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Integrierte Schaltkreise

Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist ein Halbleiterchip, der viele kleine Komponenten wie Kondensatoren, Dioden, Transistoren und Widerstände enthält.Mithilfe dieser winzigen Bauteile werden mithilfe digitaler oder analoger Technologie Daten berechnet und gespeichert.Sie können sich einen IC als einen kleinen Chip vorstellen, der als vollständiger, zuverlässiger Schaltkreis verwendet werden kann.Ein integrierter Schaltkreis kann ein Zähler, ein Oszillator, ein Verstärker, ein Logikgatter, ein Timer, ein Computerspeicher oder sogar ein Mikroprozessor sein.

Ein IC gilt als grundlegender Baustein aller heutigen elektronischen Geräte.Der Name deutet auf ein System aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten hin, die in ein dünnes Halbleitermaterial aus Silizium eingebettet sind.

Geschichte der integrierten Schaltkreise 

Die Technologie hinter integrierten Schaltkreisen wurde erstmals 1950 von Robert Noyce und Jack Kilby in den Vereinigten Staaten von Amerika eingeführt.Die US Air Force war der erste Verbraucher dieser neuen Erfindung.Jack Kilby erhielt im Jahr 2000 den Nobelpreis für Physik für seine Erfindung miniaturisierter ICs.

1,5 Jahre nach der Einführung von Kilbys Design stellte Robert Noyce seine eigene Version des integrierten Schaltkreises vor.Sein Modell löste mehrere praktische Probleme in Kilbys Gerät.Noyce verwendete für sein Modell ebenfalls Silizium, während Jack Kilby Germanium verwendete. 

Robert Noyce und Jack Kilby erhielten beide US-Patente für ihren Beitrag zu integrierten Schaltkreisen.Sie kämpften mehrere Jahre lang mit rechtlichen Problemen.Schließlich beschlossen die Unternehmen von Noyce und Kilby, ihre Erfindungen gegenseitig zu lizenzieren und sie auf einem riesigen globalen Markt einzuführen.

Arten von integrierten Schaltkreisen

Es gibt zwei Arten von integrierten Schaltkreisen.Diese sind:

1. Analoge ICs

Analoge ICs haben einen sich ständig ändernden Ausgang, je nachdem, welches Signal sie empfangen.Theoretisch können solche ICs eine unbegrenzte Anzahl von Zuständen erreichen.Bei diesem IC-Typ ist der Ausgangspegel der Bewegung eine lineare Funktion des Eingangspegels des Signals.

Lineare ICs können als Hochfrequenz- (RF) und Audiofrequenz- (AF) Verstärker fungieren.Der Operationsverstärker (Op-Amp) ist das hier üblicherweise verwendete Gerät.Darüber hinaus ist ein Temperatursensor eine weitere häufige Anwendung.Lineare ICs können verschiedene Geräte ein- und ausschalten, sobald das Signal einen bestimmten Wert erreicht.Sie finden diese Technologie in Öfen, Heizungen und Klimaanlagen. 

2. Digitale ICs 

Diese unterscheiden sich von analogen ICs.Sie funktionieren nicht über einen konstanten Signalpegelbereich.Stattdessen arbeiten sie auf einigen voreingestellten Ebenen.Digitale ICs arbeiten grundsätzlich mit Hilfe von Logikgattern.Die Logikgatter verwenden binäre Daten.Signale in Binärdaten haben nur zwei Pegel, die als niedrig (logisch 0) und hoch (logisch 1) bekannt sind.

Digitale ICs werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie Computern, Modems usw. verwendet.

Warum sind integrierte Schaltkreise beliebt?

Obwohl integrierte Schaltkreise bereits vor fast 30 Jahren erfunden wurden, werden sie immer noch in zahlreichen Anwendungen eingesetzt.Lassen Sie uns einige der Elemente besprechen, die für ihre Popularität verantwortlich sind: 

1. Skalierbarkeit 

Vor einigen Jahren betrug der Umsatz der Halbleiterindustrie unglaubliche 350 Milliarden US-Dollar.Intel leistete hier den größten Beitrag.Es gab auch andere Player, und die meisten davon gehörten dem digitalen Markt an.Wenn man sich die Zahlen anschaut, erkennt man, dass 80 Prozent des Umsatzes der Halbleiterindustrie aus diesem Markt stammt.

Einen großen Anteil an diesem Erfolg haben integrierte Schaltkreise.Denn die Forscher der Halbleiterindustrie haben den integrierten Schaltkreis, seine Anwendungen und seine Spezifikationen analysiert und skaliert.

Der erste jemals erfundene IC hatte nur wenige Transistoren – genauer gesagt fünf.Und jetzt haben wir Intels 18-Kern-Xeon mit insgesamt 5,5 Milliarden Transistoren gesehen.Darüber hinaus verfügte der Storage Controller von IBM im Jahr 2015 über 7,1 Milliarden Transistoren mit 480 MB L4-Cache.

Diese Skalierbarkeit hat maßgeblich zur vorherrschenden Beliebtheit integrierter Schaltkreise beigetragen.

2. Kosten

Es gab mehrere Debatten über die Kosten eines IC.Im Laufe der Jahre gab es auch falsche Vorstellungen über den tatsächlichen Preis eines ICs.Der Grund dafür ist, dass ICs kein einfaches Konzept mehr sind.Die Technologie schreitet mit enorm hoher Geschwindigkeit voran, und Chipdesigner müssen bei der Berechnung der IC-Kosten mit diesem Tempo Schritt halten.

Vor einigen Jahren basierte die Kostenberechnung für einen IC noch auf dem Siliziumchip.Zu diesem Zeitpunkt konnte die Schätzung der Chipkosten leicht anhand der Chipgröße bestimmt werden.Während Silizium immer noch ein Hauptelement in ihren Berechnungen ist, müssen Experten bei der Berechnung der IC-Kosten auch andere Komponenten berücksichtigen.

Bisher haben Experten eine recht einfache Gleichung abgeleitet, um die endgültigen Kosten eines IC zu bestimmen:

Endgültige IC-Kosten = Paketkosten + Testkosten + Chipkosten + Versandkosten

Diese Gleichung berücksichtigt alle notwendigen Elemente, die bei der Herstellung des Chips eine große Rolle spielen.Darüber hinaus können noch einige andere Faktoren berücksichtigt werden.Bei der Schätzung der IC-Kosten ist vor allem zu beachten, dass der Preis aus mehreren Gründen während des Produktionsprozesses variieren kann.

Darüber hinaus können alle technischen Entscheidungen, die während des Herstellungsprozesses getroffen werden, erhebliche Auswirkungen auf die Projektkosten haben.

3. Zuverlässigkeit

Die Herstellung integrierter Schaltkreise ist eine sehr sensible Aufgabe, da alle Systeme über Millionen von Zyklen kontinuierlich arbeiten müssen.Externe elektromagnetische Felder, extreme Temperaturen und andere Betriebsbedingungen spielen beim IC-Betrieb eine wichtige Rolle.

Die meisten dieser Probleme lassen sich jedoch durch den Einsatz korrekt gesteuerter Hochstresstests beseitigen.Es bietet keine neuen Fehlermechanismen und erhöht so die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltkreise.Auch durch den Einsatz höherer Spannungen können wir die Ausfallverteilung in relativ kurzer Zeit ermitteln.

All diese Aspekte tragen dazu bei, dass ein integrierter Schaltkreis ordnungsgemäß funktionieren kann.

Darüber hinaus finden Sie hier einige Merkmale zur Bestimmung des Verhaltens integrierter Schaltkreise:

Temperatur

Die Temperatur kann stark schwanken, was die Herstellung von IC äußerst schwierig macht.

Stromspannung.

Geräte arbeiten mit einer Nennspannung, die leicht variieren kann.

Verfahren

Die wichtigsten für Geräte verwendeten Prozessvariationen sind Schwellenspannung und Kanallänge.Prozessvariationen werden klassifiziert als:

• Viel zu viel
• Von Wafer zu Wafer
• Sterben, um zu sterben

Integrierte Schaltkreispakete

Das Paket umhüllt den Chip eines integrierten Schaltkreises und erleichtert uns den Anschluss daran.Jeder externe Anschluss auf dem Chip ist mit einem winzigen Stück Golddraht mit einem Pin auf dem Gehäuse verbunden.Bei den Pins handelt es sich um extrudierte Anschlüsse mit silberner Farbe.Sie durchlaufen den Stromkreis, um sich mit anderen Teilen des Chips zu verbinden.Diese sind äußerst wichtig, da sie den Stromkreis umrunden und mit den Drähten und den übrigen Komponenten in einem Stromkreis verbunden sind.

Es gibt verschiedene Arten von Paketen, die hier verwendet werden können.Alle von ihnen verfügen über einzigartige Montagearten, einzigartige Abmessungen und Pin-Anzahlen.Werfen wir einen Blick darauf, wie das funktioniert.

Pin-Zählung

Alle integrierten Schaltkreise sind polarisiert und jeder Pin unterscheidet sich sowohl in seiner Funktion als auch in seiner Position.Das bedeutet, dass das Paket alle Pins markieren und voneinander trennen muss.Die meisten ICs verwenden entweder einen Punkt oder eine Kerbe, um den ersten Pin anzuzeigen.

Sobald Sie die Position des ersten Pins identifiziert haben, erhöhen sich die restlichen Pin-Nummern der Reihe nach, während Sie gegen den Uhrzeigersinn um den Schaltkreis gehen.

Montage

Die Montage ist eines der einzigartigen Merkmale eines Pakettyps.Alle Gehäuse können einer von zwei Montagekategorien zugeordnet werden: Oberflächenmontage (SMD oder SMT) oder Durchsteckmontage (PTH).Es ist viel einfacher, mit Durchsteckgehäusen zu arbeiten, da diese größer sind.Sie sind so konzipiert, dass sie auf einer Seite eines Stromkreises befestigt und mit der anderen verlötet werden.

Oberflächenmontierte Gehäuse gibt es in verschiedenen Größen, von klein bis winzig.Sie werden auf einer Seite der Box befestigt und mit der Oberfläche verlötet.Die Stifte dieses Gehäuses stehen entweder senkrecht zum Chip, sind seitlich herausgedrückt oder manchmal in einer Matrix auf der Basis des Chips angeordnet.Integrierte Schaltkreise in Form einer Oberflächenmontage erfordern ebenfalls Spezialwerkzeuge für den Zusammenbau.

Dual Inline

Dual In-line Package (DIP) ist eines der gebräuchlichsten Pakete.Dabei handelt es sich um eine Art Durchsteck-IC-Gehäuse.Diese kleinen Chips enthalten zwei parallele Reihen von Stiften, die vertikal aus einem schwarzen, rechteckigen Kunststoffgehäuse herausragen.

Die Stifte haben einen Abstand von etwa 2,54 mm zueinander – ein Standard, der perfekt in Steckbretter und einige andere Prototyping-Boards passt.Abhängig von der Anzahl der Pins können die Gesamtabmessungen des DIP-Gehäuses zwischen 4 und 64 variieren.

Der Bereich zwischen den einzelnen Stiftreihen ist beabstandet, damit DIP-ICs den Mittelbereich eines Steckbretts überlappen können.Dadurch wird sichergestellt, dass die Pins eine eigene Reihe haben und nicht kurzgeschlossen werden.

Kleiner Umriss

Kleine integrierte Schaltkreispakete oder SOIC ähneln einer oberflächenmontierten Baugruppe.Es wird hergestellt, indem alle Stifte eines DIP gebogen und verkleinert werden.Sie können diese Pakete mit einer ruhigen Hand und sogar einem geschlossenen Auge zusammenbauen – so einfach ist das!

Quad-Wohnung

Quad Flat-Pakete spreizen die Stifte in alle vier Richtungen.Die Gesamtzahl der Pins in einem Quad-Flat-IC kann zwischen acht Pins pro Seite (insgesamt 32) und siebzig Pins pro Seite (insgesamt 300+) variieren.Zwischen diesen Stiften liegt ein Abstand von etwa 0,4 mm bis 1 mm.Kleinere Varianten des Quad-Flat-Gehäuses bestehen aus Low-Profile- (LQFP), dünnen (TQFP) und sehr dünnen (VQFP) Gehäusen.

Ball-Grid-Arrays

Ball Grid Arrays oder BGA sind die fortschrittlichsten IC-Gehäuse überhaupt.Hierbei handelt es sich um unglaublich komplizierte, kleine Gehäuse, bei denen winzige Lotkügelchen in einem zweidimensionalen Gitter auf der Basis des integrierten Schaltkreises angeordnet sind.Manchmal befestigen die Experten die Lotkugeln direkt am Chip!

Ball Grid Arrays-Pakete werden häufig für fortschrittliche Mikroprozessoren wie den Raspberry Pi oder pcDuino verwendet.