storia dei circuiti

STORIA DEI CIRCUITI
CIRCUITO CABLATO
è uno dei primi che nasce, si tratta di un circuito realizzato collegando con dei fili i vari componenti.
I contatti vengono realizzati uno ad uno.
Pregi:
Grande facilità nella modifica del progetto e in fase di produzione.
(Grazie a questa caratteristica ancora oggi esistono i cablaggi dei circuiti sulle basette millefori le
quali hanno il vantaggio di poter essere trasportate e inserite nei computer.)
Difetti:
 Dimensioni elevate
 In fase di costruzione richiede molto tempo per essere portato a termine
 Elevate possibilità di errore in fase di cablaggio
 Elevati costi di controllo e collaudo
CIRCUITO STAMPATO
E’ un circuito il cui cablaggio è realizzato su una basetta di materiale isolante sulla quale è stata
applicata una lamina molto sottile di rame. I collegamenti si ottengono per asportazione del rame in
eccedenza.
In passato il circuito veniva disegnato con inchiostro o con i trasferibili sul rame della basetta,
successivamente questa veniva immersa in un acido il quale corrodeva le parti di rame non protette
da inchiostro o dai trasferibili, per cui il risultato finale era la basetta con tanto di collegamenti in
rame. Per concludere il lavoro restava soltanto da lavare il tutto e applicarci i vari componenti.
Oggi il sistema è rimasto praticamente invariato solo che il circuito viene disegnato a computer e
stampato su carta a lucido, successivamente il disegno viene sovrapposto alla basetta a sua volta
cosparsa di un prodotto fotosensibile e il tutto viene esposto alla luce di una lampada apposita.
A contatto con la luce il prodotto fotosensibile si degrada e perde il suo scopo protettivo.
Nei punti protetti dal disegno invece rimane integro e protegge il rame.
A questo punto viene immersa la basetta nell’acido, bisogna attendere che questo compia il suo
lavoro poi si lava la basetta e gli si applicano sopra i componenti richiesti.
Pregi:
 Bassi costi di produzione (poca mano d’opera per il cablaggio)
 Bassi costi di controllo e collaudo
 Dimensioni estremamente ridotte (miniaturizzate)
 Riduzione degli errori di montaggio
Difetti:
 Alta difficoltà a modificare il progetto
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CIRCUITI INTEGRATI
E’ un componente unico che racchiude al suo interno un intero circuito già pronto, creato su un
minuscolo frammento di silicio con tecnologie e macchinari molto sofisticati e costosi.
Si tratta di un unico componente che compie il lavoro di un circuito intero.
Questi componenti sono nati dalla necessità di ridurre ancora di più le dimensioni dei circuiti.
Come si costruiscono?
Una ditta, con tecniche molto sofisticate e grandi investimenti riesce a costruire sopra a un
dischetto molto sottile di silicio detto “wafer” molti circuiti dalle dimensioni estremamente ridotte,
successivamente questo wafer viene suddiviso in tanti piccoli circuiti che a loro volta vengono
appoggiati su di un supporto chiamato “forchetta” il quale ha due funzioni fondamentali, in primo
luogo fa da supporto al silicio e in secondo luogo dissipa il calore che il circuito produce per effetto
joule durante il suo funzionamento.
Uno degli inconvenienti che è nato durante la progettazione di questo componente era realizzare i
collegamenti per l’esterno, infatti da questi piccoli circuiti di silicio, partono piccoli fili delle
dimensioni di un capello che a loro volta vengono saldati con le apposite apparecchiature a piste di
rame più grosse chiamati piedini.
Una volta fatto ciò si ricopre il tutto con una resina nera lasciando fuori solamente i piedini sui
quali sarà possibile lavorare.
Pregi:
 grande miniaturizzazione,
 riduzione di tempo di montaggio e materiali e quindi risparmio.
Difetti:
 una volta realizzato il circuito interno è impossibile modificarlo,
 alti costi di produzione.
 alti costi di progettazione.
Approfondimento: La rivoluzione dei circuiti integrati
Il transistor è alla base di tutti i circuiti elettronici attuali.
I chip presentano al loro interno migliaia di transistor miniaturizzati.
Nel 1958, gli ingegneri americani J.C. Kilby (Texas Instruments) e Robert Noyce (FairChild
Semiconductor) aprirono l'era della miniaturizzazione dei circuiti elettronici riuscendo a combinare
diversi componenti elettronici su una piastrina di silicio di dimensioni più piccole di un francobollo.
Dal 1961 la produzione industriale dei circuiti integrati costituisce la chiave di volta che porterà alla
realizzazione di calcolatori poco ingombranti, sempre più potenti e sempre più economici. I primi
circuiti integrati comprendevano i componenti (transistor e altri elementi di supporto) sufficienti per
realizzare solo alcune porte logiche, ma via via che il procedimento di integrazione si perfezionò, si
ottennero circuiti integrati sempre più ricchi di componenti e dalle funzioni sempre più complesse,
grazie ad una miniaturizzazione sempre più spinta.
Il calcolatore IBM 360 e il PDP-11 della Digital Equipment Corporation furono i primi elaboratori
ad adottare i circuiti integrati.
Nel 1971, tre ingegneri della Intel, Federico Faggin, Ted Hoff e S. Mazer, realizzarono un ulteriore
passo in avanti in fatto di miniaturizzazione: progettarono e costruirono il primo microprocessore,
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cioè un’intera unità di calcolo (la CPU) in un singolo circuito integrato. Questo microprocessore fu
denominato Intel 4004 e ad esso sono seguiti numerosi altri modelli, sempre più sofisticati e potenti
che, grazie al loro basso costo, hanno determinato l'attuale enorme diffusione dei calcolatori.
Fig. 1 Alcuni circuiti integrati.
Fig. 2. Ingrandimento dell’Intel 4004.
Su una piastrina 4 × 3 mm Faggin, Hoff e Mazer
riuscirono ad inserire 2.250 transistor,
che formavano il cuore di un intero calcolatore
in grado di elaborare in parallelo 4 bit.
Fig. 3 Ingrandimento della superficie di
un circuito integrato con saldature e
micro fili di collegamento.
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Fig. 4 Microprocessore Intel con chip visibile.
Fig. 5 Microprocessore Intel 80386 aperto.
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Fig. 6 Interno stilizzato di un C.I. E’ visibile il “ragno”
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Costruzione dei CIRCUITI INTEGRATI
La realizzazione dei vari componenti elettronici su una singola piastrina si ottiene dopo numerosi
passaggi:
1. Innanzitutto del minerale grezzo in forma cristallina viene polverizzato e fuso per realizzare un
cilindro di silicio cristallino che poi viene tagliato in fette da 500 micron di spessore
2. Il disco di silicio (wafer ) viene
ossidato tramite la vaporizzazione di
ossigeno e silicio allo stato gassoso
alla temperatura di 1100°C
3. Sul disco ossidato così ottenuto viene spalmata una
resina fotosensibile
4. Sul wafer viene posta una maschera con riprodotto il
circuito elettrico e il tutto viene esposto a raggi
ultravioletti. In tal modo, seguendo una tecnica simile a
quella fotografica, viene impresso sul wafer lo schema
del circuito
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5. La fotoresina e la patina ossidata viene poi
lavata via con acquaforte, lasciando così
scoperto, in corrispondenza dei circuiti, il
silicio del wafer.
6. A questo punto avviene il drogaggio del silicio, con
atomi di boro per il silicio di tipo p o di arsenico per il
silicio di tipo n.
Gli atomi di questi gas penetrano solo nel silicio puro.
7. In seguito vengono creati gli elettrodi
vaporizzando alluminio ( attualmente
comincia ad essere utilizzato il rame )
con elettroni.
8. Infine i vari chip ( da un wafer si
ottengono ca. 200 chip ) vengono tagliati
con una punta di diamante e controllati.
Quelli funzionanti andranno assemblati
nel definitivo circuito integrato.
Retroscena della Storia dell'invenzione
Il circuito integrato fu ideato da dall'ingegnere americano Jack St.Clair Kilby (nato 1923) della
Texas Instruments di Dallas nell'estate del 1958. L'invenzione fu ufficialmente annunciata il
12/09/1958. Per un certo tempo la paternità dell'invenzione fu però incerta tra Kilby e il fisico
Robert Noyce (1927-1990) della FairChild Semiconductor e fondatore dell’ Intel che nel gennaio
del 1959 giungerà indipendentemente da Kilby alle stesse conclusioni e brevetterà l'idea nel 1961. Il
progetto di Noyce sarà un perfezionamento di quello di Kilby e consisterà in un processo di
diffusione planare a partire dal silicio monocristallino mediante processi fotografici.
Una curiosità: se la comunità scientifica è unanime nell'attribuire ad
entrambi i ricercatori l'invenzione del transistor, solo Kilby sarà ammesso nella Sala d'onore degli
inventori nazionali insieme a Edison, Ford, Shockley, i fratelli Wright e pochi altri.
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Immagini
Fig1: Wafer già trattato
con circuiti.
Fig2: Wafer con evidenziato
un singolo circuito integrato.
(Notare le piccole dimensioni)
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Fig3: Ingrandimento dei
circuiti integrati.
(Alcuni sono rovinati)
Fig3: Ingrandimento di un
Circuito integrato:
Un solo transistor degli oltre 2000
contenuti nel circuito.
Fig4: Ingrandimento di un Transistor:
I piedini.
Dimensioni in scala:
__
questa linea vale 50 Nano metri
50 x 10-9 metri
Cioè 50 milionesimi di millimetro.
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PLD –PROM
La tecnologia non si è fermata. Piccole industrie si ritrovano a dover ridurre ulteriormente le dimensioni del circuito o
a combattere lo spionaggio industriale.
Proprio a causa di quest’ultimo sono nati i PLD (PROGRAMABLE LOGIC DEVICE) dispositivi dove programmare
circuiti logici, e le PROM, cioè memorie programmabili.
PLD
(Programmable Logic Device)
Programmable Logic Device, è un circuito integrato programmabile utilizzato nei circuiti digitali.
I PLD sono dispositivi in silicio senza circuito prefissato all’interno. Il “consumatore” di
questo prodotto forma al suo interno il circuito desiderato fornendo, con una macchina
apposita, opportune tensioni ai piedini della PLD vergine.
Per quanto riguarda l’investimento da fare per l’utilizzo dei PLD si dovrà acquistare: computer,
macchina per programmare i dispositivi dotata di BUS di trasmissione, software.
A differenza di una porta logica tradizionale, che realizza una funzione logica predefinita e non
modificabile, un PLD, al momento della fabbricazione, non è configurato per svolgere una determinata funzione
logica. Prima di poter utilizzare un PLD in un circuito, esso deve essere programmato.
Essi permettono la realizzazione di funzioni digitali combinatorie o sequenziali nello
stesso integrato. Sono prodotti allo stato non programmato e le funzioni desiderate sono
determinate e programmate dall'utente attraverso l’ interruzione di contatti detta
“bruciatura di fusibili” all’interno del silicio, realizzata da tensioni prodotte da apposito
dispositivo gestito da software.
I PLD furono introdotti nel 1975; il primo dispositivo programmabile, non a memoria, fu
realizzato dalla Signetics, che lo denominò Field-Programmable Logic Array (FPLA).
Esso è costituito da una matrice AND e da una matrice OR, entrambe programmabili.
PROM (Programmable
Read Only Memory)
La Programmable Read Only Memory, ovvero memoria di sola lettura programmabile è una tipologia di memoria a
stato solido programmabile una sola volta.
Nasce come evoluzione della ROM a maschera ed è volta a ridurne i notevoli costi di produzione dovuti alla
progettazione delle maschere per l'impiantazione ionica. (C.I.Tradizionali)
La ROM a maschera richiede infatti di cambiare l'intera linea di produzione ogni qual volta fosse
necessario modificare anche una minima parte dei circuiti logici.
La PROM invece contiene dei fusibili, che possono essere bruciati secondo le
esigenze per implementare i circuiti logici richiesti, e richiede
un'apparecchiatura speciale per le operazioni di scrittura.
Esiste inoltre una tipologia di PROM in cui al posto dei fusibili vengono usati degli antifusibili,
nei quali il collegamento viene creato invece di venire bruciato.
Pregi:
- Circuito esclusivo più difficile da copiare
- ulteriore miniaturizzazione
- riduzione dei costi di produzione grazie al minor tempo impiegato in fase di montaggio.
Difetti:
-Impossibilità di modifica una volta realizzato il circuito e quindi adatto in fase di produzione e non di
progettazione.
-Occorre un piccolo investimento iniziale.
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EPLD - EPROM
Sono dispositivi riprogrammabili e quindi in cui è possibile cancellare la precedente
programmazione e renderli di nuovo vergini.
EPLD
(Erasable - Programable Logic Device)
E-PDL: è una logica
programmabile sulla quale è
possibile più di una volta
andare a modificare il
circuito logico interno.
Sono principalmente
cancellabili elettricamente,
qualcuna è cancellabile con raggi ultravioletti di una alta
frequenza ben determinata.
Eprom
(Eresable - Programmable Read Only Memory)
Memoria di sola lettura ri-programmabile
cancellabile. In questo caso attraverso luce
ultravioletta specifica.
Occorre smontare il dispositivo e irradiarlo
una ventina di minuti in appositi apparati
con luce ultravioletta.
Esistono quelle cancellabili elettronicamente che sono molto più comode in quanto si possono
riprogrammare senza essere smontate. Si chiamano EEPROM (Electronically Eresable
Programmable Read-Only Memory)
Fig1: Cancellatore di Eprom
Pregi:
- si possono cancellare e riprogrammare quindi risulta essere molto comoda in fase di progettazione.
Difetti:
- più costosa della PDL - Prom
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