulsar" ) týmem, který byl později převeden na NIIME (" Micron ") . Vznik prvního tuzemského křemíkového integrovaného obvodu byl zaměřen na vývoj a výrobu s vojenskou akceptací řady integrovaných křemíkových obvodů TS-100 (37 prvků - ekvivalent obvodové složitosti spouště , obdoba amerických IO série SN - 51 od Texas Instruments ). Prototypy a výrobní vzorky křemíkových integrovaných obvodů pro reprodukci byly získány z USA. Práce byly provedeny v NII-35 (ředitel Trutko) a Fryazinsky Semiconductor Plant (ředitel Kolmogorov) na základě obranného rozkazu pro použití v autonomním výškoměru naváděcího systému balistických střel . Vývoj zahrnoval šest typických integrovaných křemíkových planárních obvodů řady TS-100 a s organizací pilotní výroby trval na NII-35 tři roky (od roku 1962 do roku 1965). Zvládnutí tovární výroby s vojenským přijetím ve Fryazinu (1967) trvalo další dva roky [9] .
Paralelně probíhaly práce na vývoji integrovaného obvodu v Central Design Bureau ve Voroněžském závodě polovodičových zařízení (nyní JSC NIIET ). V roce 1965 byl závod při návštěvě VZPP ministrem elektronického průmyslu A.I.Šokinem pověřen prováděním výzkumných prací na vytvoření křemíkového monolitického obvodu - VaV "Titan" (rozkaz ministerstva č. 92 ze dne 16.8. , 1965), která byla v předstihu dokončena do konce roku. Téma bylo úspěšně předloženo státní komisi a série 104 diodově-tranzistorových logických obvodů se stala prvním pevným počinem v oblasti polovodičové mikroelektroniky, což se promítlo do příkazu Ministerstva hospodářského rozvoje ze dne 30. 1965 č. 403 [10] [11] .
V závislosti na stupni integrace se používají následující názvy integrovaných obvodů:
Dříve se také používaly zastaralé názvy: ultra-velký integrovaný obvod (ULSI) - od 1 do 10 milionů až 1 miliarda prvků v krystalu [12] [13] a někdy i giga-velký integrovaný obvod ( GBIC) - více než 1 miliarda prvků v krystalu. V současné době, v roce 2010, se názvy „UBIS“ a „GBIS“ prakticky nepoužívají a všechny mikroobvody s více než 10 tisíci prvky jsou klasifikovány jako VLSI.
Analogové integrované obvody - vstupní a výstupní signály se mění jako spojitá funkce od kladného po záporné napájecí napětí.
Digitální mikroobvody - vstupní a výstupní signály mohou mít dvě hodnoty: logickou nulu nebo logickou jedničku, z nichž každá odpovídá určitému rozsahu napětí. Například pro mikroobvody typu TTL s napájecím napětím +5 V odpovídá rozsah napětí 0 ... 0,4 V logické nule a rozsah od 2,4 do 5 V odpovídá logické jedničce; pro logické čipy ESL při napájecím napětí -5,2 V je rozsah od -0,8 do -1,03 V logickou jednotkou a od -1,6 do -1,75 V je logická nula.
Analogově-digitální integrované obvody kombinují formy digitálního a analogového zpracování signálu , jako je zesilovač signálu a analogově-digitální převodník .
Integrovaný obvod může mít kompletní, libovolně složitou funkčnost - až po celý mikropočítač ( jednočipový mikropočítač ).
Analogový integrovaný ( mikro ) obvod ( AIS , AIMS ) je integrovaný obvod, jehož vstupní a výstupní signály se mění podle zákona spojité funkce (tj. jde o analogové signály ).
Laboratorní vzorek analogového integrovaného obvodu byl vytvořen společností Texas Instruments v USA v roce 1958 . Byl to generátor fázového posunu . V roce 1962 se objevila první řada analogových mikroobvodů - SN52. Měl nízkovýkonový nízkofrekvenční zesilovač , operační zesilovač a video zesilovač [14] .
V SSSR byl do konce 70. let získán velký sortiment analogových integrovaných obvodů. Jejich použití umožnilo zvýšit spolehlivost zařízení, zjednodušit nastavování zařízení a často i eliminovat nutnost údržby za provozu [15] .
Níže je uveden částečný seznam zařízení, jejichž funkce lze provádět pomocí analogových integrovaných obvodů. Často jich jeden mikroobvod nahradí několik najednou (např. K174XA42 obsahuje všechny uzly superheterodynního FM rádiového přijímače [16] ).
Analogové mikroobvody se používají v zařízeních pro zesilování a reprodukci zvuku, ve videorekordérech , televizích , komunikační technice, měřicích přístrojích, analogových počítačích , sekundárních napájecích zdrojích atd.
V analogových počítačíchDigitální integrovaný obvod (digitální obvod) je integrovaný obvod určený ke konverzi a zpracování signálů , které se mění podle zákona diskrétní funkce.
Digitální integrované obvody jsou založeny na tranzistorových spínačích, které mohou být ve dvou stabilních stavech: otevřený a sepnutý. Použití tranzistorových spínačů umožňuje vytvářet různé logické, spouštěcí a další integrované obvody. Digitální integrované obvody se používají v diskrétních zařízeních pro zpracování informací pro elektronické počítače ( počítače ), automatizační systémy atd.
Digitální integrované obvody mají oproti analogovým řadu výhod:
Analogově-digitální integrovaný obvod (analogově-digitální mikroobvod) je integrovaný obvod určený k převodu signálů, které se mění podle zákona diskrétní funkce , na signály, které se mění podle zákona spojité funkce a naopak.
Jeden mikroobvod často vykonává funkce několika zařízení najednou (například postupné aproximační ADC obsahují DAC, takže mohou provádět obousměrné konverze). Seznam zařízení (neúplný), jejichž funkce mohou provádět analogově-digitální integrované obvody:
Hlavním prvkem analogových mikroobvodů jsou tranzistory ( bipolární nebo polní ). Rozdíl v technologii výroby tranzistorů výrazně ovlivňuje vlastnosti mikroobvodů. Proto je v popisu mikroobvodu často uvedena výrobní technologie, aby se zdůraznily obecné charakteristiky vlastností a schopností mikroobvodu. Moderní technologie kombinují bipolární technologie a tranzistorové technologie s efektem pole, aby bylo dosaženo lepšího výkonu čipu.
Úrovně designu:
stejně jako
V současné době (2022) je většina integrovaných obvodů navržena pomocí specializovaných CAD systémů , které umožňují automatizovat a výrazně urychlit výrobní procesy , například získání topologických fotomasek.
V současné době vyrábí analogové mikroobvody mnoho společností: Analog Devices , Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments atd.
Přechod integrálních prvků na submikronové velikosti komplikuje návrh AIMS. Například MOSFETy s krátkou délkou brány mají řadu vlastností, které omezují jejich použití v analogových blocích: vysoká úroveň nízkofrekvenčního blikání ; silné šíření prahového napětí a strmosti, což vede ke vzniku velkého offsetového napětí diferenciálních a operačních zesilovačů; nízký výstupní nízký odpor signálu a zesílení kaskád s aktivní zátěží ; nízké průrazné napětí pn-přechodů a štěrbina - zdroj , způsobující pokles napájecího napětí a pokles dynamického rozsahu [22] .
Technologie podle typu logiky:
Pomocí stejného typu tranzistorů lze mikroobvody sestavit pomocí různých metodologií, jako jsou statické nebo dynamické .
Technologie CMOS a TTL (TTLSh) jsou nejběžnější čipové logiky. Tam, kde je potřeba šetřit proudový odběr, se používá technologie CMOS, kde je důležitější rychlost a není vyžadována spotřeba, se používá technologie TTL. Slabým místem mikroobvodů CMOS je zranitelnost vůči statické elektřině - stačí se dotknout výstupu mikroobvodu rukou a jeho integrita již není zaručena. S rozvojem technologií TTL a CMOS se mikroobvody parametry přibližují a v důsledku toho je například řada mikroobvodů řady 1564 vyrobena technologií CMOS a funkčnost a umístění v pouzdře je podobné jako u TTL. technika.
Čipy vyrobené technologií ESL jsou nejrychlejší, ale také energeticky nejnáročnější a byly použity při výrobě výpočetní techniky v případech, kdy nejdůležitějším parametrem byla rychlost výpočtu. V SSSR byly nejproduktivnější počítače typu ES106x vyráběny na mikroobvodech ESL. Nyní se tato technologie používá jen zřídka.
Polovodičový mikroobvod - všechny prvky a meziprvkové spoje jsou provedeny na jednom polovodičovém krystalu (substrát).
Substrát - obvykle monokrystalický polovodičový wafer , určený k vytváření filmů , heterostruktur a růstu monokrystalických vrstev pomocí procesu epitaxe ( heteroepitaxie , homoepitaxie , endotaxe ), krystalizace atd. [23] Křemík , germanium , arsenid gallia , sklo - keramika [24] ] , safír je jedním z materiálů pro mikroobvodové substráty.
Při výrobě mikroobvodů se používá metoda fotolitografie (projekční, kontaktní atd.), přičemž obvod je tvořen na substrátu (obvykle křemíku ) získaném řezáním monokrystalů křemíku na tenké destičky diamantovými kotouči. Vzhledem k malosti lineárních rozměrů prvků mikroobvodů bylo upuštěno od použití viditelného světla a dokonce i blízkého ultrafialového záření při osvětlení.
Charakteristickým znakem výrobního procesu mikročipu jsou minimální kontrolované rozměry topologie fotoopakovače (kontaktní okna v oxidu křemíku, šířka hradla v tranzistorech atd.) a v důsledku toho rozměry tranzistorů (a dalších prvků) na čipu jsou uvedeny. Tento parametr je však vzájemně závislý na řadě dalších výrobních možností: čistota získaného křemíku, vlastnosti vstřikovačů, fotolitografické metody, leptací a naprašovací metody .
V 70. letech byla minimální řiditelná velikost sériově vyráběných mikroobvodů 2-8 µm , v 80. letech byla snížena na 0,5-2 µm [25] .
V 90. letech 20. století se v důsledku nového kola „platformových válek“ začaly do výroby zavádět a rychle zdokonalovat experimentální metody: na počátku 90. let byly procesory (například rané Pentium a Pentium Pro ) vyráběny s použitím 0,5–0,6 mikronová technologie (500-600 nm), pak technologie dosáhla 250-350 nm. Následující procesory ( Pentium II , K 6-2 +, Athlon ) byly již vyrobeny 180 nm technologií. V letech 2002-2004 byly zvládnuty 90 nm výrobní procesy (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4) [25] .
Následující procesory byly vyrobeny pomocí UV světla ( ArF excimerový laser , vlnová délka 193 nm). V průměru zavádění nových technických procesů předními průmyslovými společnostmi podle plánu ITRS probíhalo každé 2 roky, přičemž počet tranzistorů na jednotku plochy se zdvojnásobil: 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] .
V roce 2015 se objevily odhady, že zavádění nových technických procesů se zpomalí [30] .
Pro kontrolu kvality integrovaných obvodů se široce používají tzv. testovací struktury .
Analogové a digitální mikroobvody jsou vyráběny sériově. Řada je skupina mikroobvodů, které mají jednotnou konstrukci a technologické provedení a jsou určeny pro společné použití. Mikroobvody stejné řady mají zpravidla stejná napětí napájecích zdrojů, jsou přizpůsobeny z hlediska vstupních a výstupních odporů, úrovní signálu.
Kryt mikroobvodu je konstrukce navržená tak, aby chránila krystal mikroobvodu před vnějšími vlivy a také pro usnadnění montáže mikroobvodu do elektronického obvodu. Obsahuje vlastní tělo z dielektrického materiálu (plast, méně často keramika), sadu vodičů pro elektrické spojení krystalu s vnějšími obvody pomocí vývodů , značení.
Existuje mnoho možností pro balíčky mikroobvodů, které se liší počtem kolíků mikroobvodu, způsobem montáže a provozními podmínkami. Pro zjednodušení montážní technologie se výrobci mikroobvodů snaží sjednotit balíčky vývojem mezinárodních standardů.
Někdy se vyrábí mikroobvody v bezrámovém provedení – tedy krystal bez ochrany. Bezobalové čipy jsou obvykle určeny pro montáž do hybridní mikrosestavy. U hromadně levných výrobků je možná přímá montáž na desku plošných spojů .
Intel jako první vyrobil mikroobvod, který plnil funkce mikroprocesoru ( anglicky microprocessor ) - Intel 4004 . Na základě vylepšených mikroprocesorů 8088 a 8086 vydala IBM své známé osobní počítače .
Mikroprocesor tvoří jádro počítače, doplňkové funkce, jako je komunikace s periferiemi , byly prováděny pomocí speciálně navržených čipových sad ( chipset ). U prvních počítačů se počet čipů v sadách odhadoval na desítky a stovky, v moderních systémech se jedná o sadu jednoho, dvou nebo tří čipů. V poslední době se objevují trendy postupného přesunu funkcí čipsetu (řadič paměti, řadič sběrnice PCI Express ) na procesor.
Mikroprocesory s vestavěnou RAM a ROM , paměťovými a I/O řadiči a dalšími doplňkovými funkcemi se nazývají mikrokontroléry .
V roce 2017 se celosvětový trh s integrovanými obvody odhadoval na 700 miliard dolarů [31]
Hlavní producenti a exportéři jsou v Asii: Singapur (115 miliard dolarů), Jižní Korea (104 miliard dolarů), Čína (80,1 miliard dolarů) a Malajsie (55,7 miliard dolarů). Největším evropským exportérem je Německo (1,4 miliardy dolarů), americkým USA (28,9 miliardy dolarů). Největšími dovozci jsou Čína (207 mld. USD), Hongkong (168 mld. USD), Singapur (57,8 mld. USD), Jižní Korea (38,6 mld. USD) a Malajsie (37,3 mld. USD).
Ruská legislativa poskytuje právní ochranu pro topologie integrovaných obvodů. Topologie integrovaného obvodu je prostorově-geometrické uspořádání souboru prvků integrovaného obvodu a spojení mezi nimi upevněných na hmotném nosiči (článek 1448 občanského zákoníku Ruské federace ).
Autor topologie integrovaného obvodu vlastní následující duševní práva:
Autor topologie integrovaného obvodu vlastní i další práva, včetně práva na odměnu za použití topologie služby.
Výhradní právo na topologii platí deset let. Držitel práv může během tohoto období, pokud si to přeje, zaregistrovat topologii u Federální služby pro duševní vlastnictví, patenty a ochranné známky . [32]
Slovníky a encyklopedie | ||||
---|---|---|---|---|
|
Typy paketů polovodičů | |
---|---|
Dvojitý výstup |
|
Tříkolíkový | |
Závěry v jedné řadě | SIP/SIL |
Závěry ve dvou řadách |
|
Vývody na čtyřech stranách | |
Matrix kolíky | |
Technika |
|
viz také |
|