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 Circuiti integrati

Un circuito integrato (IC) è un chip semiconduttore che trasporta molti piccoli componenti come condensatori, diodi, transistor e resistori.Questi minuscoli componenti vengono utilizzati per calcolare e archiviare dati con l'aiuto della tecnologia digitale o analogica.Puoi pensare a un circuito integrato come a un piccolo chip che può essere utilizzato come un circuito completo e affidabile.Un circuito integrato potrebbe essere un contatore, un oscillatore, un amplificatore, una porta logica, un timer, una memoria del computer o persino un microprocessore.

Un circuito integrato è considerato un elemento fondamentale di tutti i dispositivi elettronici odierni.Il suo nome suggerisce un sistema di più componenti interconnessi incorporati in un sottile materiale semiconduttore realizzato in silicio.

Storia dei circuiti integrati

La tecnologia alla base dei circuiti integrati fu inizialmente introdotta nel 1950 da Robert Noyce e Jack Kilby negli Stati Uniti d'America.L'aeronautica americana è stata la prima utilizzatrice di questa nuova invenzione.Anche Jack Kilby vinse il Premio Nobel per la fisica nel 2000 per la sua invenzione dei circuiti integrati miniaturizzati.

Un anno e mezzo dopo l'introduzione del progetto di Kilby, Robert Noyce introdusse la sua versione del circuito integrato.Il suo modello ha risolto diversi problemi pratici nel dispositivo di Kilby.Anche Noyce ha utilizzato il silicio per il suo modello, mentre Jack Kilby ha utilizzato il germanio.

Robert Noyce e Jack Kilby ottennero entrambi brevetti statunitensi per il loro contributo ai circuiti integrati.Hanno lottato con questioni legali per diversi anni.Alla fine, sia le società di Noyce che quelle di Kilby decisero di concedere licenze incrociate per le loro invenzioni e di introdurle in un enorme mercato globale.

Tipi di circuiti integrati

Esistono due tipi di circuiti integrati.Questi sono:

1. Circuiti integrati analogici

I circuiti integrati analogici hanno un'uscita costantemente variabile, a seconda del segnale che ricevono.In teoria, tali circuiti integrati possono raggiungere un numero illimitato di stati.In questo tipo di circuito integrato, il livello di uscita del movimento è una funzione lineare del livello di ingresso del segnale.

I circuiti integrati lineari possono funzionare come amplificatori di radiofrequenza (RF) e audiofrequenza (AF).L'amplificatore operazionale (op-amp) è il dispositivo normalmente utilizzato qui.Inoltre, un sensore di temperatura è un'altra applicazione comune.I circuiti integrati lineari possono accendere e spegnere vari dispositivi una volta che il segnale raggiunge un determinato valore.Puoi trovare questa tecnologia in forni, stufe e condizionatori d'aria.

2. Circuiti integrati digitali

 Questi sono diversi dai circuiti integrati analogici.Non funzionano su una gamma costante di livelli di segnale.Invece, operano a pochi livelli preimpostati.I circuiti integrati digitali funzionano fondamentalmente con l'aiuto di porte logiche.Le porte logiche utilizzano dati binari.I segnali nei dati binari hanno solo due livelli noti come basso (0 logico) e alto (1 logico).

I circuiti integrati digitali sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni come computer, modem, ecc.

Perché i circuiti integrati sono popolari?

Nonostante siano stati inventati quasi 30 anni fa, i circuiti integrati sono ancora utilizzati in numerose applicazioni.Discutiamo alcuni degli elementi responsabili della loro popolarità:

1.Scalabilità

Alcuni anni fa, il fatturato dell'industria dei semiconduttori raggiungeva l'incredibile cifra di 350 miliardi di dollari.Intel è stato il maggiore contributore qui.C’erano anche altri attori e la maggior parte di questi apparteneva al mercato digitale.Se guardate i numeri, vedrete che l’80% delle vendite generate dall’industria dei semiconduttori proveniva da questo mercato.

I circuiti integrati hanno svolto un ruolo importante in questo successo.Vedete, i ricercatori dell'industria dei semiconduttori hanno analizzato il circuito integrato, le sue applicazioni e le sue specifiche e lo hanno ampliato.

Il primo circuito integrato mai inventato aveva solo pochi transistor, 5 per la precisione.E ora abbiamo visto lo Xeon a 18 core di Intel con un totale di 5,5 miliardi di transistor.Inoltre, nel 2015 lo Storage Controller di IBM aveva 7,1 miliardi di transistor con 480 MB di cache L4.

Questa scalabilità ha svolto un ruolo importante nella popolarità prevalente dei circuiti integrati.

2. Costo

Ci sono stati diversi dibattiti sul costo di un IC.Nel corso degli anni si è diffuso un malinteso anche sul prezzo effettivo di un circuito integrato.La ragione di ciò è che i circuiti integrati non sono più un concetto semplice.La tecnologia sta avanzando a una velocità tremendamente elevata e i progettisti di chip devono tenere il passo con questo ritmo nel calcolare il costo dei circuiti integrati.

Alcuni anni fa, il calcolo dei costi di un circuito integrato si basava sul die di silicio.A quel tempo, la stima del costo del chip poteva essere facilmente determinata in base alle dimensioni dello stampo.Sebbene il silicio sia ancora un elemento primario nei loro calcoli, gli esperti devono considerare anche altri componenti nel calcolo del costo del circuito integrato.

Finora gli esperti hanno dedotto un’equazione abbastanza semplice per determinare il costo finale di un circuito integrato:

Costo IC finale = Costo del pacchetto + Costo del test + Costo dello stampo + Costo di spedizione

Questa equazione considera tutti gli elementi necessari che svolgono un ruolo enorme nella produzione del chip.Oltre a ciò, ci possono essere altri fattori che potrebbero essere presi in considerazione.La cosa più importante da tenere presente quando si stimano i costi dei circuiti integrati è che il prezzo può variare durante il processo di produzione per molteplici ragioni.

Inoltre, qualsiasi decisione tecnica presa durante il processo di produzione può avere un impatto significativo sul costo del progetto.

3. Affidabilità

La produzione di circuiti integrati è un compito molto delicato poiché richiede che tutti i sistemi funzionino continuamente per milioni di cicli.I campi elettromagnetici esterni, le temperature estreme e altre condizioni operative svolgono tutti un ruolo importante nel funzionamento dell'IC.

Tuttavia, la maggior parte di questi problemi vengono eliminati con l’uso di test ad alto stress correttamente controllati.Non fornisce nuovi meccanismi di guasto, aumentando l'affidabilità dei circuiti integrati.Possiamo anche determinare la distribuzione dei guasti in un tempo relativamente breve attraverso l'uso di sollecitazioni più elevate.

Tutti questi aspetti contribuiscono a garantire che un circuito integrato sia in grado di funzionare correttamente.

Inoltre, ecco alcune caratteristiche per determinare il comportamento dei circuiti integrati:

Temperatura

La temperatura può variare drasticamente, rendendo estremamente difficile la produzione di circuiti integrati.

Voltaggio.

I dispositivi funzionano a una tensione nominale che può variare leggermente.

Processi

Le variazioni di processo più importanti utilizzate per i dispositivi sono la tensione di soglia e la lunghezza del canale.La variazione del processo è classificata come:

• Molto a molto
• Wafer a wafer
• Morire per morire

Pacchetti di circuiti integrati

Il pacchetto avvolge il die di un circuito integrato, facilitando la connessione ad esso.Ogni connessione esterna sullo stampo è collegata con un minuscolo pezzo di filo d'oro a un perno sulla confezione.I pin sono terminali estrusi di colore argento.Passano attraverso il circuito per connettersi con altre parti del chip.Questi sono estremamente essenziali poiché girano intorno al circuito e si collegano ai fili e al resto dei componenti di un circuito.

Esistono diversi tipi di pacchetti che possono essere utilizzati qui.Tutti hanno tipi di montaggio, dimensioni e numero di pin unici.Diamo un'occhiata a come funziona.

Conteggio dei perni

Tutti i circuiti integrati sono polarizzati e ogni pin è diverso sia in termini di funzione che di posizione.Ciò significa che il pacchetto deve indicare e separare tutti i pin gli uni dagli altri.La maggior parte dei circuiti integrati utilizza un punto o una tacca per mostrare il primo pin.

Una volta identificata la posizione del primo pin, i numeri dei pin rimanenti aumentano in sequenza man mano che si procede in senso antiorario lungo il circuito.

Montaggio

Il montaggio è una delle caratteristiche uniche di un tipo di pacchetto.Tutti i contenitori possono essere classificati in base a una delle due categorie di montaggio: montaggio superficiale (SMD o SMT) o foro passante (PTH).È molto più semplice lavorare con i pacchetti Through-hole poiché sono più grandi.Sono progettati per essere fissati su un lato di un circuito e saldati su un altro.

I pacchetti a montaggio superficiale sono disponibili in diverse dimensioni, da piccole a minuscole.Sono fissati su un lato della scatola e saldati alla superficie.I pin di questo pacchetto sono perpendicolari al chip, schiacciati lateralmente o talvolta sono disposti in una matrice sulla base del chip.Anche i circuiti integrati sotto forma di montaggio superficiale richiedono strumenti speciali per essere assemblati.

Doppio in linea

Il Dual In-line Package (DIP) è uno dei pacchetti più comuni.Questo è un tipo di pacchetto IC a foro passante.Questi piccoli chip contengono due file parallele di pin che si estendono verticalmente da un alloggiamento rettangolare di plastica nera.

I perni hanno una spaziatura di circa 2,54 mm tra loro: uno standard perfetto per adattarsi alle breadboard e ad alcune altre schede di prototipazione.A seconda del numero di pin, le dimensioni complessive del pacchetto DIP possono variare da 4 a 64.

La regione tra ciascuna fila di pin è distanziata per consentire ai circuiti integrati DIP di sovrapporsi alla regione centrale di una breadboard.Ciò garantisce che i pin abbiano una propria fila e non vadano in corto.

Piccolo contorno

I pacchetti di circuiti integrati di piccole dimensioni o SOIC sono simili a quelli a montaggio superficiale.Si compone piegando tutti i perni su un DIP e restringendolo.Puoi assemblare questi pacchetti con mano ferma e anche ad occhio chiuso: è così facile!

Quadruplo appartamento

I pacchetti Quad Flat dispongono di perni allargati in tutte e quattro le direzioni.Il numero totale di pin in un circuito integrato quad-flat può variare da otto pin su un lato (32 in totale) a settanta pin su un lato (oltre 300 in totale).Questi perni hanno uno spazio compreso tra circa 0,4 mm e 1 mm tra di loro.Le varianti più piccole del pacchetto quad flat sono costituite da pacchetti a basso profilo (LQFP), sottili (TQFP) e molto sottili (VQFP).

Matrici di griglie di sfere

Ball Grid Array o BGA sono i pacchetti IC più avanzati in circolazione.Si tratta di piccoli pacchetti incredibilmente complicati in cui minuscole sfere di saldatura sono disposte in una griglia bidimensionale sulla base del circuito integrato.A volte gli esperti attaccano le sfere di saldatura direttamente allo stampo!

I pacchetti Ball Grid Array sono spesso utilizzati per microprocessori avanzati, come Raspberry Pi o pcDuino.