Планарная микросхема: история развития, типы и применение в современной электронике

Как появились первые микросхемы. Какие бывают типы корпусов микросхем. Где применяются интегральные схемы в наши дни. Каковы перспективы развития микроэлектроники.

История создания и эволюция микросхем

Микросхема представляет собой миниатюрный электронный блок, в корпусе которого размещены различные радиоэлектронные компоненты — транзисторы, резисторы, диоды и другие элементы. Количество компонентов в одной микросхеме может варьироваться от десятков до сотен тысяч.

Первый прототип микросхемы был создан американским инженером Джеком Килби в 1958 году. Это устройство было собрано на германиевой пластине с подвешенными проволочными соединениями между компонентами. Несмотря на громоздкий вид, оно успешно работало, преобразуя постоянный ток в переменный.

Как развивалась микроэлектроника в последующие десятилетия?

• 1960-е годы — появление первых коммерческих интегральных схем
• 1970-е — создание микропроцессоров
• 1980-е — начало массового производства персональных компьютеров
• 1990-е — развитие мобильной связи и портативной электроники
• 2000-е — миниатюризация и повышение производительности микросхем

За свое изобретение Джек Килби был удостоен Нобелевской премии по физике в 2000 году. Современные микросхемы стали неотъемлемой частью практически всей электронной техники.

Основные типы и классификация микросхем

Существует несколько способов классификации интегральных микросхем. По технологии изготовления выделяют следующие основные типы:

• Полупроводниковые (монолитные)
• Гибридные
• Пленочные
• Совмещенные

Какие бывают микросхемы по типу обрабатываемого сигнала?

Цифровые микросхемы

Обрабатывают дискретные сигналы. К ним относятся:

• Микропроцессоры
• Микроконтроллеры
• Память (RAM, ROM)
• Логические элементы
• Регистры и счетчики

Аналоговые микросхемы

Работают с непрерывными сигналами. Примеры:

• Операционные усилители
• Компараторы
• Стабилизаторы напряжения
• Генераторы сигналов
• Аналоговые датчики

Аналогово-цифровые микросхемы

Совмещают функции обработки аналоговых и цифровых сигналов:

• АЦП и ЦАП
• Модуляторы/демодуляторы
• Кодеки
• Трансиверы

Корпуса микросхем: основные типы и особенности

Корпус микросхемы выполняет защитную и коммутационную функции. От типа корпуса зависят габариты, способ монтажа и условия эксплуатации микросхемы. Какие бывают основные виды корпусов?

DIP (Dual In-line Package)

Прямоугольный корпус с двумя рядами выводов по длинным сторонам. Широко применяется в радиолюбительской практике благодаря удобству монтажа.

SMD-корпуса

Предназначены для поверхностного монтажа. Основные разновидности:

• SOIC (Small Outline Integrated Circuit)
• TSOP (Thin Small Outline Package)
• QFP (Quad Flat Package)
• BGA (Ball Grid Array)

Керамические корпуса

Обеспечивают повышенную термостойкость и герметичность. Применяются в военной и аэрокосмической технике.

Бескорпусные кристаллы

Используются для создания многокристальных модулей с высокой плотностью компоновки.

Выбор типа корпуса зависит от назначения устройства, условий эксплуатации и технологии производства.

Применение микросхем в современной электронике

Интегральные микросхемы стали неотъемлемой частью большинства электронных устройств. В каких областях они наиболее широко применяются?

Вычислительная техника

Микропроцессоры, чипсеты, память и другие компоненты компьютеров и мобильных устройств.

Телекоммуникации

Микросхемы для обработки сигналов в сотовых телефонах, маршрутизаторах, модемах.

Бытовая электроника

Микроконтроллеры и специализированные ИС в телевизорах, аудиотехнике, бытовых приборах.

Автомобильная электроника

Системы управления двигателем, безопасности, навигации и мультимедиа.

Промышленная автоматика

Программируемые логические контроллеры, преобразователи частоты, датчики.

Медицинское оборудование

Диагностические приборы, системы мониторинга, имплантируемые устройства.

Микросхемы также широко используются в военной, аэрокосмической и других высокотехнологичных отраслях.

Технологии производства современных микросхем

Производство интегральных микросхем — сложный многоэтапный процесс, требующий использования передовых технологий. Какие основные этапы включает изготовление микросхем?

1. Проектирование топологии микросхемы
2. Подготовка кремниевой подложки
3. Формирование структур на поверхности пластины (фотолитография, легирование, травление)
4. Создание межсоединений
5. Тестирование на пластине
6. Резка пластины на отдельные кристаллы
7. Корпусирование и финальное тестирование

Какие ключевые технологии определяют уровень развития микроэлектроники?

• Проектные нормы (минимальные размеры элементов)
• Диаметр кремниевых пластин
• Методы литографии (фотолитография, электронно-лучевая, рентгеновская)
• Материалы (кремний, арсенид галлия, нитрид галлия)
• 3D-интеграция кристаллов

Современные передовые микросхемы производятся по 5-нм технологическому процессу. Ведутся разработки 3-нм и 2-нм техпроцессов.

Перспективы развития микроэлектроники

Микроэлектроника продолжает стремительно развиваться. Какие основные тенденции определяют будущее этой отрасли?

Дальнейшая миниатюризация

Уменьшение размеров транзисторов позволяет повысить производительность и снизить энергопотребление микросхем. Ожидается переход к суб-нанометровым техпроцессам.

Новые материалы и структуры

Исследуются возможности применения графена, углеродных нанотрубок, двумерных полупроводников для создания электронных компонентов.

Трехмерная интеграция

Вертикальное расположение кристаллов и межсоединений позволяет существенно повысить плотность компоновки элементов.

Нейроморфные вычисления

Разрабатываются микросхемы, имитирующие работу нейронных сетей мозга для эффективного решения задач искусственного интеллекта.

Квантовые вычисления

Создание квантовых процессоров открывает возможности для решения сложных вычислительных задач в криптографии, моделировании и других областях.

Развитие микроэлектроники играет ключевую роль в цифровизации экономики и общества, открывая новые возможности в области искусственного интеллекта, интернета вещей и других перспективных направлений.

Влияние микроэлектроники на развитие современных технологий

Достижения в области микроэлектроники оказывают значительное влияние на многие сферы науки и техники. Как развитие микросхем способствует прогрессу в других областях?

Информационные технологии

Повышение производительности процессоров и объемов памяти обеспечивает развитие облачных вычислений, больших данных, машинного обучения.

Телекоммуникации

Совершенствование микросхем позволяет увеличивать скорость и качество передачи данных в сетях связи, в том числе мобильных (5G, 6G).

Робототехника

Миниатюризация электронных компонентов способствует созданию более компактных и функциональных роботов для различных применений.

Медицина

Развитие микроэлектроники обеспечивает прогресс в области диагностического оборудования, имплантируемых устройств, систем мониторинга здоровья.

Энергетика

Совершенствование микросхем управления способствует повышению эффективности преобразования и распределения энергии, развитию альтернативной энергетики.

Таким образом, микроэлектроника остается одним из ключевых драйверов научно-технического прогресса, обеспечивая развитие многих перспективных направлений.

Микросхемы, виды, свойства и назначение. ЧП Скупка РЭК

История микросхем

Микросхема является миниатюрным электронным блоком, в корпус которого «входят» пассивные и активные радиоэлектронные компоненты (транзистор, резистор, диод и прочие). Количество РЭК в микросхеме может варьироваться от десяти до нескольких сотен и тысяч. Даже одна современная микросхема порой заменяет большой электронный блок в любом оборудовании: в компьютере, электронно-вычислительных машинах, часах, телефонах.

Всего лишь с четверть века тому назад радиолюбители, производители всех стран, специалисты в радиоэлектронной области не могли и представить себе, что электронная лампа в скором времени уступить свое важное место в радио и электроаппаратуре полупроводниковым деталям, транзисторам, а затем и транзисторы постепенно начнут сдавать свои позиции, уступив свое место полупроводникам новейшего поколения – микросхемам. На сегодняшний день наибольшее применение имеет интегральная микросхема (ИМС).

Применение микросхем

Современные модели микросхем имеют широкое использование практически во всех сферах промышленности. Можно сказать, что где существует какое-либо оборудование, аппаратура, там присутствуют и микросхемы:

• Радиоэлектронная промышленность;
• Медицина;
• Военная отрасль;
• Авиация и космическая сфера;
• Кораблестроение;
• Точное приборостроение и многие другие отрасли.

Микросхемы производят в пластмассовом, металлическом, керамическом корпусе, чаще всего от материала корпуса зависит и цена на устройство. На стоимость влияет и функциональное назначение микросхемы, наносимое на компонент специальной маркировкой.

История создания микросхемы

Первые микросхемы имели значительные габариты, были тяжеловатыми, по сравнению с современными, слегка уродливыми, неаккуратными, отовсюду торчали соединительные провода. Но даже такая «микросхема», точнее прототип современной, все-таки работала.

Современные микросхемы нашли свое применение в промышленном производстве не очень давно, но разработка этого устройства началась еще лет шестьдесят назад американским инженером Джеком Килби. Впервые прототип был показан Джеком своему начальству в 1958 году. А началось это летним жарким днем, когда практически все служащие отдела находились в отпуске, Килби сидел и лениво размышлял, как упростить некое устройство. И тут его осенило, что эффективно и удобно будет, если создать из полупроводниковых деталей, не просто транзистор, а всю электрическую схему, поместив ее на плату. Создавался первый в мире прототип «микросхемы» на германиевой пластине, на нее инженер встроил детали электрической цепи, которая преобразовывала в переменный ток постоянный. Все блоки МС были соединены металлическими проводами, которые не припаивались, а находились в подвесном состоянии. Всё это выглядело очень нелепо, но работало. Со временем и множеством усовершенствований, микросхему начали выпускать серийно, но все же эта деталь абсолютно не дотягивала до своего названия «микро». В 2000 году Килби получил Нобелевскую премию за разработку данного элемента.

Микросхемы, их виды по технологическому производству

Интегральные;
Гибридные;
Пленочные;
Смешанные.

Микросхемы по типу обрабатываемого сигнала

Цифровые микросхемы

• Микросхема;
• МСU;
• МС памяти;
• Триггер;
• Регистр;
• Шифратор;
• Сумматор;
• Мультиплексоры.

Аналоговые микросхемы

• стабилизаторы тока, напряжения;
• микросхемы, управляющие импульсным источником питания;
• генератор сигнала;
• преобразователь сигнала;
• аналоговый умножитель;
• датчик.

Аналогово-цифровая МС

• Аналоговые, цифровые преобразователи
• Трансиверы
• Коммутаторы
• Модуляторы/демодуляторы и другие.

Микросхемы, вышедшие из строя, не всегда поддаются ремонту. Если у вас скопилось некоторое количество подобных деталей, МС б/у или новых, но морально устаревших, мы предлагаем их продать нашей компании.

History

2000

В 2000г. на базе Воронежского завода полупроводников создано ЗАО ВЗПП-Микрон.

2001-2005

Постановлением Правительства РФ за достигнутые успехи ОАО «НИИМЭ и Микрон» присуждена премия Правительства РФ в области качества.

В 2001г. на Первом Московском Международном салоне инноваций и инвестиций «Микрон» награжден двумя золотыми и двумя серебряными медалями за разработку новых технологических маршрутов.

Разработана конструкция, технология изготовления и созданы первые образцы микромеханического волоконно-оптического переключателя.

В 2002г. Микрон первым среди промышленных предприятий страны вышел на фондовый рынок. 

В 2002 году ОАО НИИМЭ и Микрон вошло в состав ОАО СИТРОНИКС (преобразованного из ОАО Концерн Научный Центр) как головное предприятие бизнес-направления СИТРОНИКС Микроэлектронные решения (в дальнейшем СИТРОНИКС Микроэлектроника).

В 2005г. открыт новый Центр проектирования и цех по сборке компонентов для жидкокристаллических мониторов.

В 2005 году основана компания Смарт Карты вошедшая в бизнес-направление СИТРОНИКС Микроэлектроника.

2006

Подписано соглашение с компанией STMicroelectronics о передаче «ОАО «НИИМЭ и Микрон» технологии производства интегральных схем с топологическим уровнем 0,18 мкм по технологии EEPROM. На «Микроне» начало работать производство чип-модулей для контактных смарт-карт. В ноябре ОАО «НИИМЭ и Микрон» приступило к работе с правилами проектирования микросхем по технологии EEPROM 0,18 мкм для российских дизайн-центров.

В декабре «Микрон» начал освоение полного цикла производства RFID-билетов для транспорта и начал поставки билетов для Московского Метрополитена.

В рамках бизнес-направления «СИТРОНИКС Микроэлектроника» открыло производство SIM-карт для телекоммуникационной отрасли.

2007

ОАО «НИИМЭ и Микрон» совместно с Ассоциацией менеджеров России провели 1-ю Международную конференцию по микроэлектронике.

«СИТРОНИКС Микроэлектроника» стала членом международной ассоциации EUROSMART.

ОАО «НИИМЭ и Микрон» вступило в международную полупроводниковую торговую ассоциацию FSA, ныне преобразованную в GSA (Global Semiconductor Association), и открыло производство интегральных схем с топологическим уровнем 0,18 мкм EEPROM.

2008

Геннадий Красников, генеральный директор ОАО «НИИМЭ и Микрон» награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени, избран академиком РАН и вошел в состав Совета руководителей из стран Европы, Ближнего Востока и Африки (EMEA Leadership Council) Глобального Полупроводникового альянса (The Global Semiconductor Alliance, GSA.

«Микрон» первым из российских производителей микроэлектроники сертифицировал производство по стандарту Системы экологического менеджмента ISO 14001.

2009

ГК «РОСНАНО» и АФК «Система» подписали договор о создании на базе производственной площадки и инфраструктуры ОАО «НИИМЭ и Микрон» производства интегральных схем с проектными нормами 90 нм по технологии компании STMicroelectronics на пластинах 200 мм.

ОАО «НИИМЭ и Микрон» подтвердило соответствие стандарту системы экологического менеджмента (СЭМ) ISO 14001:2004. Аудит проведен международной компанией Bureau Veritas Certification Rus.

1960: Изготовлена ​​первая планарная интегральная схема | Silicon Engine

Джей Ласт возглавляет разработку первой коммерческой ИС, основанной на планарном процессе Хорни и монолитном подходе Нойса.

В августе 1959 года директор отдела исследований и разработок Fairchild Semiconductor Роберт Нойс попросил соучредителя Джея Ласта начать разработку интегральной схемы на основе планарного процесса Хорни (Milestone 1959) и патента Нойса. (Веха 1959 г.) После создания многокристального триггера с дискретными транзисторами для демонстрации концепции на Весконе Ласт собрал команду, в которую вошли Сэм Фок, Иси Хаас, Лайонел Каттнер и Джеймс Налл. Основываясь на данных характеристик, подготовленных Доном Фариной, Роберт Норман из отдела приложений разработал триггер с четырьмя транзисторами и пятью резисторами, используя модифицированную схему логики транзисторов с прямой связью (DCTL), как наиболее совместимую с ранними планарными возможностями обработки.

Интеграция нескольких взаимосвязанных устройств на одном чипе поставила множество новых инженерных задач. Первые работающие монолитные устройства, выпущенные 26 мая 1960 года, использовали физическую изоляцию для обеспечения электрического разделения между компонентами. Глубокие каналы были вытравлены с тыльной стороны кремниевой пластины и заполнены непроводящей эпоксидной смолой. Предпочтительный метод производства, электрическая изоляция pn-перехода с использованием метода диффузии бора, разработанный Хаасом и Каттнером, позволил получить рабочие схемы 27 и 19 сентября.60.

Компания Fairchild представила расширенную информацию на инженерных конференциях и предоставила образцы прототипов клиентам в 1960 году. Под торговой маркой µLogic (Micrologic) функция триггера типа «F» была анонсирована публике в марте 1961 года на пресс-конференции. на выставке IRE Show в Нью-Йорке и фотография в журнале LIFE. В октябре были введены пять дополнительных схем, в том числе функция вентиля типа «G» (1962 Milestone), полусумматор и полусдвиговый регистр.

Texas Instruments быстро приняла планарную технику и 19 октября61 объявила о семействе «полностью интегральных схем» Series 51 DCTL, своих первых ИС, в которых используются межсоединения из наплавленного металла.

Предыдущая веха Следующая веха

• Норман, Р. Ласт, Дж. Хаас, И. «Твердотельные микрологические элементы», Конференция по твердотельным схемам. Дайджест технических статей . 1960 IEEE International Volume: III , (февраль 1960 г.), стр. 82–83
• Фарина, Дональд; Налл, Джеймс; Андерсон, Ричард. Доклад «Применение Micrologic Elements», представленный на Национальной конференции по электронике 10–12 октября 1960 г. Перепечатан как Технический документ Fairchild Semiconductor TP-11/3 . Март 1963 года.

• Мур, Г. Э. «Роль Fairchild в кремниевых технологиях» Proceedings of the IEEE Vol. 86, выпуск 1 (1998) стр. 53-62.
• Лекуйе, Кристоф Создание Силиконовой долины: инновации и рост высоких технологий, 1930-1970 гг. . (Кембридж: MIT Press, 2006) с. 158.
• Аугартен, Стэн «Хорошее использование планарного процесса», Современное состояние: фотографическая история интегральной схемы . (Нью-Хейвен и Нью-Йорк: Тикнор и Филдс, 1983), стр. 10, а также «Резисторно-транзисторная логика», стр. 14.
• Berlin, L. Человек за микрочипом . (Oxford University Press, Inc., 2005), стр. 135.
• Лекуйер, Кристоф и Брок, Дэвид С. Создатели микрочипа: документальная история Fairchild Semiconductor The MIT Press (30 сентября 2010 г.)

• Ласт, Джей (Шокли, Фэирчайлд, Амелько), устная история (15 сентября 2007 г.)
• Панель устной истории Fairchild Micrologic — Хаас, Каттнер, Ласт, Норман (06. 10.2007)
• Каттнер, Лайонел (Fairchild, Signetics), устная история (20 ноября 2007 г.)

Устройство Planar chip для ПЦР и гибридизации с насосом поверхностных акустических волн

Зенон Гуттенберг* ^и Елена Мюллер, ^и Хайко Хабермюллер, ^и Андреас Гейсбауэр, ^и Юрген Пиппер, 9 лет0061 б Яна Фельбель, ^б Отметка Кельпинский, ^б Юрген Скриба ^и и Ахим Виксфорт ^ак

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Advalytix AG, Ойген-Зенгер-Ринг 4, 85649Брунталь, Германия
Электронная почта: гуттенберг@advalytix. de

^б Institut für Physikalische Hochtechnolgie e.V. Bereich Mikrosysteme, Albert-Einstein-Str. 9, 07745 Йена, Германия

^с Lehrstuhl für Experimentalphysik I, Universität Augsburg, Universitätsstrasse 1, 81635 Аугсбург, Германия

Аннотация

Мы разработали микрожидкостное устройство, работающее на плоской поверхности вместо закрытой сети каналов. Жидкость транспортируется отдельными каплями с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ) на пьезоэлектрической подложке LiNbO ₃ . Поверхность пьезоэлемента имеет химическую структуру, обеспечивающую большие углы смачивания капель или закрывающие области, где жидкость может смачивать подложку. Комбинируя метод ПАВ с тонкопленочными нагревателями сопротивления, был разработан чип для биологического анализа со встроенной амплификации ДНК с помощью ПЦР и гибридизации. Для предотвращения испарения реагентов ПЦР при высоких температурах образец заключают в капли минерального масла. На этом чипе SAW разделяет засохшие грунтовки, перемещает жидкость, покрытую маслом, между двумя нагревателями и перемешивает во время гибридизации. Чип способен выполнять высокочувствительную, быструю и специфичную ПЦР с объемом до 200 нл. Во время температурных циклов возможен онлайн-мониторинг концентрации ДНК с помощью оптического блока, обеспечивающего чувствительность 0,1 нг.