tin tức

Có lẽ sau định luật Ohm, định luật nổi tiếng thứ hai trong điện tử là định luật Moore: Số lượng bóng bán dẫn có thể được sản xuất trên một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi cứ sau hai năm hoặc lâu hơn. Vì kích thước vật lý của con chip gần như không đổi, điều này có nghĩa là các bóng bán dẫn riêng lẻ sẽ trở nên nhỏ hơn theo thời gian. Chúng tôi đã bắt đầu mong đợi một thế hệ chip mới với kích thước tính năng nhỏ hơn sẽ xuất hiện với tốc độ bình thường, nhưng mục đích của việc làm cho mọi thứ nhỏ hơn là gì? Nhỏ hơn có luôn có nghĩa là tốt hơn không?
Trong thế kỷ qua, kỹ thuật điện tử đã đạt được những tiến bộ vượt bậc. Vào những năm 1920, đài AM tiên tiến nhất bao gồm một số ống chân không, một số cuộn cảm, tụ điện và điện trở khổng lồ, hàng chục mét dây dùng làm ăng-ten và một bộ pin lớn. để cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị. Ngày nay, bạn có thể Nghe hơn chục dịch vụ phát nhạc trực tuyến trên thiết bị trong túi của mình và bạn có thể làm được nhiều hơn thế. Nhưng việc thu nhỏ không chỉ dành cho tính di động: nó thực sự cần thiết để đạt được hiệu suất mà chúng tôi mong đợi từ các thiết bị của mình ngày nay.
Một lợi ích rõ ràng của các thành phần nhỏ hơn là chúng cho phép bạn đưa vào nhiều chức năng hơn trong cùng một khối lượng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các mạch kỹ thuật số: nhiều thành phần hơn nghĩa là bạn có thể thực hiện nhiều xử lý hơn trong cùng một khoảng thời gian. Ví dụ, về mặt lý thuyết, lượng thông tin được xử lý bởi bộ xử lý 64 bit gấp 8 lần so với CPU 8 bit chạy ở cùng tần số xung nhịp. Nhưng nó cũng yêu cầu số lượng thành phần nhiều gấp 8 lần: thanh ghi, bộ cộng, bus, v.v. đều lớn hơn 8 lần Vì vậy, bạn cần một con chip lớn hơn tám lần hoặc một bóng bán dẫn nhỏ hơn tám lần.
Điều này cũng đúng với chip nhớ: Bằng cách tạo ra các bóng bán dẫn nhỏ hơn, bạn có nhiều không gian lưu trữ hơn trong cùng một thể tích. Các pixel trong hầu hết các màn hình ngày nay đều được làm bằng các bóng bán dẫn màng mỏng, do đó, việc thu nhỏ chúng xuống và đạt được độ phân giải cao hơn là điều hợp lý. , bóng bán dẫn càng nhỏ thì càng tốt và còn một lý do quan trọng khác: hiệu suất của chúng được cải thiện rất nhiều. Nhưng chính xác là tại sao?
Bất cứ khi nào bạn chế tạo một bóng bán dẫn, nó sẽ cung cấp miễn phí một số thành phần bổ sung. Mỗi cực có một điện trở mắc nối tiếp. Bất kỳ vật nào mang dòng điện cũng có độ tự cảm. Cuối cùng, có một điện dung giữa hai dây dẫn bất kỳ đối diện nhau. Tất cả những hiệu ứng này tiêu thụ điện năng và làm chậm tốc độ của bóng bán dẫn. Điện dung ký sinh đặc biệt rắc rối: chúng cần được sạc và xả mỗi khi bật hoặc tắt bóng bán dẫn, điều này đòi hỏi thời gian và dòng điện từ nguồn điện.
Điện dung giữa hai dây dẫn phụ thuộc vào kích thước vật lý của chúng: kích thước nhỏ hơn có nghĩa là điện dung nhỏ hơn. Và vì tụ điện nhỏ hơn có nghĩa là tốc độ cao hơn và công suất thấp hơn nên các bóng bán dẫn nhỏ hơn có thể chạy ở tần số xung nhịp cao hơn và tiêu tán ít nhiệt hơn khi làm như vậy.
Khi bạn thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn, điện dung không phải là tác động duy nhất thay đổi: có nhiều hiệu ứng cơ học lượng tử kỳ lạ không rõ ràng đối với các thiết bị lớn hơn. Tuy nhiên, nói chung, làm cho bóng bán dẫn nhỏ hơn sẽ khiến chúng nhanh hơn. Nhưng các sản phẩm điện tử thì hơn thế nữa. không chỉ là bóng bán dẫn. Khi bạn thu nhỏ các thành phần khác, chúng hoạt động như thế nào?
Nói chung, các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm sẽ không tốt hơn khi chúng nhỏ đi: về nhiều mặt, chúng sẽ trở nên tệ hơn. Vì vậy, việc thu nhỏ các linh kiện này chủ yếu là để có thể nén chúng thành một thể tích nhỏ hơn , do đó tiết kiệm không gian PCB.
Kích thước của điện trở có thể giảm mà không gây tổn thất quá nhiều. Điện trở của một miếng vật liệu được tính bằng công thức, trong đó l là chiều dài, A là diện tích mặt cắt ngang và ρ là điện trở suất của vật liệu. Bạn có thể chỉ cần giảm chiều dài và tiết diện, và kết thúc bằng một điện trở vật lý nhỏ hơn nhưng vẫn có cùng điện trở. Nhược điểm duy nhất là khi tiêu tán cùng một công suất, các điện trở vật lý nhỏ hơn sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn các điện trở lớn hơn. Do đó, điện trở nhỏ sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn. Điện trở chỉ có thể được sử dụng trong các mạch điện năng thấp. Bảng này cho thấy mức công suất tối đa của điện trở SMD giảm như thế nào khi kích thước của chúng giảm.
Ngày nay, điện trở nhỏ nhất bạn có thể mua có kích thước theo hệ mét 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Công suất định mức của chúng chỉ là 20 mW và chỉ được sử dụng cho các mạch tiêu tán rất ít điện năng và có kích thước cực kỳ hạn chế. Điện trở có hệ mét nhỏ hơn 0201 gói (0,2 mm x 0,1 mm) đã được phát hành nhưng vẫn chưa được đưa vào sản xuất. Nhưng ngay cả khi chúng xuất hiện trong danh mục của nhà sản xuất, đừng hy vọng chúng có mặt ở khắp mọi nơi: hầu hết các robot gắp và đặt đều không đủ chính xác để xử lý chúng, vì vậy chúng vẫn có thể là những sản phẩm thích hợp.
Các tụ điện cũng có thể được thu nhỏ lại, nhưng điều này sẽ làm giảm điện dung của chúng. Công thức tính điện dung của tụ điện shunt là, trong đó A là diện tích của bảng, d là khoảng cách giữa chúng và ε là hằng số điện môi (thuộc tính của vật liệu trung gian). Nếu tụ điện (về cơ bản là một thiết bị phẳng) được thu nhỏ, thì diện tích phải giảm, do đó làm giảm điện dung. Nếu bạn vẫn muốn đóng gói nhiều nafara trong một thể tích nhỏ, thì lựa chọn duy nhất là xếp chồng nhiều lớp lại với nhau. Do những tiến bộ trong vật liệu và chế tạo, cũng đã tạo ra các màng mỏng (d nhỏ) và chất điện môi đặc biệt (với ε lớn hơn), kích thước của tụ điện đã giảm đáng kể trong vài thập kỷ qua.
Tụ điện nhỏ nhất hiện nay nằm trong gói số liệu siêu nhỏ 0201: chỉ 0,25 mm x 0,125 mm. Điện dung của chúng được giới hạn ở mức 100 nF vẫn hữu ích và điện áp hoạt động tối đa là 6,3 V. Ngoài ra, các gói này rất nhỏ và đòi hỏi thiết bị tiên tiến để xử lý chúng, hạn chế việc áp dụng rộng rãi chúng.
Đối với cuộn cảm, câu chuyện hơi phức tạp. Độ tự cảm của một cuộn dây thẳng được cho bởi, trong đó N là số vòng dây, A là diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây, l là chiều dài của nó và μ là hằng số vật liệu (độ thấm). Nếu tất cả các kích thước giảm đi một nửa thì độ tự cảm cũng sẽ giảm đi một nửa. Tuy nhiên, điện trở của dây vẫn giữ nguyên: điều này là do chiều dài và tiết diện của dây giảm xuống còn một một phần tư giá trị ban đầu của nó. Điều này có nghĩa là bạn sẽ có cùng điện trở ở một nửa độ tự cảm, do đó bạn giảm một nửa hệ số chất lượng (Q) của cuộn dây.
Cuộn cảm rời rạc nhỏ nhất hiện có trên thị trường sử dụng kích thước inch 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Chúng cao tới 56 nH và có điện trở vài ohm. Cuộn cảm trong gói hệ mét siêu nhỏ 0201 đã được phát hành vào năm 2014, nhưng rõ ràng là chúng chưa bao giờ được giới thiệu ra thị trường.
Những hạn chế vật lý của cuộn cảm đã được giải quyết bằng cách sử dụng một hiện tượng gọi là độ tự cảm động, hiện tượng này có thể được quan sát thấy ở các cuộn dây làm bằng graphene. Nhưng ngay cả như vậy, nếu nó có thể được sản xuất theo cách khả thi về mặt thương mại, nó có thể tăng thêm 50%. Cuối cùng, cuộn dây không thể được thu nhỏ tốt. Tuy nhiên, nếu mạch của bạn hoạt động ở tần số cao thì đây không hẳn là một vấn đề. Nếu tín hiệu của bạn ở phạm vi GHz thì một vài cuộn dây nH thường là đủ.
Điều này đưa chúng ta đến một thứ khác đã được thu nhỏ trong thế kỷ qua nhưng có thể bạn không nhận ra ngay: bước sóng chúng ta sử dụng để liên lạc. Các chương trình phát thanh vô tuyến thời kỳ đầu sử dụng tần số AM sóng trung khoảng 1 MHz với bước sóng khoảng 300 mét. Dải tần số FM tập trung ở 100 MHz hoặc 3 mét trở nên phổ biến vào khoảng những năm 1960 và ngày nay chúng ta chủ yếu sử dụng liên lạc 4G ở tần số 1 hoặc 2 GHz (khoảng 20 cm). Tần số cao hơn có nghĩa là dung lượng truyền thông tin nhiều hơn. Chính nhờ việc thu nhỏ mà chúng ta có những chiếc radio rẻ tiền, đáng tin cậy và tiết kiệm năng lượng hoạt động ở những tần số này.
Việc thu hẹp bước sóng có thể thu nhỏ ăng-ten vì kích thước của chúng liên quan trực tiếp đến tần số chúng cần truyền hoặc nhận. Điện thoại di động ngày nay không cần ăng-ten nhô ra dài, nhờ khả năng liên lạc chuyên dụng ở tần số GHz, mà ăng-ten chỉ cần khoảng một dài centimet. Đây là lý do tại sao hầu hết điện thoại di động vẫn có bộ thu sóng FM đều yêu cầu bạn cắm tai nghe trước khi sử dụng: đài cần sử dụng dây của tai nghe làm ăng-ten để có đủ cường độ tín hiệu từ những con sóng dài một mét đó.
Đối với các mạch kết nối với ăng-ten thu nhỏ của chúng ta, khi chúng nhỏ hơn, chúng thực sự trở nên dễ chế tạo hơn. Điều này không chỉ vì bóng bán dẫn đã trở nên nhanh hơn mà còn vì hiệu ứng đường truyền không còn là vấn đề nữa. Tóm lại, khi độ dài của một dây vượt quá 1/10 bước sóng, bạn cần xem xét độ lệch pha dọc theo chiều dài của nó khi thiết kế mạch. Ở tần số 2,4 GHz, điều này có nghĩa là chỉ một centimet dây đã ảnh hưởng đến mạch của bạn; nếu hàn các linh kiện rời rạc lại với nhau thì đau đầu, nhưng nếu bố trí mạch trên diện tích vài milimet vuông thì không thành vấn đề.
Dự đoán sự sụp đổ của Định luật Moore, hay cho thấy những dự đoán này sai hết lần này đến lần khác, đã trở thành chủ đề lặp đi lặp lại trên báo chí khoa học và công nghệ. Sự thật vẫn là Intel, Samsung và TSMC, ba đối thủ vẫn đang dẫn đầu của trò chơi, tiếp tục nén nhiều tính năng hơn trên mỗi micromet vuông và có kế hoạch giới thiệu một số thế hệ chip cải tiến trong tương lai. Mặc dù tiến độ họ đạt được ở mỗi bước có thể không lớn bằng hai thập kỷ trước, việc thu nhỏ bóng bán dẫn tiếp tục.
Tuy nhiên, đối với các thành phần rời rạc, chúng ta dường như đã đạt đến giới hạn tự nhiên: làm cho chúng nhỏ hơn không cải thiện hiệu suất của chúng và các thành phần nhỏ nhất hiện có cũng nhỏ hơn so với yêu cầu của hầu hết các trường hợp sử dụng. Có vẻ như không có Định luật Moore cho các thiết bị rời rạc, nhưng nếu có Định luật Moore, chúng tôi rất muốn xem một người có thể vượt qua thử thách hàn SMD đến mức nào.
Tôi luôn muốn chụp ảnh một điện trở PTH mà tôi đã sử dụng vào những năm 1970 và đặt một điện trở SMD lên nó, giống như tôi đang đổi vào/ra bây giờ. Mục tiêu của tôi là làm cho các anh chị em của tôi (không ai trong số họ sản phẩm điện tử) có bao nhiêu thay đổi, bao gồm cả việc tôi thậm chí có thể nhìn thấy các phần công việc của mình, (khi thị lực của tôi ngày càng kém, tay tôi ngày càng run).
Tôi muốn nói, có phải cùng nhau hay không. Tôi thực sự ghét “cải thiện, trở nên tốt hơn”. Đôi khi bố cục của bạn hoạt động tốt, nhưng bạn không thể lấy các bộ phận nữa. Đó là cái quái gì vậy?. Một ý tưởng tốt là một ý tưởng tốt, và tốt hơn là giữ nguyên nó, thay vì cải tiến nó mà không có lý do.Gantt
“Thực tế là ba công ty Intel, Samsung và TSMC vẫn đang cạnh tranh ở vị trí dẫn đầu trong cuộc chơi này, liên tục tạo ra nhiều tính năng hơn trên mỗi micromet vuông,”
Linh kiện điện tử rất lớn và đắt tiền. Năm 1971, một gia đình trung bình chỉ có một vài chiếc radio, dàn âm thanh nổi và TV. Đến năm 1976, máy tính, máy tính, đồng hồ kỹ thuật số và đồng hồ đeo tay ra đời, những loại máy này nhỏ và rẻ tiền đối với người tiêu dùng.
Một số sự thu nhỏ xuất phát từ thiết kế. Bộ khuếch đại hoạt động cho phép sử dụng bộ hồi chuyển, có thể thay thế cuộn cảm lớn trong một số trường hợp. Bộ lọc hoạt động cũng loại bỏ cuộn cảm.
Các thành phần lớn hơn sẽ thúc đẩy những thứ khác: giảm thiểu mạch, tức là cố gắng sử dụng ít thành phần nhất để làm cho mạch hoạt động. Ngày nay, chúng ta không quan tâm nhiều nữa. Bạn cần thứ gì đó để đảo ngược tín hiệu? Hãy sử dụng bộ khuếch đại thuật toán. Bạn có cần một máy trạng thái không? Hãy lấy mpu.etc. Các thành phần ngày nay thực sự nhỏ, nhưng thực tế có nhiều thành phần bên trong. Vì vậy, về cơ bản, kích thước mạch của bạn tăng lên và mức tiêu thụ điện năng tăng lên. Một bóng bán dẫn dùng để đảo ngược tín hiệu sẽ sử dụng ít năng lượng hơn để hoàn thành công việc tương tự như một bộ khuếch đại hoạt động. Nhưng một lần nữa, việc thu nhỏ sẽ đảm nhiệm việc sử dụng năng lượng. Chỉ là sự đổi mới đã đi theo một hướng khác.
Bạn thực sự đã bỏ lỡ một số lợi ích/lý do lớn nhất của việc giảm kích thước: giảm ký sinh gói và tăng khả năng xử lý công suất (điều này có vẻ phản trực giác).
Từ quan điểm thực tế, khi kích thước tính năng đạt khoảng 0,25u, bạn sẽ đạt đến mức GHz, lúc đó gói SOP lớn bắt đầu tạo ra hiệu ứng* lớn nhất. Dây liên kết dài và những dây dẫn đó cuối cùng sẽ giết chết bạn.
Tại thời điểm này, các gói QFN/BGA đã được cải thiện rất nhiều về mặt hiệu suất. Ngoài ra, khi bạn lắp gói hàng bằng phẳng như thế này, bạn sẽ có hiệu suất tản nhiệt tốt hơn *đáng kể* và các miếng đệm lộ ra ngoài.
Ngoài ra, Intel, Samsung và TSMC chắc chắn sẽ đóng một vai trò quan trọng, nhưng ASML có thể quan trọng hơn nhiều trong danh sách này. Tất nhiên, điều này có thể không áp dụng cho giọng nói thụ động…
Nó không chỉ là giảm chi phí silicon thông qua các nút quy trình thế hệ tiếp theo. Những thứ khác, chẳng hạn như túi. Các gói nhỏ hơn yêu cầu ít vật liệu và wcsp hơn hoặc thậm chí ít hơn. Gói nhỏ hơn, PCB hoặc mô-đun nhỏ hơn, v.v.
Tôi thường thấy một số sản phẩm trong danh mục, trong đó yếu tố thúc đẩy duy nhất là giảm chi phí. MHz/kích thước bộ nhớ giống nhau, chức năng SOC và cách sắp xếp chân cắm giống nhau. Chúng tôi có thể sử dụng các công nghệ mới để giảm mức tiêu thụ điện năng (thường thì điều này không miễn phí, vì vậy phải có một số lợi thế cạnh tranh mà khách hàng quan tâm)
Một trong những lợi thế của các thành phần lớn là vật liệu chống bức xạ. Các bóng bán dẫn nhỏ dễ bị ảnh hưởng bởi các tia vũ trụ hơn trong tình huống quan trọng này. Ví dụ, trong không gian và thậm chí cả các đài quan sát ở độ cao lớn.
Tôi không thấy lý do chính cho việc tăng tốc độ. Tốc độ tín hiệu xấp xỉ 8 inch mỗi nano giây. Vì vậy, chỉ cần giảm kích thước, chip nhanh hơn là có thể.
Bạn có thể muốn kiểm tra toán học của riêng mình bằng cách tính toán sự khác biệt về độ trễ lan truyền do thay đổi gói và chu kỳ giảm (1/tần số). Điều đó nhằm giảm độ trễ/thời gian của các phe phái. Bạn sẽ thấy rằng nó thậm chí không hiển thị dưới dạng một yếu tố làm tròn.
Một điều tôi muốn nói thêm là nhiều IC, đặc biệt là các thiết kế cũ và chip analog, không thực sự được thu nhỏ kích thước, ít nhất là bên trong. Do những cải tiến trong sản xuất tự động, các gói đã trở nên nhỏ hơn, nhưng đó là do các gói DIP thường có rất nhiều không gian còn lại bên trong, không phải vì bóng bán dẫn, v.v. đã trở nên nhỏ hơn.
Ngoài vấn đề làm cho robot đủ chính xác để thực sự xử lý các bộ phận nhỏ trong các ứng dụng gắp và đặt tốc độ cao, một vấn đề khác là hàn các bộ phận nhỏ một cách đáng tin cậy. Đặc biệt khi bạn vẫn cần các bộ phận lớn hơn do yêu cầu về điện/công suất. Sử dụng miếng dán hàn đặc biệt, các mẫu dán hàn theo bước đặc biệt (bôi một lượng nhỏ miếng dán hàn khi cần thiết nhưng vẫn cung cấp đủ miếng dán hàn cho các bộ phận lớn) bắt đầu trở nên rất đắt tiền. Vì vậy, tôi nghĩ rằng có một cao nguyên và việc thu nhỏ hơn nữa ở mạch điện Ở cấp độ bo mạch chỉ là một cách tốn kém và khả thi. Tại thời điểm này, bạn cũng có thể tích hợp nhiều hơn ở cấp độ tấm bán dẫn silicon và đơn giản hóa số lượng thành phần rời rạc đến mức tối thiểu.
Bạn sẽ thấy điều này trên điện thoại của mình. Khoảng năm 1995, tôi đã mua một số điện thoại di động đời đầu trong các đợt bán hàng trong gara với giá vài đô la mỗi chiếc. Hầu hết các IC đều là loại xuyên lỗ. CPU và bộ nén NE570 có thể nhận dạng được, IC lớn có thể tái sử dụng.
Sau đó, tôi kết thúc với một số điện thoại cầm tay được cập nhật. Có rất ít thành phần và hầu như không có gì quen thuộc. Trong một số ít IC, không chỉ mật độ cao hơn mà còn áp dụng một thiết kế mới (xem SDR), giúp loại bỏ hầu hết các các thành phần riêng biệt mà trước đây không thể thiếu.
> (Bôi một lượng nhỏ kem hàn khi cần nhưng vẫn cung cấp đủ keo hàn cho các bộ phận lớn)
Này, tôi đã tưởng tượng ra mẫu “3D/Wave” để giải quyết vấn đề này: mỏng hơn ở những bộ phận nhỏ nhất và dày hơn ở những mạch điện.
Ngày nay, các thành phần SMT rất nhỏ, bạn có thể sử dụng các thành phần rời rạc thực sự (không phải 74xx và các loại rác khác) để thiết kế CPU của riêng bạn và in nó trên PCB. Rắc nó bằng đèn LED, bạn có thể thấy nó hoạt động trong thời gian thực.
Trong những năm qua, tôi chắc chắn đánh giá cao sự phát triển nhanh chóng của các thành phần nhỏ và phức tạp. Chúng mang lại sự tiến bộ to lớn, nhưng đồng thời chúng lại tăng thêm mức độ phức tạp mới cho quá trình tạo nguyên mẫu lặp đi lặp lại.
Tốc độ điều chỉnh và mô phỏng của các mạch tương tự nhanh hơn nhiều so với những gì bạn làm trong phòng thí nghiệm. Khi tần số của mạch kỹ thuật số tăng lên, PCB sẽ trở thành một phần của tổ hợp. Ví dụ: hiệu ứng đường truyền, độ trễ truyền sóng. Tạo nguyên mẫu của bất kỳ quá trình cắt nào- Công nghệ tiên tiến được sử dụng tốt nhất để hoàn thiện thiết kế một cách chính xác thay vì thực hiện các điều chỉnh trong phòng thí nghiệm.
Đối với các hạng mục theo sở thích, đánh giá. Bảng mạch và mô-đun là giải pháp thu nhỏ các thành phần và mô-đun thử nghiệm trước.
Điều này có thể khiến mọi thứ mất đi “niềm vui”, nhưng tôi nghĩ việc thực hiện dự án lần đầu tiên có thể sẽ ý nghĩa hơn vì công việc hoặc sở thích.
Tôi đang chuyển đổi một số thiết kế từ xuyên lỗ sang SMD. Tạo ra các sản phẩm rẻ hơn, nhưng việc chế tạo nguyên mẫu bằng tay không hề thú vị. Một lỗi nhỏ: “vị trí song song” nên được đọc là “tấm song song”.
Không. Sau khi một hệ thống chiến thắng, các nhà khảo cổ học vẫn sẽ bối rối trước những phát hiện của nó. Ai biết được, có thể vào thế kỷ 23, Liên minh Hành tinh sẽ áp dụng một hệ thống mới…
Tôi không thể đồng ý hơn. Kích thước của 0603 là bao nhiêu? Tất nhiên, việc giữ 0603 làm kích thước hệ Anh và “gọi” kích thước hệ mét 0603 là 0604 (hoặc 0602) không khó đến thế, ngay cả khi nó có thể không chính xác về mặt kỹ thuật (ví dụ: kích thước phù hợp thực tế-không phải theo cách đó). Nghiêm ngặt), nhưng ít nhất mọi người sẽ biết bạn đang nói về công nghệ nào (số liệu/đế quốc)!
“Nói chung, các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm sẽ không hoạt động tốt hơn nếu bạn làm chúng nhỏ hơn.”