| В этой статье мы поговорим о микросхемах, какие типы бывают, как устроены и где используются. Вообще, в современной электронной технике трудно найти устройство, в котором бы не использовались микросхемы. Даже самые дешёвые китайские игрушки задействуют различные планарные, залитые компаундом чипы, на которые возложена функция управления. Причём с каждым годом они становятся всё более сложными внутри, но более простыми в эксплуатации и меньшими по размерам, снаружи. Можно сказать, что идёт постоянная эволюция микросхем.
Фото цифровой микросхемы Микросхема представляет собой электронное устройство или его часть способную выполнять ту или иную задачу. Если бы потребовалось решить такую задачу, которую решают многие микросхемы, на дискретных элементах, на транзисторах, то устройство, вместо маленького прямоугольника размерами 1 сантиметр на 5 сантиметров, занимало бы целый шкаф, и было бы намного менее надежным. А ведь так выглядели вычислительные машины ещё пол-сотни лет назад!
Электронный шкаф управления – фото Конечно, для работы микросхемы недостаточно просто подать питание на неё, необходим еще так называемый "обвес”, то есть те вспомогательные детали на плате, вместе с которыми микросхема сможет выполнять свою функцию.
Обвес микросхемы – рисунок На рисунке выше красным выделена сама микросхема все остальные детали – это её "обвес”. Очень часто микросхемы при своей работе нагреваются, это могут быть микросхемы стабилизаторов, усилителей, микропроцессоров и других устройств. В таком случае чтобы микросхема не сгорела её нужно прикрепить на радиатор. Микросхемы, которые при работе должны нагреваться, проектируются сразу со специальной теплоотводящей пластиной – поверхностью, находящейся обычно с обратной стороны микросхемы, которая должна плотно прилегать к радиатору.
Фото микросхемы со стороны крепления к радиатору Но в соединении даже у тщательно отшлифованных радиатора и пластины, все равно будут микроскопические зазоры, в результате которых тепло от микросхемы будет менее эффективно передаваться радиатору. Для того чтобы заполнить эти зазоры применяют теплопроводящую пасту. Ту самую, которую мы наносим на процессор компьютера, перед тем как закрепить на нем сверху радиатор. Одна из наиболее широко применяемых паст, это КПТ–8.
Усилители на микросхемах можно спаять буквально за 1-2 вечера, и они начинают работать сразу, не нуждаясь в сложной настройке и высокой квалификации настраивающего. Отдельно хочу сказать про микросхемы автомобильных усилителей, из обвеса там иногда бывает буквально 4-5 деталей. Чтобы собрать такой усилитель, при определенной аккуратности, не требуется даже печатная плата (хотя она желательна) и можно собрать все навесным монтажем, прямо на выводах микросхемы.
Усилитель собранный навесным монтажем Правда, такой усилитель после сборки лучше сразу поместить в корпус, потому, что такая конструкция ненадежна, и в случае случайного замыкания проводов можно легко спалить микросхему. Поэтому рекомендую всем начинающим, пусть потратить немного больше времени, но сделать печатную плату.
Регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме Регулируемые блоки питания на микросхемах – стабилизаторах даже проще в изготовлении, чем аналогичные на транзисторах. Посмотрите, сколько деталей заменяет простейшая микросхема LM317:
Микросхемы на печатных платах в электронных устройствах могут быть припаяны как непосредственно, к дорожкам печати, так и посажены в специальные панельки.
Панелька под дип микросхему – фото Разница заключается в том, что в первом случае для того чтобы нам заменить микросхему нам придется её предварительно выпаять. А во втором случае, когда мы посадили микросхему в панельку, нам достаточно достать микросхему из панельки, и её можно с легкостью заменить на другую. Типичный пример замены микропроцессора в компьютере.
ПК Socket-478 процессора Также, к примеру, если вы собираете устройство на микроконтроллере на печатной плате, и не предусмотрели внутрисхемное программирование, вы сможете, если впаяли в плату не саму микросхему, а панельку, в которую она вставляется, то микросхему можно достать и подключить к специальной плате программатора.
Вид платы программатора с панельками В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования. Аналоговые и цифровые микросхемы
Аналоговый сигнал рисунок Цифровой сигнал это последовательность единиц и нулей, высокого и низкого уровня сигналов. Высокий уровень обеспечивается подачей на вывод 5 вольт или напряжения близкого к этому, низкий уровень это отсутствие напряжения или 0 вольт.
Цифровя форма сигнала рисунок Существуют также микросхемы АЦП (аналогово – цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро – аналоговый преобразователь) которые осуществляет преобразование сигнала из аналогового в цифровой, и наоборот. Типичный пример АЦП используется в мультиметре, для преобразования измеряемых электрических величин и отображения их на экране мультиметра. На рисунке ниже АЦП – это черная капля, к которой со всех сторон подходят дорожки.
Фото АЦП мультиметра Микроконтроллеры
Микроконтроллер в Dip корпусе Это специальная микросхема, может выпускаться как в Dip так и в SMD исполнении, в память которой может быть записана программа, так называемый Hex файл. Это файл откомпилированной прошивки, которая пишется в специальном редакторе программного кода. Но мало написать прошивку, нужно перенести, прошить, её в память микроконтроллера.
Для этой цели служит программатор. Как многим известно, есть много разных типов микронтроллеров – AVR, PIC и другие, для разных типов нам требуются разные программаторы. Также существует и множество программаторов, каждый сможет найти и изготовить себе подходящий по уровню знаний и возможностей. Если нет желания делать программатор самому, то можно купить готовый в интернет магазине или заказать с Китая.
Микроконтроллер в SMD корпусе На рисунке выше изображен микроконтроллер в SMD корпусе. Какие же плюсы есть в использовании микроконтроллеров? Если раньше, проектируя и собирая устройство на дискретных элементах или микросхемах, мы задавали работу устройства путем определенного, часто сложного соединения на печатной плате с использованием множества деталей. То теперь нам достаточно написать программу для микроконтроллера, которая будет делать тоже самое программным путем, зачастую быстрее и надежнее, чем схема без применения микроконтроллеров. Микроконтроллер представляет собой целый компьютер, с портами ввода – вывода, возможностью подключения дисплея и датчиков, а также управление другими устройствами.
Фото роботов на автоматизированной линии Конечно усовершенствование микросхем на этом не остановится, и можно предположить, что лет через 10 возникнут действительно микросхемы от слова "микро" – невидимые глазу, которые будут содержать миллиарды транзисторов и других элементов, размерами в несколько атомов – вот тогда действительно создание сложнейших электронных устройств станет доступно даже не слишком опытным радиолюбителям! Наш краткий обзор подошёл к концу, с вами был AKV. Что может быть проще, чем обычный песок, и что может сравниться по сложности с микросхемами? Между тем кремний, как раз и является исходным материалом для производства интегральных схем, которые сегодня управляют всеми электронными устройствами, начиная от суперкомпьютеров и заканчивая сотовыми телефонами и микроволновыми печами. Появление интегральных микросхем произвело настоящую технологическую революцию в электронике и IT-индустрии. Казалось бы, всего несколько десятилетий назад для простейших электронных вычислений применялись огромные ламповые компьютеры, занимавшие по несколько комнат и даже целые здания. Эти компьютеры содержали в себе многие тысячи электронных ламп, которые требовали для своей работы колоссальных электрических мощностей и особых систем охлаждения. Сегодня им на смену пришли компьютеры на интегральных микросхемах.
По сути интегральная микросхема представляет собой сборку из многих полупроводниковых компонентов микроскопической величины, размещенных на подложке и упакованных в миниатюрный корпус.
Один современный чип размером с человеческий ноготь может содержать внутри несколько миллионов диодов, транзисторов, резисторов, соединительных проводников и других компонентов, которые в былые времена потребовали бы для своего размещения пространство довольно крупного ангара. За примерами далеко ходить не нужно, процессор i7, например, содержит на площади менее 3 квадратных сантиметров более трех миллиардов транзисторов! И это не предел.
Далее теперь рассмотрим основу процесса создания микросхем. Микросхема формируется по планарной (поверхностной) технологии путем литографии. Это значит, что она как бы выращивается из полупроводника на кремниевой подложке.
Первым делом подготавливается тонкая кремниевая пластина, которую получают из монокристалла кремния путем отрезания от цилиндрической заготовки при помощи диска с алмазным напылением. Пластину полируют в особых условиях, чтобы избежать попадания на нее загрязнений и любой пыли. После этого пластину оксидируют — воздействуют на нее кислородом при температуре порядка 1000°C с целью получить на ее поверхности слой прочной диэлектрической пленки диоксида кремния толщиной в необходимое количество микрон. Толщина получаемого таким образом слоя оксида зависит от времени воздействия кислородом, а также от температуры подложки во время оксидирования.
Далее на слой диоксида кремния наносят фоторезист — светочувствительной состав, который после облучения растворяется в определенном химическом веществе. На фоторезист кладут трафарет — фотошаблон с прозрачными и непрозрачными участками. Затем пластину с нанесенным на нее фоторезистом экспонируют — засвечивают источником ультрафиолетового излучения. В результате экспонирования та часть фоторезиста, которая находилась под прозрачными участками фотошаблона, изменяет свои химические свойства, и теперь может быть легко удалена вместе с находящимся под ним диоксидом кремния специальными химикатами, при помощи плазмы или другим способом — это называется травлением. По окончании травления незащищенные фоторезистом (засвеченные) места пластины оказываются очищены от засвеченного фоторезиста и затем – от диоксида кремния.
После травления и очищения от незасвеченного фоторезиста тех мест подложки, на которых остался диоксид кремния, приступают к эпитаксии — наносят на кремниевую пластину слои нужного вещества толщиной в один атом. Таких слоев может быть нанесено столько, сколько необходимо. Далее пластину нагревают и осуществляют диффузию ионов определенных веществ, чтобы получить p и n-области. В качестве акцептора используют бор, а в качестве доноров — мышьяк и фосфор.
В завершении процесса производят металлизацию алюминием, никелем или золотом, чтобы получить тонкие проводящие пленки, которые будут выступать в роли соединительных проводников для выращенных на подложке на предыдущих этапах транзисторов, диодов, резисторов и т. д. Таким же образом выводят контактные площадки для монтажа микросхемы на печатную плату. |
