Как делать микросхемы в домашних условиях. Как сделать микросхему
), люди продолжают интересоваться прогрессом - а значит пора рассказать о прогрессе.
Напомню цель проекта: научиться изготавливать несложные кремниевые цифровые микросхемы в «домашних» условиях. Это никоим образом не позволит конкурировать с серийным производством - помимо того, что оно на порядки более совершенное (~22нм против ~20мкм, в миллион раз меньше по площади), так еще и чудовищно дешевое (этот пункт не сразу стал очевиден). Тем не менее, даже простейшие работающие микросхемы, изготовленные в домашних условиях будут иметь как минимум образовательную и конечно декоративную ценность.
Начнем с неудач и драмы
Как я уже упоминал в комментариях к другому топику, попытка выйти с этим проектом на kickstarter провалилась - проект не прошел модерацию из-за отсутствия прототипа. Это заставило в очередной раз переосмыслить пути коммерциализации этой упрощенной технологии. Возможность релиза технологии домашних микросхем в виде RepRap-подобного opensource-кита покрыта туманом: очень уж много опасной, дорогой и нестойкой химии - так просто рассылать по почте не выйдет. Также по видимому отсутствует возможность делать мелкие партии микросхем дешевле серийных заводов: сейчас минимальные тестовые партии микросхем можно изготавливать примерно по 30-50$ штука (в партии ~25 штук), и существенно дешевле 30$ за микросхему сделать это на самодельной упрощенной установке не получится. Кроме того, не смотря на низкую цену на обычных заводах - любительские микросхемы практически никто не делает, задач где они имели бы преимущества перед FPGA/CPLD практически нет, а стоимость разработки - остается очень высокой.
Тем не менее, проект остается интересным в образовательных целях, как образец безумства и для создания декоративных электронных продуктов.
Логистика
Из того, что уже упоминалось в моих других статьях в последние месяцы - куплен кислородный концентратор, позволяет получить ~95% кислород без головной боли. Из вредных примесей - похоже только углекислый газ (35ppm), будем надеяться, этого будет достаточно. Также едет из Китая генератор озона (ему на входе нужен кислород) - есть результаты исследований, показывающих что им удобно растить тонкие подзатворные диэлектрики и использовать как один из этапов для очистки пластин.
Чего еще не хватает
Из того, что упоминал в предыдущей статье - TEOS видимо не нужен, слишком сложно с ним работать, HMDS - не обязателен, по крайней мере для «больших» транзисторов.
Генератор азота - это конечно удобно, работать с пластинами в инертной атмосфере и не возиться с баллонами, но также не критично.
Единственное, что серьёзно могло бы облегчить работу - это образцы spin-on dopants и spin-on glass. В России по различным причинам их не используют и не производят, за рубежем - производителей мало, продается большими партиями и стоит дорого (тысячи $). Компания Emulsitone, у которой покупала образцы Jeri Ellsworth когда делала свои транзисторы - похоже загнулась, с ними связаться так и не удалось. Но это также не обязательный пункт - работать можно и без них (с фосфорной и борной кислотами, POCl3 и BBr3), хоть и намного сложнее / несколько опаснее.
И наконец - конечно не хватает спонсора для моих проектов, иногда между дополнительными затратами времени и дополнительными затратами денег приходится выбирать первое. Если кто-то из компаний или частных лиц имеет желание спонсировать мои проекты (условия обсуждаемы) - вы знаете, где меня найти :-).
О «серийных» проектах
В прошлой статье я упоминал и о моём классическом микроэлектронном проекте - я хотел разработать и производить на серийных заводах микроконтроллеры. Исследовав под микроскопом конкурентов (нормы производства, площадь), и узнав цены производства на практически всех заводах - стало понятно, что бизнес это хороший, хоть и капиталоемкий. Тем не менее, тут похоже пока не судьба - в Сколково проект дважды завернули , из-за отсутствия у меня профильного опыта. С одной стороны они безусловно правы, с другой - пришел бы Цукерберг в Сколково, а ему «А сколько социальных сетей вы уже создали?». Вводить в команду фиктивных членов - совершенно нет желания. Так что видимо, сначала придется зарабатывать деньги на проект другими путями, и вернуться к нему через 3-5 лет (если он тогда еще будет кому-то нужен).
Дальнейшие планы
Следующий шаг - сборка печки с управляющей электроникой, и наконец производство первых образцов. Для начала - кремниевые диоды, исследование их характеристик, затем - полевые транзисторы, возможно и биполярные. Затем нужно думать, как в домашних условиях сделать ультразвуковую или термокомпрессионную сварку проволоки с кремниевой пластиной - это нужно для подключения выводов.
В этой статье мы поговорим о микросхемах, какие типы бывают, как устроены и где используются. Вообще, в современной электронной технике трудно найти устройство, в котором бы не использовались микросхемы. Даже самые дешёвые китайские игрушки задействуют различные планарные, залитые компаундом чипы, на которые возложена функция управления. Причём с каждым годом они становятся всё более сложными внутри, но более простыми в эксплуатации и меньшими по размерам, снаружи. Можно сказать, что идёт постоянная эволюция микросхем.Микросхема представляет собой электронное устройство или его часть способную выполнять ту или иную задачу. Если бы потребовалось решить такую задачу, которую решают многие микросхемы, на дискретных элементах, на транзисторах, то устройство, вместо маленького прямоугольника размерами 1 сантиметр на 5 сантиметров, занимало бы целый шкаф, и было бы намного менее надежным. А ведь так выглядели вычислительные машины ещё пол-сотни лет назад!
Электронный шкаф управления - фото
Конечно, для работы микросхемы недостаточно просто подать питание на неё, необходим еще так называемый "обвес
”, то есть те вспомогательные детали на плате, вместе с которыми микросхема сможет выполнять свою функцию.
Обвес микросхемы - рисунок
На рисунке выше красным выделена сама микросхема все остальные детали - это её "обвес
”. Очень часто микросхемы при своей работе нагреваются, это могут быть микросхемы стабилизаторов, микропроцессоров и других устройств. В таком случае чтобы микросхема не сгорела её нужно прикрепить на радиатор. Микросхемы, которые при работе должны нагреваться, проектируются сразу со специальной теплоотводящей пластиной - поверхностью, находящейся обычно с обратной стороны микросхемы, которая должна плотно прилегать к радиатору.
Но в соединении даже у тщательно отшлифованных радиатора и пластины, все равно будут микроскопические зазоры, в результате которых тепло от микросхемы будет менее эффективно передаваться радиатору. Для того чтобы заполнить эти зазоры применяют теплопроводящую пасту. Ту самую, которую мы наносим на процессор компьютера, перед тем как закрепить на нем сверху радиатор. Одна из наиболее широко применяемых паст, это КПТ–8
.
Усилители на микросхемах можно спаять буквально за 1-2 вечера, и они начинают работать сразу, не нуждаясь в сложной настройке и высокой квалификации настраивающего. Отдельно хочу сказать про микросхемы автомобильных усилителей, из обвеса там иногда бывает буквально 4-5 деталей. Чтобы собрать такой усилитель, при определенной аккуратности, не требуется даже печатная плата (хотя она желательна) и можно собрать все навесным монтажем, прямо на выводах микросхемы.
Правда, такой усилитель после сборки лучше сразу поместить в корпус, потому, что такая конструкция ненадежна, и в случае случайного замыкания проводов можно легко спалить микросхему. Поэтому рекомендую всем начинающим, пусть потратить немного больше времени, но сделать печатную плату.
Регулируемые блоки питания на микросхемах - стабилизаторах даже проще в изготовлении, чем аналогичные на транзисторах. Посмотрите, сколько деталей заменяет простейшая микросхема LM317:
Микросхемы на печатных платах в электронных устройствах могут быть припаяны как непосредственно, к дорожкам печати, так и посажены в специальные панельки.
Панелька под дип микросхему - фото
Разница заключается в том, что в первом случае для того чтобы нам заменить микросхему нам придется её предварительно выпаять. А во втором случае, когда мы посадили микросхему в панельку, нам достаточно достать микросхему из панельки, и её можно с легкостью заменить на другую. Типичный пример замены микропроцессора в компьютере.
Также, к примеру, если вы собираете устройство на микроконтроллере на печатной плате, и не предусмотрели внутрисхемное программирование, вы сможете, если впаяли в плату не саму микросхему, а панельку, в которую она вставляется, то микросхему можно достать и подключить к специальной плате программатора.
В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования.
Аналоговые и цифровые микросхемы
Микросхемы выпускаются различных типов, они могут быть как аналоговыми так и цифровыми. Первые, как становится ясно из названия, работают с аналоговой формой сигнала, вторые же работают с цифровой формой сигнала. Аналоговый сигнал может принимать различную форму.
Цифровой сигнал это последовательность единиц и нулей, высокого и низкого уровня сигналов. Высокий уровень обеспечивается подачей на вывод 5 вольт или напряжения близкого к этому, низкий уровень это отсутствие напряжения или 0 вольт.
Существуют также микросхемы АЦП
(аналогово - цифровой преобразователь
) и ЦАП
(цифро - аналоговый преобразователь
) которые осуществляет преобразование сигнала из аналогового в цифровой, и наоборот. Типичный пример АЦП используется в мультиметре, для преобразования измеряемых электрических величин и отображения их на экране мультиметра. На рисунке ниже АЦП - это черная капля, к которой со всех сторон подходят дорожки.
Микроконтроллеры
Сравнительно недавно, по сравнению с выпуском транзисторов и микросхем, был налажен выпуск микроконтроллеров. Что же такое микроконтроллер? 
Это специальная микросхема, может выпускаться как в Dip
так и в SMD
исполнении, в память которой может быть записана программа, так называемый Hex
файл
. Это файл откомпилированной прошивки, которая пишется в специальном редакторе программного кода. Но мало написать прошивку, нужно перенести, прошить, её в память микроконтроллера.
Программатор - фото
Для этой цели служит программатор
. Как многим известно, есть много разных типов микронтроллеров - AVR
, PIC
и другие, для разных типов нам требуются разные программаторы. Также существует и , каждый сможет найти и изготовить себе подходящий по уровню знаний и возможностей. Если нет желания делать программатор самому, то можно купить готовый в интернет магазине или заказать с Китая.
На рисунке выше изображен микроконтроллер в SMD корпусе. Какие же плюсы есть в использовании микроконтроллеров? Если раньше, проектируя и собирая устройство на дискретных элементах или микросхемах, мы задавали работу устройства путем определенного, часто сложного соединения на печатной плате с использованием множества деталей. То теперь нам достаточно написать программу для микроконтроллера, которая будет делать тоже самое программным путем, зачастую быстрее и надежнее, чем схема без применения микроконтроллеров. Микроконтроллер представляет собой целый компьютер, с портами ввода - вывода, возможностью подключения дисплея и датчиков, а также управление другими устройствами.
Конечно усовершенствование микросхем на этом не остановится, и можно предположить, что лет через 10 возникнут действительно микросхемы от слова "микро " - невидимые глазу, которые будут содержать миллиарды транзисторов и других элементов, размерами в несколько атомов - вот тогда действительно создание сложнейших электронных устройств станет доступно даже не слишком опытным радиолюбителям! Наш краткий обзор подошёл к концу, с вами был AKV .
Обсудить статью МИКРОСХЕМЫ
Микросхема это электронная схема, которая располагается на пластинке, сделанной из полупроводникового материала, обычно из кремния. Как правило, площадь типичной интегральной схемы составляет 1,5 мм2 , а толщина – 0,2 миллиметра. Все элементы схемы (резисторы, диоды, транзисторы, сопротивления и соединяющие их проводки) размещаются на пластинке.
Вам понадобится
- - паяльник;
- - пластик;
- - провода.
Инструкция
Воспользуйтесь специальным приложением, чтобы продумать конструкцию микросхемы. Попрактиковаться в вопросе инженерии микросхем можно с помощью программы Logisim. Скачать приложение можно по ссылке http://sourceforge.net/projects/circuit/.
Чтобы выполнить конечное проектирование схемы из слоев проводников, диэлектриков и полупроводников, установите приложение Electric VLSI. Скачать его можно на официальном сайте производителя http://staticfreesoft.com/productsFree.html. После того, как вам удалось составить электронный проект микросхемы, приступите к ее созданию.
Возьмите кусочек пластика, размер его должен быть как сим-карта телефона. В радиомагазине приобретите токопроводящий карандаш, который предназначен для восстановления дорожек. Возьмите токопроводящий клей, например «Контактол» и шприц.
Для корпуса микросхемы найдите металлическую коробочку. Также найдите небольшое количество тонких проводков для дискретных компонентов.
Приступите к конструированию микросхемы. Нарисуйте на пластинке токопроводящие дорожки, резисторы и емкости, все, что можно нарисовать согласно построенной схемы на компьютере. Далее наклейте транзисторы или диоды. Приклейте на пластинку провода вывода микросхемы. Лучше всего проколоть пластик, чтобы все выводы переместились в низ платы. Сверху приклейте крышку, надпишите на ней название.
Припаяйте полученную микросхему к плате. Для этого приклейте ее выводами на кусочек самоклеющейся алюминиевой фольги, к каждой ноге припаяйте тонкий проводок. Для пайки микросхемы используйте флюс ЛТИ-120. Сделайте плату из стеклотекстолита, разместите на ней схему, сформируйте и припаяйте выходы на площадки платы. Затем возьмите спирт, отмойте плату от остатков флюса. Далее припаяйте навесные элементы.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Все интересное
Порой бывает нужно выпаять микросхему, сохранив при этом её работоспособность. Сделать это не трудно, если не пожалеть печатной платы, на которой она расположена. Но есть способ выпаять её без жертв, не повредив при этом ни демонтируемую микросхему,…
Современные микросхемы становятся все миниатюрнее, а монтаж их – все плотнее. Перепайка таких устройств доступна людям с умелыми руками, не боящихся кропотливой работы с монтажом плат. Вам понадобитсяПаяльная станция с термофеном, паяльная…
Компаунд представляет собой термоактивную, термопластическую полимерную смолу, которая затвердевает в естественных условиях, а также эластомерные материалы с наполнителями. Он используется как электроизоляционный материал. Вам понадобится-…
Тем, кому приходится самостоятельно чинить бытовую и другую электронную технику, нередко приходится сталкиваться ситуацией, когда необходимо выпаять из монтажной платы микросхему. Эта операция требует больше внимания, чем выпаивание обычных…
Понятие «мощный звук» неразрывно связано с использованием сабвуфера. Однако под воздействием слишком больших нагрузок он может выйти из строя. Вы сможете отремонтировать «полетевший» сабвуфер, если четко будете знать, какие…
Микронаушники нашли широкое практическое применение среди студентов во время сдачи экзаменов и зачетов. Однако бывает так, что приобрести данное устройство накладно. В этом случае его можно собрать самостоятельно. Вам понадобится- паяльник;-…
Если вы занимаетесь электроникой и/или ремонтом электронной техники, то время от времени приходиться сталкиваться с необходимостью выпаивания микросхем SMD. Данный процесс необходимо производить крайне аккуратно, чтобы не повредить устройство. Для…
В зависимости от необходимого уровня громкости звука, напряжения источника питания и выходной мощности пассивных акустических систем может потребоваться отсутствующий в продаже усилитель мощности. Такой усилитель довольно просто можно собрать на…
При ремонте аппаратуры, часто бывает необходимость замены микросхем. Микросхемы бывают в DIP корпусе – старые образцы и SMD – это современный планарный корпус, меньшего размера, чем DIP, для пайки непосредственно к дорожкам печатной платы. Бывает,…
От человека, который производит ремонт электроники, требуется определенная квалификация. Однако если соблюдать общепринятые каноны ремонта электроники и овладеть необходимыми знаниями по элементной базе и научиться надежно и аккуратно паять, то…
Трансивер является специальным устройством, которое предназначено для приема и передачи сигнала между двумя физически различными средствами систем связи. Он представляет собой приемник-передатчик, соединяющий интерфейс хоста с сетью, например…
Пайка представляет собой способ соединения металлов с помощью другого, более легкоплавкого металла. Как правило, для пайки плат в электронике используется припой, который содержится 60% олова, а также 40% свинца. Вам понадобится- паяльник;-…
Микросхема это электронная схема, которая располагается на пластинке, сделанной из полупроводникового материала, обычно из кремния. Как правило, площадь типичной интегральной схемы составляет 1,5 мм2 , а толщина – 0,2 миллиметра. Все элементы схемы (резисторы, диоды, транзисторы, сопротивления и соединяющие их проводки) размещаются на пластинке.
Вам понадобится
- - паяльник;
- - пластик;
- - провода.
Инструкция
Микросхема
Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.
Советские и зарубежные цифровые микросхемы.
Интегра́льная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро )схе́ма (ИС, ИМС, м/сх ), чип , микрочи́п (англ. chip - щепка, обломок, фишка) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент ( год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.
История
Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.
Уровни проектирования
- Физический - методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
- Электрический - принципиальная электрическая схема (транзисторы , конденсаторы , резисторы и т. п.).
- Логический - логическая схема (логические инверторы , элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
- Схемо- и системотехнический уровень - схемо- и системотехническая схемы (триггеры , компараторы , шифраторы , дешифраторы , АЛУ и т. п.).
- Топологический - топологические фотошаблоны для производства.
- Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) - команды ассемблера для программиста .
В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР , которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.
Классификация
Степень интеграции
Назначение
Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).
Аналоговые схемы
- Генераторы сигналов
- Аналоговые умножители
- Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
- Стабилизаторы источников питания
- Микросхемы управления импульсных блоков питания
- Преобразователи сигналов
- Схемы синхронизации
- Различные датчики (температуры и др.)
Цифровые схемы
- Логические элементы
- Буферные преобразователи
- Модули памяти
- (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
- Однокристальные микрокомпьютеры
- ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы
Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
- Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором - через него не идёт ток . В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
- Высокая помехоустойчивость цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 - 5 В) и низкого (0 - 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов , позволяющих исправлять ошибки.
- Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.
