Dovolená : 25. červenec — 22. srpen 2022
Holidays : 25 July — 22 August 2022
Vacaciones : 25 de julio — 22 de agosto de 2022

Integrovaný obvod

Z Multimediaexpo.cz

Soubor:Eprom-celá.jpg
Paměť EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let 20. století

Integrovaný obvod (zkratka IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní. V Československu se mezi profesionály i amatéry vžil zajímavý termín pro integrovaný obvod a to slovo je „šváb“. Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny (s pomocí difuze a epitaxe) na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce. Na obrázku je křemíková destička paměti EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let, kterou bylo možno mazat ultrafialovým zářením (proto měla paměť průhledné okénko). Matice paměťových buněk jsou dvě obdélníkové pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. Celkově byl tento obvod složen z necelých 5000 součástek (tranzistorů).

Křemíková destička z paměti na minulém obrázku

Pro srovnání procesor Intel Pentium 4 se skládá z cca 42 milionů tranzistorů a nejtenčí spoje na destičce jsou široké 0,18 μm (lidský vlas má průměr cca 100 μm). Hybridní IO se skládají z několika součástek (zpravidla některé z nich bývají monolitické IO), které jsou přilepeny a pospojovány na malé destičce (zpravidla keramické).

Obsah

Historie

První integrovaný obvod zkonstruoval Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments již v roce 1958 a ve stejném roce Robert Noyce z Fairchild Semiconductor (nezávisle na něm). Kilbyho integrovaný obvod byl na destičce z germania o velikosti 11 × 1,6 mm a obsahoval jediný tranzistor s pouze několika pasivními součástkami. Svůj vynález si nechal v roce 1964 patentovat pod číslem 3 138 743. V roce 1966 sestrojil také první kapesní kalkulačku založenou na integrovaném obvodu umějícím sčítat, odčítat, násobit a dělit. V roce 2000 získal Nobelovu cenu za fyziku.

Výroba

Monolitické obvody

Soubor:Etchedwafer.jpg
Vyleptaný křemíkový wafer

Základem pro výrobu moderních monolitických IO je monokrystal z velmi čistého polovodiče. Monokrystal musí být velmi dokonalý, pokud možno prostý jakýchkoliv poruch v krystalové mřížce. Materiál pro jeho výrobu musí být předem velmi dokonale vyčištěn. Čištění materiálu a tažení takového monokrystalu se provádí za vysokých teplot v ochranné atmosféře, a je proto energeticky, ale i časově velmi náročné. Náročnost procesu je tím větší, čím větší průměr má výsledný monokrystal mít. Hotový monokrystal, který má válcový či doutníkovitý tvar, se nařeže na velmi tenké plátky (anglicky chips, z toho české čipy) jménem wafer. Jejich tloušťka je v řádu desetin milimetru. Plátky se dále dokonale vyleští. Na připravených plátcích se pak vytvářejí důmyslnými postupy miniaturní masky a na nezamaskovaná místa se difuzí přidávají různé příměsi, které v daných místech přetvářejí základní polovodičový materiál na materiál typu P nebo N, takže vznikají tzv. PN přechody. Další často používanou metodou je iontová epitaxe, která spočívá v přímém „nastřelování“ iontů patřičných příměsí do určených míst polovodiče. Po vytvoření struktury obvodu se na povrch vakuově napaří tenká vrstvička kovu (nejčastěji hliníku). Ta se poté opět za pomoci masky odleptá, takže na určených místech destičky vzniknou hliníkové kontakty.

Detail součástek vytvořených na křemíkové destičce s vývody zlatými drátky
Na jednom plátku je takto vytvořeno zpravidla několik řad a sloupců stejných obvodů. Ty se nejprve elektricky otestují pomocí jemných hrotů dotýkajících se vytvořených hliníkových kontaktů. Vadné součástky jsou označeny a celá destička je pak rozřezána na jednotlivé integrované obvody. U těch, které v předchozím kroku prošly testem, jsou ke kontaktům přivařeny miniaturní zlaté nebo měděné drátky, které jsou vyvedeny na vývody (nožičky) IO.
Soubor:Integrovaný-obvod-zapouzdření.jpg
Na výstřižek z plechu je přilepena křemíková destička s obvodem, je provedeno nakontaktování a celý obvod je poté zalit do plastového pouzdra.
Celý obvod je pak zapouzdřen do (většinou plastového) pouzdra. Některé náročnější součástky (například výkonné mikroprocesory) mají ovšem pouzdra ze speciální keramické hmoty často kombinované s kovovými destičkami kvůli odvodu tepla ze součástky, jiné součástky (v minulosti třeba paměti EPROM, dnes například prvky CCD) mají části pouzder skleněné, takže je vidět na vlastní křemíkovou destičku.
Soubor:Integrovaný-obvod-asfalt-.jpg
Integrovaný obvod pouze zakápnutý pryskyřicí v digitálních hodinkách
V některých masově vyráběných produktech spotřební elektroniky se z důvodů snížení ceny a miniaturizace lepí křemíkové destičky obvodů bez pouzdra přímo na desku s plošnými spoji. Po připojení kontaktů jsou pouze zakápnuty vytvrditelnou pryskyřicí.

Hybridní integrované obvody

Hybridní integrované obvody se zpravidla skládají z tenké keramické destičky, na kterou jsou metodou sítotisku naneseny vodivé spoje, rezistory a přilepeny křemíkové destičky s diskrétními polovodičovými součástkami nebo jednoduššími monolitickými integrovanými obvody. Případně mohou být na tutéž destičku přilepeny i další součástky jako například kondenzátory nebo cívky. Hodnoty odporu rezistorů lze na destičkách hybridních obvodů případně pomocí laseru velmi přesně doladit.

Destička se součástkami a podobný hotový hybridní integrovaný obvod v plastovém pouzdře
Poté se provede kontaktování polovodičových součástek běžným způsobem a obvod je uzavřen do kovového nebo plastového pouzdra.

Pouzdra integrovaných obvodů

Mezi nejčastěji používaná pouzdra integrovaných obvodů se řadí:

  • Dual in-line package DIL
  • Pin grid array (PGA)
  • Land grid array (LGA)
  • Quad flat pack (QFP: TQFP, MQFP, PQFP)
  • MLF / QFN (Quad flat network)
  • Small-outline integrated circuit (SOIC, SO)
  • Ball grid array (BGA)

Rozdělení integrovaných obvodů

Vedle dělení na monolitické a hybridní existuje celá řada dalších kritérií, podle kterých je lze IO dělit. Patří mezi ně například:

  • analogové nebo číslicové obvody
  • stupeň integrace
    • SSI – malá integrace (anglicky Small Scale Integration)
    • MSI – střední integrace (anglicky Middle Scale Integration)
    • LSI – vysoká integrace (anglicky Large Scale Integration)
    • VLSI – velmi vysoká integrace (anglicky Very Large Scale Integration), někdy také XLSI (anglicky eXtra Large Scale Integration)
  • unipolární a bipolární obvody
  • programovatelné a neprogramovatelné obvody
  • sériově a zakázkově vyráběné obvody

Teplotní rozsah (temperature range)

Pro praktické použití je jedním z nejdůležitějších parametrů integrovaných obvodů jejich teplotní specifikace. Běžně se používá následující specifikace:

  • commercial - komerční teplotní rozsah: 0 až +70 °C
  • industry - průmyslový teplotní rozsah: -40 až +85 °C
  • extended/military - rozšířený/vojenský teplotní rozsah: -40 až +125 °C
  • automotive - automobilový teplotní rozsah: -55 až +125 °C

Teplotní rozsah zaručuje, že pokud je na povrchu součástky teplota v daných mezích, je tato součástka schopna správně fungovat. Je potřeba si uvědomit, že součástka je v provozu sama zdrojem tepla a zaručit na jejím povrchu určitou teplotu nemusí být snadné. I když se může zdát, že 70 °C je poměrně vysoká teplota, uvnitř vypnutého přístroje ponechaného v létě na zadním skle automobilu může být i 55 °C. Přitom výkonové součástky se mohou při provozu běžně ohřívat o 40 °C. Naopak, v zimě nemusí jít spotřebiče poskládané z běžných "komerčních" součástek zapnout, nebo se může snižovat jejich životnost. Při ohřevu součástky hraje důležitou roli tzv. tepelný odpor mezi čipem a pouzdrem a dále mezi pouzdrem a okolím. Udává se ve °C na Watt, určuje rozdíl teploty vyvolaný daným ztrátovým výkonem. Základním pravidlem zde je, že teplota křemíkového čipu nesmí překročit +140 °C až +150 °C. Maximální teplota okolí proto bývá zvláště u výkonových součástek podstatně nižší než teoretická katalogová hodnota. U hodně zatížených součástek (procesor, výkonové zesilovače ap.) se proto používají chladiče, které zlepšují odvod tepla z povrchu součástky do okolí (snižují tepelný odpor mezi pouzdrem a okolím).

Výhody a užití integrovaných obvodů

Výhody

Mezi hlavní výhody integrovaných obvodů patří zejména:

  • miniaturizace,
  • stále se zvyšující výkon,
  • nižší energetické nároky na provoz,
  • spolehlivost,
  • hromadná sériová výroba snižuje cenu.

Veškeré tyto výhody se zvětšují s vzrůstající miniaturizací a zvyšováním komplexnosti obvodů.

Užití

Integrované obvody se využívají ve veškeré spotřební elektronice, ale i různých vědeckých zařízeních, např. na umělých družicích. Některá zařízení obsahující integrované obvody:

  • televize, videa, satelitní přijímače, dálková ovládání,
  • rádia, CD či MP3i MP4 přehrávače,
  • digitální hodinky, kalkulačky,
  • mobilní telefony, vysílačky, GPS přijímače,
  • fotoaparáty, digitální fotoaparáty,
  • počítače, tiskárny, monitory, PDAčka,
  • automobily, letadla a další dopravní prostředky,
  • lékařské, vědecké a měřicí přístroje.

Související články