Układ scalony – czym jest i jak powstaje? Czym są czipy?

Układ scalony – czym jest i jak powstaje? Czym są czipy?

Co to jest układ scalony? To pytanie zadawane nie tylko przez elektroników, bo to dzięki tym elementom powstają wszystkie elektroniczne gadżety, które nas otaczają (np. telefony).

Warto wiedzieć, czym są i jak powstają układy scalone. Proces ten jest skomplikowany, jednak omówimy go w prosty, przystępny sposób.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Z lektury tego artykułu dowiesz się, czym są układy scalone. Zaczniemy od skrótowego omówienia historii powstania układów scalonych, bo mało kto wie, że jedną z przyczyn ich pojawienia się była chęć… optymalizacji podatkowej. Oprócz tego poznasz podstawowe informacje o tym, jak powstają układy scalone. Co ważne, to nie jest artykuł dla zaawansowanych elektroników – to tekst, który powinien zainteresować wszystkich fanów nowych technologii.

Co to jest układ scalony? W skrócie dla laika

Dziś układ scalony to zaawansowany element elektroniczny, który wygląda jak czarna kostka ze srebrnymi wyprowadzeniami (potocznie: nóżkami). W jego wnętrzu (w dużym uproszczeniu) znajdują się podstawowe elementy elektroniczne (głównie tranzystory), które są połączone tak, aby wspólnie mogły zrealizować jakieś konkretne zadanie.

Układy scalone umożliwiają niesamowitą miniaturyzację, ponieważ w niewielkiej obudowie mieszczą setki, miliony, a nawet miliardy elementów elektronicznych. Układ scalony może pełnić konkretną funkcję (może być np. stabilizatorem napięcia), ale równie dobrze może mieć wiele przeróżnych zastosowań (układem scalonym jest np. procesor w komputerze lub telefonie).

Układ scalony, czyli jaki?

Układ scalony po angielsku to integrated circuit. Polskie słowo „scalony” na szczęście dobrze oddaje znaczenie źródłowego integrated. Według słowników synonimami terminu „scalony” są m.in.: zintegrowany, zespolony, złączony, połączony i skupiony. A układ scalony to zamknięta całość zawierająca m.in. jakieś czynne, wzmacniające elementy elektroniczne – najczęściej tranzystory, które są ze sobą połączone w taki sposób, aby mogły pełnić konkretną funkcję.

Lampowe układy scalone

Pierwsze próby scalania układów elektronicznych, czyli tworzenia układów scalonych, podejmowano sto lat temu, na długo przed wynalezieniem tranzystorów. Wtedy elementami wzmacniającymi były lampy elektronowe, a jedynymi ogólnodostępnymi urządzeniami elektronicznymi – radioodbiorniki.

(Mini)ankieta: czy powinniśmy napisać osobny artykuł o lampach elektronowych Tak, jestem zainteresowany - Nie

We wnętrzu radioodbiorników z reguły można było znaleźć kilka lamp elektronowych i do tego szereg elementów biernych (rezystorów, kondensatorów, cewek itd.). Z czasem wyprodukowano jednak lampę, która miała w sobie wspomniane elementy bierne. Tak powstał pierwszy układ scalony, który znacznie ułatwił budowanie radioodbiorników – wystarczył układ scalony (lampa), zasilacz i głośnik.

Tak! Pierwszy układ scalony był lampą elektronową – lampą nietypową, zawierającą w jednej szklanej obudowie trzy triody, cztery rezystory i dwa kondensatory. Co ciekawe, układ ten został zrealizowany po to, by uniknąć podatków – podatek zależny był od liczby zastosowanych lamp, a konkretnie od liczby podstawek pod lampy.

Lampa Loewe 3NF

Lampa Loewe 3NF

Zrozumienie, czym jest układ scalony, warto zacząć właśnie od poznania lampy Loewe 3NF, ponieważ była ona wykonana w taki sposób, że dosłownie gołym okiem widać rezystory i kondensatory, które zostały umieszczone w jej wnętrzu – każdy w oddzielnej szklanej obudowie.

Układy scalone z tranzystorami

Tranzystor bipolarny został przypadkowo odkryty (tak, odkryty, a nie wynaleziony) pod koniec roku 1947. Tranzystory pojawiły się na rynku w latach 50. i niedługo potem zaczęto wykorzystywać je do budowy tzw. tranzystorowych układów scalonych.

Podobno zaczęło się od prób zminiaturyzowania aparatów słuchowych, ale najbardziej znane są analogowe wzmacniacze operacyjne, budowane w postaci gotowych modułów. Przykład poniżej to płytka tranzystorowego wzmacniacza operacyjnego GAP/R w wersji P45 z roku 1961.

Wzmacniacz GAP/R w wersji P45 (zdjęcie: Analog Devices, CC BY-SA 3.0)

Wzmacniacz GAP/R w wersji P45 (zdjęcie: Analog Devices, CC BY-SA 3.0)

Niektóre wersje dodatkowo były umieszczane w obudowach. Było tak np. ze wzmacniaczem GAP/R w wersji P65. Już tu dobrze widać, że różnicą między małą płytką PCB a układem scalonym jest zamknięcie w obudowie. W układzie scalonym nie ma możliwości ingerencji z zewnątrz czy naprawy.

Wzmacniacz GAP/R w wersji P65 (zdjęcie: Analog Devices, CC BY-SA 3.0)

Wzmacniacz GAP/R w wersji P65 (zdjęcie: Analog Devices, CC BY-SA 3.0)

Hybrydowe układy scalone

Kolejnym krokiem było zastosowanie w układzie scalonym pojedynczych tranzystorów, ale samych struktur, bez indywidualnych obudów. Tak powstały hybrydowe układy scalone.

Liczne hybrydowe układy scalone były realizowane na płytce ceramicznej, na której nanoszono kilka warstw różnych materiałów, co pozwalało zrealizować głównie rezystory oraz kondensatory o małej pojemności, a elementy półprzewodnikowe montowano później. W zależności od grubości warstw mówiono o układach hybrydowych cienkowarstwowych i grubowarstwowych.

Dolna część obudowy i płytka z elementami hybrydowego szybkiego bufora LH033 (zdjęcie: Mister rf, CC BY-SA 4.0)

Dolna część obudowy i płytka z elementami hybrydowego szybkiego bufora LH033 (zdjęcie: Mister rf, CC BY-SA 4.0)

Na powyższej fotografii zdjęta jest górna część obudowy – pokrywka. Podobne, ale mniejsze obudowy miały później „prawdziwe”, czyli monolityczne układy scalone, do których przejdziemy za chwilę.

Przykładowy monolityczny układ scalony z otwartą metalową obudową

Przykładowy monolityczny układ scalony z otwartą metalową obudową

Monolityczne układy scalone (dzisiejsze)

Dziś za „prawdziwe” układy scalone uznajemy właściwie tylko układy monolityczne, czyli zawarte w jednym cienkim płatku krzemu. Tak, w cieniutkim płatku krzemu zrealizowane są przede wszystkim tranzystory, a także diody, rezystory, ewentualnie kondensatory o małej pojemności.

Te „prawdziwe”, monolityczne układy scalone wynalazł Robert Noyce w roku 1959, opierając się na nieco wcześniejszych pracach takich naukowców jak Attala i Hoerni. Natomiast lansowany na ojca układów scalonych Jack Kilby pół roku wcześniej zaproponował układ hybrydowy, a nie monolityczny.

Robert Noyce – wynalazca monolitycznych układów scalonych (zdjęcie: Intel Free Press, CC BY-SA 2.0)

Robert Noyce – wynalazca monolitycznych układów scalonych (zdjęcie: Intel Free Press, CC BY-SA 2.0)

Na samym początku układy monolityczne umieszczano w metalowych okrągłych obudowach. W ich wnętrzu zamiast płytki PCB znajdował się specjalnie przygotowany kawałek krzemu, który za pomocą delikatnych drucików łączono z nóżkami, wystającymi poza obudowę.

Jednak już nieco wcześniej, w latach 60., głównie zresztą na potrzeby programu kosmicznego Apollo, opracowano cyfrowe monolityczne układy scalone, umieszczane w innych obudowach. Przez kilkadziesiąt lat najpopularniejsze były obudowy dwurzędowe oznaczane jako DIL lub DIP (ang. dual in-line package) do tzw. montażu przewlekanego (ang. through hole technology, THT).

Przekrój układu scalonego DIP (przewody połączeniowe, krzem, obudowa z żywicy, wyprowadzenia)

Przekrój układu scalonego DIP (przewody połączeniowe, krzem, obudowa z żywicy, wyprowadzenia)

Połączenia między metalowymi wyprowadzeniami a płytką krzemową zwykle wykonywano cieniutkim złotym drutem za pomocą zgrzewania. W tego rodzaju obudowach scalona struktura (ang. die/chip) jest montowana na metalowej ramie i zalewana tworzywem sztucznym (lub materiałem ceramicznym).

To, że układ scalony jest naprawdę zbudowany w taki sposób, widać od razu, gdy spojrzy się na pamięć starego typu (EPROM), która w obudowie miała okienko ze szkła kwarcowego. Za jego pomocą można było oświetlić wnętrze pamięci promieniami UV, które kasowały zapisane w niej informacje. 

Pamięć z okienkiem, przez które widać wnętrze układu scalonego (zdjęcie: Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 / via Wikimedia Commons)

Pamięć z okienkiem, przez które widać wnętrze układu scalonego (zdjęcie: Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 / via Wikimedia Commons)

Czasami krzemowa struktura montowana jest wprost na płytce drukowanej (PCB), bez obudowy, a po wykonaniu drutowych połączeń zalewana tworzywem ochronnym. Układy takie można często spotkać w zegarkach elektronicznych, kalkulatorach itd.

Układ scalony wprost na PCB (krzem zabezpieczony natryśniętym tworzywem)

Układ scalony wprost na PCB (krzem zabezpieczony natryśniętym tworzywem)

Sama płytka krzemowa z początku była wielokrotnie mniejsza od obudowy DIP/DIL. Z czasem zamiast przewlekanego montażu THT wprowadzono bardziej kompaktowy montaż powierzchniowy (ang. surface mounted technology, SMT) – na powierzchni płytek pozbawionych otworów.

Układy scalone w obudowach SMT

Wprowadzono zminiaturyzowane wersje obudów o konstrukcji bardzo podobnej do tych opisanych wyżej. Poniżej widoczne są dwie wersje jednego układu scalonego (taka sama struktura wewnętrzna).

Popularny układ LM555 w obudowie DIP8 oraz dużo mniejszej SO8 (zdjęcie: Swift.Hg, CC BY-SA 3.0)

Popularny układ LM555 w obudowie DIP8 oraz dużo mniejszej SO8 (zdjęcie: Swift.Hg, CC BY-SA 3.0)

Jednak dzięki zmniejszeniu wystających wyprowadzeń cały układ może być znacznie mniejszy. Z czasem powstawały jeszcze mniejsze obudowy, niewiele większe od samej krzemowej struktury, zbiorczo nazywane chip carrier. Stopniowo wprowadzono mnóstwo rodzajów i odmian maleńkich obudów układów scalonych, które możemy spotkać w rozmaitym nowoczesnym sprzęcie.

Układy scalone w obudowach BGA

Jednymi z najmniejszych są obudowy BGA (ang. ball grid array), które jako wyprowadzeń nie mają końcówek, tylko maleńkie kulki od spodu. Dzięki temu finalne układy są bardzo maleńkie. Poniżej widać porównanie 16-wyprowadzeniowego układu w obudowie BGA, w którym maleńkie kuleczki umieszczone są w rastrze 0,5 mm, z 6-nóżkowym w obudowie SOT23-6.

Przykładowy układ w obudowie BGA (zdjęcie: NobbiP, CC BY-SA 3.0)

Przykładowy układ w obudowie BGA (zdjęcie: NobbiP, CC BY-SA 3.0)

Tak maleńkie elementy montowane są na płytkach drukowanych przez automaty. Bez odpowiedniego wyposażenia nie da się przylutować ich ręcznie, co jest poważną barierą dla hobbystów chcących je wykorzystać. Chociaż oczywiście są osoby, które próbują to robić.

Jak powstają układy scalone?

Produkcja elementów półprzewodnikowych to temat na oddzielny, długi artykuł. Dlatego tutaj będzie tylko to, co najważniejsze i najciekawsze dla każdego fana nowych technologii. Do stworzenia układu scalonego potrzebny jest czysty krzem, który uzyskuje się z piasku (krzemionki). Często wykorzystuje się do tego tzw. metodę Czochralskiego, aby uzyskać duże walce rewelacyjnie czystego krzemu o średnicy 200 albo 300 mm, niekiedy nawet 450 mm.

Walec z krzemu (zdjęcie: Fabio Alessandro Locati, CC BY-SA 3.0)

Walec z krzemu (zdjęcie: Fabio Alessandro Locati, CC BY-SA 3.0)

Czym są wafle krzemowe?

Walce te cięte są na cieniutkie plasterki o grubości 1 mm lub mniejszej, zwane waflami. Cały ten proces jest skomplikowany i musi być wykonywany z dużą precyzją, ponieważ od tego zależy finalny efekt, który zostanie uzyskany w kolejnych krokach.

Jak powstają struktury układów scalonych?

Na powierzchni (ale tylko na jednej stronie) krzemowych wafli w różnych skomplikowanych procesach (wykorzystujących fotolitografię, nakładanie warstw przez epitaksję, implantację jonów, a także utlenianie, trawienie, metalizację itd.) wykonuje się struktury elementów półprzewodnikowych.

Każdy prostokąt to serce jednego układu scalonego

Każdy prostokąt to serce jednego układu scalonego

Następnie wytworzone tak układy są sprawdzane za pomocą mikroskopów oraz precyzyjnych sond do testowania. Na koniec duży okrągły wafel zostaje pocięty lub połamany na pojedyncze struktury, które zostają zamknięte w różnego rodzaju obudowy i wysłane do odbiorców.

Testowanie układów scalonych na przykładowym waflu

Testowanie układów scalonych na przykładowym waflu

Podstawą jest superczysty krzem, jednak kluczem są wprowadzane do niego domieszki (pierwiastki), które całkowicie zmieniają jego właściwości – więcej informacji na ten temat znaleźć można w artykule, który odpowiada na pytanie, czym jest materiał półprzewodnikowy.

Co jest w środku układu scalonego?

Procesy domieszkowania i inne skomplikowane operacje przeprowadzane są wiele razy, co powoduje powstanie na powierzchni wafla wyrafinowanych struktur, m.in. z półprzewodników typu p oraz n, dzięki którym powstają tzw. złącza.

Struktura przykładowego układu scalonego w porównaniu z uchem cienkiej igły

Struktura przykładowego układu scalonego w porównaniu z uchem cienkiej igły

Wytworzone domieszkowane krzemowe struktury są łączone, zwykle przez selektywne nakładanie warstw metali takich jak aluminium, miedź czy złoto. Na powierzchni jednego wafla powstaje wiele jednakowych mikroskopijnych struktur tego samego układu, które są później cięte na sztuki. Poniższe zdjęcie przedstawia prawdziwą strukturę jednego poczwórnego wzmacniacza operacyjnego LM324 – w rzeczywistości wymiar tej krzemowej kostki to 1530 × 1429 µm (około 1,5 × 1,5 mm)!

Struktura poczwórnego wzmacniacza operacyjnego LM324 (zdjęcie: Mikhail Svarichevsky, CC BY 3.0)

Struktura poczwórnego wzmacniacza operacyjnego LM324 (zdjęcie: Mikhail Svarichevsky, CC BY 3.0)

Warto podkreślić, że powyższa struktura przedstawia naprawdę bardzo prosty układ. Wnętrza te są nieporównywalnie bardziej skomplikowane w przypadku rozbudowanych układów scalonych – w tym np. mikrokontrolerów i procesorów. Niżej widoczna jest struktura starego już procesora AMD Athlon 64 3200+, który wykonany jest w technologii 130 nm.

Struktura przykładowego procesora komputerowego (zdjęcie: Cole L, CC BY-SA 2.0)

Struktura przykładowego procesora komputerowego (zdjęcie: Cole L, CC BY-SA 2.0)

Najnowsze układy scalone zawierają dziesiątki miliardów tranzystorów (tak, miliardów). W chwili pisania tego artykułu jednym z rekordzistów jest procesor NVIDIA H100, zawierający 80 mld tranzystorów.

NVIDIA H100 z ponad 80 mld tranzystorów (ilustracja: mat. prasowe)

NVIDIA H100 z ponad 80 mld tranzystorów (ilustracja: mat. prasowe)

Podczas produkcji układów scalonych w cieniutkiej warstewce powierzchniowej krzemowego wafla powstaje złożona struktura, o czym pojęcie daje poniższy przekrój. Struktura zawiera wiele warstw, więc może się wydawać, że układ scalony ma budowę piętrową, przestrzenną, trójwymiarową. Jednak w rzeczywistości półprzewodnikowe elementy są umieszczone tylko w jednej, najniższej warstwie, natomiast te wyższe to tylko metalowe połączenia (ang. interconnect).

Oto co powstaje na krzemowym waflu (ilustracja: Cepheiden, CC BY-SA 3.0)

Oto co powstaje na krzemowym waflu (ilustracja: Cepheiden, CC BY-SA 3.0)

Warstwy te są bardzo cienkie. Jak do tej pory wszystkie układy scalone mają budowę płaską, czyli planarną. A zwiększenie liczby tranzystorów w strukturze nie polega na stosowaniu wielu równoległych warstw z półprzewodnikowymi elementami czynnymi. W płatku krzemu jest tylko jedna warstwa z elementami. Istnieją próby budowy „kanapkowych”, przestrzennych (3D) układów scalonych, ale są one dopiero w powijakach.

Przykład koncepcji czterowarstwowego układu scalonego (ilustracja: Shigeru23, CC BY-SA 3.0)

Przykład koncepcji czterowarstwowego układu scalonego (ilustracja: Shigeru23, CC BY-SA 3.0)

Dziś warstwa czynna na powierzchni krzemowego wafla jest zadziwiająco cienka, a zwiększanie liczby tranzystorów w strukturze uzyskuje się przez zmniejszanie ich rozmiarów. We wczesnych układach scalonych rozmiary struktur pojedynczych tranzystorów były rzędu kilkudziesięciu mikrometrów.

Dziś w najnowszych układach cyfrowych rozmiar charakterystyczny (długość kanału elementarnego tranzystora MOS) jest niewyobrażalnie mały – to znikome 2 nm, czyli 0,002 μm (0,000002 mm). A długość fali światła widzianego to 400–800 nm…

Co to jest czip? Czy układ scalony to czip?

Czym są tajemnicze czipy, których w latach 2021 i 2022 brakowało na rynku? W języku polskim od dawna potocznie używanymi synonimami układu scalonego są: kość, kostka i scalak. Niedawno pojawiło się jeszcze jedno określenie: czip (inaczej chip). Często jest ono używane w odniesieniu do jakiegokolwiek elementu półprzewodnikowego.

Słowa „czip” często używają osoby, które o elektronice nie mają zielonego pojęcia. Wszyscy wiemy, czym są chipsy – cienkie plastry ziemniaczane smażone na głębokim tłuszczu. Określenie chip w języku angielskim dotyczy właśnie plastrów/kawałków/ułamków płytki półprzewodnikowej, najczęściej krzemowej, zawierających jakieś scalone struktury. Dlatego, ściśle biorąc, czip (chip) to nie jest cały układ scalony, tylko jego wnętrze – kawałeczek płytki krzemowej.

Najbliższym odpowiednikiem jest angielskie słowo die, a oba terminy często tłumaczone są na polski jako „struktura” lub „płytka krzemowa”. Czip to serce układu scalonego. Można też powiedzieć, że czip to układ scalony, ale bez obudowy. Jednak niestety w mowie potocznej słowo to staje się zamiennikiem dla określenia „układ scalony”.

Czy układ scalony to półprzewodnik?

Podobnie jak w przypadku czipów, w mowie potocznej zaczęto nazywać układy scalone półprzewodnikami. Stąd wzięły się w ostatnim czasie wszelkie nagłówki o braku „półprzewodników”. Jednak w praktyce półprzewodniki to materiały, z których wykonuje się liczne elementy elektroniczne, w tym układy scalone (a to ich brakowało na rynku).

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Współczesne układy scalone to skomplikowane miniaturowe struktury zamknięte w małej obudowie. W ich wnętrzu znajdują się setki, tysiące, miliony, a nawet miliardy elementów elektronicznych, które są połączone tak, by realizowały jakieś konkretne zadanie. Pierwsze układy scalone powstały ze względu na to, że producenci dążyli do miniaturyzacji, uproszczenia urządzeń oraz optymalizacji podatkowych.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 142

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Proces projektowania i produkcji układów scalonych to niezwykle skomplikowana (wręcz kosmiczna technologia), która wymaga drogich i zaawansowanych narzędzi. Na świecie znajduje się niewiele firm, które zajmują się tym zadaniem (swoje fabryki ma m.in. Intel). W celu lepszego zrozumienia tego, czym jest układ scalony, trzeba koniecznie zrozumieć, czym jest półprzewodnik.

Piotr Górecki

Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie
Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie

Transformator to element elektroniczny, który przekształca energię. W praktyce kojarzy się go np. z zasilaczami, w których pozwala zmniejszyć... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

ciekawostki, historia, lampy, układy

Trwa ładowanie komentarzy...