Układ scalony

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Układ scalony

Slide 2

Co to układ scalony Układ scalony jest zminiaturyzowanym układem elektronicznym, który może zawierać w sobie miliony elementów elektronicznych. Płytki krzemowe bo na nich najczęściej budowane są układy scalone stanowią podłoże półprzewodnikowe dla elementów elektronicznych jak diody, kondensatory, tranzystory lub rezystory. To tylko część z wymienionych elementów elektronicznych, które mogłyby zostać umieszczone na płytkach układów scalonych, a ich zastosowanie ma o wiele szerszy zakres. Po zamontowaniu wszystkich elementów płytka zostaje umieszczona w hermetycznie zamkniętej obudowie z tworzywa sztucznego, szkła bądź metalu. Wyróżniane są cztery istotne funkcje systemów elektronicznych w których mogą znajdować się układy scalone: prostowanie, przełączanie, wzmacnianie i generowanie sygnałów. Układ scalony znajduje zastosowanie w każdym urządzeniu elektronicznym; w komputerze, zegarkach, mikrofalówkach, lodówkach, telewizorach, telefonach komórkowych etc.

Slide 3

Układ scalony

Slide 4

Historia Prekursorem współczesnych układów scalonych była wyprodukowana w 1926 lampa próżniowa Loewe 3NF zawierająca wewnątrz jednej bańki trzy triody (dwie sygnałowe i jedną głośnikową), dwa kondensatory i cztery rezystory, całość była przeznaczona do pracy jako jednoobwodowy radioodbiornik reakcyjny. Pierwszą osobą która opracowała teoretyczne podstawy układu scalonego był angielski naukowiec Geoffrey Dummer, nie udało mu się jednak zbudować pracującego układu. W 1958 Jack Kilby z Texas Instruments i Robert Noyce z Fairchild Semiconductor niezależnie od siebie zaprojektowali i zbudowali działające modele układów scalonych. Kilby zademonstrował swój wynalazek 12 września 1958 (za co otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 2000), Noyce zbudował swój pierwszy układ scalony około pół roku później.

Slide 5

Budowa Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na główne grupy: monolityczne, w których wszystkie elementy, zarówno elementy czynne jak i bierne, wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika hybrydowe na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz rezystory. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy: cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów) grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów)

Slide 6

Budowa Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest wykonana w technologii monolitycznej. Ze względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie historyczny, podział na układy: -małej skali integracji (SSI small scale of integration) -średniej skali integracji (MSI medium scale of integration) -dużej skali integracji (LSI large scale of integration) -wielkiej skali integracji (VLSI very large scale of integration) -ultrawielkiej skali integracji (ULSI ultra large scale of integration)

Slide 7

Budowa Ponieważ w układach monolitycznych praktycznie wszystkie elementy wykonuje się jako tranzystory, odpowiednio tylko przyłączając ich końcówki, dlatego też często mówi się o gęstości upakowania tranzystorów na mm. Układ AMD AM9080ADC C8080A CPU 8080 Motorola 68030 W dominującej obecnie technologii wytwarzania monolitycznych układów scalonych (technologia CMOS) często używanym wskaźnikiem technicznego zaawansowania procesu oraz gęstości upakowania elementów układów scalonych jest minimalna długość kanału tranzystora (patrz Tranzysto polowy) wyrażona w mikrometrach lub nanometrach długość kanału jest nazywana rozmiarem charakterystycznym i im jest on mniejszy, tym upakowanie tranzystorów oraz ich szybkość działania są większe. W najnowszych technologiach, w których między innymi produkowane są procesory firm Intel i AMD, minimalna długość bramki wynosi 90 nm. W roku 2005 wdrożono do masowej produkcji układy wykonane w technologii 65 nm, a w 2008 r. Intel wyprodukował pierwszy procesor w technologii 45 nm.

Slide 8

Budowa Zarejestrowane topografie układów scalonych poddają ochronie, przy czym według prawa własności przemysłowej układem scalonym jest wytwór przestrzenny, utworzony z elementów z materiału półprzewodnikowego tworzącego ciągłą warstwę, ich wzajemnych połączeń przewodzących i obszarów izolujących, nierozdzielnie ze sobą sprzężonych, w celu spełniania funkcji elektronicznych.

Slide 9

Układ AMD AM9080ADC C8080A CPU 8080

Slide 10

Motorola 68030

Slide 11

Technologia planarna W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego można wyróżnić ok. 350 operacji technologicznych, poniżej zostanie przedstawiony tylko zarys czynności koniecznych do wyprodukowania układu.

Slide 12

Przybliżone wymiary pręta półprzewodnikowego oraz podłoża (w technologii planarnej)

Slide 13

Wytworzenie podłoża Z pręta (walca) monokrystalicznego półprzewodnika wycinane są piłą diamentową plastry (dyski) o grubości kilkuset mikrometrów. Krawędź plastra jest ścinana, by możliwe było określenie jego orientacji w dalszych etapach. Plaster następnie podlega szlifowaniu oraz polerowaniu stając się podłożem dla układów scalonych.

Slide 14

Proces epitaksji Na podłożu wytwarzana jest cienka warstwa epitaksjalna półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa niż podłoże. Warstwa ta ma grubość kilkakilkadziesiąt mikrometrów i charakteryzuje się dużą jednorodnością i gładkością powierzchni.

Slide 15

Maskowanie Maskowanie celem tego etapu jest wytworzenie maski, która umożliwi selektywne domieszkowanie warstwy epitaksjalnej Warstwa epitaksjalną jest utleniana na jej powierzchni wytwarza się cienka warstwa dwutlenku krzemu warstwa maskująca; jej grubość wynosi mikrometr lub mniej, nawet kilka warstw atomów. Dwutlenek krzemu charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną oraz chemiczną, a także dużą rezystancją. W warstwie maskującej wykonywane są otwory. Istnieją dwie techniki: Fotolitografia: na warstwę maskującą nakładana jest emulsja światłoczuła nakładana jest maska fotograficzna

Slide 16

Maskowanie c.d następuje naświetlenie światłem ultrafioletowym (wysoka częstotliwość ultrafioletu pozwala uzyskać wysoką rozdzielczość) emulsja w miejscach naświetlonych podlega polimeryzacji emulsja niespolimeryzowana zostaje wypłukana dwutlenek krzemu w miejscach odsłoniętych jest wytrawiany, odsłaniając fragmenty warstwy epitaksjalnej na końcu pozostała emulsja jest usuwana (chemicznie albo mechanicznie) Wycinanie wiązką elektronową Precyzyjnie sterowana wiązka elektronów wycina w dwutlenku krzemu otwory. Jest technika bardziej precyzyjna, ale droższa niż fotolitografia.

Slide 17

Domieszkowanie Odsłonięte części warstwy epitaksjalnej są domieszkowane. Robi się to dwiema metodami: Dyfuzja domieszek w wysokiej temperaturze (ok. 1200 stopni) domieszki niesione przez gaz szlachetny dyfundują w odsłonięte miejsca półprzewodnika; można bardzo precyzyjnie określić koncentrację nośników i głębokość domieszkowania. Dyfuzja domieszek jest powolnym procesem. Implantacja jonów zjonizowane domieszki są przyspieszane i wbijane w półprzewodnik. Proces jest szybki i precyzyjny, ale drogi.

Slide 18

Wykonanie połączeń Całość jest ponownie maskowana dwutlenkiem krzemu. W tlenku wykonywane są niezbędne otwory połączeniowe. Napylane są warstwy przewodzące. Jako przewodnik stosuje się aluminium lub miedź.

Slide 19

Montaż Cięcie podłoża na indywidualne układy piłą diamentową lub laserem. Indywidualne układy są testowane testerem ostrzowym. Wykonywane są połączenia struktury z wyprowadzeniami zewnętrznymi za pomocą cienkich drucików aluminiowych lub złotych.

Slide 20

Producenci Zgodnie z badaniami w 2007 roku, największym producentem układów scalonych jest firma Intel. Kolejne miejsca zajmują: Samsung, Toshiba i Texa Instruments.

Slide 21

Intel Intel (NASDAQ: INTC) największy na świecie producent układów scalonych oraz twórca mikroprocesorów z rodziny x86, które znajdują się w większości komputerów osobistych. Firmę założyli 18 lipca 1968 r. Gordon E. Moore oraz Robert Noyce, a nazwa pochodzi od słów Integrated Electronics. Wkrótce dołączył do nich Andrew Grove, późniejszy wieloletni prezes firmy . Siedziba główna znajduje się w Santa Clara w stanie Kalifornia w Stanach Zjednoczonych. Oprócz mikroprocesorów wytwarza między innymi płyty główne, chipsety do płyt głównych, zintegrowane układy graficzne, pamięci Flash, mikrokontrolery, procesory do systemów wbudowanych (embedded), sprzęt sieciowy (np. karty sieciowe, chipsety WiFi i WiMAX), systemy zarządzania pamięcią masową (SAN, NAS, DAS). O sile firmy stanowią zdolność projektowania zaawansowanych procesorów, których kolejne generacje zwiększają swoją moc obliczeniową zgodnie z prawem Moorea oraz bardzo wysoki poziom zdolności produkcyjnych. Początkowo znana wśród inżynierów i technologów, dzięki przeprowadzonej w latach 90. udanej kampanii marketingowej Intel Inside, sama firma oraz marka procesorów Pentium stały się powszechnie znane.

Slide 22

Intel We wczesnym okresie działalności Intel produkował przede wszystkim pamięci RAM. Pierwszym procesorem był zaprezentowany w 1971 roku i4004. 10 lat później procesor Intel 8088 został wykorzystany przez firmę IBM do budowy komputera IBM PC. W 1985 roku Intel zaprzestał produkcji pamięci RAM ze względu na bardzo silną konkurencję i związany z tym stale zmniejszający się udział w tym rynku. W tym czasie procesory z rodziny x86 były już najważniejszym produktem firmy. W latach 90. Intel mocno inwestował w projektowanie nowych mikroprocesorów i promował rozwój rynku komputerów osobistych. Dzięki temu stał się dominującym dostawcą mikroprocesorów dla tych komputerów. Dziś jest jedną z największych na świecie firm działających na rynku IT. Na koniec 2006 roku zatrudniał 94000 pracowników, a jego roczny przychód za 2006 rok wyniósł 31,5 miliardów dolarów.

Slide 23

Intel Obecnie rodziny jej procesorów to: Pentium wersje M [do laptopów], wersje podstawowe 2,3,4, wersja D dwurdzeniowa, Celeron wersje M [do laptopów] i D, Xeon procesor do serwerów, Itanium, Core oraz Core 2 najnowszy procesor dwurdzeniowy (i czterordzeniowy). Konkurencją są produkty firm AMD, VIA, IBM i Motorola. W 2005 r. wraz ze zmianą strategii marketingowej, Intel zmienił logo firmowe na nowe. Poprzednie logo było zaprojektowane w 1968 r. przez samych założycieli Intela.

Slide 24

Siedziba firmy Intel