новини

Можливо, другим найвідомішим законом в електроніці є закон Мура після закону Ома: кількість транзисторів, які можна виготовити на інтегральній схемі, подвоюється приблизно кожні два роки. Оскільки фізичний розмір мікросхеми залишається приблизно незмінним, це означає, що окремі транзистори з часом ставатимуть меншими. Ми почали очікувати, що нове покоління чіпів із меншими розмірами функцій з’явиться з нормальною швидкістю, але який сенс робити речі меншими? Чи менше завжди означає краще?
У минулому столітті електронна інженерія досягла величезного прогресу. У 1920-х роках найдосконаліші АМ-радіоприймачі складалися з кількох вакуумних ламп, кількох величезних котушок індуктивності, конденсаторів і резисторів, десятків метрів проводів, які використовувалися як антени, і великого комплекту батарей для живлення всього пристрою. Сьогодні ви можете слухати більше дюжини потокових музичних сервісів на пристрої у вашій кишені, і ви можете робити більше. Але мініатюризація не лише для портативності: вона абсолютно необхідна для досягнення продуктивності, яку ми очікуємо від наших сучасних пристроїв.
Одна з очевидних переваг менших компонентів полягає в тому, що вони дозволяють включити більше функціональних можливостей в той самий об’єм. Це особливо важливо для цифрових схем: більше компонентів означає, що ви можете виконати більше обробки за той самий проміжок часу. Наприклад, теоретично, обсяг інформації, що обробляється 64-розрядним процесором, у вісім разів перевищує об’єм 8-розрядного процесора, що працює на тій самій тактовій частоті. Але він також вимагає у вісім разів більше компонентів: регістри, суматори, шини тощо — у вісім разів більше Тож вам потрібен або чіп у вісім разів більший, або транзистор у вісім разів менший.
Те саме стосується чіпів пам’яті: роблячи транзистори меншого розміру, ви отримуєте більше місця для зберігання при тому самому об’ємі. Пікселі більшості сучасних дисплеїв виготовлені з тонкоплівкових транзисторів, тому має сенс зменшити їх масштаб і досягти вищої роздільної здатності. Однак , чим менший транзистор, тим краще, і є ще одна важлива причина: їх продуктивність значно покращується. Але чому саме?
Щоразу, коли ви робите транзистор, він надає додаткові компоненти безкоштовно. Кожна клема має резистор, підключений послідовно. Будь-який об’єкт, під яким проходить струм, також має самоіндуктивність. Нарешті, існує ємність між двома провідниками, зверненими один до одного. Усі ці ефекти споживають електроенергію та сповільнюють швидкість транзистора. Паразитні ємності викликають особливе занепокоєння: їх потрібно заряджати та розряджати кожного разу, коли транзистори вмикаються чи вимикаються, що потребує часу та струму від джерела живлення.
Ємність між двома провідниками є функцією їхнього фізичного розміру: менший розмір означає меншу ємність. А оскільки менші конденсатори означають вищу швидкість і меншу потужність, менші транзистори можуть працювати на вищих тактових частотах і при цьому розсіювати менше тепла.
Коли ви зменшуєте розмір транзисторів, ємність — це не єдиний ефект, який змінюється: існує багато дивних квантово-механічних ефектів, які неочевидні для більших пристроїв. Однак, загалом, зменшення розміру транзисторів зробить їх швидшими. Але електронні вироби є більш швидкими. ніж просто транзистори. Коли ви зменшуєте інші компоненти, як вони працюють?
Загалом, пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори та котушки індуктивності, не стануть кращими, коли вони стануть меншими: у багатьох відношеннях вони стануть гіршими. Тому мініатюризація цих компонентів головним чином полягає в тому, щоб мати можливість стиснути їх у менший об’єм. , тим самим економлячи місце на друкованій платі.
Розмір резистора можна зменшити, не спричиняючи великих втрат. Опір шматка матеріалу визначається за формулою, де l — довжина, A — площа поперечного перерізу, а ρ — питомий опір матеріалу. Ви можете просто зменшіть довжину та поперечний переріз, і в кінцевому підсумку отримаєте фізично менший резистор, але все ще матиме той самий опір. Єдиним недоліком є ​​те, що при розсіюванні тієї самої потужності фізично менші резистори вироблятимуть більше тепла, ніж більші резистори. Тому малі резистори можна використовувати лише в схемах малої потужності. У цій таблиці показано, як зменшується максимальна номінальна потужність резисторів SMD із зменшенням їх розміру.
Сьогодні найменший резистор, який ви можете придбати, — це метричний розмір 03015 (0,3 мм x 0,15 мм). Їхня номінальна потужність становить лише 20 мВт і використовується лише для схем, які розсіюють дуже невелику потужність і мають надзвичайно обмежений розмір. Менший метричний резистор 0201 пакет (0,2 мм x 0,1 мм) випущено, але ще не запущено у виробництво. Але навіть якщо вони з’являться в каталозі виробника, не чекайте, що вони будуть всюди: більшість роботів-підбирачів недостатньо точні впоратися з ними, тому вони все ще можуть бути нішевими продуктами.
Конденсатори також можна зменшити, але це призведе до зменшення їх ємності. Формула для розрахунку ємності шунтового конденсатора така: де A — площа плати, d — відстань між ними, ε — діелектрична проникність (властивість проміжного матеріалу). Якщо конденсатор (в основному плоский пристрій) мініатюрний, площа повинна бути зменшена, тим самим зменшуючи ємність. Якщо ви все ще хочете упакувати багато нафари в невеликий об'єм, єдиний варіант полягає в складанні кількох шарів разом. Завдяки прогресу в матеріалах і виробництві, які також зробили можливим тонкі плівки (з малим d) і спеціальні діелектрики (з більшим ε), розмір конденсаторів значно зменшився за останні кілька десятиліть.
Найменший доступний на сьогодні конденсатор знаходиться в надмалому метричному корпусі 0201: лише 0,25 мм x 0,125 мм. Їхня ємність обмежена все ще корисними 100 нФ, а максимальна робоча напруга становить 6,3 В. Крім того, ці корпуси дуже маленькі та потрібне сучасне обладнання для їх обробки, що обмежує їх широке застосування.
Для індукторів історія трохи складна. Індуктивність прямої котушки визначається як, де N — кількість витків, A — площа поперечного перерізу котушки, l — її довжина, а μ — постійна матеріалу (проникність). Якщо всі розміри зменшити вдвічі, індуктивність також зменшиться вдвічі. Однак опір дроту залишається незмінним: це тому, що довжина та поперечний переріз дроту зменшуються до чверть початкового значення. Це означає, що ви отримаєте той самий опір у половині індуктивності, тож добротність (Q) котушки зменшується вдвічі.
Найменший комерційно доступний дискретний індуктор має розмір дюймів 01005 (0,4 мм x 0,2 мм). Вони досягають 56 нГн і мають опір кілька Ом. Індуктори в надмалому метричному корпусі 0201 були випущені в 2014 році, але мабуть, вони ніколи не були представлені на ринку.
Фізичні обмеження котушок індуктивності було вирішено за допомогою явища, яке називається динамічною індуктивністю, яке можна спостерігати в котушках, виготовлених із графену. Але навіть у цьому випадку, якщо його можна виготовити комерційно життєздатним способом, він може збільшитися на 50%. Нарешті, котушку неможливо добре мініатюризувати. Однак, якщо ваша схема працює на високих частотах, це не обов’язково є проблемою. Якщо ваш сигнал знаходиться в діапазоні ГГц, зазвичай достатньо кількох котушок nH.
Це підводить нас до іншої речі, яка була мініатюризована в минулому столітті, але ви можете не відразу помітити: довжина хвилі, яку ми використовуємо для зв’язку. Ранні радіомовлення використовували середньохвильову частоту AM приблизно 1 МГц з довжиною хвилі приблизно 300 метрів. Смуга частот FM із центром у 100 МГц або 3 метри стала популярною приблизно в 1960-х роках, і сьогодні ми в основному використовуємо зв’язок 4G на частоті 1 або 2 ГГц (приблизно 20 см). Вищі частоти означають більшу пропускну здатність для передачі інформації. Саме завдяки мініатюризації ми маємо дешеві, надійні та енергозберігаючі радіостанції, які працюють на цих частотах.
Зменшення довжини хвилі може призвести до зменшення антени, оскільки їхній розмір безпосередньо пов’язаний із частотою, необхідною для передачі або прийому. Сучасним мобільним телефонам не потрібні довгі виступаючі антени завдяки їх виділеному зв’язку на частотах ГГц, для яких антена має бути лише приблизно один раз. Ось чому більшість мобільних телефонів, які все ще містять FM-приймачі, вимагають підключати навушники перед використанням: радіо має використовувати дріт навушників як антену, щоб отримати достатню потужність сигналу від цих хвиль довжиною в один метр.
Що стосується схем, підключених до наших мініатюрних антен, коли вони менші, їх насправді стає легше виготовити. Це не лише тому, що транзистори стали швидшими, але й тому, що ефекти лінії передачі більше не є проблемою. Коротше кажучи, коли довжина дроту перевищує одну десяту довжини хвилі, вам потрібно враховувати фазовий зсув уздовж його довжини при проектуванні схеми. На частоті 2,4 ГГц це означає, що лише один сантиметр дроту вплинув на ваше коло; Якщо спаяти окремі компоненти разом, це головний біль, але якщо розкласти схему на кілька квадратних міліметрів, це не проблема.
Прогнозування загибелі закону Мура або доведення того, що ці прогнози знову й знову помилкові, стало постійною темою в науково-технічній журналістиці. Факт залишається фактом: Intel, Samsung і TSMC, три конкуренти, які все ще залишаються на передовій гри, продовжують стискати більше функцій на квадратний мікрометр і планують представити кілька поколінь покращених чіпів у майбутньому. Незважаючи на те, що прогрес, досягнутий на кожному кроці, може бути не таким великим, як два десятиліття тому, мініатюризація транзисторів продовжується.
Однак для дискретних компонентів ми, схоже, досягли природної межі: зменшення їх розміру не покращує їхню продуктивність, а найменші доступні наразі компоненти є меншими, ніж вимагає більшість випадків використання. Здається, для дискретних пристроїв не існує закону Мура, але якщо існує закон Мура, ми хотіли б побачити, наскільки одна людина може просунути виклик спаювання SMD.
Я завжди хотів сфотографувати резистор PTH, який використовував у 1970-х роках, і поставити на нього SMD-резистор, так само як зараз міняю його. Моя мета — зробити моїх братів і сестер (жоден із них не електронні продукти), скільки змін, у тому числі я навіть бачу частини своєї роботи (оскільки мій зір погіршується, мої руки погіршуються, тремтять).
Я люблю говорити, разом це чи ні. Я справді ненавиджу «покращувати, ставати краще». Іноді ваш макет працює добре, але ви більше не можете отримати частини. Що це, в біса?. Хороша концепція є хорошою концепцією, і краще залишити її такою, як вона є, а не вдосконалювати без причини. Гант
«Факт залишається фактом: три компанії Intel, Samsung і TSMC все ще конкурують в авангарді цієї гри, постійно вичавлюючи більше функцій на квадратний мікрометр»,
Електронні компоненти великі та дорогі. У 1971 році середня родина мала лише кілька радіоприймачів, стереосистему та телевізор. До 1976 року з’явилися комп’ютери, калькулятори, цифрові годинники та годинники, які були невеликими та недорогими для споживачів.
Деяка мініатюризація походить від дизайну. Операційні підсилювачі дозволяють використовувати гиратори, які в деяких випадках можуть замінити великі котушки індуктивності. Активні фільтри також усувають котушки індуктивності.
Більші компоненти сприяють іншим речам: мінімізації схеми, тобто спробі використати найменшу кількість компонентів, щоб схема працювала. Сьогодні нас це не хвилює. Потрібно щось, щоб змінити сигнал? Візьміть операційний підсилювач. Вам потрібен кінцевий автомат? Візьміть mpu тощо. Компоненти сьогодні справді малі, але всередині їх насправді багато. Тож розмір вашої схеми збільшується, а споживання енергії зростає. Транзистор, який використовується для інвертування сигналу, споживає менше енергії, щоб виконує ту саму роботу, що й операційний підсилювач. Але знову ж таки, мініатюризація подбає про використання потужності. Просто інновації пішли в іншому напрямку.
Ви справді пропустили деякі з найбільших переваг/причин зменшення розміру: зменшення пакетів-паразитів і збільшення потужності (що виглядає нелогічно).
З практичної точки зору, як тільки розмір елемента досягне приблизно 0,25u, ви досягнете рівня ГГц, тоді великий пакет SOP почне виробляти найбільший* ефект. Довгі з’єднувальні дроти та ці виводи зрештою вб’ють вас.
На даний момент продуктивність пакетів QFN/BGA значно покращилася. Крім того, коли ви монтуєте упаковку пласко таким чином, ви отримуєте *значно* кращі теплові характеристики та відкриті колодки.
Крім того, Intel, Samsung і TSMC, безумовно, відіграватимуть важливу роль, але ASML може бути набагато важливішим у цьому списку. Звичайно, це може не стосуватися пасивного стану…
Йдеться не лише про зменшення витрат на кремній за допомогою технологічних вузлів наступного покоління. Інші речі, такі як сумки. Менші пакети вимагають менше матеріалів і wcsp або навіть менше. Менші пакети, менші друковані плати або модулі тощо.
Я часто бачу продукти з каталогу, де єдиним рушійним фактором є зниження вартості. Розмір МГц/пам’яті той самий, функція SOC і розташування контактів однакові. Ми можемо використовувати нові технології для зменшення енергоспоживання (зазвичай це не безкоштовно, тому мають бути певні конкурентні переваги, які цікавлять клієнтів)
Однією з переваг великих компонентів є антирадіаційний матеріал. Маленькі транзистори більш сприйнятливі до впливу космічних променів у цій важливій ситуації. Наприклад, у космосі та навіть у високогірних обсерваторіях.
Я не бачу основної причини для збільшення швидкості. Швидкість сигналу становить приблизно 8 дюймів на наносекунду. Тож за рахунок зменшення розміру можна отримати швидші мікросхеми.
Ви можете перевірити свою власну математику, обчисливши різницю в затримці розповсюдження через зміни упаковки та зменшені цикли (1/частота). Тобто зменшити затримку/період фракцій. Ви побачите, що це навіть не відображається як коефіцієнт округлення.
Одне, що я хочу додати, це те, що багато мікросхем, особливо застарілих конструкцій і аналогових чіпів, насправді не зменшені, принаймні внутрішньо. Завдяки вдосконаленню автоматизованого виробництва упаковки стали меншими, але це тому, що DIP-пакети зазвичай мають багато залишився простір всередині, а не тому, що транзистори тощо стали меншими.
На додаток до проблеми зробити робота достатньо точним, щоб фактично обробляти крихітні компоненти у високошвидкісних програмах підбору й розміщення, ще однією проблемою є надійне зварювання крихітних компонентів. Особливо, коли вам все ще потрібні більші компоненти через вимоги до потужності/ємності. Використання спеціальна паяльна паста, шаблони зі спеціальною покроковою пастою (нанесіть невелику кількість паяльної пасти там, де це необхідно, але все одно забезпечте достатньо паяльної пасти для великих компонентів) почали ставати дуже дорогими. Тому я думаю, що є плато та подальша мініатюризація схеми Рівень плати – це лише дорогий і можливий спосіб. На цьому етапі ви можете також зробити більше інтеграції на рівні кремнієвих пластин і спростити кількість окремих компонентів до абсолютного мінімуму.
Ви побачите це на своєму телефоні. Приблизно в 1995 році я купив кілька перших мобільних телефонів на гаражних розпродажах за кілька доларів за штуку. Більшість мікросхем мають наскрізний отвір. Впізнаваний процесор і компандер NE570, велика багаторазова мікросхема.
Тоді я отримав кілька оновлених кишенькових телефонів. Компонентів дуже мало й майже нічого знайомого. У невеликій кількості мікросхем не лише вища щільність, але й прийнято новий дизайн (див. SDR), який усуває більшість дискретні компоненти, які раніше були незамінними.
> (Нанесіть невелику кількість паяльної пасти, де це необхідно, але забезпечте достатньо паяльної пасти для великих компонентів)
Привіт, я уявив шаблон «3D/Wave», щоб вирішити цю проблему: тонший там, де найменші компоненти, і товщий там, де ланцюг живлення.
Зараз компоненти SMT дуже малі, ви можете використовувати реальні дискретні компоненти (а не 74xx та інше сміття), щоб створити свій власний процесор і надрукувати його на друкованій платі. Посипте його світлодіодом, ви побачите, як він працює в режимі реального часу.
З роками я, звичайно, ціную швидкий розвиток складних і малих компонентів. Вони забезпечують величезний прогрес, але водночас вони додають новий рівень складності до ітераційного процесу прототипування.
Швидкість налаштування та моделювання аналогових схем набагато швидша, ніж те, що ви робите в лабораторії. У міру того, як частота цифрових схем зростає, друкована плата стає частиною зборки. Наприклад, ефекти лінії передачі, затримка поширення. Прототип будь-якого різання- крайні технології найкраще витратити на те, щоб правильно завершити дизайн, а не на коригування в лабораторії.
Що стосується товарів для хобі, оцінка. Плати та модулі є рішенням для усадочних компонентів і модулів попереднього тестування.
Це може призвести до втрати «забави», але я думаю, що змусити ваш проект працювати вперше може бути більш значущим через роботу чи хобі.
Я перетворював деякі конструкції з наскрізних отворів на SMD. Виготовляйте дешевші продукти, але це не весело створювати прототипи вручну. Одна маленька помилка: «паралельне місце» слід читати як «паралельна пластина».
Ні. Після перемоги системи археологи все ще будуть збентежені її відкриттями. Хто знає, можливо, у 23 столітті Планетарний Альянс прийме нову систему…
Я не можу погодитися. Який розмір 0603? Звичайно, зберегти 0603 як імперський розмір і «назвати» 0603 метричний розмір 0604 (або 0602) не так вже й складно, навіть якщо це технічно неправильно (тобто: фактичний відповідний розмір - не так). Строгий), але принаймні всі будуть знати, про яку технологію ви говорите (метрична/імперська)!
«Загалом, пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори та котушки індуктивності, не стануть кращими, якщо ви зробите їх меншими».