Integrirano vezje
Kaj
se bomo v tem poglavju naučili
Spoznali bomo integrirano vezje,
pomen in prednosti, ki jih prinaša pri integraciji zahtevnih elektronskih
vezij.
Kaj je
integrirano vezje
Integrirano vezje (angl. Integrated Circuit, IC) je
miniaturno elektronsko vezje, zgrajeno na površini tanke podlage
polprevodniškega silicija.
Majhne dimenzije pa lahko skrivajo obsežno in kompleksno arhitekturo in
funkcionalnost takšnega vezja. Učinek integracije je večstranski – združevanje
več funkcij v enem integriranem vezju, končna elektronska vezja so manjša,
načrtovanje elektronskih vezij je lažje, tiskana vezja so preprostejša, manj je
povezav med podsklopi, saj so izvedene v samem integriranem vezju.
Tehnika
Različni elementi v integriranem vezju so realizirani iz
polprevodnih materialov. Postopek izdelave zajema pripravo silicijeve
rezine, nato nastopa več ciklov nanašanja maske, dodajanja določenih
snovi, naparevanja novih plasti, jedkanja. Zadnja faza je povezava vezja
(čipa) s kontakti (nožicami) in vgradnja v ohišje, ki je največkrat plastično
ter v nekaj standardnih oblikah in velikostih.
Slika: Tri od faz izdelave integriranih vezij: načrtovalski detajl (NAND
vrata), izdelava čipov na okrogli rezini (an. wafer) ter
povezovanje čipa z nožicami (»bondiranje«) .
Pri integriranih vezjih v tehnologiji SMD (an. Surface Mounted Devices)
segajo »nožice« le do površine tiskanega vezja, kjer se prispajkajo. Tako ni
potrebno vrtanje lukenj, pa tudi elementi so manjši, vezja pa še bolj
miniaturna.
Slika: Primer integriranega vezja v SMD izvedbi
Vrste integriranih
vezij
Integrirana vezja se razlikujejo po funkciji, dimenzijah in obliki ohišja, po
številu sponk (nožic), napajalni napetosti …
Razlikujemo
- analogna integrirana vezja: ojačevalniki signalov, regulatorji napetosti, analogni filtri, operacijski ojačevalniki …
- digitalna integrirana vezja: logična vezja, pomnilniki, procesorji …
- hibridna integrirana vezja: kombinirajo polprevodniške in diskretne elemente (npr. navite tuljave)
Slika: Paleta različnih izvedb (ohišij) integriranih vezij
Napajalna napetost integriranih vezij
Pri analognih vezjih je ponavadi določen razpon napajalne napetosti, pri
digitalnih pa je bodisi ozko določen (5,0V ±5% ter 3,3V ) ali pa precej
omejen (npr. 2-6V).
V digitalni in računalniški tehniki je bila dolgo prevladujoča napajalna
napetost 5V, ki je bila zahtevana za takratno TTL logiko. Danes je vse bolj
aktualna nižja napajalna napetost, saj omogoča manjšo porabo energije. To
je zlasti pomembno pri prenosnih napravah, ki se napajajo iz baterij.
Stopnja integracije
Stopnja integracije integriranih vezij se lahko izraža z vrsto tehnologije,
kjer je z zahtevno opremo mogoče načrtovati vezja v svetu mikronskih dimenzij
(1 mikron = 1 µm = tisočinka milimetra!).
Stopnjo integracije povemo tudi tako, da povemo število tranzistorjev,
vgrajenih na enoto površine. S tranzistorji kot gradniki so namreč realizirane
tako aritmetične in logične enote, pa tudi pomnilniki.
Primer:
Mikroprocesor Intel Pentium4 iz leta 2000 je izdelan v 0,18
mikronski tehnologiji, vgrajenih ima 42 milijonov tranzistorjev (velik del tudi
za notranji pomnilnik).
Praktično
Iz velikosti ohišja integriranega vezja ne moremo sklepati na kompleksnost
samega vezja v njem. V integriranem vezju z 20 nožicami je lahko le nekaj
logičnih vrat. Lahko pa kar mikroprocesor različnimi vmesniki, na katere je
mogoče priključiti različne naprave. Pomnilniška integrirana vezja, pri
katerih se podatki vpisujejo in berejo »serijsko« (zaporedno, bit za bitom po
eni priključni sponki), imajo lahko enako število nožic ne glede na pomnilno
kapaciteto. Zato moramo na podlagi oznake na integriranem vezju poiskati
podrobnejše podatke proizvajalca (angl. datasheet).
Slika:
Nekaj detajlov iz dokumentacije (angl. datasheet) proizvajalca:
dimenzije za vgradnjo, prikaz funkcije integriranjega vezja z razporedom
priključkov, podrobnosti v izdelavi
V primeru okvare integriranega vezja pa tega ne moramo popravljati –
lahko ga le zamenjamo. Pri velikem številu nožic so za tak poseg potrebna
profesionalna orodja.
Ali lahko integrirano
vezje pokvarimo?
Pri normalnem delu nam ta vezja niso neposredno dostopna.
Pri odpiranju ohišja ter pri vključenem napajanju pa lahko vezje poškodujemo,
če povzročimo kratek stik med določenimi sponkami ali elektrostatično praznitev
(iskra!) pri nekaterih vrstah integriranih vezij. Nenamerne mehanične poškodbe
so redke, lahko pa povzročimo prekinitev spojev na tiskanini ali slab stik, kar
seveda vpliva na delovanje vezja.
Slika: Na matični plošči osebnega računalnika je veliko integriranih vezij.
Najkompleksnejši med njimi je mikroprocesor.
Povzemimo
Razvoj mikro- in nanotehnologij je prinesel povezovanje
velikega števila tranzistorjev in drugih elektronskih elementov v kompleksne
funkcionalne enote na majhni površini integriranega vezja. Tako lahko eno
integrirano vezje opravlja funkcije, za katere so bila nekoč potrebna obsežna
elektronska vezja.
Polprevodniška vezja so v primerjavi s predhodnimi tehnologijami:
- + hitra,
- + zanesljiva,
- + majhna,
- + tiha in
- + energijsko varčna,
po drugi strani pa so…
- - občutljiva za rokovanje in
- - za uporabo zahtevajo več znanja.
Preveri svoje znanje
.