notícies

Potser després de la llei d'Ohm, la segona llei més famosa de l'electrònica és la llei de Moore: el nombre de transistors que es poden fabricar en un circuit integrat es duplica cada dos anys més o menys. Atès que la mida física del xip segueix aproximadament la mateixa, això significa que els transistors individuals es tornaran més petits amb el temps. Hem començat a esperar que una nova generació de xips amb mides de característiques més petites aparegui a una velocitat normal, però quin sentit té fer les coses més petites? És més petit sempre significa millor?
Al segle passat, l'enginyeria electrònica ha fet un gran progrés. A la dècada de 1920, les ràdios AM més avançades consistien en diversos tubs de buit, diversos inductors enormes, condensadors i resistències, desenes de metres de cables utilitzats com a antenes i un gran conjunt de bateries. per alimentar tot el dispositiu. Avui en dia, podeu escoltar més d'una dotzena de serveis de reproducció de música al dispositiu a la butxaca, i podeu fer-ne més. Però la miniaturització no és només per a la portabilitat: és absolutament necessari per aconseguir el rendiment que esperem dels nostres dispositius avui dia.
Un avantatge evident dels components més petits és que us permeten incloure més funcionalitats en el mateix volum. Això és especialment important per als circuits digitals: més components significa que podeu fer més processament en el mateix període de temps. Per exemple, en teoria, el La quantitat d'informació processada per un processador de 64 bits és vuit vegades la d'una CPU de 8 bits que funciona a la mateixa freqüència de rellotge. Però també requereix vuit vegades més components: registres, sumadors, busos, etc. són vuit vegades més grans. .Per tant, necessiteu un xip vuit vegades més gran o un transistor vuit vegades més petit.
El mateix passa amb els xips de memòria: en fer transistors més petits, teniu més espai d'emmagatzematge al mateix volum. Els píxels de la majoria de les pantalles actuals estan fets de transistors de pel·lícula fina, de manera que té sentit reduir-los i aconseguir resolucions més altes. , com més petit sigui el transistor, millor, i hi ha una altra raó crucial: el seu rendiment millora molt. Però per què exactament?
Sempre que feu un transistor, proporcionarà alguns components addicionals de forma gratuïta. Cada terminal té una resistència en sèrie. Qualsevol objecte que transporta corrent també té auto-inductància. Finalment, hi ha una capacitat entre dos conductors qualssevol que s'enfronten. Tots aquests efectes consumeixen energia i disminueixen la velocitat del transistor. Les capacitats paràsites són especialment molestes: s'han de carregar i descarregar cada vegada que s'encenen o apaguen els transistors, la qual cosa requereix temps i corrent de la font d'alimentació.
La capacitat entre dos conductors és una funció de la seva mida física: una mida més petita significa una capacitat més petita. I com que els condensadors més petits signifiquen velocitats més altes i potència més baixa, els transistors més petits poden funcionar a freqüències de rellotge més altes i dissipar menys calor en fer-ho.
A mesura que reduïu la mida dels transistors, la capacitat no és l'únic efecte que canvia: hi ha molts efectes mecànics quàntics estranys que no són evidents per a dispositius més grans. No obstant això, en termes generals, fer transistors més petits els farà més ràpids. Però els productes electrònics són més que només transistors. Quan reduïu altres components, com funcionen?
En termes generals, els components passius com resistències, condensadors i inductors no milloraran quan siguin més petits: en molts aspectes, empitjoraran. Per tant, la miniaturització d'aquests components és principalment per poder comprimir-los en un volum més petit. , estalviant així espai PCB.
La mida de la resistència es pot reduir sense causar massa pèrdues. La resistència d'una peça de material ve donada per, on l és la longitud, A és l'àrea de la secció transversal i ρ és la resistivitat del material. simplement reduïu la longitud i la secció transversal i acabeu amb una resistència físicament més petita, però encara tenint la mateixa resistència. L'únic desavantatge és que, quan es dissipa la mateixa potència, les resistències físicament més petites generaran més calor que les resistències més grans. Per tant, les resistències petites Les resistències només es poden utilitzar en circuits de baixa potència. Aquesta taula mostra com la potència màxima de les resistències SMD disminueix a mesura que disminueix la seva mida.
Avui, la resistència més petita que podeu comprar és la mètrica 03015 de mida (0,3 mm x 0,15 mm). La seva potència nominal és de només 20 mW i només s'utilitzen per a circuits que dissipen molt poca potència i tenen una mida extremadament limitada. Una mètrica més petita 0201 s'ha llançat un paquet (0,2 mm x 0,1 mm), però encara no s'ha posat en producció. Però fins i tot si apareixen al catàleg del fabricant, no espereu que estiguin a tot arreu: la majoria dels robots pick and place no són prou precisos. per gestionar-los, de manera que encara poden ser productes de nínxol.
Els condensadors també es poden reduir, però això reduirà la seva capacitat. La fórmula per calcular la capacitat d'un condensador de derivació és, on A és l'àrea de la placa, d és la distància entre ells i ε és la constant dielèctrica. (la propietat del material intermedi). Si el condensador (bàsicament un dispositiu pla) està miniaturitzat, l'àrea s'ha de reduir, reduint així la capacitat. Si encara voleu empaquetar molta nafara en un petit volum, l'única opció és apilar diverses capes juntes. A causa dels avenços en els materials i la fabricació, que també han fet possibles pel·lícules primes (d petita) i dielèctrics especials (amb ε més gran), la mida dels condensadors s'ha reduït significativament en les últimes dècades.
El condensador més petit disponible avui en dia es troba en un paquet mètric ultra petit 0201: només 0,25 mm x 0,125 mm. La seva capacitat està limitada als 100 nF encara útils i la tensió de funcionament màxima és de 6,3 V. A més, aquests paquets són molt petits i requereixen equips avançats per manejar-los, limitant la seva adopció generalitzada.
Per als inductors, la història és una mica complicada. La inductància d'una bobina recta ve donada per, on N és el nombre de voltes, A és l'àrea de la secció transversal de la bobina, l és la seva longitud i μ és la constant del material (permeabilitat). Si totes les dimensions es redueixen a la meitat, la inductància també es reduirà a la meitat. No obstant això, la resistència del cable segueix sent la mateixa: això és perquè la longitud i la secció transversal del cable es redueixen a un quart del seu valor original. Això vol dir que acabeu amb la mateixa resistència a la meitat de la inductància, de manera que reduïu a la meitat el factor de qualitat (Q) de la bobina.
L'inductor discret més petit disponible comercialment adopta la mida de polzada 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Aquests són tan alts com 56 nH i tenen una resistència d'uns pocs ohms. Els inductors en un paquet mètric ultra petit 0201 es van llançar el 2014, però sembla que mai s'han introduït al mercat.
Les limitacions físiques dels inductors s'han resolt utilitzant un fenomen anomenat inductància dinàmica, que es pot observar en bobines fetes de grafè. Però tot i així, si es pot fabricar d'una manera comercialment viable, pot augmentar un 50%. Finalment, la bobina no es pot miniaturitzar bé. No obstant això, si el vostre circuit funciona a freqüències altes, això no és necessàriament un problema. Si el vostre senyal està en el rang de GHz, normalment n'hi ha prou amb unes poques bobines nH.
Això ens porta a una altra cosa que s'ha miniaturitzat durant el segle passat, però potser no us adoneu immediatament: la longitud d'ona que fem servir per a la comunicació. Les primeres emissions de ràdio utilitzaven una freqüència AM d'ona mitjana d'aproximadament 1 MHz amb una longitud d'ona d'uns 300 metres. La banda de freqüències FM centrada en 100 MHz o 3 metres es va popularitzar cap a la dècada de 1960, i avui fem servir principalment comunicacions 4G al voltant d'1 o 2 GHz (uns 20 cm). Les freqüències més altes signifiquen més capacitat de transmissió d'informació. És a causa de la miniaturització que tenim ràdios barates, fiables i que estalvien energia que funcionen en aquestes freqüències.
Les longituds d'ona que es redueixen poden reduir les antenes perquè la seva mida està directament relacionada amb la freqüència que necessiten transmetre o rebre. Els telèfons mòbils actuals no necessiten antenes llargues que sobresurten, gràcies a la seva comunicació dedicada a freqüències de GHz, per a la qual l'antena només ha de ser aproximadament una. centímetre de llarg. És per això que la majoria de telèfons mòbils que encara contenen receptors FM requereixen que connecteu els auriculars abans d'utilitzar-los: la ràdio ha d'utilitzar el cable dels auriculars com a antena per obtenir la força del senyal suficient d'aquestes ones d'un metre de llargada.
Pel que fa als circuits connectats a les nostres antenes en miniatura, quan són més petits, en realitat són més fàcils de fer. Això no només és perquè els transistors s'han tornat més ràpids, sinó també perquè els efectes de la línia de transmissió ja no són un problema. En resum, quan la longitud d'un cable supera la desena part de la longitud d'ona, cal tenir en compte el canvi de fase al llarg de la seva longitud en dissenyar el circuit. A 2,4 GHz, això significa que només un centímetre de cable ha afectat el vostre circuit; si soldeu components discrets, és un mal de cap, però si distribuïu el circuit en uns quants mil·límetres quadrats, no és cap problema.
Predir la desaparició de la Llei de Moore, o mostrar que aquestes prediccions estan equivocades una i altra vegada, s'ha convertit en un tema recurrent en el periodisme científic i tecnològic. El fet és que Intel, Samsung i TSMC, els tres competidors que encara estan al capdavant. del joc, continuen comprimint més funcions per micròmetre quadrat i planifiquen introduir diverses generacions de xips millorats en el futur. Tot i que el progrés que han aconseguit en cada pas pot no ser tan gran com fa dues dècades, la miniaturització dels transistors continua.
Tanmateix, per als components discrets, sembla que hem arribat a un límit natural: fer-los més petits no millora el seu rendiment, i els components més petits actualment disponibles són més petits del que requereixen la majoria dels casos d'ús. Sembla que no hi ha la llei de Moore per als dispositius discrets, però si hi ha la llei de Moore, ens agradaria veure fins a quin punt una persona pot impulsar el repte de soldadura SMD.
Sempre he volgut fer una foto d'una resistència PTH que vaig utilitzar a la dècada de 1970 i posar-hi una resistència SMD, tal com estic intercanviant/sortint ara. El meu objectiu és fer que els meus germans i germanes (cap d'ells no ho són. productes electrònics) quant canvien, inclòs fins i tot puc veure les parts del meu treball, (a mesura que la meva vista empitjora, les meves mans empitjoren Tremolor).
M'agrada dir, estan junts o no? Realment odio "millorar, millorar". De vegades, el vostre disseny funciona bé, però ja no podeu obtenir peces. Què dimonis és això?. Un bon concepte és un bon concepte, i és millor mantenir-lo tal com és, en lloc de millorar-lo sense cap motiu. Gantt
"El fet és que les tres companyies Intel, Samsung i TSMC continuen competint a l'avantguarda d'aquest joc, esprémer constantment més funcions per micròmetre quadrat".
Els components electrònics són grans i cars. El 1971, la família mitjana només tenia unes poques ràdios, un equip de música i un televisor. El 1976 ja havien sortit ordinadors, calculadores, rellotges digitals i rellotges, que eren petits i econòmics per als consumidors.
Una mica de miniaturització prové del disseny. Els amplificadors operacionals permeten l'ús de giradors, que poden substituir grans inductors en alguns casos. Els filtres actius també eliminen els inductors.
Els components més grans sí que promouen altres coses: la minimització del circuit, és a dir, intentar utilitzar el menor nombre de components perquè el circuit funcioni. Avui en dia, no ens importa tant. Necessites alguna cosa per invertir el senyal? Pren un amplificador operacional. Necessites una màquina d'estat? Agafeu un mpu.etc. Els components d'avui són molt petits, però en realitat hi ha molts components a l'interior. Així, bàsicament, la mida del vostre circuit augmenta i el consum d'energia augmenta. Un transistor que s'utilitza per invertir un senyal utilitza menys energia per fer la mateixa feina que un amplificador operacional. Però, de nou, la miniaturització s'encarregarà de l'ús de l'energia. És només que la innovació ha anat en una direcció diferent.
Realment us heu perdut alguns dels avantatges/raons més importants de la mida reduïda: reducció de paràsits del paquet i major maneig de potència (cosa que sembla contraintuïtiu).
Des d'un punt de vista pràctic, una vegada que la mida de la característica arribi al voltant de 0,25 u, arribareu al nivell de GHz, moment en què el gran paquet SOP comença a produir l'efecte més gran*. Els cables d'enllaç llargs i aquests cables acabaran matant.
En aquest punt, els paquets QFN/BGA han millorat molt pel que fa al rendiment. A més, quan munteu el paquet així, acabeu amb *significativament* un millor rendiment tèrmic i coixinets exposats.
A més, Intel, Samsung i TSMC tindran un paper important, però ASML pot ser molt més important en aquesta llista. Per descomptat, això potser no s'aplica a la veu passiva...
No es tracta només de reduir els costos de silici mitjançant nodes de procés de nova generació. Altres coses, com ara bosses. Els paquets més petits requereixen menys materials i wcsp o fins i tot menys. Paquets més petits, PCB o mòduls més petits, etc.
Sovint veig alguns productes de catàleg, on l'únic factor impulsor és la reducció de costos. La mida de la memòria/MHz és la mateixa, la funció SOC i la disposició dels pins són iguals. És possible que utilitzem noves tecnologies per reduir el consum d'energia (normalment això no és gratuït, així que hi ha d'haver alguns avantatges competitius que els importin els clients)
Un dels avantatges dels components grans és el material anti-radiació. Els transistors minúsculs són més susceptibles als efectes dels raigs còsmics, en aquesta situació important. Per exemple, a l'espai i fins i tot observatoris d'altitud.
No vaig veure una raó important per a l'augment de la velocitat. La velocitat del senyal és d'aproximadament 8 polzades per nanosegon. Així que només amb reduir la mida, són possibles xips més ràpids.
És possible que vulgueu comprovar les vostres pròpies matemàtiques calculant la diferència en el retard de propagació a causa dels canvis d'embalatge i els cicles reduïts (1/freqüència). És a dir, per reduir el retard/període de les faccions. Trobareu que ni tan sols apareix com a un factor d'arrodoniment.
Una cosa que vull afegir és que molts circuits integrats, especialment els dissenys més antics i els xips analògics, no es redueixen realment, almenys internament. A causa de les millores en la fabricació automatitzada, els paquets s'han tornat més petits, però això és perquè els paquets DIP solen tenir molts l'espai restant a l'interior, no perquè els transistors, etc. s'han fet més petits.
A més del problema de fer que el robot sigui prou precís per manejar components minúsculs en aplicacions de recollida i col·locació d'alta velocitat, un altre problema és soldar de manera fiable components petits. Sobretot quan encara necessiteu components més grans a causa dels requisits de potència/capacitat. pasta de soldadura especial, les plantilles de pasta de soldadura de pas especials (aplicar una petita quantitat de pasta de soldadura quan calgui, però encara proporcionen prou pasta de soldadura per a components grans) van començar a ser molt cares. Així que crec que hi ha un altiplà i una miniaturització addicional al circuit El nivell de la placa és només una manera costosa i factible. En aquest punt, també podeu fer més integració a nivell d'hòsties de silici i simplificar el nombre de components discrets al mínim absolut.
Ho veureu al vostre telèfon. Al voltant de l'any 1995, vaig comprar alguns telèfons mòbils primerencs a les vendes de garatge per uns quants dòlars cadascun. La majoria dels circuits integrats són de forat.
Llavors vaig acabar amb alguns telèfons de mà actualitzats. Hi ha molt pocs components i gairebé res familiar. En un petit nombre d'IC, no només la densitat és més alta, sinó que també s'adopta un nou disseny (vegeu SDR), que elimina la majoria de els components discrets que abans eren indispensables.
> (Aplica una petita quantitat de pasta de soldadura quan sigui necessari, però encara proporciona suficient pasta de soldadura per a components grans)
Ei, vaig imaginar la plantilla "3D/Wave" per resoldre aquest problema: més prima on hi ha els components més petits i més gruixuda on hi ha el circuit d'alimentació.
Avui en dia, els components SMT són molt petits, podeu utilitzar components discrets reals (no 74xx i altres escombraries) per dissenyar la vostra pròpia CPU i imprimir-la a la PCB. Espolvoreu-la amb LED, podeu veure-la funcionant en temps real.
Amb els anys, sens dubte agraeixo el ràpid desenvolupament de components complexos i petits. Proporcionen un gran progrés, però al mateix temps afegeixen un nou nivell de complexitat al procés iteratiu de prototipatge.
La velocitat d'ajust i simulació dels circuits analògics és molt més ràpid que el que es fa al laboratori. A mesura que augmenta la freqüència dels circuits digitals, el PCB passa a formar part del muntatge. Per exemple, efectes de línia de transmissió, retard de propagació. Prototipatge de qualsevol tall. La tecnologia de punta s'utilitza millor per completar el disseny correctament, en lloc de fer ajustos al laboratori.
Pel que fa als articles d'afició, l'avaluació. Les plaques de circuit i els mòduls són una solució per a la reducció de components i mòduls de prova prèvia.
Això pot fer que les coses perdin "divertides", però crec que fer que el vostre projecte funcioni per primera vegada pot ser més significatiu per la feina o les aficions.
He estat convertint alguns dissenys de forat passant a SMD. Fes productes més barats, però no és divertit construir prototips a mà. Un petit error: "lloc paral·lel" s'ha de llegir com "placa paral·lela".
No. Després que un sistema guanyi, els arqueòlegs encara es sentiran confosos per les seves troballes. Qui sap, potser al segle XXIII, l'Aliança Planetària adoptarà un nou sistema...
No hi podria estar més d'acord. Quina és la mida de 0603? Per descomptat, mantenir 0603 com a mida imperial i "anomenar" la mida mètrica 0603 0604 (o 0602) no és tan difícil, fins i tot si pot ser tècnicament incorrecte (és a dir: mida real de concordança, no així) de totes maneres. Estricte), però almenys tothom sabrà de quina tecnologia esteu parlant (mètrica/imperial)!
"En termes generals, els components passius, com ara resistències, condensadors i inductors, no milloraran si els feu més petits".