Układ scalony (ang. integrated circuit), potocznie nazywany chipem, stanowi fundament współczesnej elektroniki. W 1958 roku Jack Kilby z Texas Instruments oraz Robert Noyce z Fairchild Semiconductor niezależnie od siebie zaprojektowali i zbudowali pierwsze działające modele układów scalonych.
Droga do miniaturyzacji: od lamp do układów scalonych
Zanim światem elektroniki zawładnął krzem, królowała elektronika próżniowa, czyli lampy elektronowe. Każda lampa była wykonywana ręcznie, co wymagało ogromnej skrupulatności. Przełom nastąpił pod koniec 1947 roku w Bell Telephone Laboratories, gdzie zespół w składzie: William Shockley, John Bardeen i Walter Brattain, stworzył tranzystor ostrzowy oparty na germanie. W 1956 roku twórcy ci otrzymali nagrodę Nobla, gdyż tranzystory w odróżnieniu od swoich próżniowych odpowiedników pobierały znacznie mniej energii.
W 1957 roku grupa inżynierów, znana jako „zdradziecka ósemka”, założyła przedsiębiorstwo Fairchild Semiconductor Corporation. To właśnie współzałożycielowi tej firmy, Robertowi Noyce’owi, przypisuje się pomysł połączenia kilku tranzystorów w jednej obudowie. Tak oto w 1959 roku powstał pierwszy układ scalony bazujący na bipolarnych tranzystorach krzemowych. Obecnie zarówno Robert Noyce, jak i Jack Kilby są prawnie uznawani za wynalazców tego rozwiązania.
Technologia produkcji i projektowanie
Proces produkcyjny układów scalonych jest niezwykle złożony i wymaga precyzji przekraczającej możliwości chirurgiczne. Produkcja odbywa się w najczystszych pomieszczeniach na świecie, gdyż nawet najmniejsza drobinka kurzu może zniweczyć cały proces i wygenerować ogromne straty ekonomiczne.
Etapy tworzenia chipa:
- Projektowanie: Przy użyciu komputerów tworzy się strukturę połączeń w powiększeniu idącym w dziesiątki tysięcy razy.
- Fotolitografia: Wzór struktury jest przenoszony na wafel krzemowy poprzez utwardzanie emulsji fotograficznej w świetle ultrafioletowym.
- Trawienie: Usuwanie warstwy krzemu niezasłoniętej szablonem, co tworzy docelowy wzór tranzystorów.
- Warstwowanie: Nakładanie kolejnych warstw izolacyjnych, domieszkowanie oraz wypełnianie ciekłą miedzią w celu stworzenia sieci połączeń.
Rodzaje i obudowy układów scalonych
Większość stosowanych obecnie układów scalonych wykonuje się w technologii monolitycznej. Istnieją również układy hybrydowe, w których na płytki izolatora nanosi się warstwy przewodnika i rezystora, a następnie montuje miniaturowe elementy elektroniczne.
Obudowa układu scalonego pełni funkcję ochronną, pozwala na odprowadzanie ciepła oraz umożliwia bezpieczny montaż na płytce PCB. Biorąc pod uwagę sposób montażu, wyróżniamy:
- THT (montaż przewlekany): np. DIL14, SIL8 - łatwe w testowaniu na płytkach stykowych.
- SMD (montaż powierzchniowy): np. SO8, TSSOP24 - charakteryzują się mniejszymi wymiarami.
- Obudowy zaawansowane: np. TQFP64 czy QFN16, stosowane głównie w mikrokontrolerach i procesorach.
Klasyfikacja ze względu na sygnały
Z uwagi na przeznaczenie, układy scalone dzielimy na:
- Analogowe: operują na sygnałach zmieniających się w sposób ciągły, np. wzmacniacze operacyjne (LM358, TL072).
- Cyfrowe: operują na sygnałach dyskretnych (stany logiczne wysoki/niski), np. układy serii CD40xx lub SN74HC.