Alle producten
Meest gekocht
Am häufigsten gekauft
Best beoordeelde producten
Top bewertete Produkte
Advies
Interessante feiten over geïntegreerde schakelingen
Na de uitvinding van de transistor aan het eind van de jaren veertig werden elektronische apparaten steeds kleiner. Deze actieve component, die toen nieuw was, was betrekkelijk klein en werkte met een fractie van de tot dan toe gebruikelijke bedrijfsspanning. Tegen het midden van de jaren vijftig waren de transistors zo ver ontwikkeld dat zij konden worden gebruikt in vele consumentenproducten zoals radio's en TV-ontvangers, maar ook in industriële apparaten zoals meet- en regeltechniek of computers. Om een elektronische schakeling te realiseren, moesten de transistors worden verbonden met andere componenten, zoals weerstanden, condensatoren, enz. Voor complexe toestellen met veel transistors leidt dit tot uitgebreide constructies die tegen hoge kosten moeten worden vervaardigd.
Het idee lag dus voor de hand om transistors samen met passieve componenten in één component te combineren, d.w.z. ze te integreren. In 1958 slaagde Jack Kilby, een ingenieur bij Texas Instruments, hierin. Op een kleine halfgeleiderwafer van germanium combineerde hij twee transistorstructuren met enkele weerstanden, die vervolgens samen functioneerden als een flip-flop oscillator.
In principe hebben geïntegreerde schakelingen (IC's) vandaag de dag nog steeds een soortgelijke structuur. In die tijd was de technologische ontwikkeling echter nog ver gevorderd totdat de huidige digitale en analoge IC's krachtige en goedkope massaproducten werden.
Hoe worden IC's gemaakt?
In principe bestaan geïntegreerde schakelingen uit een klein plaatje halfgeleidermateriaal, de zogenaamde "ondergrond", "chip" of ook "dobbelsteen". In de meeste gevallen is dit tegenwoordig silicium, maar voor speciale hoogfrequentietoepassingen worden ook andere materialen gebruikt. Tijdens het fabricageproces worden verschillende vreemde atomen in het oppervlak gebracht, die vervolgens leiden tot verschillende doperingen (P of N) van het materiaal. Dit kan dan worden gebruikt om de barrièrelagen te vormen van bijvoorbeeld transistor- of diodestructuren. Weerstanden die door een barrièrelaag van het substraat zijn geïsoleerd, kunnen ook op deze manier worden gerealiseerd. Voor de verbinding worden in de dampfase afgezette metalen rails gebruikt. Siliciumoxidelagen worden gevormd voor isolatie, vooral voor het isoleren van de poorten van veldeffecttransistors.
De structuren worden voor een groot aantal gelijksoortige geïntegreerde schakelingen via een masker overgebracht op een grote siliciumwafer (fig. 1). Daarna volgen verschillende coating-, ets- en doteringsprocessen. De laatste decennia is het mogelijk gebleken de structuren steeds kleiner te maken. Aanvankelijk werd fotolithografie gebruikt om de maskers te maken, gevolgd door röntgen- en elektronenbundellithografie. Vandaag de dag is het mogelijk structuren te produceren die in het bereik van 10 nm liggen en in verschillende lagen over elkaar heen zijn gerangschikt.
Afbeelding 1: Sicilium schijfje, ook wel "wafer" genoemd. Wafeltjes van verschillende grootte (2 - 8 inch). De verschillende structuren op de afzonderlijke chips zijn te zien.
Dit betekent dat op een gegeven chipoppervlak steeds meer elementen kunnen worden ondergebracht en dat, door de kortere afstanden tussen de afzonderlijke elementen, de runtimes ook zeer kort zijn. Dit maakt op zijn beurt hogere klokfrequenties mogelijk van de functionele eenheden die op de chip zijn geïntegreerd.
Nadat de wafer klaar is, worden de chips getest, gescheiden en in behuizingen gemonteerd. Daarbij worden de aansluitklemmen op de chips verbonden met de aansluitpennen van de behuizingen (fig. 2).
Figuur 2: Blik in een geopende IC-behuizing. De aansluitingen op de chip zijn via dunne draden verbonden met de aansluitpennen.
Welke IC's zijn er?
In de eerste plaats verschillen de toepassingsgebieden: Analoge, digitale of gemengde analoog-digitale IC's. De eerste omvatten bijvoorbeeld operationele versterkers, spanningsregelaars, vermogensversterkers, ontvangerschakelingen enz. Digitale IC's omvatten bijvoorbeeld logische en perifere apparaten, microprocessoren, geheugens, digitale signaalprocessoren, enz. Analoge en digitale signalen kunnen gelijktijdig worden verwerkt door apparaten zoals modems, A/D- en D/A-omzetters, sensor-IC's en de diverse speciale IC's die nodig zijn in mobiele telefoons.
Vervolgens verschillen IC's op basis van hun fabricagetechnologie: bipolair of MOS, d.w.z. "metal-oxide-semiconductor". Terwijl de meeste analoge schakelingen bipolaire IC's zijn, zijn digitale IC's hoofdzakelijk MOS-types. Omdat bipolaire schakelingen doorgaans een hogere vermogensomzetting per structureel element genereren, wordt deze technologie meestal gebruikt in analoge schakelingen met een lage integratie. Hooggeïntegreerde apparaten zoals microprocessoren, geheugenapparaten, enz. zijn MOS-schakelingen met miljoenen transistorfuncties op enkele vierkante centimeters.
Welke soorten behuizing hebben IC's?Laaggeïntegreerde schakelingen worden meestal ingebouwd in "DIL- of DIP-behuizingen", d.w.z. "dual inline". Dit zijn platte kunststof behuizingen waarop de zijdelingse contacten naar beneden zijn gebogen. Er zijn verschillende aantallen polen, b.v. 8, 14, 16, 24 en meer. Ze zijn gerangschikt in stappen van 2,54 mm (Fig. 3).
Vroegere types zijn ook gemonteerd in ronde TO metalen behuizingen met verschillende verbindingsdraden aan het onderste uiteinde. Vermogens-IC's zoals spanningsregelaars of LF-versterkers worden gemonteerd in behuizingen zoals die gewoonlijk worden gebruikt voor vermogenstransistors. Deze hebben hun aansluitingen aan één kant en een groot metalen oppervlak aan de achterkant voor montage op een koellichaam.
Als de IC's niet rechtstreeks in een schakeling moeten worden gesoldeerd, zijn daarvoor geschikte contactdozen beschikbaar. Hooggeïntegreerde schakelingen zoals microprocessoren, CPU's, enz. vereisen ook speciale contactdozen voor hun aanzienlijk groter aantal aansluitingen, waarvan de meeste ook nog eens gecombineerd zijn met het nodige koellichaam.
Als gevolg van de miniaturisering van de elektronica worden IC's tegenwoordig ook steeds vaker ingebouwd in opbouwbehuizingen, de zogenaamde "SOT-behuizingen".
De aansluitpennen worden niet door gaten in de printplaat gestoken zoals bij het "THT" "Through Hole Technology" proces, maar op minuscule "contactpads" op de printplaat gesoldeerd.
Waar moet u op letten bij het inbouwen van IC's?
De halfgeleiderstructuren van de chip die zich in de behuizing bevinden, mogen bepaalde temperaturen niet overschrijden, zelfs niet tijdens de installatie, anders kunnen zij blijvende schade oplopen. Deze temperatuur ligt onder het smeltpunt van soldeer. Daarom moet het soldeerproces zo snel mogelijk worden uitgevoerd. Een goede soldeerbaarheid van de contactpunten en verbindingspennen speelt een belangrijke rol.
Indien nodig kan de warmte ook met geschikte middelen worden afgevoerd aan de aansluitpennen van het IC. Bij het solderen in hitte-kritieke IC's wordt het gebruik van contactdozen aanbevolen. IC's met veel aansluitpennen, b.v. CPU's, worden gewoonlijk in speciale voetjes geplaatst.
MOS-componenten zijn over het algemeen zeer gevoelig voor elektrostatische ladingen. Geleidende transportverpakkingen en ESD-veilige werkplekken zijn voorwaarden om ervoor te zorgen dat de onderdelen bij de assemblage niet worden beschadigd. ESD: "Electrostatic Discharge" - elektrostatische ontlading.
Bij reparaties moeten soms IC's worden vervangen. Hiervoor zijn speciale gereedschappen beschikbaar, waarmee de verbindingen kunnen worden gedesoldeerd. Het eenvoudig verhitten en uitdrukken van een IC is niet aan te bevelen, omdat dit de printplaat ernstig kan beschadigen.
Geïntegreerde schakelingen moeten, zoals alle halfgeleidercomponenten, tijdens de werking worden beschermd tegen te hoge temperaturen en elektrische overbelasting.
IC's met een hoog stroomverbruik, b.v. spanningsregelaars of LF-vermogensversterkers, moeten worden voorzien van voldoende grote koellichamen die ervoor zorgen dat de maximaal toelaatbare chiptemperatuur niet wordt overschreden, zelfs niet bij de hoogste omgevingstemperaturen die zich voordoen.
IC's kunnen tegen overspanningen en stromen worden beschermd met passende maatregelen in het circuit. De maximaal toelaatbare grenswaarden voor de werking zijn te vinden in de respectieve gegevensbladen.