Spis treści:
- 1 Integrované obvody všude kolem nás
- 2 Na začátku byl tranzistor
- 3 Zrádná osmička a první integrovaný obvod
- 4 Čistota je základ!
- 5 Propojení uvnitř integrovaných obvodů
- 6 Integrované obvody - od návrhu po hotový výrobek
- 7 Kryty integrovaných obvodů
- 8 Identifikace integrovaných obvodů
- 9 Typy integrovaných obvodů
Existuje jich několik set typů a najdete je téměř všude – seznamte se s integrovanými obvody!
Integrované obvody všude kolem nás
Tento článek obsahuje historii a přehled konstrukce a některé příklady integrovaných obvodů používaných v moderní elektronice.
Na začátku byl tranzistor
Než svět elektroniky ovládl křemík, vládla mu vakuová elektronika, tedy elektronkové lampy. Každá elektronka se vyráběla ručně, což vyžadovalo velkou pečlivost. Průlom nastal koncem roku 1947 v Murray Hill v New Jersey v USA – tým konstruktérů z Bellových telefonních laboratoří ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain vytvořil prototyp polovodičového zařízení na bázi germania, lopatkový tranzistor. Ten byl o několik let později nahrazen přechodovým (bipolárním) tranzistorem, který vyvinul Shockley. Tvůrce tranzistoru byl v roce 1956 oceněn Nobelovou cenou. Tento malý prvek způsobil skutečnou revoluci ve světovém průmyslu – používání elektronek na technologických linkách se stalo historií.
Není divu, že na rozdíl od svých vakuových protějšků spotřebovávaly tranzistory mnohem méně energie. V roce 1955 William Shockley opustil Bell Telephone Laboratories a přešel na Stanfordovu univerzitu v kalifornském Stanfordu. Nejlepší vědci z této univerzity pod vedením Shockleyho jsou posláni do průmyslu – rodí se Silicon Valley. Práce na bipolárním tranzistoru pokračují. Bohužel tranzistor na bázi germania měl vážnou nevýhodu – při teplotách v řádu čaje ve sklenici přestával fungovat, a jak známo, na válečné frontě i ve vesmíru, kde se elektronika také používá, sahá teplotní škála nesrovnatelně dál. Elektroniku tedy ovládl křemík, chemický prvek s mnohem lepšími teplotními vlastnostmi než germanium.
Zrádná osmička a první integrovaný obvod
O dva roky později, v roce 1957, Shockleyho podřízení opouštějí Stanford (tzv. zrádná osmička) a stěhují se do San Jose v Kalifornii, kde zakládají společnost Fairchild Semiconductor Corporation. Jedním ze spoluzakladatelů této společnosti byl Robert Noyce. Právě jemu je připisována myšlenka zkonstruovat několik tranzistorů, ale spojených dohromady v jednom pouzdře – v roce 1959 tak vznikl první integrovaný obvod založený na bipolárních křemíkových tranzistorech. Současně Jack Kilby, který pracoval jako konstruktér ve společnosti Texas Instruments, vyvinul integrovaný obvod na bázi germaniových tranzistorů, který se stal předmětem patentového soudního sporu.
Robert Noyce i Jack Kilby jsou proto nyní právně uznáváni jako vynálezci prvních integrovaných obvodů. V roce 1959 také Mohamed Atalla a Dawon Kahng, tehdejší zaměstnanci Bell Telephone Laboratories, vyvinuli tranzistor MOSFET, který je dodnes základním stavebním kamenem integrovaných obvodů, včetně rodiny počítačových procesorů x86, v jejichž čele stojí společnost Intel, kterou spoluzaložil výše zmíněný Robert Noyce.
Čistota je základ!
Výrobní proces integrovaných obvodů je velmi složitý a vyžaduje přesnost na více než chirurgické úrovni. Kromě toho jsou místnosti, kde výroba probíhá, nejčistšími místnostmi na světě – dokonce i ve srovnání s operačními sály nejlepších nemocnic. Nejmenší smítko prachu je největším nepřítelem polovodičů. Přítomnost prachu ve výrobních místnostech by mohla zastavit výrobní proces na několik měsíců, což by způsobilo obludně vysoké ekonomické ztráty. Z tohoto důvodu jsou pracovníci v továrnách na výrobu čipů oblečeni do vhodných obleků a výrobní prostory jsou odděleny speciálními zámky, kde se kontroluje přítomnost prachu a odstraňuje se z obleků pracovníků.
Propojení uvnitř integrovaných obvodů
Zjednodušeně řečeno, výroba integrovaných obvodů spočívá v nanesení elektricky izolovaných odporových vodivých vrstev na společnou desku z dielektrického materiálu. Tyto vrstvy tvoří tranzistory vzájemně propojené v kovové síti. Příslušná propojení mezi polovodičovými vrstvami jsou podle návrhu vyvedena mimo pouzdro integrovaného obvodu. V průběhu několika desetiletí lze pozorovat, že počet tranzistorů, které se podařilo vtěsnat do jednoho pouzdra, lineárně narůstal – to platí zejména pro mikroprocesorové čipy, kde první komerční procesor Intel 4004 (1971) obsahoval 2 300 tranzistorů, zatímco dnešní procesory se skládají z desítek miliard tranzistorů.
Návrh integrovaných obvodů se provádí pomocí počítačů, kde se struktura propojení v integrovaném obvodu vytváří pomocí příslušného návrhového softwaru. Propojovací síť se samozřejmě navrhuje ve zvětšení, které dosahuje desetitisícinásobku nebo milioninásobku skutečné velikosti. Po návrhu se struktura viditelná ve zvětšení na obrazovce počítače zmenší na cílovou velikost, z níž se vytvoří fotografie součástky. Všechny dráhy matrice se kreslí dvakrát pomocí robotického stroje na kreslení drah, aby se eliminovalo riziko výrobní chyby. Takto vytvořený vzor umožňuje vytvořit skutečnou strukturu na povrchu křemíkové desky pomocí procesu fotolitografie, který spočívá v tom, že se křemíková deska vykoupe ve fotografické emulzi a odražený obraz se pak vytvrdí v silném ultrafialovém světle. V dalším kroku se křemíkové pláty ponoří do roztoku, ve kterém se odstraní vrstva křemíku, která není pokryta předlohou. Po odstranění roztoku se vytvoří cílový vzor tranzistorové struktury a propojení mezi nimi. Poté se vytvoří následné vrstvy, které se spojí a dopují. V další fázi se nanese izolační vrstva a vyplní se tekutou mědí. V této podobě je integrovaný obvod připraven k přesnému řezání, uzemnění a umístění do pouzdra.
Kryty integrovaných obvodů
Existuje mnoho typů krytů pro integrované obvody. Účelem krytu je chránit a udržovat vnitřní strukturu integrovaného obvodu. Díky zapouzdření integrovaného obvodu můžeme bezpečně uchopit integrovaný obvod prsty nebo speciálními chapadly bez obav z jeho poškození, i když je třeba brát v úvahu ochranu proti elektrostatickému výboji (ESD), zejména u čipů CMOS, které jsou v tomto ohledu citlivé. Kryt rovněž umožňuje odvod tepla – a to i při pájení integrovaného obvodu na desku plošných spojů. Integrované obvody jsou k dispozici jak v pouzdrech pro průchozí tranzistory (THT), např. DIL14 (dvouřadé pouzdro, sedm vodičů na řadu) nebo SIL8 (jednořadé pouzdro, osm vodičů na řadu), tak v pouzdrech pro povrchovou montáž (SMD), např. SO8 nebo TSSOP24. Složitější integrované obvody, např. 32bitové mikrokontroléry a mikroprocesory, mohou být umístěny ve čtvercových pouzdrech s vývody na každé straně, např. TQFP64 nebo QFN16 – druhý typ je charakteristický tím, že vývody jsou umístěny na spodní straně krytu. Velmi často se jeden typ integrovaného obvodu vyrábí v několika typech krytů, takže si můžeme vybrat součástku, která nás zajímá, podle rozměrů desky plošných spojů našeho elektronického zařízení. Z důvodu úspory místa a složitosti se často volí integrované obvody v provedení SMD, jejichž rozměry jsou mnohem menší než u jejich protějšků v provedení THT. Přesto mají integrované obvody v provedení SMD důležitou praktickou výhodu z hlediska prototypování a testování – lze je snadno umístit do patic kontaktní desky. Na druhou stranu, pokud je náš projekt elektronického zařízení vyroben výhradně v technologii THT a integrovaný obvod potřebný pro náš projekt je k dispozici pouze v provedení SMD, můžeme si zakoupit speciální adaptér, tj. desku plošných spojů, na kterou připájíme čip SMD – jeho vývody se připojí k pájecím očkům pro pájení goldpinem.
Identifikace integrovaných obvodů
Na krytu každého integrovaného obvodu je vytištěn speciální identifikační kód. Na základě tohoto kódu můžeme vyhledat na internetu dokumentaci k integrovanému obvodu, který nás zajímá. Mnoho typů integrovaných obvodů tvoří rodiny, do kterých se řadí podle základního kódování, například CD4011 nebo CD4051 jsou logické čipy CMOS, zatímco SN74HC595 je logický čip TTL. Kromě základní kodifikace můžeme na pouzdru IC vidět také kód označující sériové číslo výrobní šarže a logo výrobce. Důležité je také označení vývodů – obvykle vidíme vyrytou tečku u vývodu 1 nebo zářez v pouzdře, na jehož levé straně (při pohledu shora) byl umístěn první vývod. Někteří výrobci elektronických zařízení v zájmu zvýšení právní ochrany svého duševního vlastnictví záměrně rozmazávají označení na pouzdře integrovaného obvodu, aby oprávněné subjekty měly problémy s reprodukcí zařízení.
Typy integrovaných obvodů
Od vynálezu prvního integrovaného obvodu na konci 50. let minulého století byly vytvořeny stovky typů integrovaných obvodů, které se liší mimo jiné technologií výroby a konečným použitím. Některé typy integrovaných obvodů jsou natolik univerzální, že prošly určitou standardizací, např. pokud jde o vývody odpovědné za napájení obvodu. S ohledem na typ zpracovávaných signálů můžeme rozlišovat:
- Analogové integrované obvody – tyto obvody pracují s proudovými a napěťovými signály, které se v čase spojitě mění. Obzvláště běžným typem analogového integrovaného obvodu je operační zesilovač, například LM358, TL072 nebo NE5532. Na základě takového zesilovače můžeme postavit mimo jiné zvukový předzesilovač, aktivní dolnopropustný filtr a měřicí přístroje.
- Digitální integrované obvody – do této skupiny patří elektronické obvody, které pracují s diskrétními signály, tj. signály, které se v časové oblasti mění skokově nebo pulzně, a napětí, s nimiž pracují, představují odpovídající logické stavy – nízký a vysoký a u některých obvodů navíc stav vysoké impedance (Hi-Z). Příkladem digitálních obvodů jsou logická hradla, klopné obvody, čítače, mikrokontroléry, mikroprocesory a FPGA.
- Smíšené integrované obvody – jedná se o integrované obvody, které jsou kombinací analogových a digitálních obvodů. Patří mezi ně analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky, stejně jako generátory DCO, zvukové procesory nebo fázové synchronizační smyčky (PLL).
