Интегральные схемы и печатные платы

При производстве интегральных схем фотолитография выполняется следующим образом. На кремниевые пластины напыляются легирующие примеси, которые, как и в случае с изготовлени-ем отдельных полупроводниковых элементов, создают на поверхности кремния участки с p- или n-проводимостью. Вначале создаются все участки с p-проводимостью. Для этого вся поверхность кристалла на небольшую глубину леги-руется р-примесью. Следом кристалл покрывается фоторезистом - веществом, которое приобретает химическую устойчивость к растворителю под действием света. Затем фоторезист "засвечивается" через специальный оптический трафарет, благодаря чему нужные участки кремниевой платины приобретают химиче-скую устойчивость. Наконец, растворителем смывается незасвеченный фоторезист и примеси на не-защищённых участках. В итоге p-примесь фиксируется в верхних слоях кремния только на нужных участках будущей интегральной схемы. После синтеза p-участков этот процесс повторяется с другим трафаретом, уже для n-примеси. В результате раз-ные участки кремниевой пластины легируются разными примесями. Перечисленные выше шаги мо-гут повторяться несколько раз или даже несколько десятков раз. Как и в случае с отдельными полу-проводниковыми элементами, на границах этих участков образуются p-n-переходы, на основе которых создаются миниатюрные транзисторы, диоды и другие элементы. Следует отме-тить, что, в зависимости от технологии, используемой на конкретном производстве, синтез p- и n- участков на кремниевой пластине может выполняться в другом порядке. Также возможно применение фоторезистов, которые, напротив, теряют устойчивость под действием света.

В современных процессорах используется большое количество полупроводниковых эле-ментов, их количество исчисляется миллиардами. Разумеется, все они работают не сами по себе, а в связке друг с другом. Подобно тому, как в электромеханических приборах для соединения отдель-ных элементов используются провода, для соединения полупроводниковых элементов интегральной схемы на кремниевую пластину наносятся проводники. Эти проводники являются токопроводящими дорожки из атомов металла с высокой электрической проводимостью, например, из золота.

Нанесение на кремниевую пластину легирующих примесей и проводников производится в несколько слоёв. Эта многослойность необходима, поскольку даже простейшие электрические схемы далеко не всегда можно сделать "плоскими". Например, если сложную схему расположить на плоскости, то различные её соединения будут пересекаться, не образовывая при этом электрического соединения в месте пересечения. Но этого можно достичь, если у схемы появляется третье измерение, то есть появится возможность разместить одно из пересекающихся соединений глубже - и тогда оно перестанет пересекать предыдущее, но общая геометрия схемы при этом сохранится.

На сегодняшний день достигнуты большие успехи в миниатюризации электронных эле-ментов. В первые десятилетия производства интегральных схем именно эта миниатюризация обеспечивала выполнение закона Мура, но сейчас этого уже недостаточно: в дальнейшем уменьшить в 100 раз размер транзистора, который и сейчас состоит из нескольких десятков атомов, уже не удастся. Дальнейшее увеличение производительности ЭВМ (и по-прежнему исполнение закона Мура) осуществляется путём распараллеливания - размещения на кристалле блоков процессора, работающих параллельно.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Основными компонентами современных вычислительных устройств являются печатные платы. На платах размещают интегральные схемы (например, процессоры), и отдельные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы). Последние обычно нужны в тех случаях, когда, на-пример, элемент слишком велик по размеру для помещения на интегральную схему (например, кон-денсатор с большой ёмкостью), или когда требуется менять элемент или набор элементов в зависи-мости от разной версии платы (варьировать содержимое интегральной схемы при серийном выпуске нельзя). Кроме этого, на плате монтируются разъёмы для соединения с другими платами и устройст-вами, а также вспомогательные механические компоненты - кулеры, радиаторы. Наконец, непо-средственно на плате имеется набор токопроводящих дорожек, которые в нужных сочетаниях соеди-няют электрические выводы перечисленных компонент между собой и с интегральными схемами, что позволяет им обмениваться сигналами друг с другом.

Печатная плата представляет собой лист диэлектрика - обычно используется стеклопластик, который является жёстким и прочным материалом из стеклово-локна, пропитанного каким-либо полимером. На лист диэлектрика наносятся медные "дорожки", соединяющие выводы размещённых на плате интегральных схем и прочих компонент.

Кратко опишем технологию производства печатных плат.

Для изготовления печатных плат, подобно изготовлению интегральных схем, также ис-пользуется технология, основанная на фотолитографии. В качестве заготовки для печатной платы используют лист стеклопластика. Его покрывают слоем меди для создания токопроводящих доро-жек, соединяющих между собой различные элементы печатной платы - интегральные схемы, эле-менты, разъёмы и т.д. Для того, чтобы сформировать из сплошного слоя меди отдельные дорожки, выполняются следующие действия. На медный слой наносится слой фоторезиста (здесь, конечно, применяется другой состав, чем при изготовлении интегральных схем). На фоторезист проецируется изображение дорожек, после чего засвеченные участки фоторезиста, под которыми скрываются бу-дущие дорожки, становятся химически устойчивыми. Затем выполняется травление: плата помещается в растворитель, который растворяет медь, не за-щищённую фоторезистом. В итоге отсекается всё ненужное, то есть из всего медного слоя на плате остаются только отделённые друг от друга диэлектриком медные дорожки, а также монтажные площадки.

Последние являются специальными участками платы, к которым в определённом порядке подходят "дорожки", образуя на этих участках набор электрических контактов. На кон-такты выполняется пайка интегральных схем, разъёмов и прочих компонент. При пайке осуществля-ется электрическое соединение выводов компонент (так называемых "ножек") с контак-тами, и, следовательно, "дорожками" на плате. Также пайка обеспечивает жёсткое креп-ление компонент к плате за те же "ножки". В зависимости от особенностей компоненты, монтаж выполняется разными способами. Когда требуется высокая механическая прочность или возможность проводить большой ток, применяется сквозной монтаж, при котором "ножки" компоненты проходят сквозь плату, а монтажная площадка представля-ет собой набор контактов с отверстиями для ножек. Сквозной монтаж применяется для крепления на плату разъёмов и крупных мощных устройств, например, реле или трансформаторов. Для мелких компонент - отдельных микросхем и элементов - высокая прочность и возможность проводить большие токи обычно не требуются. В этом случае может применяться более дешёвый и компактный поверхностный монтаж, заключающийся в простом припаивании ножек к контактам или непосредственно к "дорожкам".

Электрическая схема печатной платы может, как и в случае с интегральными схемами, быть объемной, то есть потребовать более одного слоя. Для этого с обратной стороны заготовки так-же наносится медный слой, который используется для создания дорожек, и в итоге схема становится "двухэтажной". Но для сложных печатных плат (например, современных системных плат) двух слоёв бывает недостаточно. В этой ситуации изготовляют несколько печатных плат, а затем склеивают их между собой, получая в результате единую многослойную плату. Электрические соединения между дорожками в различных слоях плат выполняют при помощи сверления сквозных отверстий в плате и заполнения этих отверстий токопроводящим припоем (оловом).

Разъёмы, интегральные схемы и прочие элементы припаиваются к монтажным площадкам на плате. Для этого также используется оловянный припой. Температура плавления олова составляет всего 231,90 °C и легко достижима при перегреве печатных плат во время работы компьютера. Перегрев электронных компонент и протекание через паяное соединение большого тока могут привести к расплавлению и вытеканию припоя, что влечет нарушение контакта. Один из простых приёмов ремонта печатных плат в такой ситуации - это повторный нагрев при помощи технического фена, в результате чего капельки припоя плавятся и затекают обратно на свои места.

Для предотвращения перегрева интегральных схем используются вентиляторы (кулеры). Они крепятся на пчатную плату с помощью винтов или защелок, которые вставляются в специально просверленные на плате крепёжные отверстия.

Пример готовой печатной платы показан на рис.5.2.

Рис. 5.2. Печатная плата (материнская плата Dell Precision T3600) с мно-жеством монтированных элементов и разъёмов, в том числе разъёмом для установки процессора и креплениями для радиатора с кулером (выделены жёлтым).

Вопросы

1. Что такое полупроводник?
2. Что такое дырочная и электронная проводимость, как ими можно управлять?
3. Что такое легирующие примеси?
4. Что такое фоторезист и для чего он используется?
5. Что такое монокристалл?
6. Что такое p-n-переход, и как он как он используется в электротехнике?
7. Почему именно кремний используется в электронной промышленности?
8. Как изготавливаются кремниевые подложки для интегральных схем?
9. Дайте определение фотолитографии.
10. Опишите процесс изготовления интегральной схемы по шагам?
11. Что такое печатная плата?
12. Для чего при изготовлении печатных плат используется стеклопластик?
13. Опишите технологию производства печатных плат в целом.
14. Какую функцию на печатных платах выполняют монтажные площадки?
15. Что такое оловянный припой и для чего он используется?
16. Объясните причину перегрева печатных плат?
17. Расскажите о способе преодоления этой проблемы.
18. Расскажите о способе преодоления последствий перегрева, если он всё-таки произо-шёл.
19. Какие вы знаете виды монтажа печатных плат, и в каких случаях они используют-ся?
20. Почему оказываются востребованы многослойные печатные платы?
21. Опишите процедуру изготовления многослойной печатной платы.

Литература

1. Харрис Д.М., Харрис С.Л. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. [пер. с англ.] Imagination Technologies. М.: ДМК Пресс, 2018. 792 с.
2. Свистова Т.В. Основы микроэлектроники: учеб. пособие [электронный ресурс] - Во-ронеж: ФГБОУ ВО "Воронежский государственный технический университет", 2017.
3. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. СПб.: Питер, 2013. 816 с.