Ключевая технология
Производство интегральных микросхем (ИС) – ключевая технология современной промышленности. ИС, образно говоря, – это чудо мысли, фактически целая область науки, рожденная в XX столетии. Микросхема размещается на одном-единственном кристалле – полупроводниковом чипе (чип – англ. chip – тонкая пластинка). В нее входят миллионы полупроводниковых диодов, резисторов, транзисторов, выполненных на микронном уровне, и она может в целом обладать законченным сложным функционалом вплоть до целого микрокомпьютера.
Современные микросхемы разнообразны по конструкции и назначению. К ним предъявляется ряд требований по быстродействию, помехоустойчивости, потребляемой мощности, надежности и другие.
О сложности и миниатюризации ИС говорит такой факт. Сколько, например, транзисторов может поместиться в ширине человеческого волоса 0,08 миллиметра (80 микрон)? Если транзистор размером 14 нанометров (0,014 мкм), то примерно около 5700 транзисторов, которые в микросхеме выглядят величиной с вирус гриппа (0,12 мкм). А при размере семь нанометров – около 1,5 миллиарда транзисторов.
Для того чтобы разработать новую архитектуру чипа, от проекта до производства обычно требуется три – пять лет. Сам цикл производства каждой ИС на одной общей кремниевой (Si) подготовленной подложке толщиной около миллиметра и диаметре 200 миллиметров роботизированными механизмами и многослойными процессами фотолитографии может занимать до трех месяцев при выполнении до 1500 отдельных технологических операций. Вместе с фотолитографией транзисторы создаются, печатаясь слой за слоем на кремнии. Таким образом рождаются сотни идентичных микросхем на одной кремниевой подложке путем формирования различных слоев и рисунков элементов микросхемы. Подложка в конце стадии процесса разрезается на отдельные прямоугольные кристаллы – чипы. Затем золотой нитью распаивают выводы и помещают в их корпуса.
Проектирование и отработка техпроцессов микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров требует больших финансовых затрат, на что сегодня способны немногие страны.
Среди ИС важное место занимает производство микропроцессоров, обеспечивающих обработку данных. Все современные процессоры размещаются на одной микросхеме и представляют сложнейшее устройство с множеством технических характеристик
Если попытаться классифицировать их основные характеристики с точки зрения пользователя, то можно выделить четыре группы: производительность, энергоэффективность, функциональные возможности, стоимость.
Будущее
Невозможно предсказать, в каком направлении движется проектирование печатных плат или даже электроники в целом. Очевидно одно — процесс их эволюции, запущенный более сотни лет назад, не остановится. Вот список лишь нескольких возможных тенденций ближайшего будущего:
- Создание печатных плат со встроенными компонентами, ещё меньших размеров и ещё большей надежности и функциональности — благодаря последним достижениям в области 3D-печати.
- Экономия места, улучшение производительности и надёжности — благодаря методу PoP (Package-on-Package, корпус-на-корпусе), при котором элементы устанавливаются друг на друге.
- Создание плат на базе бумаги — для большей экологичности, механической гибкости и снижения стоимости.
- Сближение фотоники и печатных плат — для передачи электрических сигналов не с помощью электронов, но фотонов.
Вся история печатных плат — это история оптимизации производства электроники, в ходе которой платы из просто удобного способа сборки устройств превратились в абсолютную необходимость. Что нас ждёт в будущем? Кто знает. Что мы знаем точно, так это то, что каждое изобретение, которое было до нас, стояло на плечах своего предшественника.
Те, кто был до нас, разработали печатную плату в том виде, в каком она существует сегодня, и теперь наша задача — совершенствовать технологии проектирования и взаимодействия с ними.
Будущее может быть любым. Будущее зависит от нас самих.
Суть профессии
Радиоинженер, как и любой другой инженер, является человеком с высшим техническим образованием, который способен:
- создавать архитектуру новых устройств, попутно — возиться с тоннами бумажек, чертежей и документации;
- придумывать технологию изготовления созданных им приборов;
- присматривать за процессом непосредственно изготовления, обеспечивать информационную поддержку, технический контроль и осуществлять чуткое руководство.
Учитывая специализацию, обозначенную в приставке «радио», такой человек имеет дело с электроникой во многих её проявлениях.
Иными словами, радиоинженер:
- физик, математик, хотя бы немножко программист;
- конструктор, изобретатель;
- практик, обеспечивающий материальное воплощение проектов.
Впрочем, касаемо воплощения, далеко не все принимают участие в производстве, поскольку существует разделение труда. Однако необходимый для любого инженера объем знаний подразумевает, что специалист, получивший диплом, является универсальным и может реализовать свои способности и в теоретической сфере, и на практике.
Начало пути
Надо полагать, из всего вышесказанного уже стало ясно, что желающим поступить в высшее учебное заведение и выучиться на радиоинженера следует набираться знаний в следующих областях: 1) физика; 2) математика; 3) азы радиоэлектроники; 4) программирование хотя бы на уровне понимания сути; 5) химия (нужно же кому-то изобретать новые материалы для приборов).
Если физику, химию и математику вы можете добросовестно изучать в школе, пока система образования не развалилась совсем, то с радиоэлектроникой желательно подружиться самостоятельно. Попросту говоря, стать радиолюбителем.
1920-е — 1930-е годы
Двадцатые годы прошлого века известны как “Ревущие” или “Бурные двадцатые”. США и крупные страны Европы переживали культурный и экономический бум. Люди возвращались к мирной жизни, менялись мода и стиль, кинематограф становился массовым видом досуга, совершались открытия и изобретения, оказавшие большое влияние на всю последующую историю.
Впервые в истории больше людей проживало в городах, а не в деревне. Появление бензиновых двигателей, а за ними и автомобилей потребовало строительства дорог и создания необходимой инфраструктуры: от заправок до СТО. В домах появились пылесосы и холодильники.
А что же печатные платы? В 1925 году американский изобретатель Чарльз Дукас (Charles Ducas) подал заявку на патент, описывающий процесс добавления проводящих чернил на изоляционный материал. Кстати, в описании патента автор прямо указывает, что его изобретение “связано с производством электрического устройства, и, в частности, с методом снижения производственной стоимости” — в полном соответствии с целями оптимизационного квеста. Кроме того, Дукас продумывал возможность соединения нескольких плат, с тем, чтобы создать одну многослойную плату.
Идеи Дукаса были уже ближе к современным печатным платам, но развить их смог только другой изобретатель — Пауль Эйслер (Paul Eisler). Австриец с еврейскими корнями, он в 1930-м окончил Венский технический университет и затем на протяжении нескольких лет занимался радиосвязью, параллельно изучая и разрабатывая другие, смежные сферы.
Одной из интересовавших его задач было использование процесса печати для нанесения проводящего рисунка на диэлектрическое основание — причём в промышленных масштабах. В то время было обычным делом соединять все компоненты электронных устройств с помощью спаянных вручную проводов. Этот метод не позволял добиться высокой степени автоматизации, да и качество оставляло желать лучшего. Эйслер хотел устранить эти проблемы, напечатав провода на плате, и затем установить на неё необходимые элементы.
В 1936-м, видя, что национал-социализм набирает силу, Эйслер переехал в Англию. Там он продолжил разрабатывать идею о печатной плате, и даже сумел заинтересовать ею одну телефонную компанию — платы Эйслера позволили бы избавиться от массы проводов, которые тогда использовались для телефонных соединений. Но в итоге от идеи отказались, мотивировав это тем, что девушки-телефонистки, осуществлявшие связь, “были дешевле”. А вскоре началась Вторая мировая война и, как гражданин страны-противника, Эйслер был интернирован.
Элемент интегральной схемы
Часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.
По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:
- полупроводниковые;
- гибридные;
- пленочные.
В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяют на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т. п.).
2000-е — наше время
Этот период, пожалуй, можно назвать Гибридным веком. Прежде у нас было множество разнообразных устройств для наших разнообразных потребностей. Теперь же можно купить один смартфон и получить десятки функций: от часов до фотокамеры, от фонарика до навигатора, от аудио- и видео-плеера до автоответчика.
Мы живём в эпоху объединения устройств. Печатные платы прочно заняли своё место; созданы процедуры и процессы практически для всего; высокоскоростные приложения становятся нормой. Но что дальше?
Может, будущее печатных плат — в робототехнике? Или в создании носимых гаджетов с гибкими схемами — и нам не надо будет держать устройства в руке или сидеть перед ними; достаточно будет надеть их на руку или на ухо? А, может, физические платы, какими мы их знаем, вообще перестанут существовать — если вместо медных проводников сигналы будут передаваться по беспроводной связи?
XIX век
Позапрошлый век был отмечен быстрым развитием технологий. Всё ускоряющийся прогресс начинал набирать обороты. Паровозы позволили путешествовать через всю страну не за 5-7 месяцев, а за 5-7 дней; электричество пришло на смену углю, дереву, маслу. Изобретение телеграфа, а затем и телефона обеспечило быструю связь, не доступную никогда прежде.
Бензиновый двигатель и автомобиль, фотография, граммофон-фонограф, электронно-лучевые трубки и паяльные лампы, трансформаторы и перфокарты, радио и кино, эскалаторы и посудомоечные машины – большинство вещей, которыми мы пользуемся до сих пор, или которые оказали непосредственное влияние на современную электронику, были созданы или запатентованы в XIX веке.
Речи о печатных платах тогда ещё не шло, но без промышленных достижений того времени и широкого распространения электричества платы никогда не стали бы тем, чем они являются сегодня.
Радиоинженер и компьютерные технологии
Компьютер — это тоже радиотехническое устройство. Хотя бы потому, что компоненты, из которых он состоит, традиционно считаются радиодеталями. А также потому, что принципы действия тождественны для всех элементарных электронных приборов. Транзисторы работают и внутри микросхемы процессора, и в телевизоре, и в квартирном звонке, подчиняясь одним и тем же законам физики.
Следовательно, разработка и изготовление вычислительных устройств не может осуществляться без радиоинженеров, знакомых с вышеуказанными принципами действия компонентов (а также взаимодействия оных, разумеется).
Конечно, никто не заставит разработчика интегральной микросхемы создавать ещё и программную прошивку, ведь это дело программистов (в соответствии с концепцией всё того же разделения труда). Тем не менее, необходимо знать, как работает вычислительное устройство, для которого микросхема предназначена, какие биты и байты куда движутся и как с ними надо поступать.
Так или иначе, любому инженеру, желает он того или нет, в современных условиях крайне необходимо быть как минимум продвинутым пользователем компьютера. Хотя бы ради использования специализированного софта. Ведь нынче всё делается не вручную, а программным способом: чертежи, трёхмерные разработки всяких штук, составление технической документации, проектирование принципиальных схем и печатных плат, ну и так далее.
Чертёжный планшет на подставке, наподобие гипертрофированного мольберта художника, огромные листы бумаги, карандаши и линейки — всё это осталось разве что в старинных фильмах. Сейчас типичное рабочее место — мощный ПК и несколько огромных дисплеев с 3D-графикой на оных.
Первые модемы
Разработка цифровых модемов изначально производилась для потребностей Полуавтоматизированной Системы Управления Войсками ПВО США и Канады (SAGE – Semi-Automatic Ground Environment). Здоровенные модемы использовались тогда для связи радаров с авиабазами и командными центрами, а позже попали в массовое производство в виде модемов Bell 101 от компании AT&T. Они умели работать в уже имеющейся инфраструктуре, то есть на обыкновенных телефонных линиях.
Фактически, AT&T создала модем-предшественник dialup-модемов, которые сейчас уходят в небытие и скоро станут историей. В 1962 году компания выпустила и запустила в продажу модемы Bell 103 – первые модемы с полным дуплексом, то есть с возможностью двухсторонней передачей данных, работающие на скорости 300 бод (бит в секунду).
Первый модем: Теперь тот, кто говорил, что его «US Robotics 56k» – это древний модем, возьмет свои слова обратно… (Фотография: Архивы AT&T и Исторического Центра США)
Dialup-модемы эволюционировали в течении нескольких десятилетий, и давно достигли своего пика развития, после чего уступили свое место ISDN, а потом и ADSL. Через десять лет многие будут вообще не знать, что это за зверь такой, dialup-модем?
Первая программа, сохраненная на компьютере
Пятидесятые годы принесли нам первый компьютер, который мог запоминать программы в постоянной памяти. Но началось все немного раньше. Весной 1949 года был собран первый в мире компьютер, который мог хранить программу в оперативной памяти – EDSAC. Электронный Автоматический Компьютер с Памятью (из линий задержки) (Electronic Delay Storage Automatic Computer, EDSAC) был разработан группой ученых во главе с Морисом Уилксом и был установлен в Кембриджском Университете (Великобритания). По сути дела компьютер унаследовал архитектуру американского EDVAC, при этом главной его фишкой была «оперативная память».
Первый EDSAC использовал ртутные линии задержки в качестве временной памяти и вакуумные трубки для «логики». Информация вводилась при помощи перфоленты, а выводилась при помощи «телепринтера». Дейвид Уиллер, также активно работавший над EDSAC – человек, который впервые получил ученую степень по «теории вычислительных систем», изобрел подпрограммы для EDSAC и был соавтором первой книги по программированию, вышедшей в 1951 году.
За EDSAC, одним из первых британских компьютеров, последовал LEO 1 (Lyons Electronic Office 1), модель компьютера, основанная на EDSAC и построенная в компании «J. Lyons and Co», она являлась первой моделью компьютера, которая применялась для бизнес-приложений.
Но все только начиналось, в 1957 году была собрана вторая версия компьютера, EDSAC-2. Эта машина стала первым компьютером с постоянным запоминающим устройством, ПЗУ, на ферритовой матрице. Она трансформировалась за несколько десятилетий в то, что вы видите перед собой, и теперь вы можете закачивать на свой винчестер (твердотельный накопитель?) кучу HD фильмов, музыку, картинки и прочий контент – какие уж там микропрограммы и вычисление таблицы квадратов чисел от 0 до 99?
Это не стойка серверов, это EDSAC с потребляемой мощностью 12 киловатт и размером с гостиную, с трубками памяти, которые в длину составляли более 1,5 метров (вместо накопителя с кредитную карточку) и тремя тысячами электронных ламп (вместо процессора с монету). (Фотография: Компьютерная Лаборатория, Кембриджский Университет)
Как бы то ни было, самой интересной частью этой истории стало изобретение в 1952 году А.С. Дугласом «OXO», то есть крестиков и ноликов для компьютера EDSAC с графическим выводом на катодную лучевую трубку. Эта программа стала первой в мире компьютерной видеоигрой, которая для отображения результатов использовала «графический видеодисплей». Конечно, не сравнить с сегодняшними геймерскими лэптопами, со всякими Modern Warfare 2, но это история, и как ни крути, пятидесятые годы прошлого столетия.
Конец 40-х — 60-е годы
Хотя первые транзисторы были разработаны ещё в 1947 году, серийное их производство началось только в 1953-м. Про разработку транзистора можно прочитать в нашем цикле «История транзистора«.
Прототип транзистора Бреттейна и Бардина
В том же 1953 году вышла одна из первых советских разработок на печатных платах — это был радиоприёмник “Дорожный”, который собирали в Воронеже. Его единственная плата была изготовлена электрохимическим способом (плата из гетинакса подвергалась бестоковому (химическому) меднению, а проводниковые дорожки — гальваническому (электрическому) меднению).
На современный взгляд плата была примитивной — широкие, в 4-5 мм, проводники с пилообразными кромками по обеим сторонам платы, соединённые через металлизированные отверстия. Но даже она была дорогой в производстве, и очень скоро выпуск приёмника прекратили — из-за высокой стоимости, низких эксплуатационных качеств и быстро стареющей элементной базы.
В эти же годы многие разработчики радиоэлектронной аппаратуры и технологические институты отрабатывали различные технологии производства печатных плат. В 1954-м на Московском радиотехническом заводе начали собирать телевизор “Старт”, в котором применялись печатные платы оригинального изготовления. Их подложки прессовали из карболита или подобного материала, причём так, чтобы на пластинах при этом образовывались канавки. После металлизации эти канавки и служили проводниками.
Холодная война между Советским блоком и США, гонка вооружений, соперничество в освоении космоса требовали всё большего развития технологий. В СССР первая половина 60-х годов характеризовалась разработкой новой радиоэлектронной аппаратуры, организацией многочисленных производств в опытном производстве НИИ и КБ — с непременным использованием печатных плат.
Не менее интенсивная работа шла и в Соединённых Штатах. Мо Абрамсон (Moe Abramson) и Станислаус Ф. Данко (Stanislaus F. Danko), служившие в корпусе связи армии США, ещё в конце 40-х годов разработали процесс автоматической сборки платы, при котором элементы устанавливались на платы и паялись погружением.
С развитием технологий ламинирования и травления платы этот метод стал стандартным процессом изготовления печатных плат. В 1956 году Абрамсон и Данко получили патент на свою разработку, который передали армии.
В 60-х компания Hazeltyne Corporation получила патент на технологию сквозного монтажа, при котором выводные компоненты и электронные узлы монтируются в сквозные отверстия печатной платы. Это позволило располагать компоненты очень близко друг от друга, не опасаясь перекрытия.
Первый патент на технологию сквозного монтажа
В то же время компания IBM разработала технологию поверхностного монтажа, при которой компоненты монтируются на поверхность платы со стороны токопроводящих дорожек, и отверстия в плате не требуются. Эти новые разработки нашли первое практическое применение в ракетах “Сатурн-5”, которые использовались для космической программы “Аполлон”, в том числе и для запуска на Луну “Аполлона-11”.
Серии микросхем[править | править код]
Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.
Корпуса микросхемправить | править код
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном.
Бескорпускная микросхема — это полупроводниковый кристал, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку.
Корпус — это часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных микросхем. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями!
В российских корпусах расстояние между выводами измеряется в милиметрах и наиболее часто это 2,5 мм или 1,25 мм. У импортных микросхем расстояние измеряют в дюймах, используя величину 1/10 или 1/20 дюйма, что соответствует 2,54 и 1,28 мм. В корпусах до 16 выводов эта разница не значительна, а при больших размерах идеинтичные корпуса уже несовместимы.
В современных импортных корпусах для поверхностного монтажа применяют и метрические размеры: 0,8 мм; 0,65 мм и другие.
Специфические названия микросхемправить | править код
Из большого количества цифровых микросхем изготавливались процессоры. Фирма Intel первой изготовила микросхему Intel 4004, которая выполняла функции процессора. Такие микросхемы получили название микропроцессор. Микропроцессоры фирмы Intel совершенствовались: Intel 8008, Intel 8080, Intel 8086, Intel 8088 (на основе двух последних микропроцессоров, фирмой IBM, были выпущены первые персональные компьютеры).
Микропроцессор выполняет в основном функции АЛУ (арифметико-логическое устройство), а дополнительные функции связи с периферией выполнялись с помощью специально для этого изготовленных наборов микросхем. Для первых микропроцессоров число микросхем в наборах исчислялось десятками, а сейчас это набор из двух-трех микросхем, который получил термин чипсет.
Микропроцессоры со встроенными контроллерами памяти и ввода-вывода, ОЗУ и ПЗУ, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.
Структурная интегральная схема внутри чипа
Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.
Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.
https://youtube.com/watch?v=jWWyLQMYtKU
Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.
Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.
Кто создал интегральную схему?
Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.
Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.
Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.
Микросхемы на плате
