מדוע הגביש שלי לא מתחיל לפעול ואיך זה קשור, באופן מפתיע, למיקרו-בקר עצמו

ובכן, כפי שכולנו יודעים, הכניסה הראשונה והבסיסית שמיקרו-בקר או מיקרו-מעבד צריך לקבל אחרי שהוא מופעל הוא מקור השעון.

ישנן מספר אפשרויות להזין מיקרו-בקרים עם מקור שעון חיצוני: מעגלי RC, מהודים קרמיים, גבישים (המוכרים גם בשם גבישי קוורץ), מתנדי גביש ומודולי מתנד סיליקון/MEMS.

מקור השעון האופטימלי עבור יישום תלוי בגורמים רבים, כולל עלות, דיוק, צריכת הספק, פרמטרים סביבתיים וכו'.

אני רוצה לדון כאן בשימוש במהודים קרמיים או גבישים (לשם הפשטות, מהוד קרמי הוא למעשה הגביש עם קבלים מובנים, אם כי גבישי קוורץ הם מדויקים יותר ויציבים יותר בטמפרטורה לעומת מהודים קרמיים). לעיתים הגבישים נקראים XTAL.

הגבישים הם בשימוש נרחב ביישומים רגישים לעלות בגלל הסיבה הברורה שהם זולים למדי. עם זאת, יש להם גם דיוק ויציבות בתדרים גבוהים והם משמשים ביישומים רבים שבהם העלות אינה נושא עיקרי.

לספקי מיקרו-בקרים רבים יש דפי יישומים משלהם המנחים את המתכננים איך לחבר כהלכה את הגביש למיקרו-בקר, איך לבחור את הערכים הנכונים עבור הקבלים והנגד, מסבירים את שיקולי פריסת ה- PCB, וכו'.

למעשה, בסופם של תהליך התכנון, הבדיקות והניסויים בשטח, אתם תאשרו את התכן כ-"הנדסה טובה". הכול עובד כשורה, והמוצר עובר לייצור, בדרך כלל אצל יצרן לפי חוזה (CM) אי שם בעולם.

ואז אחרי כמה זמן, שיכול להיות 6 חודשים או כמה שנים, אתם מקבלים פנייה מיצרן ה- CM שלכם שהמוצר לא עומד בבדיקת עובר/לא-עובר לאחר תהליך ההרכבה. לאחר החקירה, אשר לוקחת זמן, אתם מגלים שהסיבה היא שהגביש לא מתחיל לפעול ולכן המיקרו-בקר לא פועל.

אתם מגרדים את ראשכם וחושבים, "מה לעזאזל קורה פה?" כבר שכחתם מהמוצר הזה, אתם מעורבים עמוקות במוצר חדש, אתם לא זוכרים מה תוכנן שם, המתכנן כבר לא עובד יותר עבורכם, וכמובן שאין לכם זמן - בלגן אמיתי!

תופעה זו אינה מתרחשת לעתים קרובות. אני מכיר כתריסר מקרים בעשר השנים האחרונות, אבל אני מניח שיש עוד מקרים שאני לא מודע להם.

למעשה, הסיבה היא לא הגביש, אלא ... המיקרו-בקר והתהליך המוכר בשם "כיווץ פיסת-הסיליקון". כהגדרה בסיסית, פעולת כיווץ פיסת-הסיליקון היא יצירת מעגל זהה לזה של מעגל-משולב (IC) של מוליכים-למחצה באמצעות תהליך ייצור מתקדם יותר והקטנת גודל הטרנזיסטור/השער והמרחק בין החיברורים. תהליך כיווץ פיסת-הסיליקון מאפשר לייצר יותר פיסות-סיליקון של מעבדים על אותה פרוסת סיליקון, כשהתוצאה היא עלות למוצר נמוכה יותר.

כיווץ פיסת-הסיליקון מועיל גם למשתמשי-הקצה מאחר וכיווץ פיסת-הסיליקון מקטין את הזרם של כל טרנזיסטור תוך שמירה על אותו תדר שעון של השבב. התוצאה היא מוצר עם צריכת הספק נמוכה יותר וקצב שעון מוגדל. זה גם מאפשר לספקים ליישם מאפיינים נוספים של מעגלים-משולבים (IC) שלא ניתן היה ליישמם לפני כיווץ פיסת-הסיליקון.

כיווץ פיסת-הסיליקון הוא המפתח לשיפור יחס ביצועים/מחיר בחברות מוליכים-למחצה והוא קורה אחת לתקופה. תקופה זו יכולה להיות אחת לשנה או אחת למספר שנים.

איור 1: המעגל החשמלי האקוויוולנטי לגביש

אך מה שלא משתנה בתהליך "כיווץ פיסת-סיליקון" הוא המארז עצמו שבו מורכבת פיסת-הסיליקון. המרחק בין פדי פיסת-הסיליקון ופיני המארז הופך לגדול יותר. כאשר אורך הפסים המוליכים בין הפדים לבין הפינים נהייה "ארוך יותר" חשמלית, זה משפיע על העכבה וההתנגדות (ESR) של העומס, ומהירויות גבוהות יותר של האלקטרונים בפיסת-הסיליקון המכווצת משפיעות על ההשראות.

ככל שהמארז בו הוא נתון גדול יותר, כך גדלים גם הסיכויים שהמיקרו-בקר יושפע מכיווץ פיסת-הסיליקון. הגביש מתנהג כמו מעגל RLC, ומבלי לצלול לתוך החישובים, פרמטרי R‏, L ו- C אלו לאחר תהליך כיווץ פיסת-הסיליקון יכולים להשפיע על ערך הקבלים ו/או הנגדים שנבחרו ונבדקו במהלך שלב התכנון הראשוני לפני כיווץ פיסת-הסיליקון.

תופעה זו דומה למצב שבו במהלך תהליך התכנון שלכם הגביש אינו מתחיל לפעול. עם זאת, כאשר אתם רוצים לבדוק מה קורה ונוגעים בפינים עם בחוני האוסצילסקופ, הגביש מתחיל לפתע לפעול. הסיבה היא שהבחון מוסיף קיבוליות שולית נוספת שהיא זו העלולה להיות חסרה כדי להתחיל להפעיל את הגביש.

אז מה הפתרון?

למעשה, לא ניתן לעשות הרבה כאשר בעיה זו מתרחשת, אך החשיבות הראשונה היא המודעות לבעיה. כמו כן, כמו שהכבאי נוהג לומר, "הדרך המהירה ביותר לכבות את האש היא למנוע אותה." לכן, אם הוספת עוד 40 - 20 סנט לעלות הכוללת של המערכת יכולה להיות נסבלת, ההמלצה היא להשתמש במתנד גביש פשוט במקום בגביש קוורץ עצמו. מתנדי גביש הם פתרון משולב במלואו. יצרני המתנדים מתאמים את מהוד הקווארץ למעגל המתנד, ובכך משחררים את מתכנני הלוחות מנטל התיאום. כמו כן, למתנדי גביש יש יתרונות רבים אחרים כמו פעולה חסונה, רגישות נמוכה יותר ל- EMI ולרעידות, והם מבטיחים התחלת פעולה - אם להזכיר כמה מהם.

פתרון נוסף הוא תחזוקה. הרוב המכריע של הספקים האמינים מפרסמים PCN כאשר הם מבצעים כל שינוי שהוא בחלקים, כולל כיווץ פיסת-הסיליקון. כמה מהם אף מוסיפים סיומת נוספת למק"ט כדי להבדיל בין החלקים שפיסת-הסיליקון שלהם עברה שינוי. כך שעל ידי ניטור ה- PCNs עבור כיווץ פיסת-הסיליקון, המתכננים יכולים לקחת את הלוח עם התכן הישן ואת המיקרו-בקר החדש שעבר כיווץ פיסת-הסיליקון ולבדוק שוב את הפעולה התקינה שלו מראש ב"שעות הפנאי" שלהם. אם מתגלית בעיה, ניתן להתאים את המוצר כדי למנוע בעיות לא-צפויות של הרגע-האחרון בייצור המוני, במיוחד אם הייצור נעשה על ידי יצרן CM במדינה או במקום אחר.