Circuitul logic în dispozitivele hardware digitale și în diferite părți ale unui microcontroller (microprocesor, memorie, hardware de interfață etc.) este de obicei prezent în forma IC. Elemente ca porți logice și circuite bistabile, cum ar fi flip-flop-urile sunt blocuri de construcție pentru un IC, dar aceste elemente sunt prezente în forma monolitică și nu în forma discretă discutată în capitolul 2. În această secțiune, să examinăm fabricația și câteva considerente practice ale cipurilor IC digitale. Această perspectivă este utilă, chiar dacă nu este întotdeauna esențială, pentru un inginer mecatronic.

Într-un sistem digital, stocarea și prelucrarea datelor se efectuează cu ajutorul circuitelor logice. Aceste circuite constau în elemente de poartă logică. Porțile logice sunt dispuse într-un circuit IC într-o manieră adecvată în timpul fabricării CI, astfel încât IC să îndeplinească funcția digitală necesară. Un cip tipic IC conține un număr mare de elemente de circuit microelectronic fabricate pe o felie mică de siliciu (mai mică decât unghia). Fiecare element de circuit este format din elemente semiconductoare de bază, cum ar fi diode și tranzistoare. Aceste elemente semiconductoare nu sunt prezente ca componente discrete convenționale cu cabluri și legături pentru interconectare, ci mai degrabă în forma monolitică. Întregul IC este produs printr-un proces de fabricație delicat și nu este posibilă îndepărtarea sau înlocuirea, de exemplu, a unui tranzistor fără distrugerea întregului IC.

8.6.1 Producția de cipuri IC

IC-urile (circuite microelectronice) nu sunt fabricate începând cu elemente semiconductoare discrete și conectându-le între ele pentru a forma un circuit. O astfel de metodă de producție nu ar fi numai costisitoare și consumatoare de timp, dar ar duce, de asemenea, la o dimensiune mult mai mare a chipului și o fiabilitate slabă, datorită numărului mare de conexiuni de circuit care ar fi necesare. Densitatea de circuite ale unui IC utilizat în sistemele digitale poate fi exprimată în raport de numărul de circuite logice elementare (porți logice) prezente pe cip. Patru clasificări sunt comune, așa cum este prezentat în tabelul 8.9. Rețineți că numerele date sunt aproximative și reprezintă numai ordinea de mărime. Important este de remarcat, însă, că este practic imposibil să se producă un cip VLSI (de exemplu, un cip de memorie RAM care conține 100.000 porți logice) folosind tranzistoare discrete.

TABEL 8.9 Clasificarea cipului IC în funcție de densitatea circuitului

IC-urile sunt produse prin diferite metode. În toate aceste metode, circuitul necesar este proiectat mai întâi pe hârtie sau ecranul computerului și apoi întregul circuit este produs pe un cip semiconductor (siliciu, GaAs, etc.) prin mai multe etape ale unui proces de fabricație delicat și atent controlat. Pentru a vă face o idee despre diferitele etape implicate, considerați producerea unui cip IC monolitic folosind tehnologia de difuzie planară. Ca substrat pe suprafața căruia este format IC, se folosește o piesă plată de cristal de siliciu dopat, care este lustruit și curățat. Să presupunem că substratul are un strat de siliciu de tip-n. Metoda de formare a IC este oarecum similară cu cea pentru fabricarea unui tranzistor bipolar discret (vezi Capitolul 2).

Suprafața substratului de siliciu este oxidată pentru a forma o acoperire cu dioxid de siliciu (izolație). Apoi, pe suprafața oxidată se aplică o acoperire chimică sensibilă la lumină.

În continuare, un fascicul luminos este focalizat pe acoperire printr-o mască. Masca are o structură de fereastră (deschideri) care se conformează modelului de circuit necesar (proiectat). Zonele expuse la lumină devin insolubile unei soluții chimice (developer), care este folosită pentru spălarea substanței chimice neexpuse. În continuare, acidul fluorhidric este utilizat pentru a îndepărta stratul de dioxid de siliciu de sub modelul ferestrei produs prin îndepărtarea acoperirii neexpuse. Apoi, elementul este plasat într-un cuptor de difuzie încălzit și se aplică un flux de gaz care conține un dopant de tip-acceptor. Aceasta formează un model de regiuni tip-p sub ferestre. Apoi, ca în cazul unui tranzistor discret, este posibil să se formeze un model de regiuni de tip-n peste aceasta printr-un proces sistematic de oxidare, acoperire chimică, expunere mascată la lumină, developare și difuzie folosind un dopant de tip-donor. În cele din urmă, conexiunile electrice trebuie făcute între diverse elemente semiconductoare formate în acest fel pe cristalul de siliciu. Pentru a realiza acest lucru, același proces de fotomascare este folosit mai întâi pentru a deschide zonele care au nevoie de conexiune. Apoi se utilizează vapori de aluminiu pentru a depune aluminiu pe aceste zone expuse, făcând astfel conexiune electrică. Nu există nicio garanție ca un element IC fabricat în acest mod să funcționeze corect. Prin urmare, elementul trebuie testat pentru funcționarea corectă, de preferință înainte de ambalare.

8.6.2 Ambalare cipuri

Odată format un IC pe un substrat de siliciu, substratul trebuie tăiat în forma corectă și apoi ambalat. Materialul de ambalare poate fi din plastic sau ceramică. De obicei, un cip ambalat are formă dreptunghiulară, cu pini ieșiți în afară. Unii dintre acești pini servesc ca conductori pentru semnale de informații (date de intrare și ieșire), iar alții ca conductori de alimentare.

O geometrie populară de ambalare este prezentată în figura 8.20. Aceasta este cunoscută ca pachet (carcasă) dual-in-line (DIP). Pinii unui DIP ies din cele două margini longitudinale ale carcasei. De obicei, pot fi furnizați până la 48 de pini într-un singur pachet. În mod alternativ, un pachet out-line are pini conductori care ies în exterior de la margini în același plan cu partea inferioară a cipului. Un astfel de pachet poate fi furnizat cu aproximativ 64 de pini. Cu o complexitate crescută a cipurilor IC, eforturile continuă pentru a crește numărul de pini pe pachet.

Asamblarea unui cip IC pe o placă cu circuit imprimat (placă PC) este de obicei o simplă problemă de a împinge pinii cipului printr-un set corespunzător de orificii (soclu). De obicei, lipirea ar fi necesară pentru a menține cipul în loc și pentru a realiza conexiuni electrice. În plus față de cipurile IC, o placă PC poate conține câteva elemente discrete, cum ar fi rezistoare, condensatoare și diode și tranzistoare discrete suplimentare și dispozitive auxiliare, cum ar fi întrerupătoarele și poate o priză pentru un cablu cu panglică, toate interconectate permanent într-o manieră necesară folosind linii conductoare depuse pe placa PC.

FIGURA 8.20 Un IC DIP

8.6.3 Aplicații

Dispozitivele logice solid-state sunt utilizate frecvent în aplicațiile mecatronice. Adesea, aceste dispozitive sunt încorporate și distribuite/integrate în întregul sistem mecatronic. Exemplele includ controlul motoarelor DC cu circuite de tip chopper, controlul motoarelor AC folosind acționări cu frecvență-variabilă și instrumente inteligente cu microcontrollere încorporate. GaAs pare mai superior decât siliciul pentru dispozitivele de înaltă frecvență și de mare-viteză. Mobilitatea electronilor în tranzistoarele cu efect de câmp GaAs (FET) este și de un ordin de mărime mai mare decât în ​​FET-urile cu siliciu. De asemenea, disiparea puterii (putere activă) este mai mică pentru un dispozitiv GaAs. Vitezele de date tipice sunt siliciul: <1000 Mbps; GaAs: 500–2500 Mbps; și CMOS: peste 1500 Mbps. Este avantajos să puneți porți logice și dispozitive de control al puterii pe același cip, având în vedere costuri mai mici, fiabilitate îmbunătățită, mai puțin cablare, și număr mai mic de componente.