Последние новинки в электронике и электротехнике. Обзор нанотехнологий

Лазерные чипы, гибкие печатные схемы, мемристоры и другие чудеса техники уже совсем рядом! Представьте себе мир, в котором электронные устройства заряжают себя сами, музыкальные плееры, способные проиграть всю вашу аудиоколлекцию, самовосстанавливающиеся батареи и чипы, изменяющие свои возможности «на лету». Судя по тому, над чем сегодня работают американские исследовательские лаборатории, все это не только возможно, но и перспективно.

«Следующие пять лет станут действительно впечатляющим периодом в развитии электроники, — говорит Дэвид Сейлер (David Seiler), глава подразделения полупроводниковой электроники коммерческого отдела Национального института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в Гейтерсберге, штат Мерилэнд. - Множество вещей, которые сегодня кажутся далекой фантастикой, получат повсеместное распространение».

Итак, вы готовы начать путешествие в будущее электроники? Многие из идей, о которых мы расскажем сегодня, могут выглядеть фантастически, некоторые покажутся лишенными здравого смысла, но все их объединяет то, что они уже были опробованы в лабораториях и имеют все шансы превратиться в коммерческие продукты в ближайшие 5 лет.

Основная тема этой статьи - новые разработки в области микропроцессорной техники - от процессоров, передающих данные с помощью лазеров, заменяющих провода, до схем, выполненных на основе новых материалов, которые придут на смену традиционному кремнию. Эти технологии могут стать строительным материалом для множества новых инновационных продуктов, некоторые из которых мы даже не можем себе представить сегодня.

Чипы без проводов: лазерное соединение

При ближайшем рассмотрении можно увидеть, что типичный микропроцессор содержит миллионы тонких проводов, которые тянутся во все направления, соединяя активные элементы. Заглянув под поверхность вы найдете еще раз в пять больше проводов. Юрген Мишель (Jurgen Michel), ученый из Центра микрофотоники при Массачусетском технологическом институте в Кембридже (MIT"s Microphotonics Center in Cambridge), намерен заменить все эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.

«По мере увеличения числа ядер и компонентов в процессорах соединительные провода переполняются данными и становятся слабым каналом связи. Использование фотонов вместо электронов позволяет улучшить ситуацию», — объясняет Мишель.

Перемещая данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в 100 раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью. Так же, как оптоволоконные линии улучшили эффективность телефонных звонков, использование лазеров в микропроцессорах может поднять обработку данных на небывалые высоты.

Самое приятное, что система Массачусетского технологического института не требует применения внутри процессоров огромного количества тоненьких кабелей. Вместо этого чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.

Сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонентами, известное как кремниевая фотоника, может сделать компьютеры более экологичными - дружественными для окружающей среды. И все потому, что лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство.

«Оптоэлектроника - это настоящий святой Грааль, — говорит Сейлер. - Она позволяет расширить возможности электроники и предоставляет при этом отличный способ снизить энергопотребление, поскольку не содержит проводов, которые являются настоящими теплорадиаторами для окружающего пространства».

В феврале 2010 года Мишель и его коллеги, Лайонел Кимерлинг (Lionel Kimerling) и Джифенг Лиу (Jifeng Liu), успешно создали и протестировали действующую схему, использующую для передачи данных встроенный германиевый лазер. В новом чипе была достигнута скорость передачи данных свыше 1 ТБ/с, что на два порядка быстрее, чем позволяют лучшие современные чипы с проводными соединениями.

Новый чип был создан с использованием современных технологий производства полупроводников с некоторыми дополнениями, поэтому Мишель считает, что переход к использованию чипов на основе лазерных соединений состоится уже в ближайшие пять лет. Если дальнейшие тесты пройдут успешно, MIT лицензирует технологию производства. Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2015 году.

Более того, к 2015 году ожидается появление компьютеров с 64-ядерными процессорами, ядра которых будут работать независимо и одновременно.

«Соединять их при помощи проводов - тупиковый путь, — говорит Мишель. - Использование германиевого лазера имеет грандиозный потенциал и большое преимущество».

Новейшие схемы: мемристоры

Ваш MP3-плеер переполнен любимыми музыкальными композициями и вы чувствуете себя сродни убийце, удаляя тот или иной трек? В таком случае мемристоры могут прийти как раз вовремя.

Это первые фундаментально новые электронные компоненты после создания в 50-х годах прошлого века кремниевых транзисторов. Мемристоры являются более скоростной, долговечной и потенциально более дешевой альтернативой флэш-памяти. А еще они в два раза более емкие - настоящее раздолье для любителей музыки.

«Если сегодня мы решим пересмотреть технологию производства компьютеров, мы просто обязаны использовать мемристорную память, считает Р. Стенли Уильямс (R. Stanley Williams), ведущий исследователь и глава группы квантовых исследований (Quantum Science Research, QSR) HP Labs в Пало-Альто, Калифорния. - Это фундаментальная структура для будущей электроники».

Мемристор - другими словами, резистор с памятью, — впервые упомянул профессор Калифорнийского университета Леон Чу (Leon Chua) еще в 1971 году. Но мемристорные прототипы HP Labs не демонстрировались публично вплоть до 2008 года.

Для создания мемристоров HP использует чередующиеся слои диоксида титана и платины. Под электронным микроскопом они выглядят как серии длинных параллельных выступов. Ниже под прямым углом расположен такой же слой, образуя «кубики» с размерами ячеек 2 х 3 нм.

Ключевой момент состоит в том, что любые два соседних провода можно соединить с электрическим переключателем под поверхностью, создавая ячейку памяти. Изменяя напряжение, прилагаемое к «кубикам», ученые могут открывать и закрывать крошечные электронные переключатели, сохраняя данные, как в традиционных чипах флэш-памяти.

Новый тип памяти получил название ReRAM (Resistive Random Access Memory). Такие чипы не только позволяют сохранить в два раза больше данных, чем флэш, но и работают в 1 000 раз быстрее, а также выдерживают до 1 000 000 циклов перезаписи, по сравнению со 100 000 циклов перезаписи у стандартной флэш-памяти. Кроме того, ReRAM читает и записывает данные на сравнимых скоростях, тогда как флэш-памяти требуется намного больше времени для записи данных, чем для их чтения.

HP и южнокорейская компания Hynix заключили договор о сотрудничестве с целью наладить массовое производство чипов ReRAM, которые смогут найти применения во многих портативных устройствах, таких как мультимедийные плееры. А ведь это означает терабайты музыкальных треков, видео и электронных книг! Первые продукты с новыми чипами памяти ожидают на рынке в 2013 году.

ReRAM также придет на смену динамической оперативной памяти в компьютерах. Поскольку ReRAM энергонезависима, она не будет терять информацию при выключении системы и не будет расходовать электроэнергию, в отличие от DRAM. По мнению Уильямса, грядет эра мгновенной обработки данных. Сегодня пользователи чаще не выключают компьютеры, а отправляют их в спящий режим. Но все равно для «пробуждения» компьютерной технике требуется от нескольких секунд до минуты, и лишь после этого доступ к данным будет восстановлен. Устройства, использующие ReRAM, возвращаются в рабочее состояние мгновенно.

Более того, по словам Уильямса, есть возможность размещать массивы мемристоров внутри чипа один над другим. Это путь к созданию 3D-памяти, которая позволит более рационально использовать пространство внутри чипа, вмещать гораздо больше памяти в одинаковый физический объем.

«Не существует фундаментальных ограничений на количество слоев, которые мы можем произвести, — объясняет Уильямс. - В ближайшие 10 лет мы можем создать чипы с объемом памяти в петабайт». Это миллион гигабайтов памяти, его достаточно для хранения видео высокой четкости, которого хватило бы на год просмотра. При этом размеры самого чипа не превышают размеров человеческого ногтя.

«Память - это только одна из возможностей применения мемристоров, но далеко не единственная. У этой технологии гигантский потенциал», — считает Сейлер.

В ближайшие 20 лет дизайн компьютеров может быть пересмотрен. В 2010 году исследователи из HP обнаружили, что мемристоры можно использовать для логических вычислений, а не только для хранения данных. Это означает, что, теоретически, обе эти функции можно реализовать на одном чипе.

И опять слово Уильямсу: «Один мемристор способен заменить множество схем, что в свою очередь позволит упростить архитектуру, дизайн и работу компьютеров». Например, один мемристор способен заменить шесть транзисторов, используемых для создания статичных ячеек RAM в кэш-памяти процессора.

По мнению Уильямса, мемристорная технология позволит даже создать искусственные нейронные синапсы, способные имитировать работу мозга. Сегодня это лишь отдаленные перспективы, но главное - в принципе возможные.

«Мемристоры имеют все шансы переписать правила электроники», — говорит Супратик Гуха (Supratik Guha), директор департамента физических наук IBM. Однако, по его мнению, технология требует дальнейшего совершенствования. «Они могут иметь потенциал в качестве элементов памяти, — добавляет он. - Но, как и любая другая технология, здесь следует двигать ползком, прежде чем идти и идти, прежде чем бежать».

Другими словами, мемристорные технологии не появятся неожиданно. Пройдет еще много времени, прежде чем мемристоры станут столь же широко распространенными, как DRAM или флэш-память.

Изменяемые чипы: программируемые слои

От самых скоростных процессоров к самым миниатюрным модулям памяти. Почти все чипы, используемые в современной электронике, имеют одну общую черту: их активные элементы находятся в верхних 1-2% слоя кремния, из которого он сделан.

В ближайшие несколько лет ситуация изменится, так как производители будут стараться втиснуть в вертикальные слои как можно больше компонент. Некоторые производители, такие как Intel, используют технологии склеивания отдельных чипов, а ученые из Университета Рочестера создают многослойные 3D-структуры внутри чипов. Оба подхода являются очень сложными и дорогими.

Вот если бы можно было заставить чипы перестраивать свою схему «по требованию», чтобы иметь несколько слоев активных элементов. Эта идея была воплощена в технологии Spacetime от Tabula и нашла применение в архитектуре чипов ABAX.

Вместо того, чтобы намертво впечатывать в кремний несколько слоев постоянных компонент, ABAX использует перепрограммируемые схемы, которые могут изменять функции в зависимости от требований пользователя. Сегодняшние чипы производителя содержат 8 разных слоев, свойства которых можно изменить в мгновение ока.

«Это выглядит примерно как супермаркет с восемью этажами, — объясняет Стив Тиг (Steve Tieg), глава по технологиям компании Tabula. - Чтобы перемещаться между этажами вы пользуетесь эскалатором». Но вместо того, чтобы создавать восемь отдельных физических этажей с собственной структурой и ассортиментом товаров, Tabula продемонстрировала способ создать единый слой (или этаж), который можно переконфигурировать в зависимости от задач.

«Это можно сравнить с тем, как если бы пока покупатель находится на эскалаторе, кто-то перестраивал бы этаж, чтобы создать нужный уровень с нужными продуктами, — добавляет Тиг. - Обстановка за пределами эскалатора выглядит так, будто покупатель находится на восьмом этаже, но на самом деле этаж один, просто изменившийся в соответствии с его потребностями».

Перепрограммирование чипа в рабочее состояние занимает всего 80 пикосекунд, в 1000 раз быстрее цикла вычислений обычного чипа. Таким образом, слои меняются практически «на лету», пока чип находится в ожидании следующей цепочки команд.

Таким образом, чипы ABAX позволяют сделать больше с меньшими затратами. Сделанные с использованием традиционной технологии производства полупроводников, чипы Tabula ABAX обходятся производителю примерно в ту же сумму, что и производство обычных чипов. Данный дизайн по-прежнему использует только верхние слои чипа, но один слой выполняет функции восьми различных чипов. По словам Тига, технология позволяет увеличить плотность схем в два раза, а память и пропускную способность видео - в 3.5 раза.

Сегодня Tabula сконцентрировала усилия на производстве чипов для специальных целей. Такие чипы - настоящие «рабочие лошадки» нашего времени. Они находят применение, например, в беспроводных маршрутизаторах или оборудовании для вышек сотовой связи.

В дальнейших планах Tabula - наладить производство чипов для популярных электронных устройств - цифровых камер, игровых консолей, а быть может даже и для полноценных компьютеров. Текущий 8-слойный дизайн чипов уже запущен в массовое производство, и сейчас Tabula работает над созданием 12-слойной версии с перспективой увеличения количества слоев до 20.

«Не существует ограничения на количество слоев, которые мы могли бы интегрировать», — отметил Тиг.

От сажи к схемам: графены

На протяжении последних 45 лет количество транзисторов в кремниевых процессорах компьютеров удваивалось каждые два года, доказав, что закон Мура работает так же надежно, как и закон тяготения. По мере того, как активные элементы чипов становились все меньше и дешевле для производства, в конечные устройства их можно было «втиснуть» во все возрастающих количествах, что в свою очередь увеличивало сложность, возможности и… энергопотребление электроники.

Но на самом деле такой путь оказался тупиковым. Ученые пытались поместить в кремниевый чип еще больше транзисторов, но примерно с размеров в 14 нм начались трудности с дальнейшей миниатюризацией элементов. 14 нм - это размер двух молекул гемоглобина в нашей крови или около одной тысячной размера гранулы тальковой пудры.

Вещество под названием графен вдохнуло новую жизнь в закон Мура, доказанный кремниевыми технологиями. Графен представляет собой слой атомов углерода, выстроенных в виде шестиугольных ячеек. Толщина такого слоя - 1 атом. Под электронным микроскопом графен очень похож на соты.

«Он не только странно выглядит, но и обладает необычными свойствами, — говорит Вольт де Гир (Walt de Heer) заведующий нанолабораторией Технологического института Джорджии. - Графен - уникальный материал будущего. Он скоростной, потребляющий мало энергии и из него можно делать самые миниатюрные элементы. Его возможности превосходят кремний, он делает то, что не под силу кремнию. Именно за ним будущее электроники».

Исследователи в области полупроводников экспериментировали с графеном еще с 70-х годов прошлого века. Но до недавнего времени им не удавалось создать ультратонкие слои графеновых шестиугольников. Ученые из Манчестерского университета Андре Гейм (Andre Geim) и Константин Новоселов успешно создали первые графеновые слои в 2004 году (за это и другие достижения в исследовании графенов в 2010 году они были удостоены Нобелевской премии). После этого графеновые технологии начали быстро развиваться.

В начале 2011 года группа де Гира создала графеновые провода - первый большой шаг на пути к созданию микрочипов. Толщины провода около 10 нм удалось добиться путем эпитаксии - наращивания чистого графена на кремниевой основе. (Эпитаксия - процесс наращивания тонкого слоя кристалла на подложке из другого кристалла (субстрате), так что наращиваемый слой повторяет структуру субстрата).

В конце концов, ученым удалось получить электронные структуры, имеющие толщину 1 нм и намного более скоростные, чем кремний. По прогнозам ученых, использование графенов позволит создать процессоры с частотой, измеряемой в терагерцах - это в 20 раз быстрее, чем быстродействие современным кремниевых процессоров.

В следующем году ученые Технологического института Джорджии надеются завершить создание прототипа чипа со встроенным графеном и протестировать возможности использования уникальных свойств этого материала для создания микросхем.

Ученые из IBM создали экспериментальные транзисторы и интегральные схемы на основе графенов, используя стандартные технологии производства полупроводников. По их словам - это можно считать первым шагом на пути к использованию графенов в промышленных масштабах.

«Эта область имеет огромный потенциал, — говорит директор департамента физических наук IBM Супратик Гуха. - Графены найдут применение в военной промышленности и в беспроводных технологиях, кроме того, их можно будет интегрировать с кремнием. Сегодня нужно хорошо потрудиться, чтобы продемонстрировать возможности создания схем усилителей с интегрированными в них высококачественными активными элементами из графена».

По прогнозам, первые продукты, использующие графены, появятся в 2013 году. Поэтому ожидать появления в ближайшее время супер-скоростных ноутбуков с графеновыми процессорами пока преждевременно. Если такая техника и появится, она будет слишком дорогой и сможет найти применение лишь в тех областях, где цена не имеет значения по сравнению с высокими скоростями и низким энергопотреблением.

Также и привычные нам интегральные схемы когда-то были «дорогим удовольствием» и применялись лишь в военной промышленности и для других особых целей. История в этой области такова, что многие вещи являются в мир дорогими и недоступными, а затем становятся дешевыми и общераспространенными. Графены имеют огромный потенциал, предполагается, что они могут стать общедоступными уже в ближайшие 10 лет.

Печатные схемы: бюджетные чипы

Стандартная технология производства полупроводников включает целый ряд сложных этапов, которые проводятся в абсолютно чистом помещении, где нет разрушительной для электроники пыли и загрязняющих веществ. Компания Xerox применяет более простой и дешевый способ производства электроники путем печати схем на пластиковой основе. Технологический процесс подразумевает использование оборудования, которое может стоить тысячи долларов, но не миллиарды, необходимые для развертывания традиционного завода для производства процессоров.

«Обычные электронные элементы - быстрые, маленькие и дорогие, — говорит Дженифер Эрнст (Jennifer Ernst), бывший директор по развитию бизнеса лаборатории Xerox PARC в Пало-Альто, Калифорния. - Печатая их непосредственно на пластик, PARC делает электронные элементы медленными, большими и дешевыми».

Технологический процесс печатания схем, разработанный PARC, требует немногим больших усилий, чем, например, распечатка обычной картинки. Все, что для этого нужно - специальные материалы, вроде серебряных чернил, а сама схема наносится на гибкие полиэтиленовые пластины, а не на хрупкий кремний. В принципе, конечный продукт даже сложно назвать чипом.

Адаптация различных технологий печати, включая впрыскивание чернил, штамповку и трафаретную печать, PARC производит усилители, батареи и переключатели намного менее дорогие, чем произведенные традиционным способом. А недавно компании удалось наладить производство 20-разрядной памяти и контроллеров, которые появятся в продаже уже в следующем году.

Другой интересный проект на основе печатных схем - детектор взрывов, который PARC разработала для Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). Гибкие печатные схемы встраиваются в военные каски, где новые сенсоры измеряют давление, мощность звука, ускорение и освещенность в условиях боевых действий.

Проведя неделю на передовой, солдат возвращается и сдает каску в специальную лабораторию, где полученные данные тщательно анализируются, и врачи делают вывод о возможности наличия травм головного мозга. Такие датчики хорошо выполняют свою работу, а стоят менее $1 по сравнению с $7, в которые обходится один традиционный сенсор.

Конечно же, печатные схемы и близко не способны конкурировать с кремнием, когда речь идет о быстродействии или возможности «упаковать» в малый объем миллиарды транзисторов. Но существует много областей применения, где стоимость гораздо важнее быстродействия. А в начале 2012 года печатные схемы начнут применять в игрушках и электронных играх, требующих простейшей обработки данных - например, синтезаторах речи, а также для управления подушками безопасности в автомобилях.

А уже к 2015 году печатные схемы можно будет найти и в других электронных продуктах - гибких ридерах электронных книг, которые можно будет сворачивать в трубочку наподобие бумажных журналов или для производства одежды из специальных тканей с солнечными элементами, с помощью которой можно будет подзаряжать мобильный телефон или музыкальный плеер.

По прогнозам аналитической фирмы IDTechEx, объемы продаж гибких печатных схем возрастут с $1 млрд в 2010 до $45 млрд в 2016 году. Они найдут применение в широком спектре устройств.

Основой электронных технологий в настоящее время явля­ются полупроводники (semiconductors) - вещества, электропро­водность которых увеличивается с ростом температуры и являет­ся промежуточной между проводимостью металлов и изоляторов.

Наиболее часто используемыми в электронике полупровод­никами являются кремний и германий.На их основе путем вне­дрения примесей в определенных точках кристаллов создаются разнообразные полупроводниковые элементы , к которым, в пер­вую очередь, относятся:

проводники, коммутирующие активные элементы;

вентили, выполняющие логические операции;

транзисторы (полупроводниковые триоды), предназначен­ные для усиления, генерирования и преобразования элек­трического тока;

резисторы, обеспечивающие режимы работы активных эле­ментов;

приборы с зарядовой связью (ПЗС), предназначенные для кратковременного хранения электрического заряда и ис­пользуемые в светочувствительных матрицах видеокамер;

диоды и др.

В настоящее время используется несколько технологий по­строения логических элементов :

транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL);

логика на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП, CMOS);

логика на основе сочетания комплементарных МОП- и би­полярных транзисторов (BiCMOS).

Кроме того, различают:

положительную логику, или систему высоких потенциалов;

отрицательную логику, или систему низких потенциалов;

смешанную .

При положительной логике напряжение высокого уровня со­ответствует логической «1», а при отрицательной логике - «О».

Логические элементы, функционирующие в системе высоких потенциалов, дуальны элементам, работающим в системе низких потенциалов. Например, в системе высоких потенциалов эле­мент реализует функцию «ИЛИ-HE», а в системе низких потен­циалов - «И-НЕ».

Рассмотрим рис. 1.16, на котором достаточно упрощенно представлены транзисторные сборки «И» (последовательно вклю­ченные транзисторы) и «ИЛИ» (параллельное включение). Вход­ные и выходные сигналы «1» представляются высоким уровнем напряжения на коллекторе транзистора (практически равным на­пряжению питания). Сигналу «О», наоборот, соответствует низ­кий уровень выходного напряжения.

Рис. 1.16. Пример реализации сборок «И» (о) и «ИЛИ» (б)

Поскольку, например, в большинстве современных персо­нальных компьютеров напряжение питания составляет 3,3 В (в более ранних версиях, до Pentium - 5 В), то выходная «1» за­дается напряжением 3,3 В.

На рис. 1.17 приводится иллюстрация так называемого «за­кона/правила Мура» , с высокой точностью демонстрирующего удвоение за 18-24 мес. количества транзисторов в процессо­рах . Основой этой закономерности является объективный про­цесс увеличения плотности упаковки элементов микросхем (рис. 1.18).

Ключевыми выражениями при описании микросхемных эле­ментов (рис. 1.18) являются такие, как «технология 130 нм», «технологический процесс 0,5 мкм» и т. д. Это означает, что раз­меры транзисторов или других элементов соответственно не пре­вышают 130 нанометров (1 нм = 10~ 9 м) либо же 0,5 микрон (1 мкм = 10" 6 м) - рис. 1.19.

В процессоре Intel 4004 (1971 г.) использовалась технология 10мкм] в процессоре Pentium II (1998 г.) - технология 0,25мкм\ в процессорах Intel Pentium IV Prescott и AMD Athlon 64 Toledo (2004 г.) - нанотехнологии 0,09 мкм (90 нм) (см. также табл. 3.3 и 3.6).

Рис. 1.17. Правило Мура (количество транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые 18 мес.)

Рис. 1.18. Динамика изменений размеров схемных элементов

Рис. 1.19. Нанотехнологии наглядно: а - транзистор (90 нм); б - ви­рус гриппа (100 нм)

Микропроцессоры

Microprocessor - процессор, выполненный в одной либо не­скольких взаимосвязанных интегральных схемах.

Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния может играть роль изолятора, а поликремний - проводника.

В частности, транзистор представляет собой простейшее уст­ройство, размещающееся на поверхности кремниевой пластины и функционирующее как электронный ключ (рис. 1.20, а). Обыч­но он содержит три вывода - источник (эмиттер), сток (коллектор) и затвор (база). Заметим, что в ламповых элементах соответствующие электроды именовались - катод, анод, сетка. Источник и сток образуются путем внедрения в поверхность кремния определенных примесей, а затвор содержит материал, именуемый полисиликоном. Ниже затвора расположен слой диэлектрика, изготовленного из диоксида кремния. Данная структура получила название «кремний-на-изоляторе» (silicon- on-insulator - SOI). Когда к транзистору приложено напряжение, затвор «открыт», и транзистор пропускает ток. Если напряжение снято, затвор «закрыт» и тока нет.

Рис. 1.20. Обычный транзистор (а), терагерц-транзистор (б)

Традиционная технология. Технология микропроцессоров в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства:

выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;

шлифование кремниевых пластин;

нанесение защитной пленки диэлектрика (Si0 2);

нанесение фоторезиста;

литографический процесс;

травление;

диффузию;

металлизацию .

Все перечисленные этапы используются для того, чтобы на кремниевой основе создать сложную структуру полупроводнико­вых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой.

Процесс изготовления любой микросхемы начинается с вы­ращивания кремниевых монокристаллических болванок цилинд­рической формы (кремниевых заготовок). Это лишенный приме­сей монокристалл.

В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок на­резают круглые пластины, «таблетки» (waffer - вафля, облатка), толщина которых составляет приблизительно от 0,2 до 1,0 мм, а диаметр - от 5 см (ранние технологии) до 20 см (современные технологии), поверхность которых отполировывается до зеркаль­ного блеска, а затем покрывается тончайшим слоем оксидной пленки (Si0 2), выполняющей функцию диэлектрика и защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния.

После того как кремниевая основа покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляется посредством травления, а для того, чтобы в результате травления оксидная пленка удалялась избирательно, на поверхность пленки наносят слой фоторе­зиста (состава, чувствительного к воздействию света). Облу­ченные области становятся растворимыми в кислотной среде.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолито­графией. Для засветки нужных участков слоя фоторезиста ис­пользуется шаблон-маска, который содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы. Свет, проходя сквозь такой шаблон, засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторези­ста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя.

По мере возрастания плотности размещения транзисторов, формируемых в кристалле, литографический процесс усложняется. Минимальная толщина линии, получаемая в процессе ли­тографии, определяется размером пятна, в который удается сфокусировать лазерный луч. Поэтому при производстве совре­менных микропроцессоров для облучения используют ультра­фиолетовое излучение. Для производства микросхем по 130-на- нометровому технологическому процессу используется глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep UltraViolet - DUV) с длиной волны 248 нм. На подходе литографический процесс с длиной волны 13 нм, получивший название EUV-литографии (Extreme UltraViolet - сверхжесткое ультрафиолетовое излучение). Обыч­ная литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, а EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины - до 30 нм.

После засвечивания слоя фоторезиста осуществляется трав­ление (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния. По­сле процедуры травления, т. е. когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя, и на кремниевой основе остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии - равномерного внедрения атомов примеси в кри­сталлическую решетку кремния. Для диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация, которая завершает­ся созданием необходимого слоя полупроводниковой структуры, в котором сосредоточены десятки миллионов транзисторов.

Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, нереально - неизбежны пересечения между проводниками, потому для соединения тран­зисторов друг с другом применяют несколько слоев металлиза­ции, т. е. слоев с металлическими проводниками, причем, чем больше транзисторов насчитывается в микросхеме, тем больше слоев металлизации используется (см. рис. 1.23, б).

Для соединения транзисторов друг с другом прежде всего не­обходимо создать проводящие контакты стоков, истоков и затво­ров. Для этого по маске в нужных местах вытравливается слой диоксида кремния, и соответствующие окна заполняются атома­ми металла. Для создания очередного слоя на полученном ри­сунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диок­сида кремния. После этого наносится слой проводящего металла и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение про­пускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фоторезисте. Затем опять следуют этапы растворения фоторезиста и травления металла. В результате в новом слое об­разуются нужные проводящие полоски, напоминающие рельсы, а для межслойных соединений, т. е. соединений слоев друг с другом, в слоях оставляются окна, которые затем заполняются атомами металла. К примеру, при 0,25-микронном технологиче­ском процессе для осуществления разводки используется пять дополнительных слоев.

Процесс нанесения слоев заканчивается, когда схема собрана полностью. Поскольку за один раз на одной «таблетке» создается несколько десятков процессоров, на следующем этапе они разде­ляются на матрицы (dice), которые тестируются. Если на ранних этапах развития технологий отбраковывалось более 50 % схем, сейчас процент выхода выше, но никогда не достигает 100 %.

Прошедшая тестирование матрица помещается в керамиче­ский прямоугольный футляр, из которого выходят «ножки», микроразъемы (pin grid arrays - PGA) интерфейса процессора, с помощью которых процессор помещается и закрепляется в гнезде (socket) на системной плате компьютера (иногда интер­фейс оформляется в виде линейного разъема - slot). Количест­во контактов - от 169 (Socket 1, процессор Intel 80486) до 940 (Socket 940, AMD Opteron). В последнем случае часть соедине­ний зарезервирована для последующего расширения возможно­стей - размещения на плате процессора кэш-памяти уровня 3 (L3-cache), соединения с другими процессорами (для много­процессорных систем) и пр.

В настоящее время используется технология микроразъемов (micro pin grid array - (iPGA), существенно снижающая физиче­ские размеры интерфейса процессора.

В новом поколении процессоров используются такие ново­введения, как SOI-транзисторы (Silicon On Isolator - «кремний на изоляторе»), в которых за счет дополнительного слоя оксида снижаются емкость и токи утечки, а также транзисторы с дву­мерными затворами и другие новшества, позволяющие повысить быстродействие транзисторов при одновременном уменьшении их геометрических размеров.

Чипы памяти DRAM изготовляются на основе технологии, сходной с изготовлением процессора, - кремниевая основа с нанесенными примесями обрабатывается с маской, которая об­разует множество пар «транзистор-емкость», каждая из которых размещает 1 бит информации. Стоимость этих схем гораздо ниже, чем процессоров, поскольку они состоят из однородных повторяющихся структур, а также дешевле схем SRAM, посколь­ку в последних содержится в 2 раза больше транзисторов (каж­дый бит здесь содержится в триггере, который требует по мень­шей мере два транзистора).

Терагерц-технологии. Основная стратегия поставщиков мик­росхем всегда заключалась в уменьшении размера транзистора (схемного элемента) и повышении плотности упаковки на кри­сталле. В конечном итоге критическими факторами стали энер­гопотребление и разогрев платы.

В конце 2002 г. Intel Corporation объявила, что ее инженеры разработали инновационную структуру транзисторов и новые материалы, позволяющие снизить потребление энергии и выде­ление тепла. Новые структуры получили название Intel TeraHertz transistor (терагерц-транзисторы), в связи с их способностью пе­реключаться со скоростью выше триллиона раз в секунду. Пред­полагается, что новая технология позволит увеличить плотность в 25 раз, использовать «технологию 20 нм» (элемент схемы в 250 раз меньше толщины человеческого волоса) и разместить на кристалле до миллиарда транзисторов.

Терагерц-транзистор отличается от обычного (см. рис. 1.20, а) тремя важными особенностями (см. рис. 1.20, б):

источник и сток образуются из более толстых слоев в крем­ниевой пластине , что уменьшает электрическое сопротив­ление, потребление электроэнергии и тепловыделение;

ниже источника и стока помещается сверхтонкий слой изолятора . Это обеспечивает более высокие интенсивности тока в открытом состоянии транзистора и увеличивает ско­рость переключения. Кроме того, изолятор понижает утеч­ки тока при закрытом транзисторе (в 10 тыс. раз по сравне­нию с SOI). Это уменьшает вероятность случайного пере­ключения под влиянием блуждающих тепловых электронов и повышает надежность схемы;

химическое соединение, расположенное между затвором, источником, стоком, заменяется на новый материал «high-к gate dielectric» (оксид алюминия или титана), для нанесения которого используется технология наращивания слоя по одной молекуле.

Диэлектрико-металлические затворы транзисторов. Исполь­зование затвора из диэлектриков с высокой диэлектрической по­стоянной (High-k Gate Dielectrics) и металлических электродов затворов транзисторов (Metal Gate Electrodes) было впервые представлено в процессоре Intel Penryn (технология 45 нм) и по­зволило уменьшить размеры транзисторов и снизить энергопо­требление.

В обычном транзисторе снижение толщины слоя диоксида кремния необходимо для уменьшения размера и увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле. Однако при достижении определенного предела возникает утечка тока под воздействием «туннельного эффекта» - когда электроны поки­дают транзистор и рассеиваются, что понижает надежность и увеличивает рассеяние мощности. Поэтому уменьшение разме­ров ниже данного предела становится нецелесообразным.

Диэлектрик (high-k dielectric или материал с высокой диэлек­трической постоянной) в новой технологии замещает слой диок­сида кремния в транзисторе и позволяет снизить токи утечки в технологии 45 нм в 5 раз по сравнению с технологией 65 нм.

Относительная легкость использования оксидов кремния в транзисторах ограничивала в течение многих лет применение других материалов при производстве микропроцессоров. Анало­гично, традиционная технология использования поликремния для затвора существенно проще, чем внедрение других, возможно более эффективных веществ в процесс производства (рис. 1.21, а).

Рис. 1.21. Обычный транзистор (а); транзистор с диэлектрическим затвором (б)

Использование металлического затвора в процессорах Penryn «сломало» эту традицию; эта технология позволяет улучить эф­фективность и снизить токи неконтролируемой утечки, посколь­ку проводимость металлического затвора существенно выше (рис. 1.21, б).

Технология медных проводников. Транзисторы на поверхности чипа - сложная комбинация из кремния, металлов и микродо­бавок, точно расположенных, чтобы образовать миллионы кро­хотных переключателей. Поскольку создавались все меньшие и быстрые транзисторы, упакованные все плотнее, их соединение между собой стало превращаться в проблему.

Для установления соединений длительное время использо­вался алюминий, однако к середине 1990-х гг. стало очевидным, что скоро будут достигнуты технологические и физические пре­делы существующей технологии. Относительно высокое удель­ное сопротивление алюминия при уменьшении диаметра про­водников приводит к потерям и перегреву схем. Однако длитель­ное время никому не удавалось создать конкурентоспособный чип с медными проводниками.

Основное преимущество медных соединений в данном слу­чае заключается в том, что медь обладает меньшей удельной проводимостью по сравнению с алюминием. При уменьшении площади сечения проводников (с уменьшением размера транзи­сторов) увеличивается и сопротивление проводников. Кроме того, медные проводники способны выдерживать значительно большую плотность тока, чем алюминиевые, и к тому же облада­ют более высокой устойчивостью к разрушению под воздействи­ем тока, что позволяет продлить время жизни микросхемы.

Наряду с рассмотренными преимуществами медь обладает рядом свойств, создающих немало сложностей в процессе про­изводства микросхем. Медь легко диффундирует в глубь кри­сталла, что вызывает порчу микросхемы и, в отличие от алю­миния, плохо поддается травлению, поэтому технологии созда­ния медных и алюминиевых внутрислойных соединений в корне различаются. В случае использования алюминия травле­нию по маске подлежит собственно алюминий, а при примене­нии меди травлению подлежит оксидная пленка, в результате этого образуются бороздки, которые впоследствии заполняются медью. Эта технология получила название Damascus, или узор­ная инкрустация. Поэтому процесс изготовления микросхем с использованием алюминиевых соединений технологически не совместим с аналогичным процессом с использованием медных соединений.

В сентябре 1998 г. IBM объявила о разработке нового техно­логического процесса, включающего создание медных провод­ников на чипе (Damascene процесс - 0,18 мкм CMOS 7SF). Создание каждого нового слоя начинается с получения оксид­ной пленки, которая покрывается слоем фоторезиста. Далее, по­средством литографического процесса, в оксидной пленке вы­травливаются бороздки и углубления требуемой формы. Эти бо­роздки и углубления необходимо заполнить медью. Но прежде, для предотвращения нежелательной диффузии меди, они запол­няются тонким слоем антидиффузионного вещества (diffusing barrier), изготовленного из устойчивого материала - титана или нитрида вольфрама. Толщина такой антидиффузионной плен­ки - всего 10 нм. Микроскопическая начальная пленка меди размещается выше, чтобы удерживать медный слой, который за­тем наносится на весь чип (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Технология медных проводников: а - вытравливание соединений путем фотолитографии; б - нанесение защитно­го слоя; в - нанесение микроскопической пленки меди; г - нанесение рабочего слоя меди; д - удаление избыточного металла

Для осаждения меди используют гальванизацию из раствора медного купороса Cu 2 S0 4 , причем сама пластина, на которую осаждаются ионы меди Си ++ , выступает в роли катода. При галь­ванизации необходимо, чтобы медь равномерно осаждалась по всей пластине, поэтому подбирают такую плотность электроли­та, чтобы минимизировать разницу тока в центре и по краям и тем самым обеспечить равномерность осаждения меди. При электролизе происходит постепенное заполнение атомами меди вытравленных канавок, в результате этого образуются проводя­щие «рельсы». После заполнения медью канавок лишний слой меди удаляется с пластины посредством шлифования, а затем наносится очередной слой оксидной пленки и проводится фор­мирование следующего слоя. В результате образуется много­слойная система.

Технологический процесс 65 нм. Intel довела данную техноло­гию до стадии промышленного производства к концу 2005 г. В 65-нм процессе Intel использует УФ-литографию с длиной волны 193 нм, комбинируемую с технологией фазового сдвига. При этом удалось уменьшить до 35 нм эффективную ширину за­твора транзисторов (рис. 1.23, а), что приблизительно на 30% меньше, чем при производстве по технологии 90 нм.

Рис. 1.23. Транзисторы поколения 65 нм (в); восемь слоев медных соединений (б)

Остались прежними в новом процессе и используемые для создания транзисторов материалы. Дополнительные усилия были направлены на борьбу с токами утечки. Появившаяся в 90-нм тех­нологическом процессе технология напряженного кремния обре­ла в 65-нм технологии свою усовершенствованную версию - при сохранении толщины изоляционного слоя затвора на уровне 1,2 нм примерно на 15 % увеличилась деформация каналов тран­зисторов. Это дало четырехкратное уменьшение токов утечки, ко­торое в конечном итоге создает возможность примерно 30%-ного увеличения частоты срабатывания транзисторов без возрастания их тепловыделения.

И последнее изменение - увеличение числа слоев медных соединений. В новом процессе их восемь, что на один больше, чем в ядрах, выпускаемых по 90-нм процессу (рис. 1.23, б). Бла­годаря этому Intel надеется упростить проектирование будущих кристаллов.

Печатные платы

Плата, или printed circuit board, - изоляционная пластина, на которой устанавливаются и соединяются друг с другом элек­тронные элементы, перечисленные выше, и приборы меньшей степени интеграции - отдельные транзисторы, резисторы, кон­денсаторы и др.

Печатная плата изготавливается из пластмассы, гетинакса, текстолита либо другого изолятора (керамика).На плате с одной либо обеих сторон размещаются интегральные схемы, резисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы. Для их соединения на поверхности платы наносятся тонкие электропроводящие по­лоски. Печатная плата может быть двух- либо многослойной.

Существует несколько технологий монтажа элементов (в том числе и интегральных схем) на печатных платах. Наиболее ста­рая из них - монтаж в сквозные отверстия. Здесь элементы соз­даваемой схемы устанавливаются с одной стороны платы. Вслед за этим появился способ укладки интегральных схем прямо на поверхности этой платы. Вначале интегральные схемы припаи­вались к печатным платам. Теперь все чаще они приклеиваются без использования припоя. Малая высота интегральных схем, монтируемых на поверхность, позволяет устанавливать их на обеих сторонах платы.

Печатные платы перестают быть только плоскими. Происхо­дит переход от двух измерений к криволинейным поверхностям и созданию печатных дорожек на геометрически изогнутых фор­мах. Все это связано с тем, что по мере усложнения электронных компонентов становится все трудней размещать плоские платы в корпусы, удовлетворяющие требованиям потребителя. Для изго­товления основы трехмерных печатных плат используется пласт­масса, пригодная для литья.

Печатная электроника для дешевых электронных систем. Состояние технологии и развитие оборудования.

Аннотация. В последние годы печать стала сильно интересна как метод получения дешевых и массовых электронных систем. Печать допускает использование целиком аддитивных процессов, тем самым снижая сложность процесса и расход материала. В сочетании с использованием недорогих подложек, таких как пластик, металлические фольги и так далее, это прогнозирует что печатная электроника позволит реализовать широкий спектр легкоразвертываемых электронных систем, в том числе дисплеев, сенсоров и RFID (Radio Frequency IDentification - радиочастотная идентификация) меток. Мы рассматриваем нашу работу по развитию технологии и оборудования для печатной электроники. Благодаря комбинированию синтетически полученных неорганических наночастиц и органических материалов, мы реализовали ряд «чернил» для печатной электроники, и используем их для демонстрации печати пассивных компонентов, многослойных соединений, диодов, транзисторов, блоков памяти (накопителей), батарей и различных газоанализаторов и биосенсоров. Используя возможности печати можно дешево обеспечить интеграцию различных функциональных возможностей и материалов на одной подложке, поэтому возможно реализовать печатные системы, которые используют преимущества печати, обходя недостатки таковой.

Введение. В последние годы наблюдается значительный уровень заинтересованности в использовании печати как технологии для реализации недорогой и массовой электроники. Печать, как ожидается, позволит реализовывать электронику на гибких, относительно бюджетных подложках, таких как пластик и металичская фольга. Анализ затрат и возможностей производства основанной на печатни микроэлектроники предполагает, что печать может потенциально дать возможность реализовать электронные системы на пластике, цена которых значительно ниже по сравнению с обычными базирующимися на литографии на единицу площади. С другой стороны, затраты на функционирование ожидаются более высокими, базируясь на худшем разрешении печатной электроники. Как следствие, различные потенциальные применения для печатной электроники предлагаются: встроенные дисплеи , различные типы сенсоров и RFID . Для реализации этих систем требуется, конечно, развивать необходимые «чернила», которыми можно печатать индуктивности, емкости, батареи, трассы (соединители), резисторы, транзисторы, диоды, блоки памяти, чувствительные элементы и дисплеи. Кроме того так же требуется разработка соответствующих технологий печати, включающих технологии выполнения необходимых тонких слоёв однородными, контроля границ и совмещения слоёв. Таким образом, в этой работе мы анализируем современное состояние и перспективы для печатной электроники. Во-первых, изучается жизнеспособность печати как технологии для реализации печатной электроники. Далее, мы рассмотрим классы печатных материалов, которые мы разработали для печатной электроники. И наконец, мы рассмотрим состояние дел в устройствах печатной электроники и оценим потребности для реализации жизнеспособных устройств для печатной электроники.

Печатные технологии для электроники

Интерес к печати, как к средству реализации электронных систем, традиционно в первую очередь исходит из того факта, что печать как ожидается, будет недорогой технологией для реализации электронных систем. Чтобы проверить это утверждение, стоит сравнить технологии производства на основе печати с традиционными технологиями производства микроэлектроники высокого класса. Во-первых, печать требует, по сравнению с литографией, меньшие капитальные вложения. Что интересно, это неверно для ширины проводников > 1 мкм, т.к. сильно уменьшает стоимость литографических инструментов доступных в этих режимах; кроме того, для достижения высокого аптайма, низкая дефективность инструментов печати потребует разработки нового оборудования для печатной электроники, добавляя к капиталу расходы на это. Таким образом, не очевидно, что печать позволит снизить изначальные расходы на оборудование. Во-вторых, печать обещает снижение общей сложности процесса, так как она может позволить использование целиком и полностью аддитивных процессов, вместо необходимых для использования литографии ещё и субтрактивных процессов. Это огромное преимущество, т.к. это уменьшает общее количество операций, затраты на материалы, и общую стоимость оборудования, поэтому сокращает капитальные вложения и увеличивает пропускную способность всего потока. В-третьих, печать может потенциально использовать дешевую обработку подложки и автоматизацию производства, т.к. она позволяет использовать недорогие технологии рулонной подачи «roll-to-roll» или полистную подачи базового материала «sheet-feed». Хотя это, скорее всего, верно в долгосрочной перспективе, разработка инструментов высокой точности для совмещения до сих пор находится не закончена, но результаты в конечном счёте остаются неясными. Учитывая материальные затраты, затраты на подложки, оценки капитальных затрат и оценки производительности, можно сделать вывод об экономической жизнеспособности печатной электроники. Этот анализ показывает, что печать должна быть дешевле на единицу площади, чем обычная электроника; фактическая стоимость зависит от используемых конкретных технологический решений, но ценовые преимущества в >10Х раз вполне реальны. С другой стороны, стоимость одного транзистора в печатной электронике на несколько порядков выше, чем стоимость одного кремниевого транзистора, в связи с худшей шириной дорожки (лучшая достижимая ширина дорожки в высокоскоростной печати на сегодня меньше чем 10 мкм). Как следствие, экономическая эффективность может быть суммирована очень просто – печатная электроника экономически выгодна в приложениях, которые ограничены по площади, между тем она экономически не выгодна в приложениях, которые функционально ограничены по плотности.

Различные методы печати доступны для использования в производстве электроники. Поэтому целесообразно суммировать преимущества и недостатки каждого из широких классов методов печати. Методы печати, которые здесь рассматриваются – это трафаретная печать (шелкография), струйная печать, штамповка(тиснение)/наноимпринтинг (метод вдавливания шаблона с наноразмерными элементами в слой материала) и глубокая печать (интаглио). Другие методы печати существуют, но как правило не применяются при изготовлении печатной электроники.

Шелкография является, пожалуй, самой зрелой технологией для изготовления печатной электроники. Трафаретная печать применяет для производства печатных плат на протяжении десятилетий. В трафаретной печати вязкие чернила «вжимаются» через трафарет с помощью штапеля. Изображение на трафарете, как правило, формируется с помощью светочувствительного покрытия. Трафаретная печать широко используется в электронике, т.к. она используется для шаблона трас проводников (как правило, используют серебряные пасты), сопротивлений (используются углеродные пленки), конденсаторов (используют полиимидные диэлектрики) и т.д., при производстве печатных плат. Разрешающая способность коммерческого высокоскоростного оборудования для трафаретной печати обычно хуже >50 мкм, хотя в исследованиях шелкография была применена для реализации печати в диапазоне менее 1000сП (сантипуаз)) для предотвращения чрезмерного размазывания и излишек связующего. Это проблематично для некоторых материалов в печатной электронике. Высокая вязкость краски обычно реализуется добавлением полимерных связующих в чернила. И хотя это не серьезная проблема для полиграфии, это может стать серьезной проблемой для печатной электроники, поскольку такие связующие могут уничтожить функциональность полупроводников, вносить чрезмерные утечки и потери в диэлектриках или ухудшать проводимость проводников. В результате, использования трафаретной печати, как правило, ограничивается изделиями, где связующие могут быть добавлены без критичных потерь в производительности. Например, связующие с серебряной пастой, обычно используют в трафаретной печати. В то время как проводимость снижается по отношению к чистому слою серебра, она всё ещё приемлема для заданных изделий (например, тонкий слой мембранных переключателей, автомобильных клавиатур и т.д.). Трафаретная печать была применена в некоторых ограниченных приложениях для печатной электроники, таких как печать проводников и т.д.

Наиболее широко используемая технология для печати активных электрических схем на сегодня – это струйная печать. Струйная печать позволяет использовать чернила низкой вязкости (1-20сП); это чрезвычайно важно, т.к. позволяет разрабатывать чернила, которые содержат только активное вещество и растворитель, без связующего. В сочетании с цифровым вводом данных, который позволяет на лету изменять проект, струйная печать доминирует в исследованиях печатных транзисторов и т.д. С другой стороны, производство жизнеспособной струйной печати пока не определено. Во-первых, струйная печать, будучи drop-by-drop (капля за каплей) техникой, это головка со строго пиксельным испусканием, в котором явление сушки объединена в комплекс с каплями, может производить разнообразные варианты печатаемого рисунка. Этот вопрос будет обсуждаться ниже. Во-вторых, струйная печать, как правило, медленна, и высокая пропускная способность достигается только с помощью большого числа головок, работающих параллельно. Это, в свою очередь, представляет проблему для производительности, связанную с выходом из строя отдельных головок при печати рисунка. В-третьих, имеется «конус неопределённости», зависящий от угла выброса капли из сопла; это обычно 10 мкм, результат ±3σ разброса в размещении при падении с высоты. Это, в свою очередь, вносит линию шероховатости края и лимиты на размещение в проектные правила масштабирования.

Явления сушки, связанные со струйной печатью, особенно важны, т.к. гладкие, тонкие слои с низкой шероховатостью края очень важны для реализации печатных устройств. Неотъемлемой частью сушки капель является так называемый «coffee ring» эффект. В этом эффекте, сушки капель, наблюдается сильная миграция материала от центра капли к краям капли из-за сильных конвективных сил, связанных с испарением растворителя из капли. В зависимости от относительного испарения и конвективных потоков, капля сохнет, и это дает возможность образоваться кольцевой форме финального слоя в результате, как показано на рисунке 1. Это, очевидно, серьезная проблема для печатной электроники, т.к. большое изменение толщины, присущее наличию в переходных отверстиях, и острые кромки, вносят свой вклад в неприемлемость формы слоя. Влияние сушки на линии формирования отчетливо видны на рисунке 2, который показывает изменения в морфологии (наука о форме и строении) линии в зависимости от расстояния между каплями в печатаемой линии. Все остальные параметры держаться одинаково. Очевидно, просто изменение одного параметра оказывает большое влияние на морфологии напечатанной линии, опять же из-за сильных конвективных сил, связанных с сушкой капли.

Происхождение изменений в напечатанной линии легко понять, рассматривая конвективные силы связанные с сушкой (рисунок 3). Когда капля добавляется в конец уже сформированной линии, конвективные силы вызывают перенос жидкости капли по направлению к соединительной точке с линией. Если интервал между каплями слишком велик, то это соединение слишком мало, чтобы поддержать перенос, и в результате капли высыхают до сплошной линии как показано на рисунке 2.1. Если расстояние чуть ближе, то тот же материалы вытягивается в линию, но ограниченное соединение мешает переносу, в результате высыхания/гелеобразования капли вместо гладкой боковины образуется зубчатая линия (рисунок 2.2). Если интервал между каплями снижать дальше, то могут быть сформированы на самом деле гладкие непрерывные края линии (рисунок 2.3). Однако, если уменьшать интервал между каплями ещё дальше, то точка соединения линии и капли становится слишком большой и чрезмерное количество материала из капли переносится в линию. Линия не может выдержать перенесенное количество и, следовательно, переполняясь, становится выпуклой. Увеличение сечения выпуклости позволяет дальнейший перенос жидкости, и таким образом, перешеек отступает снова, только увеличиваясь, когда сопротивление для переноса жидкости падает. Это приводит к формированию периодических выпуклостей на линии (рисунок 2.4). Теперь понятно, почему морфологией линии сложно управлять, и технологический процесс по этой же причине сложный, но интересный. Решение задачи, которое обычно принята многими авторами включает в себя «быструю сушку» линии, такую чтобы капли сохли очень быстро при касании подложки. Этой формы линии состоят из перекрывающих друг друга индивидуально высушенных капель (рисунок 2.5.). К сожалению, такие линии страдают от плохой однородности толщины пленки и ограниченности в масштабируемости размеров элементов.

Пиксельная природа струйной печати, низкая производительность и проблемы при производстве вызвали интерес к альтернативным технологиям печати.

В книге приведены перспективные, оригинальные и простые в исполнении практические схемы с применением популярных микросхем серий K561, КР1006, NE556 и многих других. Описанные устройства могут принести практическую пользу дома, на даче, в автомобиле и легко могут быть изготовлены самостоятельно, без применения специального оборудования и с использованием минимума измерительных приборов. Часть устройств разработана и испытана специально для использования в условиях сельской местности, где напряжение в осветительной сети и телефонной линии не всегда стабильно. Эти устройства призваны защищать бытовые электроприборы и компьютерную технику от перепадов напряжения, а также от грозовых разрядов.

Источник питания с током до 2 А.
Источники питания на популярных интегральных стабилизаторах (далее - ИС) серии К142ЕН-хх широко известны среди радиолюбителей. Они эффективно работают в большинстве радиолюбительских конструкций, где ток потребления нагрузки не превышает 1-1,5 А. Однако существует большая группа радиоэлектронных устройств, требующих стабилизированного напряжения 12-15 В и потребляющих ток более 2 А. Это локальные нагревательные элементы, вентиляторы, кулеры для местного охлаждения, а также интегрированные электронные и радиопередающие устройства, такие как автомобильные трансиверы.

Если ИС КР142ЕН5 при напряжении на выходе 5 В способен в соответствующем тепловом режиме отдать в нагрузку полезный ток более 1 А, то для его «собрата» - КР142ЕН12Б - предельный ток составляет 0,8 А (после этого ИС переходит в режим защиты от короткого замыкания, и напряжение на его выходе падает до 2-3 В).

Оглавление
К читателю
Меры безопасности
Авторские права
От автора
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА
1.1. Бестрансформаторный регулятор напряжения на интегральном стабилизаторе
1.2. Источник питания с током до 2 А
1.3. Мощный источник питания для трансивера с током до 15 А
1.4. Оригинальный узел управления электропитанием
1.5. Звуковые индикаторы перегрузки по току
1.6. Защита выходного каскада источника питания от перегрузки по напряжению
1.7. Преобразователь звукового сигнала
1.8. Автоматический индикатор параметров
1.9. Индикатор напряжения
1.10. Детектор радиоволн
1.11. Устройства задержки сигналов
1.12. Имитатор светового сигнала охранной сигнализации
1.13. Термостабильный генераторе прерыванием
1.14. Три полезных устройства на микросхеме К561ТЛ1
1.15. «Парковщик» для автомашины на основе инфракрасного сигнала своими руками
1.16. Еще один вариант автопарковщика
ГЛАВА 2. ПОЛЕЗНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДОРАБОТКЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ АППАРАТУРЫ И НЕТОЛЬКО
2.1. Доработка радиолюбительского трансивера
2.2. Новый портативный датчик задымленности и варианты его необычного применения
2.3. Дополнение к зарубежным бытовым устройствам широкого потребления
2.4. Новое устройство сигнализации из беспроводного звонка с передачей сигнала по радиоканалу
2.5. Разные схемы доработки электронных игрушек
2.6. Простое автоматическое включение периферийных устройств для ПК
2.7. Экономайзер для нового светодиодного светильника
2.8. Регулировка выходного напряжения в источнике питания
2.9. Устранение неисправности радиолюбительского передатчика
2.10. Как сделать чувствительный температурный датчик
ПРИЛОЖЕНИЯ
Маркировка и взаимозамена SMD-транзисторов
Допустимая нагрузка на проводники
Варианты включения оконечных узлов
Схемы включения поляризованных реле
Общие рекомендации по СЭМР
Современные пьезоэлектрические капсюли и схемы их включения
Схемы включения стабилитронов и динисторов
Литература.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Новейшие технологии в электронике, Кашкаров А.П., 2013 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Сейчас в мире правит электроника, которая окружает нас буквально повсюду. Наука не стоит на месте, ежегодно ученые представляют новые разработки в сфере электронных технологий. Многие из них плотно внедряются в нашу повседневную жизнь.

Ускорение компьютеров

Американские исследователи доказали, что вместо электрического тока можно использовать ультракороткие лазерные вспышки для перемещения отдельных электронов. Эта технология позволит создавать квантовые компьютеры. Также инновацию планируют использовать в сфере квантовой криптографии и для оптимизации химических реакций.

Электрон надо «подтолкнуть», накачать энергией с помощью импульсов от терагерцевого лазера до уровня отрыва от ядра и начала движения кристалла по атомным связям. Подобные лазерные установки настолько быстры, что удается ловить и удерживать электроны между двумя энергетическими состояниями.

Исследователи из разных стран давно стремились создать особые импланты для живых организмов. Принципиальное отличие заключается в том, что их не нужно было бы вынимать из тела хирургическим путем после того, как они полностью выполнили свою функцию.

Ученый Леон Беллан представил новую разработку – полимер, остающийся стабильным при температуре выше 32 градусов. Из него изготовляется основа, а внутрь вставляется серебряная нанопроволока. В результате, получается примитивная электрическая цепь. Пока полимер находится на теплой плите в кастрюле, через сеть течет ток. Как только плитка выключается, он превращается в слизь, а конструкция из проволоки рассыпается.

По такому принципу можно сделать, к примеру, медицинские приборы для контроля уровня сахара. Аппарат располагают под кожей и работает, пока врач снимает данные. После прикладывания льда, устройство разрушается. Это гораздо удобнее, чем забор анализов или ношение датчиков.

Синие светодиоды

Синий свет от светодиодов имеет выраженные антибактериальные свойства. Это официально доказано учеными из Сингапурского университета. Если сочетать его с охлаждением, то становятся ненужными консерванты, которые добавляют в продукты питания.

Разработчики уверены, что их открытие станет востребованным в сетях быстрого питания. Ведь потребители наслышаны о вреде искусственных добавок, и еда без них обязательно будет пользоваться спросом.

Наибольшего эффекта можно достичь, если сочетать синий свет с температурой +4-+15 градусов и кислой средой. В бактериальных клетках присутствуют светочувствительные соединения, которые поглощают свет в видимой области электромагнитного спектра. Соответственно, при таких условиях происходит массовая гибель бактерий.

«Электронная жидкость»

Экспериментальные исследования с нано структурами показали, что электроны могут «течь» как жидкость. Соответственно, можно создать сверхбыструю «текучую» электронику.

По законам физики, наибольшая скорость электронов происходит во время их встречи с другими частицами или атомами. Хорошим примером является среда полного вакуума, в котором траектория движения частиц похожа на полет снарядов. Но на сегодняшний день подобные условия никто не сумел смоделировать. По мнению физиков, такими средами могут выступать углеродные нанотрубки или графеновые листы. Однако, пока это только на уровне догадок.

У кардиостимуляторов есть один существенный минус – ограниченный срок эксплуатации. После семи лет нужно менять тритиевые батарейки, у которых выходит срок службы. А это означает, что необходимо повторное хирургическое вмешательство на сердце для замены источника питания.

Уже несколько стран ведут разработки по созданию батареек с более длительным сроком службы. В России этим занимаются ученые в химико-технологическом университете. Активное участие в данном проекте принимает и компания «Адвансед нуклайд технолоджис». Основа нового элемента питания – радионуклид Ni 63. Его период полураспада больше ста лет. Изобретение можно будет использовать без замены в течение 20 лет, что облегчит жизнь многим кардиологическим больным.

Все знают, что у кошек и собак уникальное обоняние, которое способно распознавать летучие химические вещества, выделяемые человеком во время болезни.

Ученые в Кембриджском университете решили создать так называемый «цифровой нос». Это спектрометр на кристаллическом микрочипе размером с мелкую монетку. Он оснащен датчиками, настроенными и откалиброванными для распознавания запахов. При подозрении на опасность, прибор подаст сигнал. В дальнейшем, вся информация будет выводиться на дисплеи смартфонов.

Кроме медицинской отрасли, «электронный нос» представляет интерес для пищевой промышленности. Ряд крупных компаний (Нестле, Кока кола) хотят использовать изобретение для определения свежести продуктов.

Новые транзисторы

В американском университете разработали новую конструкцию транзисторов. С их помощью электронные устройства смогут работать месяцами или годам. При этом затраты энергии будут минимальными, а возможно будут функционировать и вовсе без батарей. Их планируется применять в интернете вещей и в устройствах, которые не нужно подключать к сети и подзаряжать.

Тонкий нанопровод

В Великобритании была создана тончайшая одномерная нанопроволока, изготовленная из теллура. Ее толщина составляет всего один атом. Чтобы структура изделия была более прочной, разработчики ввели в нее карбоновые нанотрубки. Таким образом, атомы теллура оказываются в одной цепочке.

Одноатомные нанопровода имеют широкие перспективы в минитюаризации микросхем. А значит, современную электронику можно будет значительно уменьшить в размерах.

В Калифорнийском университете было принято решение о создании эффективных компьютерных процессоров с использованием электронных вакуумных ламп.

Для производства первых ламповых компьютеров брали громоздкие электронные лампы. Затем появились транзисторы, что произвело настоящую революцию в сфере радиоэлектроники. Но они тоже имеют существенный недостаток – невозможность бесконечного уменьшения размеров транзисторов. Чтобы происходило дальнейшее развитие, нужно было привнести инновацию в виде электронных вакуумных ламп. Дело в том, что при прохождении через полупроводник ток начинает замедляться и терять свою эффективность. Вакуумные элементы не имеют такой проблемы, потому что через них ток проходит свободно. Такие транзисторы в десять раз эффективнее полупроводниковых аналогов. Разработки на этом не закончены, они активно продолжаются в направлении уменьшения размеров ламп.

Ведущие производители электронной техники решили создать гибкие источники питания. Компания Панасоник разработала литий-ионные аккумуляторы толщиной 0,55 мм, предназначенные для носимых устройств (планшетов, телефонов, фотоаппаратов).

У них особая многослойная структура и особая конструкция размещения электрода. В качестве анода выступает медь, а в качестве катода – алюминий. Они могут быть различной формы, чаще всего цилиндрической. Благодаря своим механическим качествам, их можно сгибать и закручивать без потери мощности. Есть несколько моделей, прочность отдельных из них составляет тысячу поворотов и изгибов.

Гибкие электрические цепи на скорости 5G

Всевозможные «умные браслеты» стали очень популярными за последнее время. Они постоянно модернизируются и оснащаются новыми функциями. Очень скоро грядут дальнейшие глобальные перемены. В Америке уже разработана самая гибкая в мире электрическая цепь. Она отличается необычным дизайном – двумя переплетающимися в цепочку линиями, образующими S-образные изгибы. Благодаря подобной форме, линии могут растягиваться без потери производительности. Кроме того, они хорошо защищены от внешних воздействий. Передача электромагнитных волн происходит в определенном диапазоне частот – до 40 ГГц.

В Технологическом институте штата Джорджия инженеры разработали ректенны. Они имеют уникальную способность – захват света и преобразование его в постоянный ток. Для этого используются вертикальные углеродные нанотрубки в верхней части кремниевой подложки.

Сложные процессы приводят к формированию заряда, преобразующего переменный ток в постоянный. Пока эффективность устройство крайне мала, но ученые уверены, что в ближайшем будущем получится выйти на более высокие показатели.

Микрочип на основе человеческого мозга

Уникальная разработка американских биоинженеров – микрочип NeuroCore. Он действует быстрее, чем персональный компьютер в тысячи раз. В основе действия инновации лежит принцип работы мозга человека.

Биоинженерами была создана печатная плата, состоящая из 16 микрочипов. Она имитирует работу одного миллиона нейронов и образует миллиарды синаптических связей. Затраты энергии при этом минимальны.

В дальнейшем разработчики планируют уменьшить цену платы и создать компилятор для программного обеспечения.

Сейчас полным ходом идут разработки по созданию магнитных устройств для хранения данных. Это носитель информации следующего поколения, который может привести к созданию атомарно маленьких вычислительных машин.

Цель, стоявшая перед исследователями – организация определенного движения атомов. К примеру, в какой-то момент нужно, чтобы они прекратили вращаться. Это удалось воплотить благодаря сочетанию платины, гольмия и отрицательной температуры. Квантовая система дестабилизируется и сохраняется момент атома.

Электрическое моноколесо

Инновация представляет собой электрический мотор. Корпус его выполнен из ударостойкого пластика. Вес моноколеса составляет в среднем 10-20 кг, а высота – пол метра.

Оно оснащено системой гироскопов и управляющей электроникой для поддержания транспортного средства в вертикальном положении. От человека требуется только овладеть навыком сохранять на нем баланс. Колесо может менять скорость, регулировать положение тела в пространстве, подавать сигналы в случае возникновения опасности на дороге. Им легко управлять, оно маневренное и безопасное.

К моноколесу прилагается зарядное устройство. Аккумулятор заряжается подключением к розетке на пару часов.

В Стэнфордском университете впервые разработали аккумулятор с алюминиевым анодом. Он долговечный, недорогой и способен быстро заряжаться. Так же была представлена аккумуляторная батарея на алюминиевой основе с высокой стабильностью. В ней использованы катод из графитовой пены и металлический анод из алюминия. Такие батареи очень гибкие, что позволит использовать их для создания гибких гаджетов.

Дополнительные преимущества:

• низкая стоимость;
• безопасность;
• ультрабыстрая зарядка;
• огромный ресурс батареи.

Это перспективный материал, имеющий хорошие эксплуатационные свойства.

Основные из них:

• стойкость к воздействию щелочей, кислот и низких температур;
• высокое электрическое сопротивление.

Они изготовляются из обработанных радиационным облучением полиолефелинов. Также при производстве могут использоваться фторсодержащие эластомеры, силиконы, поливинилхлорид.

Виды термоусаживаемых материалов:

• кабельные муфты;
• термоусадки;
• кабельные капы;
• перчатки;
• негорючие трубки.

Данные материалы применяются в энергетике, приборостроении, авиастроении, электротехнике и многих других промышленных сферах.

Развитием и совершенствованием электронных технологий занимаются практически все ведущие страны. Государство и частные инвесторы заинтересованы в появлении все новых инноваций в этой области, поэтому они активно поддерживают развитие перспективных проектов.