Загадка чёрной капли

Как говорится, вместо тысячи слов: по изображению выше вы сразу поймёте, о чём пойдёт речь в статье — про чёрные «капли» на платах электронных устройств

Сейчас мы все знаем или хотя бы догадываемся, что это такое. Но были времена, когда мы не знали, что это такое. Было страшно, страшно интересно, что же это такое. Предлагаю вспомнить о тех счастливых доинтернетных временах и о простых детских забавах, когда жизнь была полна загадок, и никто из взрослых не мог подсказать и разъяснить то, с чем мы сталкивались впервые.

▍ Это личное

Начнём с погружения в личную историю: как я впервые познакомился с этими загадочными объектами.

Радиоконструктор «Мальчиш». Фото из интернета

Дело было в самом начале 1990-х годов. Я увлекался радиоэлектроникой. Позади была попытка сборки радиоприёмника-конструктора «Мальчиш», той ранней версии на железных транзисторах П401 и МП41, с ВЧ-трансформатором и дросселем на 7-миллиметровых ферритовых кольцах, сборка которой была серьёзным вызовом даже для искушённого в электронике взрослого человека.

Типичная радиолюбительская история 70-х, звуковой эффект из книги В.Г. Борисова

Тем не менее, тот неудачный опыт уже подсказывал мне, что каждый радиоприбор должен состоять из чего-нибудь, из каких-то радиодеталей, соединение которых определённым образом формирует схему, которая что-то делает. Из обрывков радиожурналов и прочей литературы я также знал, что из таких же деталей примерно в таком же количестве можно собрать и другие схемы, например, схему звуковых эффектов — какую-нибудь сирену или чирикалку.

Однажды одноклассник принёс в школу чудный артефакт: брелок для ключей, маленькая чёрная коробочка с разноцветными кнопочками, при нажатии на которые раздавались совершенно неслыханные в тот исторический период звуковые эффекты электронного характера: лазеры, сирена, и прочие «пиу-пиу бдыщ».

Типичный EXECUTOR снаружи

В то время встречалось несколько вариаций подобных брелоков, под названиями типа EXECUTOR, ECHO KEY, ECHO KEYLLER. Часть из них просто воспроизводила эффекты, а другая умела откликаться звуком на свист. Такой вот забытый чудо-гаджет сомнительного назначения из докомпьютерной эпохи, изобретение сумрачного тайваньского гения.

Разумеется, вскоре брелок не выдержал натиска публичного интереса, сломался, и пытливые детские умы не замедлили тут же проникнуть внутрь, чтобы устранить неисправность — ведь в такой маленькой коробочке много деталей не поместится, а значит, всё должно быть устроено достаточно просто. Я, как заслуженный эксперт, принимал участие в этом раздербане.

Типичный EXECUTOR с чёрной каплей внутри. Похоже, их всё ещё производили ещё десять лет назад

Внутри, однако, оказалось совершенно инопланетное устройство: миниатюрный динамик странной формы, тонкая платка с загадочным геометричным лабиринтом металлических дорожек, резиновые кнопки (также встреченные впервые), и та самая маленькая загадочная чёрная капля: круглая, выпуклая, гладенькая, блестящая. Так я узнал, что схема может состоять не только из разрозненных радиодеталей, но и из единственного динамика, в котором, по всей видимости, скрываются все функции устройства.

Следующим значимым столкновением с этой технологией стала наша любимая приставка Денди и игры для неё. Случилось это через несколько лет, в первую же встречу с ней.

Мой первый «картридж», увиденный в книжке

Ранее, достаточно задолго до этого я уже неоднократно играл на компьютере ZX Spectrum у родственников, наблюдал другие компьютеры (БК, Atari) в игровых клубах, и знал, что игры загружаются в них с кассеты обычного бытового магнитофона. А незадолго до встречи с Денди ко мне в руки попала книжка про зарубежные кассетные магнитофоны, где обстоятельно излагалась конструкция не только компакт-кассеты, но и невиданных в наших краях восьмидорожечных «картриджей» с замкнутой в бесконечную восьмёрку магнитной лентой.

И тут друг рассказывает мне, что его старший брат принёс домой игровой компьютер, и он работает на кассетах, но не как у магнитофона, а на больших жёлтых, вставляющихся «вот так вот». Разумеется, я предположил, что это и есть «картридж» из умной книжки, и даже как-то внёс через это обсуждение в наш лексикон искажённое звучание этого слова. Друг подтвердил — да-да, на коробочке как раз написано что-то такое, только по-английски. Но только никакой ленты там внутри нет, а есть какая-то платка, что мне показалось крайне странным.

Типичная многоигровка и платы с «каплями», которые можно было обнаружить внутри

Это были времена, когда мы уже целенаправленно разбирали и довольно успешно (до 98% целостности) собирали обратно всю новую технику, попадавшую к нам в руки, ради удовлетворения любопытства, как же всё это устроено. Когда мы добрались наконец до жёлтой коробочки, мы сразу её разобрали, и действительно, там оказалась платка, а на ней — снова эти капли. Со временем мы разбирали и другие картриджи, и иногда там оказывались тяжеленные обычные микросхемы, иногда одни только капли, а иногда даже то и другое одновременно.

Современные Тетрисы выглядят иначе, но придерживаются классической технологии, как и 30 лет назад

Ну а потом пошло-поехало: часы, калькуляторы, сами Денди, карманные Тетрисы и подобные им зарубежные игрушки — всюду обнаруживались эти загадочные чёрные блямбы.

Относились мы к ним почему-то иначе, чем к обычным корпусным микросхемам: вот есть микросхемы, а вот есть капли. Практическая разница была, конечно, в том, что микросхему мы хоть как-то смогли бы и заменить, если бы знали, где взять такую же. Но если сломалось устройство с каплей, значит всё, приехали.

Советская микросхема УМС и её современный китайский коллега

Со временем я, конечно, понял, что это такой способ корпусирования и монтажа микросхем, а не отдельная сущность. К тому же встречались наглядные примеры: в радиомагазинах продавались конструкторы на базе корпусных микросхем серии УМС, пиликающих заранее запрограммированные мелодии, а в обиходе часто попадались музыкальные открытки с каплей, делающие примерно то же самое с таким же звучанием. Но в доступной мне литературе такая микроэлектроника не освещалась, и подробности удалось узнать уже во времена интернета.

И ещё одна байка из прошлого. Неподалёку от моего дома находилось НИИ Дельта. Помимо прочего, в нём располагалось опытное производство микросхем, и в детстве я и мои друзья неоднократно находили под окнами близлежащих домов самые настоящие полупроводниковые пластины, с уже протравленными кристаллами. Тогда я думал, что это какие-то странные солнечные батареи без выводов для пайки — обычные солнечные батареи уже можно было купить в местном радиомагазине, и я был с ними знаком — и только сильно позже понял, что же это было такое. Возможно, это была просто отбраковка, которую кто-то зачем-то спёр с опытного производства.

Кремниевые пластины с почти готовыми чипами

Однако несколько лет назад в кругу местных жителей мы вспоминали эти странные находки, и один из них рассказал удивительную историю. Якобы в его детстве, в начале 1990-х, соседка по подъезду работала в Дельте, приносила оттуда эти самые пластины кремния, и ребята даже помогали ей прямо дома устанавливать их в корпуса микросхем, вроде бы железные (гибридная технология?), там были маленькие проволочки, которые было нужно припаивать, но подробности процесса он не помнит. Не думаю, что рассказчик мог придумать это сам, так как никакого отношения и интереса к микроэлектронному производству он не имеет. Возможно, в его рассказе таки есть отзвуки исторической правды.

▍ Что ты такое

В современной терминологии «капля» на плате — это «Chip On Board», сокращённо COB. В обиходе чаще встречается название «Glob Top» (по смыслу та же капля), но такое наименование также регулярно используется и в патентах.

Объяснение сути процесса из зарубежной презентации

Как вы правильно догадываетесь, это такой очень дешёвый способ монтажа и корпусирования кристаллов микросхем, без изготовления для них отдельных подложек, корпусов и выводов. В качестве подложки выступает сама плата, в качестве корпуса капля чёрного компаунда, а выводов вообще нет — контактные площадки кремния соединяются сразу с дорожками платы.

В современной электронике принята пятиуровневая иерархия компонентов: кристалл, корпус кристалла, печатная плата, сборка плат, модуль, система. Технология COB занимает в ней особое место, промежуточное между первым и вторым уровнями (корпусом кристалла и печатной платой).

Кристалл в традиционном корпусе микросхемы EPROM с «окошком» для стирания

Такой способ монтажа позволяет существенно экономить деньги в массовом производстве, причём сразу на нескольких вещах. Не нужен материал для корпуса, подложки и выводов. Не нужна оснастка для корпусирования: не требуется пресс-форма и хитроумный держатель чипа в процессе соединения кристалла проволочками с рамкой из выводов. Не нужна последующая обрезка и формовка выводов.

Также не нужен последующий монтаж выводной микросхемы на плату, со всей этой пайкой, канифолью и канителью. От традиционной технологической цепочки остаётся всего две операции: установка всё те же соединительных проволочек, но из более дешёвых металлов, и заливка сборки компаундом.

Уже установленный и подсоединённый к плате чип до заливки компаундом

Все мы наслышаны про то, что изготовление микрочипов, самих кристаллов со всеми его микроструктурами, требует «чистой комнаты» с обеспыленным воздухом и работы в специальном скафандре, в котором ни вздохнуть, ни обратно. Но это касается именно процесса изготовления. Прямой же монтаж готового бескорпусного чипа на плату не сильно отличается от работы с SMD-компонентами, и может выполняться в самых обычных, почти бытовых условиях.

Для начала чип, то есть заранее вырезанный кусочек кремния со сформированными микроструктурами на нём, просто приклеивается на плату в нужном месте на эпоксидный клей. Идеальная точность ориентации при приклеивании не особо важна, допустим небольшой осевой поворот. После этого контактные площадки чипа подсоединяются к плате проволочками с помощью специального оборудования.

Конечно, припаять проволочку толщиной в волос к слою металлизации на кристалле кремния обычным паяльником и припоем не получится. Тут используется примерно такая же оснастка, как и про корпусировании обычных микросхем. Вместо пайки применяются разные специальные виды сварки, например, лазерная или термо-ультразвуковая.

Проволочки, которыми соединяются терминалы чипа с дорожками на плате, могут быть серебряными, золотыми, алюминиевыми или медными. Насколько мне известно, в варианте с каплей этих целях применяют самый дешёвый вариант: алюминий.

В интернете мало информации по процессу монтажа, но можно найти видео современного производства, где операцию установки чипа-капли на плату выполняет небольшой настольный станок. Щуп станка сначала приваривает конец проволочки к одной контактной площадке, потом перемещается, протягивая проволочку, приваривает второй конец, и резким движением отрывает подаваемую проволоку от выполненного соединения.

Корпусирование, то есть заливка капли, также имеет свои нюансы. Прежде всего, это сам материал, который может отличаться временем полимеризации, химической совместимостью, хрупкостью, текучестью и иными параметрами — на этом поприще придумано и запатентовано немало изобретений. Стабильность полимеризации важна, чтобы этот процесс не оборвал соединительные проволочки.

Второй вопрос — как заливать. Есть два основных подхода: просто капнуть и пусть само течёт, либо же в два шага: сначала создаётся бортик из материала вокруг чипа, потом в получившийся тазик заливается основной материал. В этом деле есть множество хитростей, связанных с растеканием материала и выходом воздуха, и на эту тему также существует множество патентов.

Что касается окончательной полимеризации компаунда, она происходит в термокамере, что существенно повышает скорость процесса. В разных источниках мне попадались цифры порядка трёх-четырёх часов при температуре около 60 градусов.

Разумеется, у «капельной» технологии есть и недостатки. Очевидный — это неремонтопригодность, а чуть менее очевидный — низкая надёжность. Например, монтаж кристалла прямо на плату ухудшает отвод тепла. Если же применить к плате механическую нагрузку, она изгибается, а изгиб может нарушить целостность компаунда и привести либо к отклеиванию кристалла от платы, либо к натяжению соединительных проволочек. Обрыв любой из них — и устройство превращается в тыкву.

Починить такую тыкву практически нереально, хотя в редких случаях помогают народные средства, как то: прогрев феном, проморозка в холодильнике, изгиб платы с последующей фиксацией, фиксация листа подорожника на разгорячённом лбу. Механические и температурные расширения-сжатия могут сдвинуть части проволочки относительно друг друга и на какое-то время восстановить контакт.

▍ Откуда они

Удивительно, но мне не удалось найти никакой конкретной информации по истории этой весьма широко распространённой технологии с полувековой историей. Обычно у любых технологий и компонентов есть какие-то изобретатели, стоящие за ними электронные гиганты, патенты, научные публикации, и найти хотя бы обзорные материалы по истории индустрии не составляет труда.

Конечно, на пальцах идея выглядит вполне тривиально: вместо рамки выводов чип клеится на плату и соединяется с дорожками теми же самыми проводками и теми же самыми технологиями, а потом просто заливается сверху почти тем же самым компаундом на основе эпоксидных смол, без пресс-формы.

Но кто-то должен был впервые придумать и осуществить подобное, продумать и проработать всевозможные технологические и химические нюансы, чтобы обеспечить работоспособность и эффективность технологии, и, учитывая огромную экономическую выгоду, запатентовать каждое из достижений в этой области. Однако, на тему Glob Top и COB сейчас находятся в основном патенты, связанные со светодиодными технологиями, также применяющими прямой монтаж кристаллов на плату.

Изображение внутреннего устройства «капли» из одного из многочисленных патентов

Поиск по патентам дал только множество частностей. Например, составы компаундов с разными характеристиками и разные способы заливки, учитывающие растекание материалов и выхода пузырьков воздуха при заливке. Многие из патентов датируются концом 1970-х годов, имеют японское происхождение и связь с электронными гигантами Японии: Hitachi, NEC, Toshiba и многими другими. Но патентов на базовую идею без углубления в нюансы мне найти так и не удалось, а значит, не удалось выяснить даже приблизительные даты изобретения и начала коммерциализации технологии.

Ориентировочно технология появилась в середине 1960-х, и достигла массового производства в середине 1970-х. Первые капли могли варьироваться от едва-едва покрытого краской кристалла до капель разных цветов, форм и толщины. Например, они могли быть приплющены чем-то плоским сверху. Только к началу 1990-х они обрели свои свою финальную чёрную капельную форму, хотя первые её появления случались значительно раньше.

Sinclair Black Watch 1975 года снаружи и внутри

Я решил поискать исторические свидетельства в самом очевидном месте: в самых ранних наручных электронных часах, которые однажды были самым передовым краем массовой потребительской микроэлектроники. Сейчас это трудновато представить, но ранние варианты подобных устройств строились на корпусных микросхемах, причём иногда даже формата DIP или SOJ.

В часах Gruen Teletime 1972, считающихся одними из самых ранних, если не первыми наручными часами с жидкокристаллическим дисплеем, чип выполнен на керамической подложке.

Плата Seiko 06LC слева, Casio F-100 справа

В жидкокристаллических Seiko 06LC 1973 года можно видеть корпусную микросхему, но уже поверхностного монтажа. В ранних часах линейки Casiotron компании Casio также используются керамические подложки. А вот в модели Casio F-100 1977 года выпуска уже можно найти самую настоящую чёрную каплю.

Из вышесказанного можно сделать один определённый вывод: эта технология изобретена не в Китае, хотя и ассоциируется в первую очередь именно с ним. Однако нельзя отрицать, что именно на Тайване и в Китае её отточили до идеала, применяя самые дешёвые однослойные платы из гетинакса и максимальную интеграцию всей электроники в один-единственный чип.

Ранний клон Famicom на отдельных корпусных микросхемах. Фото Socram8888

Как яркий пример — однокристальные клоны игровой консоли Famicom, появившиеся в начале 1990-х годов. Первые подобные устройства следовали дизайну оригинала и содержали довольно немаленькую плату с десятком микросхем в корпусах DIP: процессор, видеоконтроллер, две микросхемы ОЗУ, мелкую логику. Позже всё это было интегрировано в единственный кристаллик, пришлёпнутом в виде капли на однослойную гетинаксовую платку размером 35 на 80 миллиметров, на которой помимо собственно чипа размещался 60-контактный разъём картриджа, кварцевый резонатор, пара-тройка конденсаторов и других опциональных элементов.

Чуть более поздний клон Famicom на единственном чипе-«капле»

Аналогичным образом преобразились и игровые картриджи, где корпусные микросхемы ПЗУ и ОЗУ также начали выполняться в виде капель. Нужно, однако, отметить, что капельную корпусировку в картриджах первыми начали применять сами японцы и американцы.

Оригинальная японская версия игры Popeye существует в версиях на микросхемах и «каплях»

В поздних оригинальных картриджах всех регионов, включая Японию, США и страны Европы, нередко можно найти интересные вариации «капель», разных по форме и цвету. Например, квадратные, круглые, неопределённые, гладкие блестящие, матовые пористые, и прочие другие.

Американская версия сборника Super Mario Bros и Duck Hunt имела несколько разных ревизий на «каплях»

▍ Капли сегодня

Технология капель продолжает широко применяться и сегодня в массовом производстве самой разнообразной недорогой электроники.

Весь функционал современного мультиметра реализуется в одной «капле». Как, впрочем, и 30 лет назад

Капли не встретить в ноутбуках, телефонах, планшетах, в автомобильной электронике — в дорогостоящих приборах, где требуется надёжность и какая-никакая ремонтопригодность в течение срока гарантии. Но они встречаются повсеместно в копеечной компьютерной периферии типы клавиатур и мышек, в калькуляторах, мультиметрах, в электронных игрушках и карманных приставках, на платах контроллеров ЖК-дисплеев и много где ещё. Даже на платках, воспроизводящих звуковые эффекты — до сих пор можно купить и такие. В общем, всюду, где очень низкая себестоимость важнее надёжности.

Сама же технология не особо меняется с начала 1990-х годов, по крайней мере, для неискушённого пользователя. С виду это всё тот же чёрный блестящий или матовый компаунд в форме выпуклой капли, как правило, не очень чёткой формы, а в его глубинах — кристалл и проволочки. Хотя химия и детали процесса наверняка претерпевали изменения и усовершенствования.

Старые же чёрные капли на платах исторических устройств приобрели новое качество. Сегодня это капсулы времени, скрывающие технологии и секретные коды Древних. Например, под ними скрывается логика популярных в прошлом карманных электронных игрушек типа Тамагочи. И их можно изучать точно так же, как энтузиасты современности изучают устройство классических микропроцессоров и компонентов компьютерно-игровых устройств, ведь по сути это всё те же микросхемы, только в ином корпусе.

Декаппинг чипа-капли игры Super Brick Game. Фото Azya

Год назад Хабре была опубликована замечательная статья про извлечение и исследование этих секретов в отношении популярного у нас карманного Тетриса китайского происхождения, Super Brick Game: раскорпусировку чипа механическими и химическими средствами, и последующей восстановление прошивки по отснятым при помощи микроскопа фотографиями кристалла. Очень рекомендую всем интересующимся.

▍ Заключение

Как гласит один из трёх законов писателя-фантаста Артура Кларка, «достаточно развитая технология неотличима от магии». Могу расширить это утверждение: «или от капли битума».

© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?