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集成电路

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图 1:IC 有多种封装,具有标准化的引脚间距。 它们可以安装在电路板上或插入 IC 插座(图由贸泽电子提供)。

探索了这些重要微电子元件的历史、应用和维护。

在微电子连续体中,集成电路 (IC) 可能已接近其发展的中点。 自上世纪中叶左右成立以来,它们已经取得了长足的进步,但对于“越小越好”的理论,目前还看不到终点。 为了开始这项调查,我们将回顾过去,看看 IC 技术是如何从更原始的半导体环境中诞生的。 自然,这些前体器件中最原始的器件是二极管(ELEVATOR WORLD,2014 年 XNUMX 月),因为只涉及一个结。

学习目标

阅读本文后,您应该了解:
♦ IC技术的出现
♦ 摩尔定律如何影响 IC 发展
♦ 对 IC 开发的限制
♦ 差分放大器在 IC 应用中的重要性
♦ 如何对电梯控制器中的 IC 进行故障排除和维修

该器件的性能优于旧世界的二极管真空管,并且随着越来越精细的生产方法出现,最终用户的成本急剧下降。 同时,出现了具有三引线的双结器件。 晶体管使无管收音机成为可能,电视变得更加紧凑和节能。 这就是 IC 技术首次出现时的基本情况,按照今天的标准,其形式非常有限和暂定。

1949 年,西门子工程师 Werner Jacobi 为一个重要的 IC 前体申请了专利:三级放大器,五个晶体管占据一个公共基板。 目标是使以前笨重的助听器小型化。 当时构想的 DC 设备并未投入生产,但其基本理念成为了使进一步发展成为可能的智力基础的一部分。

1952 年,英国国防部皇家雷达研究所的雷达科学家 Geoffrey Dummer 写了一篇论文,阐述了 IC 的基本思想,但他无法实际构建该设备。 1958 年中期,为德州仪器工作的 Jack Kirby 取得了重大突破。 他提出了我们所知的 IC,在那年晚些时候,他建立了它的第一个工作模型。 柯比的设备建立在锗基板上。 不到一年后,罗伯特·罗伊斯设计了一款带有硅衬底的芯片。 它由飞兆半导体公司生产,代表了向前迈出的重要一步。

随后几年 IC 开发的特点是能够在单个芯片上放置越来越多的晶体管。 “小规模集成”是这一进程的第一阶段的术语。 它指的是早些年盛行的技术,当时单个基板上可以集成的晶体管数量不到100个。这些芯片构成了民兵导弹和阿波罗计划的电子大脑,其重量为优质的。

相继的芯片密度是“中等规模集成”、“大规模集成”、“超大规模集成”和“超大规模集成”。 这些级别之间的界限在任何明确的意义上都没有意义,只是表明我们在越来越小的封装中创建大量数字逻辑门的能力只能被描述为爆炸。 摩尔定律描述了这一进展,该定律指出,我们可以在单个芯片中放置的晶体管数量每两年翻一番,或者在另一个版本中,每 18 个月翻一番。 虽然准确描述了当前的集成状态,但这种说法(更多的是观察而不是实际定律)有点幻想,因为它表明不久之后,最密集的微芯片中的设备将超过其中的基本粒子。我们的宇宙。

尽管如此,已经实现的集成水平令人震惊。 目前,正在制造包含数百亿个器件的单个 IC。 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术的发展使这一事实成为可能。 该技术不是指单个器件,而是指由两个金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)(一个 P 型和一个 N 型)组成的电路,其最基本的形式是应用偏差(EW,2014 年 XNUMX 月)。 由于其中一个关闭而另一个打开,因此没有电流流动,除非在转换期间非常短暂。 因此,即使在 VLSI 及更高级别的密集配置中,也产生最少的热量。 没有 CMOS,就没有我们所知的国际空间站。

还有其他“砖墙”可能会抵消摩尔定律,可能会阻碍我们迁移到这个时间有限的太阳系之外的能力。 一方面,在接近理论、实践和经济极限之前,小型化只能走这么远。 最新的想法似乎是摩尔定律将会发展。 很明显,由于使用了纳米材料,单分子大小的电路是可行的。 这些是类似于生物体的金属、陶瓷和聚合材料,因为它们具有自我设计和复制的能力。

这种小型化的价值远远超出了创造越来越紧凑的消费设备的想法,尽管这是一个好处。 更小的芯片和更大的电路密度意味着内部布线所需的连接介质走线变得更短更细,大大提高了设备​​的速度并降低了成本。 一种称为锡烯的理论材料,由一个原子厚的锡片组成,可以像室温超导体一样发挥作用。 [1] 这一创新和其他创新将为更高性能的 IC 铺平道路。

像大多数其他半导体一样,IC 是在微晶硅晶片上使用平面工艺构建的。 基本阶段是薄膜、光刻、蚀刻和掺杂。 首先,将 SiO2 和多晶膜结合到硅衬底上。 下一层是通过掩模曝光的光阻或光敏层。 然后将产品放入显影剂中,使暴露在光线下的区域溶解。 这使得没有暴露在光线下的区域完好无损。

光刻包括在光刻胶层复制掩模图案,它成为蚀刻工艺的掩模。 然后通过应用合适的化学品去除光刻胶层,准备用于掺杂的半导体材料。 在这个过程中,加入了非常少量的特定杂质。 在 PN 结处,可以使用电荷载流子、电子和空穴,因此可以根据所施加偏压的大小和极性,在需要时进行传导,在不需要时不进行传导。

兴奋剂是一项微妙的工作。 通常,气体通过基材的时间少于 12 小时。 根据所需的电子特性,掺杂将是轻的或重的。 对于轻掺杂,杂质的浓度为每 100 亿个 P 型或 N 型材料原子中的一个杂质原子,而对于重掺杂,该比例为 1:10,000。 这些非常轻微的浓度将无趣的融合海滩沙块转化为智能机器的构建块。

根据需要重复上述工作流程以在其基板上构建 IC。 制造一个典型的 IC 可能需要 600 多个步骤。 在任何阶段,一个错误的灰尘斑点或不准确的温度、时间或对准都会使整个过程无效。 因此,每一步都需要进行广泛的测试。 测试最多可占生产成本的 25%。

由于单个芯片中可能包含数十亿个晶体管,因此显然没有一个人(甚至一个工作委员会)能够理解架构的所有复杂性。 出于这个原因,这些神奇实体的设计阶段已经在很大程度上实现了自动化。

IC 设计理论因芯片是数字芯片还是模拟芯片而异。 数字元件的例子有随机存取存储器、只读存储器、闪存计算机存储器、现场可编程门阵列和各种专用集成电路。 模拟 IC 的例子有运算放大器 (opamp)、线性稳压器、锁相环、振荡器和有源滤波器。 由于模拟 IC 中的信号保真度是重点(与向上或向下数字相反),因此模拟设备通常更大,电路密度更小。 因此,设计目标和程序大不相同。

电子设计自动化 (EDA) 是指适用于印刷电路板 (PCB) 和 IC 的众多软件工具。 目标是在制造之前彻底模拟和测试 IC。 随着半导体技术发展到将大量器件装入越来越小的 IC 中,EDA 已成为满足众多设计目标的唯一可行方法。 在电路设计、模拟、测试和验证之后,工程师继续进行物理设计。 在这里,复杂性也比比皆是。

总体结构安排首先被提上日程。 寄存器传输级 (RTL) 分析适用于分配给 IC 内部位置的寄存器之间的信号流。 分配内核和阵列,并确定输入/输出引脚。 然后,生成所需门的网表(应该电连接以使电路工作的所有组件端子的列表)。 添加时钟以对工作流程进行计时,并连接布线。 (所有这些都是在概念层面上的,计划是创建一个在物理实现之前工作的完成设计。)在令人满意的完成和验证之后,有必要退后一步,确定如此构思的芯片是否真的可以被制造。 在 IC 投入生产之前,必须考虑电气、物理和经济目标。

在设计过程中,封装的选择至关重要,这样芯片才能在预期的各种类型电子设备的环境中正常运行。 对于打算对机器进行故障排除和维修的技术人员来说,良好的 IC 封装知识也很重要。

IC 封装过去一直是陶瓷或金属,但现在,塑料占了上风。 每种类型的包裹都由一个字母或字母/数字组合指定。 封装具有各种尺寸和形状,具有不同数量和配置的引脚。 封装内部是芯片本身,称为芯片,其端子太小而无法手工焊接。 (此外,热量会立即炸掉敏感芯片。)连接到芯片的是镀金引线,这些引线又连接到封装外部的导电引脚。 这些可以焊接,但必须小心防止热量或静电进入半导体材料。 除非被好奇心克服,否则技术人员不会有机会打开这些封装,因为芯片是不可修复的。

这些引脚有两个用途:物理安装芯片并将其与外部世界电气连接。 当然,销钉必须正确安装。 如果电源极性不小心颠倒,许多半导体会被烧毁,尽管阻塞二极管或保护性熔断器有时可以防止损坏。

IC 通常在其周边的某个点上有一个点和/或凹口。 这标志着引脚编号开始的位置,从一个开始,以逆时针方向向下看 IC 顶部。 引脚连接由制造商数据表中的编号标识,可在 Internet 上免费下载。 此外,还有一些档案站点,可以在这些站点上找到过时或停产 IC 的数据表。

根据它们在电路板上的安装方式,这些芯片分为两类。 如果出于测试目的需要更换器件或从电路中取出器件,则通孔封装更大且更易于使用:只需将引脚插入板上的孔,将其翻转并焊接在背面,然后剪断多余的。 表面贴装封装非常小,更难更换或移除以进行测试。 它们位于电路板的一侧并焊接到位。 需要特殊的工具和技术。

尽管非常基本的 555 IC 被称为“定时器”,但它也能够执行其他功能。 除了提供各种持续时间和间隔(包括占空比)的时间延迟外,555 还可以用作振荡器、触发器设备,使按钮开关自由弹跳并用作传感器,以及许多其他应用,通过外部电路的手段。

大多数带有闪烁 LED 的设备,例如许多电话和打印机,都使用 555 IC。 这些电路以及随附的 LED 和电阻-电容 (RC) 网络可以从退役的设备中获得,但 555 的价格不到 1 美元,这几乎不值得付出努力。

Signetics(后来被飞利浦收购)于 555 年推出了 1971。它现在由许多制造商制造,内部有一些变化,工作特性和零件编号略有不同,但引脚排列相同。 555 的变化很小,仅包含 25 个晶体管、15 个电阻器和两个二极管。 它采用八引脚双列直插式封装。 还有其他版本,例如 556,它由一个包含两个 555 的单芯片组成,采用 14 针双列直插封装。 其他变体是 558 和 559,由包含四个 16 的 555 针双列直插式封装组成。 调用 CMOS 技术来创建低功耗 TLC 555。

双列直插式封装中的标准八针 555 展示了这款卓越设备的简单性和多功能性。 与往常一样,引脚从点/凹口开始连续编号,从引脚 1 开始逆时针进行:

  • 引脚 1,接地:提供低电平参考
  • 引脚 2,触发器:计时间隔开始,当该输入下降到施加到引脚 3 控制电压的一半以下时,引脚 5 输出变为高电平。
  • 引脚 3,输出:触发时,该输出电压低于引脚 1.7,接地 1 V。
  • 引脚 4,复位:当此输入连接到引脚 1,接地时,定时间隔复位。
  • 引脚 5,控制:改变 RC 网络的时序
  • 引脚 6,阈值:检测轨电压的三分之二,如果引脚 6(触发器)为高电平,则使 OUTPUT 为低电平。
  • 引脚 7,放电:当引脚 6(阈值)达到轨电压的三分之二时变为低电平。
  • 引脚 8,电源:必须连接到 IC 工作的正电源电压:可接受的范围是 4.5-15 VDC。 对于数字应用,使用 +5 VDC。

555 具有三种操作模式:单稳态、非稳态(自由运行)和双稳态(施密特触发器)。 在单稳态模式下,555 是单次脉冲发生器。 当触发引脚看到电压低于电源电压的三分之一时,脉冲开始。 持续时间取决于 RC 网络中电阻器和电容器的值。 在这个单脉冲之后,IC 保持休眠状态,直到它被重新触发。

在非稳态模式下,555 成为振荡器。 在低速时,它会导致 LED 闪烁,或者它可以用作逻辑时钟。 它还可用于创建可听音调。

在双稳态模式下,555变成了触发器。 引脚 7,DISCHARGE,未连接,并且不存在外部电容器。 一个重要的应用是无弹跳开关,通过 555 的闭锁动作使其成为可能,在双稳态模式下运行。

由于其简单性、宽电源电压范围的耐受性、应用多样性和低成本,555 是 IC 世界的一个很好的介绍。 由于引脚数少,使用它的设备很容易进行故障排除和维修。 处理运算放大器需要更多的专业知识,但由于它经常发生,它应该成为技术人员知识库的一部分。

包含运算放大器的早期模拟计算机由带有高压电源的巨大真空管阵列组成。 有大量的热量需要散发,而且专门用于散热的空间很大,因此这些机器主要出现在大学和大型研究机构中。 今天,随着固态电子产品和无处不在的 IC,运算放大器非常普遍,几乎可以在每个 home. 它们还在重型商业和工业设备中占有突出地位。 由于它们的广泛使用,它们值得仔细研究。

运算放大器是一种(但不是唯一)类型的差分放大器。 它类似于全差分放大器,不同之处在于有两个输出。 运算放大器有一个输出和两个输入。 输入是 V+ 和 V-,所以一个是另一个的倒数。 由于内部电路,IC 仅放大两者之间的电压差。 放大程度符合这个公式:

V输出 = A.OL (V+ - V.)

其中 V输出 是输出电压,V+ 是同相输入,V 是反相输入,AOL 是开环增益。

在输出和输入之间没有反馈连接的情况下,开环增益是相关的。 由于开环模式下运算放大器的巨大增益(通常约为 100,000),放大程度是惊人的。 但是,当它在闭环模式下运行时,可以看到该 IC 的真正优势。 在这里,放大要小得多,由以下等式给出:

V输出 V =IN (1 + Rf/Rg)

哪里R.f 和Rg 是图 4 中所示的值。

该电路中的运算放大器远比开环运算放大器或之前没有负反馈的放大器稳定得多。 如此配置的运算放大器旨在解决早期无线电和有线传输中存在的稳定性和噪声问题。 这就是为什么长途呼叫者不必大喊大叫就能听到对方的声音。

大型商业和工业电子设备(例如电梯控制器)的故障排除和维修通常涉及分析症状并(借助制造商的文档和示意图)隔离有缺陷的部分、电路和组件。 通常,罪魁祸首是坏 IC。 有时,它会出现烧焦或变形的外观,或者异常热。 更有可能的是,外观上不会有任何迹象。

如果成本不是一个因素,并且重点是让设备快速启动和运行,则维修可能包括更换整个电路板。 这种解决方案的问题是单个板可能非常昂贵,并且完整的备份库存会非常大。            

在一定程度上,可以用万用表测试一个IC,特别是如果它有“二极管测试”功能的话。 此过程很有帮助,但不是确定性的。 在其中,技术人员将查阅制造商的数据表,了解应该和不应该在哪些方面实现连续性。 如果所有引脚都与基板短路,则 IC 是坏的。 电源和地之间永远不应该有短路。 通常,制造商的数据表包含一个测试电路的原理图,可以构建该电路以在通过、不通过的基础上测试 IC。 一个好的计划是更换有缺陷的电路板,然后将其带回商店并更换有缺陷的 IC,以便准备好备用电路板以备将来使用。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试,该考试可在 www.elevatorbooks.com 或 p. 上在线获得。 本期第149期。
♦ 谁制造了第一个可以工作的 IC?
♦ 什么是小规模集成?
♦ 摩尔定律说明了什么?
♦ “CMOS”是什么意思?
♦ 如何在制造 IC 中使用光刻?

參考資料
[1] Charles Q. Choi。 “原子薄的锡能改变电子产品吗?” 《科学美国人》,4 年 2013 月 XNUMX 日(www.scientificamerican.com/article/could-atomically-thin-tin-transform-electronics)。
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David Herres 持有新罕布什尔州电工大师执照,并在该州北部担任电工多年。 自 2006 年以来一直专注于写作,曾为 ELEVATOR WORLD、Electrical Construction and Maintenance、Cabling Business、Electrical Business、Nuts and Volts、PV Magazine、Electrical Connection、Solar Connection、Solar Industry Magazine、Fine 等杂志撰稿。 Home建筑杂志和工程新闻。

电梯世界| 2015 年 XNUMX 月封面

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