Rodzaj | Element elektroniczny , układ elektroniczny |
---|
Materiały | Krzem , arsenek galu , domieszka ( w ) , aluminium , miedź |
---|---|
Złożony z | Matryca , pakiet układów scalonych ( w ) |
Przestarzały | 1958 |
---|
Układ scalony ( IC ), zwany także chipem elektronicznym , jest komponentem elektronicznym , opartym na półprzewodniku , odtwarzającym jedną lub więcej funkcji elektronicznych mniej lub bardziej złożonych, często integrujących kilka rodzajów podstawowych elementów elektronicznych w zmniejszona objętość (na małej płytce), dzięki czemu obwód jest łatwy do wdrożenia.
Istnieje bardzo szeroka gama tych komponentów podzielonych na dwie szerokie kategorie: analogowe i cyfrowe .
W 1958 roku Amerykanin Jack Kilby wynalazł pierwszy układ scalony, kładąc tym samym podwaliny pod nowoczesny sprzęt komputerowy . Jack Kilby, który właśnie dołączył do firmy, dokonał odkrycia, gdy jego koledzy spędzali wakacje zorganizowane przez Texas Instruments . W tamtym czasie Kilby po prostu łączył ze sobą różne tranzystory, łącząc je ręcznie. Dopiero po kilku miesiącach przejście od etapu prototypu do masowej produkcji chipów krzemowych zawierających kilka tranzystorów. Te zestawy połączonych tranzystorów w układach mikroskopowych w tym samym bloku, pozwoliły na realizację wspomnienia , a także jednostek logicznych i arytmetycznych . Ta rewolucyjna koncepcja skoncentrowała się w niewiarygodnie małej objętości, maksimum funkcji logicznych, do których dostęp z zewnątrz uzyskuje się poprzez połączenia rozmieszczone na obrzeżach obwodu. Patent został ostatecznie przyznany firmie Texas Instrument w 1964 roku. Odkrycie to przyniosło Kilby'emu nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2000 roku , podczas gdy ten ostatni nadal był w zarządzie Texas Instruments i posiadał ponad 60 patentów w jego imieniu.
Program rakiet balistycznych Minuteman II ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju gospodarczego przemysłu układów scalonych. Jest to pierwszy obiekt produkowane seryjnie, która włączyła komputer zaprojektowany z nich ( D-37C z Autonetics), był też jedynym odbiorcą tego typu komputer od 1962 do 1967. Obwody komputerowych zawarte wyprodukowane przez Texas Instruments typów DTL i DL. Jedynym innym komputerem, który wykorzystywał tę technologię, był komputer zaprojektowany do sterowania misjami Apollo , komputer, który miał podobne ograniczenia pod względem masy i niezawodności.
Najprostsze analogowe układy scalone mogą być prostymi tranzystorami zamkniętymi jeden obok drugiego bez połączenia między nimi, aż po złożone układy, które mogą łączyć wszystkie funkcje wymagane do działania urządzenia, którego jest jedynym elementem.
Te wzmacniacze operacyjne są przeciętnych przedstawicieli złożoności tej wielkiej rodziny, gdzie znajdziemy również elementy zastrzeżone dla elektronicznego wysokiej częstotliwości i telekomunikacji . Wiele aplikacji analogowych bazuje na wzmacniaczach operacyjnych.
Te najprostsze cyfrowe układy scalone są bramek logicznych ( i , lub i nie ), tym bardziej złożone są mikroprocesory i bardziej gęste są wspomnienia . Istnieje wiele układów scalonych dedykowanych do konkretnych zastosowań (lub ASIC dla układu scalonego specyficznego dla aplikacji ), w szczególności do przetwarzania sygnału ( przetwarzanie obrazu , kompresja wideo itp.) mówimy wtedy o cyfrowym procesorze sygnałowym (lub DSP dla cyfrowego procesora sygnałowego). ). Ważną rodziną układów scalonych jest rodzina programowalnych elementów logicznych ( FPGA , CPLD ). Komponenty te mają zastąpić proste bramki logiczne ze względu na ich wysoką gęstość integracji.
Układy scalone są zazwyczaj chronione w obudowie plastikowej (czasem ceramicznej) prostokątnej czarnej. „Klasyczne” układy scalone wyposażone są z dwóch przeciwległych stron w wyprowadzenia połączeniowe (zwane również nóżkami lub kołkami) umożliwiające nawiązanie połączeń elektrycznych z zewnętrzną częścią obudowy. Elementy te są lutowane cyną (" lutowane " jest mylącą nazwą) na obwodzie drukowanym lub podłączane, w celu demontażu, w wspornikach, które same są lutowane na obwodzie drukowanym. Ze względu na potrzebę miniaturyzacji styki zostały zredukowane do prostych powierzchni łączących bezpośrednio z obudową, umożliwiając montaż powierzchniowy płytki drukowanej (obudowy SMD ).
Na obudowie można nadrukować: logo producenta, numer referencyjny identyfikujący komponent, kod odpowiadający wariantom lub rewizjom, datę produkcji (4 cyfry zakodowane w AASS: rok i tydzień). Postęp integracji jest taki, że układy scalone mogą stać się bardzo małe. Ich wielkość w niewielkim stopniu zależy od zdolności obudowy do rozpraszania ciepła wytwarzanego przez efekt Joule'a oraz, bardzo często, od liczby, wielkości pinów wyjściowych układu oraz ich rozstawu.
Różne rodzaje pakietów umożliwiają dostosowanie układu scalonego do środowiska docelowego.
Istnieje wiele innych typów:
Matryca jest podstawowym elementem prostokątnym kształcie, przytoczone w identyczny sposób z użyciem matrycy na płytce krzemowej podczas wytwarzania. Odpowiada on układowi scalonemu, który następnie zostanie pocięty i który zostanie nazwany chipem, zanim zostanie zahermetyzowany w celu uzyskania kompletnego układu scalonego , gotowego do zamontowania na karcie.
Die zintegrowanego obejmuje obwodów, w zminiaturyzowanych form, głównie tranzystory , diody , rezystory , kondensatory , rzadziej cewki indukcyjne , gdyż są one trudniejsze do miniaturyzacji.
Integracja skala określa liczbę bramek logicznych na jednostkę:
Nazwisko | Znaczenie | Rok wydania | Liczba tranzystorów | Liczba bramek logicznych na skrzynkę |
---|---|---|---|---|
SSI | integracja na małą skalę | 1964 | 1 do 10 | 1 do 12 |
MSI | integracja na średnią skalę | 1968 | 10 do 500 | 13 do 99 |
LSI | integracja na dużą skalę | 1971 | 500 do 20 000 | 100 do 9999 |
VLSI | integracja na bardzo dużą skalę | 1980 | 20 000 do 1 000 000 | 10 000 do 99 999 |
ULSI | integracja na bardzo dużą skalę | 1984 | 1 000 000 i więcej | 100 000 i więcej |
Rozróżnienia te stopniowo traciły swoją użyteczność wraz z wykładniczym wzrostem liczby bramek. Dzisiaj kilkaset milionów tranzystorów (kilkadziesiąt milionów bramek) to liczba normalna (jak na mikroprocesor lub wysokiej klasy układ graficzny ). Aby osiągnąć takie poziomy integracji, stosuje się złożony przepływ projektowy .
Wytwarzanie układu scalonego to złożony proces, który ma tendencję do stawania się coraz bardziej skomplikowanym.
Podstawowym surowcem zwykle używanym do produkcji układów scalonych jest krzem , jednak czasami stosuje się inne materiały, takie jak arsenek germanu czy galu .
Krzemu stosuje się od czasu odkrycia tego efektu tranzystora w 1947 roku przez badaczy z Bell Laboratory otrzymujących Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1956 roku na tym odkryciu.
Krzem jest półprzewodnikiem w swojej pojedynczej postaci krystalicznej . Ten materiał powinien mieć czystość 99,99%.
Najpierw wytwarza się cylindryczny pręt krzemowy przez bardzo powolną jego krystalizację. Pręt ten jest następnie cięty do użycia w postaci wafli o grubości od 100 do 800 μm i średnicy do 300 mm , zwanego wafelkiem (w języku angielskim). Wafel obsłuży wiele układów scalonych.
Fotolitografia odnosi się do wszystkich operacji pozwalających na wyznaczenie poprzecznego rozciągnięcia materiałów na powierzchni półprzewodnikowego podłoża , którego struktura jest mniej lub bardziej dwuwymiarowa, ponieważ opiera się na układaniu warstw na powierzchni krzemu opłatek . Wzory staną się następnie różnymi aktywnymi obszarami komponentów elektronicznych (przykład: styk, dren itp.) lub połączeniami między tymi komponentami. Ten proces jest obecnie najbardziej rozpowszechniony.
Etapy produkcjiLiczba etapów produkcji układów scalonych znacznie wzrosła w ciągu ostatnich 20 lat. W przypadku niektórych specjalistycznych produkcji może sięgać kilkudziesięciu. Jednak prawie zawsze jest ta sama seria kroków:
20 najważniejszych producentów układów scalonych w 2011 roku i ich udział w rynku to (bez odlewni ):
Ranking 2011 |
Ranking 2010 |
Społeczeństwo | Narodowość/lokalizacja | Sprzedaż firm (w milionach z $ USD) |
2011/2010 | Udział w rynku |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | Korporacja Intel (1) | Stany Zjednoczone | 49 685 | + 23,0% | 15,9% |
2 | 2 | Elektronika Samsung | Korea Południowa | 29 242 | + 3,0% | 9,3% |
3 | 4 | Instrumenty Texas (2) | Stany Zjednoczone | 14 081 | + 8,4% | 4,5% |
4 | 3 | Półprzewodniki Toshiba | Japonia | 13 362 | + 2,7% | 4,3% |
5 | 5 | Technologia Renesasa | Japonia | 11 153 | -6,2% | 3,6% |
6 | 9 | Qualcomm (3) | Stany Zjednoczone | 10 080 | + 39,9% | 3,2% |
7 | 7 | STMicroelectronics | Francja Włochy | 9792 | -5,4% | 3,1% |
8 | 6 | Hynix | Korea Południowa | 8 911 | -14,2% | 2,8% |
9 | 8 | Technologia mikronowa | Stany Zjednoczone | 7 344 | -17,3% | 2,3% |
10 | 10 | Broadcom | Stany Zjednoczone | 7 153 | + 7,0% | 2,3% |
11 | 12 | Zaawansowane Mikro Urządzenia | Stany Zjednoczone | 6483 | + 2,2% | 2,1% |
12 | 13 | Technologie Infineon | Niemcy | 5403 | -14,5% | 1,7% |
13 | 14 | Sony | Japonia | 5 153 | -1,4% | 1,6% |
14 | 16 | Półprzewodnik Freescale | Stany Zjednoczone | 4465 | + 2,5% | 1,4% |
15 | 11 | Pamięć Elpidy | Japonia | 3 854 | -40,2% | 1,2% |
16 | 17 | NXP | Holandia | 3838 | -4,7% | 1,2% |
17 | 20 | NVIDIA | Stany Zjednoczone | 3,672 | + 14,9% | 1,2% |
18 | 18 | Grupa technologiczna Marvell | Stany Zjednoczone | 3448 | -4,4% | 1,1% |
19 | 26 | Półprzewodnik ON (4) | Stany Zjednoczone | 3423 | + 49,4% | 1,1% |
20 | 15 | Panasonic Corporation | Japonia | 3 365 | -32,0% | 1,1% |
Najlepsze 20 | 203 907 | 3,5% | 65,2% | |||
Wszystkie inne firmy | 108 882 | -1,1% | 34,8% | |||
CAŁKOWITY | 312 789 | 1,9% | 100,0% |
Źródło: IHS iSuppli 2011
Uwagi:
Główne firmy produkujące układy scalone obecne we Francji to:
Do wyprodukowania chipa potrzeba znacznej ilości surowca: ekologicznego plecaka (odpowiadającego ilości surowców potrzebnych do wytworzenia produktu) z chipem elektronicznym 0,09 g o wadze 20 kg .
„Nawet w firmach produkujących zarówno produkty analogowe, jak i cyfrowe…”