Неизвестно, кому первому пришла мысль выполнить два или более транзисторов на одном кристалле полупроводника. Возможно, эта идея возникла сразу после начала выпуска полупроводниковых элементов. Известно, что теоретические основы такого подхода были опубликованы в начале 50-х годов прошлого века. Меньше 10 лет ушло на преодоление технологических проблем, и уже в начале 60-х годов было выпущено первое устройство, содержащее в одном корпусе несколько электронных компонентов – микросхема (чип). С того момента человечество встало на путь совершенствования, которому пока не видно конца.
Содержание
Назначение микросхем
В интегральном исполнении в настоящее время выполняются самые разнообразные электронные узлы с различной степенью интеграции. Из них, как из кубиков, можно собирать различные электронные устройства. Так, схему радиоприемника можно реализовать различными способами. Начальный вариант – воспользоваться микросхемами-наборами транзисторов. Соединив их выводы, можно выполнить приёмное устройство. Следующий этап – использовать отдельные узлы в интегральном исполнении (каждое в своём корпусе):
- усилитель радиочастоты;
- гетеродин;
- смеситель;
- усилитель звуковой частоты.
Наконец, самый современный вариант – весь приемник в одной микросхеме, надо лишь добавить несколько внешних пассивных элементов. Очевидно, что с ростом степени интеграции построение схем упрощается. Даже полноценный компьютер в настоящее время можно реализовать на одной микросхеме. Его производительность пока будет ниже, чем у обычных вычислительных устройств, но с развитием технологий, возможно, и этот момент удастся победить.
Типы микросхем
В настоящее время выпускается огромное количество типов микросхем. Практически любой законченный электронный узел, стандартный или специализированный, выпускается в микроисполнении. Перечислить и разобрать все типы в рамках одного обзора не представляется возможным. Но в целом по функциональному назначению микросхемы можно разделить на три глобальные категории.
- Цифровые. Работают с дискретными сигналами. Цифровые уровни подаются на вход, с выхода также снимаются сигналы в цифровом виде. Этот класс устройств охватывает область от простых логических элементов до самых современных микропроцессоров. Сюда же относятся программируемые логические матрицы, устройства памяти и т.п.
- Аналоговые. Работают с сигналами, изменяющимися по непрерывному закону. Характерный пример такой микросхемы – усилитель звуковой частоты. Также к этому классу относят интегральные линейные стабилизаторы, генераторы сигналов, измерительные датчики и многое другое. К категории аналоговых принадлежат и наборы пассивных элементов (резисторов, RC-цепей и т.п.).
- Аналогово-цифровые (цифро-аналоговые). Эти микросхемы не только преобразовывают дискретные данные в непрерывные или в обратную сторону. Исходные или полученные сигналы в том же корпусе могут усиливаться, преобразовываться, модулироваться, декодироваться и т.п. Широко распространены аналого-цифровые датчики для связи измерительных цепей различных технологических процессов с вычислительными устройствами.
Также микросхемы делятся по типу производства:
- полупроводниковые – выполняются на одном кристалле полупроводника;
- пленочные – пассивные элементы создаются на основе толстых или тонких пленок;
- гибридные – к пассивным пленочным элементам «подсаживаются» полупроводниковые активные устройства (транзисторы и т.п.).
Но для применения микросхем эта классификация в большинстве случаев особой практической информации не дает.
Корпуса микросхем
Для защиты внутреннего содержимого и для упрощения монтажа микросхемы помещают в корпус. Изначально большая часть микросхем выпускалась в металлической оболочке (круглой или прямоугольной) с гибкими выводами, расположенными по периметру.
Такая конструкция не позволяла использовать все преимущества миниатюризации, так как габариты устройства были очень большими по сравнению с размерами кристалла. К тому же степень интеграции была невелика, что лишь усугубляло проблему. В середине 60-х годов был разработан корпус DIP (dual in-line package) — прямоугольная конструкция с жесткими выводами с двух сторон. Проблема громоздких размеров не была решена, но все же такое решение позволяло достичь большей плотности монтажа, а также упростить автоматизированную сборку электронных схем. Число выводов микросхем в DIP-упаковке составляет от 4 до 64, хотя корпуса с количеством «ног» более 40 все же редкость.
Важно! Шаг выводов у DIP-микросхем отечественного производства составляет 2,5 мм, у импортного – 2,54 мм (1 линия=0,1 дюйма). Из-за этого возникают проблемы при взаимной замене полных, казалось бы, аналогов российского и импортного производства. Небольшое расхождение затрудняет установку в платы и в панели одинаковых по функционалу и расположению выводов устройств.
С развитием электронных технологий стали очевидны недостатки корпусов DIP. Для микропроцессоров стало не хватать количества выводов, а их дальнейшее увеличение требовало увеличения габаритов корпуса. такие микросхемы стали занимать на платах слишком много неиспользуемого места. Вторая проблема, приблизившая завершение эпохи доминирования DIP – широкое распространение поверхностного монтажа. Элементы стали устанавливаться не в отверстия на плате, а припаиваться непосредственно к контактным площадкам. Этот способ монтажа оказался очень рациональным, поэтому потребовались микросхемы в корпусах, приспособленных к пайке на поверхность. И начался процесс вытеснения устройств для «дырочного» монтажа (true hole) элементами, названными как SMD (surface mounted detail).
Первым шагом к переходу на поверхностный монтаж стали корпуса SOIC и их модификации (SOP, HSOP и другие варианты). У них, как и у DIP, ножки расположены в два ряда по длинным сторонам, но они параллельны нижней плоскости корпуса.
Дальнейшим развитием стал корпус QFP. У этого корпуса квадратной формы выводы расположены по каждой стороне. На него похож корпус PLLC, но он все же ближе к DIP, хотя ноги расположены также по всему периметру.
Некоторое время микросхемы DIP держали свои позиции в секторе программируемых устройств (ПЗУ, контроллеров, PLM), но распространение внутрисхемного программирования вытеснило двухрядные корпуса для true hole и из этой области. Сейчас SMD-исполнение получили даже те детали, монтаж которых в отверстия казался безальтернативным – например, интегральные стабилизаторы напряжения и т.п.
Развитие корпусов для микропроцессоров пошло по иному пути. Так как количество выводов не умещается по периметру ни одного из разумных размеров квадрата, ножки большой микросхемы располагают в виде матрицы (PGA, LGA и т.п.).
Преимущества использования микросхем
Появление микросхем произвело революцию в мире электроники (особенно, в микропроцессорной технике). Компьютеры на лампах, занимающие одну или несколько комнат, вспоминаются как исторический курьез. Но современный процессор содержит около 20 миллиардов транзисторов. Если принять площадь одного транзистора в дискретном исполнении хотя бы в 0,1 кв.см., то площадь, занимаемая процессором в целом, должна будет составлять не менее 200000 квадратных метров – около 2000 трехкомнатных квартир среднего размера.
Также надо предоставить площадь для памяти, звуковой платы, аудиоплаты, сетевого адаптера и других периферийных устройств. Стоимость монтажа такого количества дискретных элементов была бы колоссальной, а надежность работы недопустимо низкой. Поиск неисправности и ремонт заняли бы невероятно много времени. Очевидно, что эпоха персональных компьютеров без микросхем большой степени интеграции не наступила бы никогда. Также без современных технологий не были бы созданы устройства, требующие больших вычислительных мощностей – от бытовых до производственных или научных
Направление развития электроники предопределено на многие годы вперед. Это, в первую очередь, повышение степени интеграции элементов микросхем, что связано с непрерывным развитием технологий. Впереди предстоит качественный скачок, когда возможности микроэлектроники подойдут к пределу, но это вопрос достаточно далекого будущего.
Похожие статьи:
Загрузка...