новини

Може би след закона на Ом, вторият най-известен закон в електрониката е законът на Мур: Броят на транзисторите, които могат да бъдат произведени на интегрална схема, се удвоява на всеки две години. Тъй като физическият размер на чипа остава приблизително същият, това означава, че отделните транзистори ще стават по-малки с времето. Започнахме да очакваме ново поколение чипове с по-малки размери на функциите да се появят с нормална скорост, но какъв е смисълът да правим нещата по-малки? По-малкото винаги ли означава по-добро?
През миналия век електронното инженерство постигна огромен напредък. През 20-те години на миналия век най-модерните AM радиостанции се състоят от няколко вакуумни тръби, няколко огромни индуктора, кондензатори и резистори, десетки метри проводници, използвани като антени, и голям комплект батерии за захранване на цялото устройство. Днес можете да слушате повече от дузина услуги за стрийминг на музика на устройството в джоба си и можете да правите повече. Но миниатюризацията не е само за преносимост: тя е абсолютно необходима, за да постигнем производителността, която очакваме от нашите устройства днес.
Едно очевидно предимство на по-малките компоненти е, че те ви позволяват да включите повече функционалност в същия обем. Това е особено важно за цифровите схеми: повече компоненти означават, че можете да извършите повече обработка за същото време. Например, на теория количеството информация, обработено от 64-битов процесор, е осем пъти по-голямо от това на 8-битов процесор, работещ на същата тактова честота. Но също така изисква осем пъти повече компоненти: регистрите, суматорите, шините и т.н. са осем пъти по-големи. Така че или имате нужда от чип, който е осем пъти по-голям, или имате нужда от транзистор, който е осем пъти по-малък.
Същото важи и за чиповете с памет: като правите по-малки транзистори, имате повече място за съхранение в същия обем. Пикселите в повечето дисплеи днес са направени от тънкослойни транзистори, така че има смисъл да ги намалите и да постигнете по-високи разделителни способности. Въпреки това, колкото по-малък е транзисторът, толкова по-добре и има още една важна причина: тяхната производителност е значително подобрена. Но защо точно?
Всеки път, когато направите транзистор, той ще предостави някои допълнителни компоненти безплатно. Всеки терминал има последователно свързан резистор. Всеки обект, който носи ток, има и самоиндукция. И накрая, има капацитет между всеки два проводника, разположени един срещу друг. Всички тези ефекти консумират енергия и забавят скоростта на транзистора. Паразитните капацитети са особено обезпокоителни: транзисторите трябва да се зареждат и разреждат всеки път, когато се включват или изключват, което изисква време и ток от захранването.
Капацитетът между два проводника е функция на техния физически размер: по-малък размер означава по-малък капацитет. И тъй като по-малките кондензатори означават по-високи скорости и по-ниска мощност, по-малките транзистори могат да работят на по-високи тактови честоти и да разсейват по-малко топлина при това.
Докато намалявате размера на транзисторите, капацитетът не е единственият ефект, който се променя: има много странни квантово-механични ефекти, които не са очевидни за по-големите устройства. Въпреки това, най-общо казано, правенето на транзистори по-малки ще ги направи по-бързи. Но електронните продукти са нещо повече от транзистори. Когато намалите други компоненти, как се представят?
Най-общо казано, пасивните компоненти като резистори, кондензатори и индуктори няма да се подобрят, когато станат по-малки: в много отношения те ще се влошат. Следователно, миниатюризацията на тези компоненти е главно за да могат да бъдат компресирани в по-малък обем, като по този начин спестяват място на печатни платки.
Размерът на резистора може да бъде намален, без да се причиняват твърде големи загуби. Съпротивлението на парче материал се дава от, където l е дължината, A е площта на напречното сечение и ρ е съпротивлението на материала. Можете просто да намалите дължината и напречното сечение и да получите физически по-малък резистор, но все пак със същото съпротивление. Единственият недостатък е, че когато разсейват същата мощност, физически по-малките резистори ще генерират повече топлина от по-големите резистори. Следователно малките резистори могат да се използват само в схеми с ниска мощност. Тази таблица показва как максималната номинална мощност на SMD резисторите намалява с намаляване на техния размер.
Днес най-малкият резистор, който можете да закупите, е метричният размер 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Номиналната им мощност е само 20 mW и се използват само за вериги, които разсейват много малко мощност и са изключително ограничени по размер. По-малък метричен пакет 0201 (0,2 mm x 0,1 mm) е пуснат, но все още не е пуснат в производство. Но дори и да се появят в каталога на производителя, не очаквайте да са навсякъде: повечето роботи за избиране и поставяне не са достатъчно точни, за да се справят с тях, така че все още може да са нишови продукти.
Кондензаторите също могат да бъдат намалени, но това ще намали капацитета им. Формулата за изчисляване на капацитета на шунтов кондензатор е, където A е площта на платката, d е разстоянието между тях, а ε е диелектричната константа (свойството на междинния материал). Ако кондензаторът (по принцип плоско устройство) е миниатюризиран, площта трябва да бъде намалена, като по този начин се намалява капацитетът. Ако все пак искате да опаковате много нафара в малък обем, единствената възможност е да подредите няколко слоя заедно. Благодарение на напредъка в материалите и производството, които също направиха възможни тънки филми (с малък d) и специални диелектрици (с по-голямо ε), размерът на кондензаторите се сви значително през последните няколко десетилетия.
Най-малкият наличен днес кондензатор е в ултрамалък метричен корпус 0201: само 0,25 mm x 0,125 mm. Капацитетът им е ограничен до все още полезните 100 nF, а максималното работно напрежение е 6,3 V. Освен това тези пакети са много малки и изискват усъвършенствано оборудване, за да се справят с тях, което ограничава широкото им приемане.
За индукторите историята е малко трудна. Индуктивността на права намотка се дава от, където N е броят на навивките, A е площта на напречното сечение на намотката, l е нейната дължина и μ е константата на материала (пропускливост). Ако всички размери се намалят наполовина, индуктивността също ще намалее наполовина. Съпротивлението на проводника обаче остава същото: това е така, защото дължината и напречното сечение на проводника са намалени до една четвърт от първоначалната му стойност. Това означава, че в крайна сметка получавате същото съпротивление в половината от индуктивността, така че намалявате наполовина качествения фактор (Q) на бобината.
Най-малкият предлаган в търговската мрежа дискретен индуктор приема инчов размер 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Те достигат до 56 nH и имат съпротивление от няколко ома. Индукторите в ултрамалък метричен корпус 0201 бяха пуснати през 2014 г., но очевидно никога не са били представени на пазара.
Физическите ограничения на индукторите са решени чрез използване на феномен, наречен динамична индуктивност, който може да се наблюдава в намотки, направени от графен. Но дори и така, ако може да се произведе по търговски жизнеспособен начин, може да се увеличи с 50%. И накрая, намотката не може да бъде миниатюризирана добре. Въпреки това, ако вашата верига работи на високи честоти, това не е непременно проблем. Ако вашият сигнал е в диапазона GHz, няколко nH намотки обикновено са достатъчни.
Това ни води до друго нещо, което е миниатюризирано през миналия век, но може да не забележите веднага: дължината на вълната, която използваме за комуникация. Ранните радиопредавания използваха средна вълна AM честота от около 1 MHz с дължина на вълната около 300 метра. FM честотната лента, центрирана на 100 MHz или 3 метра, стана популярна около 60-те години на миналия век и днес използваме главно 4G комуникации около 1 или 2 GHz (около 20 см). По-високите честоти означават повече капацитет за предаване на информация. Именно поради миниатюризацията имаме евтини, надеждни и енергоспестяващи радиостанции, които работят на тези честоти.
Намаляването на дължините на вълните може да свие антените, тъй като техният размер е пряко свързан с честотата, която трябва да предават или приемат. Днешните мобилни телефони не се нуждаят от дълги изпъкнали антени, благодарение на тяхната специална комуникация на GHz честоти, за които антената трябва да е дълга само около един сантиметър. Ето защо повечето мобилни телефони, които все още имат FM приемници, изискват да включите слушалките преди употреба: радиото трябва да използва кабела на слушалката като антена, за да получи достатъчно сила на сигнала от тези вълни с дължина един метър.
Що се отнася до веригите, свързани с нашите миниатюрни антени, когато са по-малки, всъщност стават по-лесни за правене. Това е не само защото транзисторите са станали по-бързи, но и защото ефектите от предавателната линия вече не са проблем. Накратко, когато дължината на проводника надвишава една десета от дължината на вълната, трябва да вземете предвид фазовото изместване по дължината му, когато проектирате веригата. При 2,4 GHz това означава, че само един сантиметър проводник е засегнал вашата верига; ако запоявате отделни компоненти заедно, това е главоболие, но ако разположите веригата на няколко квадратни милиметра, това не е проблем.
Прогнозирането на края на закона на Мур или показването, че тези прогнози са грешни отново и отново, се превърна в повтаряща се тема в научната и технологична журналистика. Остава фактът, че Intel, Samsung и TSMC, тримата конкуренти, които все още са в челните редици на играта, продължават да компресират повече функции на квадратен микрометър и планират да представят няколко поколения подобрени чипове в бъдеще. Въпреки че напредъкът, който са постигнали на всяка стъпка, може да не е толкова голям, колкото преди две десетилетия, миниатюризацията на транзисторите продължава.
За отделните компоненти обаче изглежда сме достигнали естествено ограничение: намаляването им не подобрява тяхната производителност, а най-малките налични компоненти в момента са по-малки, отколкото изискват повечето случаи на употреба. Изглежда, че няма закон на Мур за дискретни устройства, но ако има закон на Мур, бихме искали да видим доколко един човек може да прокара предизвикателството за запояване на SMD.
Винаги съм искал да направя снимка на PTH резистор, който използвах през 70-те години на миналия век, и да сложа SMD резистор върху него, точно както сега го сменям. Моята цел е да накарам моите братя и сестри (нито един от тях не е електронен продукт) колко промени, включително дори мога да виждам частите от работата си (тъй като зрението ми се влошава, ръцете ми се влошават и треперят).
Обичам да казвам заедно или не. Наистина мразя „подобрете, подобрете“. Понякога оформлението ви работи добре, но вече не можете да получите части. Какво по дяволите е това? . Добрата концепция си е добра концепция и е по-добре да я запазите такава, каквато е, вместо да я подобрявате без причина. Гант
„Остава фактът, че трите компании Intel, Samsung и TSMC все още се състезават в челните редици на тази игра, като постоянно изтръгват повече функции на квадратен микрометър,“
Електронните компоненти са големи и скъпи. През 1971 г. средностатистическото семейство има само няколко радиоапарата, музикална уредба и телевизор. До 1976 г. се появяват компютри, калкулатори, цифрови часовници, които са малки и евтини за потребителите.
Известна миниатюризация идва от дизайна. Операционните усилватели позволяват използването на жиратори, които в някои случаи могат да заменят големи индуктори. Активните филтри също елиминират индукторите.
По-големите компоненти насърчават други неща: минимизиране на веригата, тоест опит да се използват най-малко компоненти, за да може веригата да работи. Днес не ни пука толкова много. Нуждаете се от нещо, което да обърне сигнала? Вземете операционен усилвател. Имате ли нужда от държавна машина? Вземете mpu. и т.н. Компонентите днес са наистина малки, но всъщност има много компоненти вътре. Така че основно размерът на вашата верига се увеличава и консумацията на енергия се увеличава. Транзистор, използван за инвертиране на сигнал, използва по-малко енергия, за да изпълни същата задача, отколкото операционен усилвател. Но отново, миниатюризацията ще се погрижи за използването на мощността. Просто иновациите тръгнаха в друга посока.
Наистина сте пропуснали някои от най-големите предимства/причини за намаления размер: намалени паразитни пакети и повишена работа с мощност (което изглежда контраинтуитивно).
От практическа гледна точка, след като размерът на функцията достигне около 0,25u, вие ще достигнете нивото на GHz, по което време големият SOP пакет започва да произвежда най-голям* ефект. Дългите свързващи проводници и тези проводници в крайна сметка ще ви убият.
Към този момент QFN/BGA пакетите са значително подобрени по отношение на производителността. В допълнение, когато монтирате пакета плосък по този начин, в крайна сметка получавате *значително* по-добри топлинни характеристики и открити подложки.
Освен това Intel, Samsung и TSMC със сигурност ще играят важна роля, но ASML може да е много по-важен в този списък. Разбира се, това може да не се отнася за страдателния залог...
Не става въпрос само за намаляване на разходите за силиций чрез процесни възли от следващо поколение. Други неща, като чанти. По-малките пакети изискват по-малко материали и wcsp или дори по-малко. По-малки пакети, по-малки печатни платки или модули и т.н.
Често виждам някои каталожни продукти, при които единственият движещ фактор е намаляването на разходите. MHz/размерът на паметта е същият, SOC функцията и разположението на щифтовете са същите. Може да използваме нови технологии, за да намалим консумацията на енергия (обикновено това не е безплатно, така че трябва да има някои конкурентни предимства, за които клиентите се интересуват)
Едно от предимствата на големите компоненти е антирадиационният материал. Малките транзистори са по-податливи на въздействието на космическите лъчи в тази важна ситуация. Например в космоса и дори в обсерватории на голяма надморска височина.
Не виждам основна причина за увеличаване на скоростта. Скоростта на сигнала е приблизително 8 инча за наносекунда. Така че само чрез намаляване на размера са възможни по-бързи чипове.
Може да искате да проверите собствената си математика, като изчислите разликата в забавянето на разпространението поради промени в опаковката и намалени цикли (1/честота). Това е да се намали забавянето/периода на фракциите. Ще откриете, че дори не се показва като фактор за закръгляване.
Едно нещо, което искам да добавя е, че много интегрални схеми, особено по-стари дизайни и аналогови чипове, всъщност не са намалени, поне вътрешно. Поради подобренията в автоматизираното производство пакетите са станали по-малки, но това е така, защото DIP пакетите обикновено имат много оставащо пространство вътре, а не защото транзисторите и т.н. са станали по-малки.
В допълнение към проблема да направим робота достатъчно точен, за да може действително да обработва малки компоненти при високоскоростни приложения за вземане и поставяне, друг проблем е надеждното заваряване на малки компоненти. Особено когато все още се нуждаете от по-големи компоненти поради изисквания за мощност/капацитет. Използването на специална паста за запояване, специални стъпаловидни шаблони за паста за запояване (нанесете малко количество паста за запояване, където е необходимо, но все още осигурявайте достатъчно паста за запояване за големи компоненти) започнаха да стават много скъпи. Така че мисля, че има плато и по-нататъшната миниатюризация на ниво платка е просто скъп и осъществим начин. На този етап можете също така да направите повече интеграция на ниво силиконова пластина и да опростите броя на отделните компоненти до абсолютния минимум.
Ще видите това на телефона си. Около 1995 г. купих няколко ранни мобилни телефона от гаражни разпродажби за няколко долара всеки. Повечето интегрални схеми са с отвор. Разпознаваем CPU и компандер NE570, голяма IC за многократна употреба.
След това се сдобих с няколко актуализирани ръчни телефона. Има много малко компоненти и почти нищо познато. В малък брой интегрални схеми не само плътността е по-висока, но също така е възприет нов дизайн (виж SDR), който елиминира повечето от дискретните компоненти, които преди са били незаменими.
> (Нанесете малко количество спояваща паста, където е необходимо, но все пак осигурете достатъчно спояваща паста за големи компоненти)
Хей, представих си шаблона „3D/Wave“, за да реша този проблем: по-тънък там, където са най-малките компоненти, и по-дебел там, където е захранващата верига.
В днешно време SMT компонентите са много малки, можете да използвате реални дискретни компоненти (не 74xx и други боклуци), за да проектирате свой собствен CPU и да го отпечатате на PCB. Поръсете го с LED, можете да го видите да работи в реално време.
През годините със сигурност оценявам бързото развитие на сложни и малки компоненти. Те осигуряват огромен напредък, но в същото време добавят ново ниво на сложност към итеративния процес на създаване на прототипи.
Скоростта на настройка и симулация на аналоговите схеми е много по-бърза от това, което правите в лабораторията. Тъй като честотата на цифровите схеми се повишава, печатната платка става част от модула. Например ефекти на предавателна линия, забавяне на разпространението. Прототипирането на всяка авангардна технология е най-добре изразходвано за правилното завършване на дизайна, вместо да се правят корекции в лабораторията.
Що се отнася до артикулите за хоби, оценка. Платките и модулите са решение за свиващи се компоненти и модули за предварително тестване.
Това може да накара нещата да загубят „забавлението“, но мисля, че стартирането на вашия проект за първи път може да е по-смислено поради работа или хобита.
Преобразувах някои дизайни от сквозни отвори в SMD. Правете по-евтини продукти, но не е забавно да създавате прототипи на ръка. Една малка грешка: „успоредно място“ трябва да се чете като „успоредна плоча“.
Не. След като една система победи, археолозите все още ще бъдат объркани от нейните открития. Кой знае, може би през 23 век Планетарният съюз ще приеме нова система...
Не мога да се съглася повече. Какъв е размерът на 0603? Разбира се, запазването на 0603 като имперски размер и „извикването“ на 0603 метричния размер 0604 (или 0602) не е толкова трудно, дори ако може да е технически неправилно (т.е. действително съответстващ размер - не по този начин) така или иначе. Строго), но поне всеки ще знае за каква технология говориш (метрична/имперска)!
„Общо казано, пасивните компоненти като резистори, кондензатори и индуктори няма да станат по-добри, ако ги направите по-малки.“