Отвертка из детства

Почему кремний? Его добывают из кварца, которого навалом

Кремний используют как базу для процессоров, потому что он является полупроводником – в зависимости от химических элементов рядом может быть как изолятором, так и проводником электричества. Отсюда и приставка в названии полу-.

В природе кремний (Si) добывают из кварца (SiO2).

Кварца по всей планете полно, процесс добычи дешевый, и это ещё одна причина популярности именно кремния.

Песок с его содержанием можно найти на любом континенте планеты, но наиболее богаты им страны с песчаными пляжами океанов и рек.

🤯🌍 Земная кора больше, чем на четверть (28%) состоит из кремния (Si).

Среди лидеров по производству США, Австралия, Бельгия.

Главные заказчики это Китай, Канада, Япония, Италия.

Весь процесс создания чипов делится на три больших этапа: превращение сырого материала в чистейший и правильной структуры, подготовка пластин из него и печать процессора.

Смартфоны и компьютеры уже умеют отвечать человеческим языком на любой вопрос, показывать реалистичную графику в играх, обрабатывать сотни кадров в секунду для создания одной фотографии.

Мозгами всей техники служат процессоры, развитие которых и помогает индустрии на наших глазах делать прыжки в технологиях.

Вы, наверное, не раз слышали, что чипы сделаны из обычного кремния, 14-го элемента в таблице Менделеева с обозначением Si.

Вот почему технологии высокие

В литографических лабораториях идеальная стерильность. Сотрудникам запрещено краситься, надевать кольца, курить и использовать парфюм.

Помещения без остановки очищают воздух, чтобы малейшие частицы не попали на кремниевые вафли.

Контроль качества инженеры проводят с помощью микроскопа.

И в итоге на вафлях после печати получается золотисто-радужный оттенок, потому что на поверхности камня формируется идеальный рисунок из транзисторов, в состав которого входят разные виды металлических напылений и кремниевых композитов толщиной в несколько молекул.

Прогресс транзисторов: новые структуры

У прогресса транзисторов есть главная сложность: чтобы потреблять меньше тока, они должны стать более чувствительными, для этого их нужно делать миниатюрнее. Поэтому инженеры разрабатывают новые структуры, как расположить проводники внутри каркаса умнее. Поэтому, например, Apple сообщает, что GPU в A17 Pro из iPhone 15 Pro полностью переделан.

И по той же причине Apple добилась высокой энергоэффективности с помощью технологии arm. Инженерам оказалось проще работать с транзисторами, разработанными с учетом этой архитектуры.

И по той же причине, например, A16 из iPhone 15 и iPhone 14 Pro мощнее, чем Qualcomm Snapdragon 8 Gen 2, хотя в обоих находится по 16 млрд транзисторов. Apple, наверняка, использовала более эффективное расположение каждого строительного блока по отношению к друг другу и тщательнее заточила под свой софт.

Потому что в тот момент, когда камень превратился в умное железо, разработчики начинают точить под него свои операционные системы.

Другие новости о процессорах и материалах

Не так давно я обжегся, потрогав на заведенной машине провод от клеммы аккумулятора к массе. Настолько там плохо было с контактом. И подумал, что при всем многообразии кримперов, имеющихся у меня — а нету ни одного для больших сечений и таких вот трубчатых наконечников.

Таблица размеров и маркировок

Размеры шестигранников матриц и маркировку сечения я свел в табличку:

В комплекте также идет набор кольцевых наконечников в коробочке.

Фотографии и описания

Примерно у половины металла прорвался в верхней части — не знаю, это норма или нет.

Под покрытием виден металл желтого (в смысле не белого) цвета.

Наружный и внутренний диаметр обжимной части и ширину плоской части я свел опять же в табличку. По маркировке думаю понятно — сечение провода и диаметр отверстия в плоской части.

## Обзор кримпера

## Надежность обжимки

Далее я попробовал проверить надежность обжимки, поднимая гирьку 20кг. Меньший наконечник справился, а вот больший почему-то соскочил с провода. Я переобжал его матрицей на 16 квадратов, после чего испытание было успешно пройдено. Вероятно, наконечники сделаны из тонкого материала.

## Общее впечатление

Резюмируя. На первый и на второй взгляд — отличный кримпер. Хорошая недорогая альтернатива гидравлике. Если нужно обжимать в промышленных масштабах — возможно и не выдержит нагрузок, но автоэлектрикам прям рекомендую иметь на полочке — для таких вот не особо частых случаев обжимки толстых проводов на стартер, аккумулятор, на массу — очень годный вариант. Не нужно паять ничего, всё быстро, просто, технологично и надежно.

## Дешман-вариант кримпера

Хотя это ударный кримпер, обзор тоже был достаточно. Обжимка производится при помощи матриц и молотка. Минус метода — необходимость уносить провод к тискам или наковальне. Комплектные наконечники выглядят несильно толстыми.

## Ремонт посудомойки Bosch

Моя история ремонта посудомойки Bosch началась с того, что не грелась вода из-за проблем с ТЭНом. После замены ТЭНа и насоса, проблема снова возникла из-за течи воды из-поддона. Устранив проблему предполагаемой течи, еще раз начинаются проблемы с ТЭНа. В итоге, мой ремонт посудомойки обошелся в немалую сумму.

## Происшествие с посудомойкой

В один летний день мне пришлось вытаскивать посудомойку, чтобы везти ее в сервис из-за серьезных проблем. Это доставило неудобства всей семье из-за потери удобства использования посудомойки.

## Заключение

Выводы настолько были серьезными, что ремонт стал проблемой не только для бюджета, но и для ежедневного комфорта семьи.

Мой первый набор столярных инструментов

И вот вечером того же дня мне говорят, что похоже, с машинкой что-то получится сделать, если мастер успеет прикупить нужные детальки и пропаять плату (вечер пятницы, как сейчас помню) и с Вас 8500(ха, после почти 30-ки потраченных уже кажется не так много). В пятницу вечером её погоняли и в субботу я её забрал.

Это была длинная история рукожопа, что иногда нужно не лезть туда, в чём не разбираешься, а сразу отдать дело нормальным мастерам — по итогу дешевле встанет 🙂

Разбирался у родителей на антресолях и нашел коробку, с всяким не используемым инструментом.

Перетряхнул её, выкинул почти все, потому что сломано, заржавело и т.д. Но зато, нашел там свою собственную отвертку, из детского набора столярных инструментов.

Подарили мне это набор родители, когда мне было лет 5-6. Это было в середине 80-х. На новый год или там на день рождения не помню, зато отчетливо помню, какой восторг вызвал сам этот подарок!

Большая, красивая коробка с иностранными словами, удивительно красивые и самое главное настоящие хоть и маленькие инструменты!

Инструменты в наборе:

• Сверла
• Гвозди
• Шурупы

Все это было сделано в ГДР, со всей немецкой аккуратностью, внимательностью к деталям и высоким качеством. Там же были картинки того, что я могу создать этим инструментом. Всякие скворечники и табуретки.

Все из металла дерева и пластика! Настоящие сверла, гвозди и шурупы!

Вот так она выглядела изнутри:

Фото набора:

Для маленького меня это было настоящее сокровище.

Отец рассказал для чего нужен каждый инструмент и приспособление и на том, они с мамой удалились, в другую комнату, к гостям.

Пока родители отмечали то, по какому поводу собственно и был вручен подарок, я со всей детской неукротимой энергией стал опробовать подаренный инструмент!

Я пилил ножки стульев, сверлил стены, забивал гвозди в мебель, а шурупы вкручивал прямо в пол. Я был уверен, что мой ремонт очень необходим нашей квартире и нашей мебели! Она только и ждала моих маленьких рук и моих настоящих инструментов.

Возвращение набора

Довольно быстро, заподозрив неладное, а может быть и услышав стук маленького молотка, в комнату зашли родители. Разрушить по счастью, я успел не так много, как мог бы, но ремня от отца все равно получил.

Набор у меня забрали. А через пару дней вернули! Добавив к нему картофельный мешок всяких палок деревяшек, фанерок, досочек, реек, штапиков, деревянных обрезков и прочих столярных отходов.

Отец сходил в столярку у себя на предприятии и набрал целую кучу этого добра. Там же сколотил из таких же обрезков, маленький верстак для меня.

А потом, мы с ним вместе сели на пол, вокруг верстака и он начал меня учить, как правильно пользоваться каждым инструментом из моего набора, отсыпал гвоздей и шурупов из своего запаса, смазал маслом движущиеся части инструмента. Мама выдала веник и совок, чтоб я мог за собой убрать.

Ковыряться со всем этим я мог часами, запах смолы распиливаемого дерева помню до сих пор.

Со временем инструменты поломались и потерялись. Вместе с коробкой, в которой они лежали.

Осталась вот только эта маленькая красная отвертка с гордой надписью Made in GDR, вся побитая, но живая.

Паяльник для пластиковых труб — это электрический инструмент, который используется для сварки трубных соединений из различных полимеров. В этом материале разберёмся, как устроен аппарат для сварки пластиковых труб, в чём его преимущества и как его правильно выбрать.

Всё чаще профессионалы и домашние мастера, при разводке сантехники, предпочитают отказаться от металлических труб в пользу пластиковых. Плюсы очевидны:

Коррозионная стойкость. Пластиковые трубы не подвержены коррозии, в отличие от металлических. Срок их службы составляет от 50 до 100 лет.

Легкость и гибкость. Пластик легче и гибче металла. Это облегчает его транспортировку и монтаж.

Шумоизоляция. Пластиковые трубы имеют лучшие звуко- и виброизоляционные свойства, чем металлические.

Экономия. Пластиковые трубы обычно стоят дешевле и требуют меньше затрат на транспортировку и монтаж.

Для разводки системы, состоящей из пластиковых труб, используются специальные фитинги, которые монтируются на трубу методом горячего соединения. Для этого требуется специализированный инструмент — паяльник (он же сварочный аппарат) для пластиковых труб.

Принцип работы паяльника для труб

Основан на частичном расплавлении пластика. С помощью инструмента конец трубы и соединительный фитинг слегка плавятся, а затем вставляются друг в друга и плотно прижимаются. Пластик застывает, образуя прочное и герметичное неразрывное соединение.

Устройство сварочного аппарата для полипропиленовых труб

Основной рабочий элемент паяльника — нагревательный ТЭН (чаще всего из нихромовой проволоки), который плавит рабочие поверхности через специальные сварочные матрицы: с одной стороны нагревается наружная часть трубы, с другой — внутренняя часть фитинга.

На корпусе инструмента расположены световые индикаторы и кнопка включения. Опционально паяльник могут оснащаться регулятором температуры. Они бывают аналоговыми (температура выставляется вращением ручки) или цифровыми (показания отображаются на цифровом дисплее).

Чтобы мастер не обжёгся при работе, аппарат оборудован рукояткой.

Разогретый инструмент может испортить поверхность, на которую он ставится, поэтому предусмотрены различные системы его стационарной установки:

С какими материалами работает паяльник для труб?

Аппараты для сварки позволяют производить пайку труб разных диаметров, изготовленных из различных материалов, таких как полипропилен (PP), поливинилхлорид (PVC), полиэтилен (PE) и других полимеров. Главное, чтобы труба и фитинг были изготовлены из одного материала.

Температуры, необходимые для пайки, зависят от конкретного типа пластика. Например, для сварки полипропиленовых труб обычно требуется температура около 280-300°C, а для сварки полиэтиленовых труб — около 200-240°C. Для каждого материала установлен свой температурный режим, поэтому необходимо следовать рекомендациям производителя труб.

Преимущества и недостатки паяльников для пластиковых труб

Перед принятием решения о покупке, следует ознакомиться с плюсами и минусами, общими для всех типов сварочных аппаратов для труб.

1. Простота использования. Паяльники для пластиковых труб легки в обращении и не требуют специальных навыков.

2. Быстрота и эффективность. Сварка пластиковых труб с помощью паяльника происходит быстро и создает прочное соединение.

3. Экономичность. Паяльники для пластиковых труб относительно недорогие в использовании.

1. Неразъёмное соединение. Если соединение пропаялось не полностью и подтекает, или, например, требуется установить ещё одно ответвление, соединение не получится разобрать. Его придётся полностью срезать, выбрасывать и напаивать новое.

2. Пожароопасность. При работе с паяльником для пластиковых труб необходимо быть осторожным, чтобы не повредить трубы, не получить ожоги и не вызвать возгорание.

3. Ограничения по диаметру. Разные типы сварочных аппаратов имеют ограничения по диаметру труб. Инструмент для пайки водопроводных труб вряд ли справится с фановой трубой большого диаметра.

Основные технические характеристики

Параметры, от которых зависит сфера использования аппарата:

Зависит от размера и толщины труб, с которыми вы собираетесь работать. Обычно мощность паяльника варьируется от 600 Вт до 2000 Вт. Мощность подбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру нагрева для плавления пластика. Правило тут одно — чем больше диаметр труб, тем выше должна быть мощность.

Цилиндрическая. Обычно используется для сварки пластиковых трубных соединений диаметром до 32 мм. Цилиндрический паяльник для труб более удобен для использования в узких пространствах или при сварке вокруг препятствий. С его помощью можно легко получить доступ к ограниченным областям и выполнить сварку без необходимости дополнительных инструментов или изменения конфигурации паяльника.

Мечевидная. Этот тип получил свое название за его основной рабочий элемент, который напоминает форму клинка меча (или утюга, за что его также называют “паяльник-утюг”). Такая форма позволяет получить большую площадь контакта между нагревателем и трубой, по сравнению с цилиндрической. Благодаря эффективному распределению тепла, мечевидный паяльник может обеспечивать более быструю сварку и работать с трубами диаметром до 63 мм.

Дисковая. Паяльник с дисковым нагревателем также известен как "паяльник-круг". Наличие дисковидного рабочего элемента вместо привычного мечевидного нагревателя позволяет более равномерно распределить тепло на поверхности трубы. Дисковидный нагреватель имеет большую площадь контакта, что способствует эффективной передаче тепла и обеспечивает более качественную сварку. Как правило, приобретается для работ с трубами большого диаметра (110-160 мм).

Диаметры сантехнических труб чётко стандартизированы. Поэтому идущие в комплекте к аппарату (или докупаемые отдельно) насадки-матрицы для паяльников также имеют определённых диапазон диаметров:

Для цилиндрических: 16-32 мм.

Для мечевидных: 20-63 мм.

Для дисковых: 50-160 мм.

Кстати, плюсом является наличие на матрице тефлонового покрытия. Тефлон имеет низкий коэффициент трения, что облегчает процесс пайки, защищает поверхности труб от повреждений и обеспечивает легкость в очистке инструмента. Это позволяет более эффективно работать и достигать качественных результатов при пайке.

Как выбрать паяльник для пластиковых труб?

Исходя из написанного выше, дадим несколько практических рекомендаций по выбору сварочного аппарата для труб:

1. Определите тип пластиковых труб, с которыми вы собираетесь работать, и обратите внимание на рекомендации производителя по выбору паяльника.

2. Учтите диаметр труб, которые вы будете сваривать, и убедитесь, что выбранный паяльник подходит для этого диапазона.

3. Рассмотрите требуемую мощность паяльника в зависимости от размера и толщины труб. Важно выбрать паяльник с достаточной мощностью для обеспечения нужной температуры нагрева.

4. Убедитесь, что выбранный паяльник оснащён регулятором температуры, чтобы можно было контролировать температуру нагрева в соответствии с требованиями конкретного типа пластика.

Этап 2. Каменные блины делают идеально плоскими

Не считая двух последних, это все этапы превращения кристалла кремния в базу для чипов

Чипы «печатают» на пласте кремния, который получают из этого кристалла. Чтобы сделать его идеально гладким, камень проходит несколько этапов.

Из-за «вытягивания» кристалл имеет плечи, которые отрезают мощной пилой, а из-за вибраций во время выращивания он неровный, что решается шлифовкой внешнего слоя.

Далее кремний нарезают на тонкие блины с помощью алмазной проволоки. Затем пластины полируют алмазным же станком. Их края закругляют, чтобы панели не раскололись при дальнейших жёстких нагрузках во время печати. Их будут нагревать, окислять, испарять и облучать десятки раз.

Шлифовка вафель из кремния

С помощью химических ванн и центрифуг полированные «вафли» очищают от металлических загрязнений и пыли.

Они проходят стадии очистки как жидкими, так и газовыми соединениями, чтобы получилась идеально ровная поверхности для следующего этапа.

В итоге получаются блины диаметром до 300 миллиметров и толщиной не больше миллиметра.

Немного базы. Как кремний обращают в нули и единицы

На нарезанных вафлях кремния видны отпечатанные чипы с миллиардами транзисторов

Выдам базу, чтобы вы поняли последний этап.

Транзисторы играют роль базовых строительных блоков в любом современном чипе. Чем их больше, тем лучше. В одном процессоре их может быть миллиарды, о чём, например, Apple рассказывает на каждой своей презентации.

Кроме количества транзисторов важны их размер, строение, материалы, чувствительность, сопряжение друг с другом.

От эффективности в дизайне всех этих переменных и зависит скорость работы чипа.

У этого строительного блока простой механизм работы. Когда подаётся достаточно много тока, транзистор прогоняет заряд через себя – это «единица». Если тока пришло недостаточно, транзистор не проводит заряд – получается «ноль».

В зависимости от того, сколько энергии требуется транзистору для «активации», формируется та самая энергоэффективность чипа. Чувствительность, в свою очередь, зависит от размеры транзистора.

Сделал для вас простую схему транзистора. По факту они разной структуры и состава материалов

На картинке выше видно, что по белому контакту в центре ток не идёт. Транзистор в покое.

К каждому элементу подведены контакты. В современных процессорах роль контактов играет нанометровый слой металла.

Полупроводник p-типа — кремний, насыщенный бором. В таком материале есть места для свободных электронов, поскольку в боре (B) на 1 внешний электрон меньше, чем у кремния (три против четырёх).

На картинке выше их два: на источник подаётся отрицательный заряд, на коллектор положительный.

Полупроводник n-типа – кремний, насыщенный фосфором. В этом материале один электрон лишний, поскольку у фосфора пять внешних электронов против четырёх у кремния.

На картинке выше он один, это база.

Красным выделены «ворота» из поликристаллического кремния. Через них и проходит активация. Если на этот центральный элемент попадает достаточно энергии, он начинает притягивать электроны из большой оранжевой n-кремниевой базы к центру.

Реальное фото транзистора. Слева коллектор, в центре «ворота», справа источник

Получается мост между двумя p-проводниками, и ток между ними оказывается зациклен. Цепь замкнута, состояние «единицы».

И таких операций происходит миллиарды за секунду в вашем процессоре смартфона, часов, компьютера и наушников.

Но как весь этот конструктор собирают на молекулярном уровне?

Этап 3. Процессоры выжигают по трафаретам

Чипы печатают разными технологиями, здесь одна из самых новых – с несколькими масками одновременно. Одна такая машина компании ASML стоит около $200 млн

Поскольку речь идёт о структуре размером в нанометры, механическими инструментами объединить все её составляющие элементы нельзя.

Процессоры буквально печатают слой за слоем на кремний с помощью литографии. Раньше таким образом делали принты на одежде и картины, но в нашем случае процесс более тонкий.

Простая схема литографии процессоров такая:

1. Наносят слой строительного материала 2. На него полимер. Сверху ставят трафарет 3. Полимер твердеет в открытых местах под облучением ультрафиолетом 4. Очищают всё, что не затвердело (полимер+кремний) 5. Повторяют по новой сотни раз до нужной структуры.

☝️ Картины методом литографии пишут так же. Сначала один слой цвета, потом второй, и так далее. Где-то они пересекаются и получается комплексный материал.

На чистый кремний с помощью центрифуги идеально ровно наносится слой нужного материала из описанных выше. Этот компонент примет форму, задуманную инженерами – на каждом этапе используется свой элемент.

Далее поверх наносится слой полимерного светочувствительного материала. Потом накладывается трафарет, у каждого процессора на каждом этапе свой.

Ускоренная схема литографии, если бы пластину не очищали на каждом этапе от излишек после облучения. Источник тут

Лазер облучает пластину. Куда попал свет, там стало твёрдо. Куда не попал, место полностью очищают до нужного инженерам слоя: нагревают, опрыскивают химикатами, обдают газом.

Полимер убирают, элемент под ним в принятой форме остаётся, остальное вырезается.

Далее наносится новый слой с нужным элементом, поверх него снова полимер. Опять обжиг трафаретом, в этот раз новой формы. Снова очистка того, что не затвердело.

Одна из стадий печати чипов

И так может быть сотня слоёв, пока на кремний не напечатают задуманную инженерами структуру процессора из миллиардов транзисторов.

В ходе этих процедур базу из кремния могут нагревать, купать и прожигать десятки раз, чтобы добиться нужного отпечатка.

После завершения всех этапов литографии пластины проверяют через микроскоп, режут и слой за слоем накладывают друг на друга в один чип.

Этап 1. Песок варят, парят, а потом плавят

Производство металлургического кремния

Чтобы материал стал пригодным для работы с ним, добытый песок проходит три обработки разными веществами под высокими температурами.

По формуле кварца (SiO2) видно, что в нём кремний (Si) химически связан с кислородом (O).

Чтобы отделить одно от другого и получить чистый кремний, песок смешивают с углём (C) и насыпают в электродуговую печь.

В смесь опускают стержни и дают по ним мощный разряд. За счёт нагрева до 1900ºC происходит реакция, из которой получается ядовитый газ монооксид углерода (CO) и жидкий кремний (Si) с примесями. Далее он застывает и получается металлургический кремний.

Его применяют в создании солнечных панелей, алюминиевых сплавов, производстве красок, но не для чипов.

Чистота элемента на этом этапе составляет до 99%, но оставшийся процент критически необходимо убрать.

Производство поликристалического кремния

Для этого металлургический кремний под высокой температурой смешивают с ядовитым газом хлороводородом (HCl), благодаря чему получается газ трихлорсилан (HCl3Si).

Когда газ остывает до 20ºС, он становится жидкостью.

На создание чистого кремния для чипов уходит всего 1% мирового производства металлургического кремния.

Далее трихлорсилан испаряют в другом реакторе и смешивают с водородом (H). Происходит реакция (называется «химическое осаждение из паровой фазы»), и чистейший кремний оседает на подготовленные в реакторе стержни. Выделившиеся хлор и водород выводятся в виде газа.

Мы почти на последнем этапе.

Вот такое вытягивание кристалла кремния занимает около 140 дней

Кристалл кремния с правильной структурой в центре

Получившийся кремний называют поликристаллическим. Он подходит для создания, например, солнечных панелей. Но его молекулярная структура хаотичная и потому хрупкая.

Чтобы создать чистый кристалл кремния, материал топят, а затем в течение 140 дней наращивают на стержень, постепенно вытягивая его из ёмкости. Чистота этого кремния такая, что только 1 атом из 10 млн атомов не является кремнием.

Получается монокристалл кремния – конечная форма материала, который попадёт в ваш смартфон.

Павел

У меня 4 новых года: обычный, свой, WWDC и сентябрьская презентация Apple. Последний — самый ожидаемый, и ни капли за это не стыдно.