Integreeritud vooluahel (IC) — mikrokiipide määratlus ja tööpõhimõte

Avasta integreeritud vooluahela (IC) määratlus ja mikrokiipide tööpõhimõte: ehitus, tüübid (analoog, digitaal, segasignaal), kasutusvaldkonnad ning peamised eelised.

Integreeritud vooluahela (sagedamini IC, mikrokiip, ränikiip, arvutikiip või kiip) on spetsiaalselt valmistatud räni (või muu pooljuht) tükk, millesse on fotolithograafia abil söövitatud elektrooniline vooluahel. Ränikiibid võivad sisaldada loogikaväravaid, arvutiprotsessoreid, mälu ja eriseadmeid. Kiip on väga habras ja seetõttu ümbritsetakse seda tavaliselt plastpakendiga, et seda kaitsta. Elektrikontakt kiibiga toimub väikeste juhtmete kaudu, mis ühendavad kiibi suuremate metallnõeltega, mis ulatuvad pakendist välja.

IC-l on diskreetsete ahelate ees kaks peamist eelist: hind ja jõudlus. Kulud on madalad, sest ühele kiibile saab paigutada miljoneid transistoreid, selle asemel et ehitada üksikutest transistoridest koosnevat vooluahelat. Jõudlus on suurem, kuna komponendid võivad töötada kiiremini ja tarbida vähem energiat.

IC-d on mõeldud erinevateks eesmärkideks. Kiip võib olla mõeldud ainult kalkulaatori jaoks, mis võib töötada ainult kalkulaatorina. Integreeritud lülitusi võib liigitada analoog-, digitaal- ja segasignaali- (nii analoog- kui ka digitaalsignaalid ühel ja samal kiibil) integraallülitideks.

Tootmine ja põhietapid

Integreeritud vooluahela valmistamine algab ühelt suurelt ja puhtalt räni (Si) kettalt ehk wafer'ilt. Peamised sammud on:

• Puhastamine ja oksüdeerimine: waferile kasvatatakse õhukene isoleeriv plaatina-oksiidikiht.
• Fotolithograafia: valguse abil kantakse mustrid fotoresisti ja seejärel söövitatakse mitmekihilisi jooniseid, mis moodustavad transistoreid, kontaktide alasid ja juhtmeid.
• Implanteerimine ja dopeerimine: teatud piirkondades muudetakse räni elektrilisi omadusi lisades täiendavaid aineid (nt boor, fosfor).
• Etu- ja tagakihtide metalliseerimine: luuakse juhtimiseks vajalised metalljooned (alumiinium, vask jms).
• Testimine ja lõikus: wafer testitakse (wafer probe), lõigatakse kiipideks ja iga kiip kontrollitakse uuesti enne pakendamist.
• Pakendamine ja ühendamine: kiibid pakendatakse (DIP, SOIC, QFP, BGA jt) ja ühendatakse välise maailmaga juhtmete või flip-chip tehnika abil.

Olulised tehnoloogiad ja komponendid

Tänapäevased IC-d põhinevad enamasti CMOS (complementary MOS) tehnoloogial, kus kasutatakse nii NMOS- kui PMOS-transistoreid. Transistor on IC-de põhiline lüliti: selle abil ehitatakse loogikaväravaid, võimendajaid ja mälurakke.

Tüüpilised integreeritud vooluahelate kategooriad:

• Ahela suurusastmed: SSI (Small Scale Integration), MSI (Medium), LSI (Large), VLSI (Very Large) ja ULSI (Ultra Large). Tänapäeval räägitakse tihti VLSI/ULSI tasemest, kus ühe die sisse mahub miljoneid kuni miljardid tranzistorid.
• Funktsionaalne klass: loogikalülitused, mikroprotsessorid, mikrojuhtmed (microcontrollers), mälud (SRAM, DRAM, Flash, EEPROM), analoogsüsteemid (op-amp’id, ADC/DAC), võimsuselektronika (power IC) ja segasignaali kiibid (mixed-signal/SoC).
• Pakendite ja ühenduse meetodid: traadibonding, flip-chip, BGA, QFP jne, mis mõjutavad sooritust ja soojusjuhtivust.

Eelised ja piirangud

Eelised:

• Madalam ühiku hind suuremas tootmises (massitootmine).
• Suurem töökiirus tänu lühematele juhtmetele ja väiksematele parasiitidele.
• Väiksem energiatarve sama funktsionaalsuse juures ja suurem usaldusväärsus võrreldes eraldiseisvate komponentidega.
• Võimalus kombineerida mitut funktsiooni ühele die'ile (SoC), vähendades süsteemi suurust ja komponentide arvu.

Piirangud:

• Soojusjuhtivus ja jahutus — suure võimsusega kiibid vajavad jahutust, sest kuumenemine vähendab töökindlust.
• Fabrikeerimiskulud ja maskikomplektide hind on kõrged, eriti väikestes protsessisuurustes (nn nanomeetrilised sõlmed).
• Defektide ja vigase die osa (yield) võib vähendada kasumlikkust — väga väiksed defektid võivad tühistada kogu waferi osa.
• Skaleerimise piirid (lekked, variatsioonid, kvantmehaanilised efektid väga väikestes transistorites).

Tänapäevased suundumused

Mõned aktuaalsed arengud IC-tehnoloogias:

• FinFET ja uued transistoristruktuurid: parema lülitustäpsuse ja väiksema lekke saavutamiseks.
• 3D- ja heterogeense integreerimise lahendused: mitme kiibi pinu-pööra või kihtide virnastamine suurema tiheduse ja lühema ühenduste pikkuse saavutamiseks.
• EUV-fotolithograafia: võimaldab jooniseid veelgi peenemal skaalal ja väiksemaid sõlmi.
• System-on-Chip (SoC) ja multi-core protsessorid: suurendavad jõudlust ning võimaldavad integreerida CPU, GPU, mäluhalduri ja teised funktsioonid ühele die’ile.
• Madala energiatarbega ja spetsialiseeritud kiibid: näiteks tehisintellekti kiibid ja neuromorfsed kiibid.

Testimine, töökindlus ja käitlemine

Pärast tootmist läbivad IC-d mitmeid teste: waferi peal testimine (probe), lõikatud kiipide funktsionaalne test, burn-in stress-testid ning lõplik ATE (automated test equipment) kontroll. Töökõlblikkuse tagamiseks kasutatakse ESD-kaitset ja ettevaatlikku käsitlemist—kuna elektrostaatiline laeng võib kiipi kergesti kahjustada.

Kasutusvaldkonnad

Integreeritud vooluahelad on kõikjal: nutitelefonides, arvutites, autotööstuses, meditsiiniseadmetes, tööstusautomaatikas, tarbeelektroonikas ja kosmosetehnoloogias. Näited:

• Microcontroller (mikrojuht) juhib kodumasinaid ja väikeseid seadmeid.
• CPU ja GPU personaalarvutites ja serverites.
• Mälukiibid (DRAM, NAND flash) andmete salvestamiseks.
• Analog- ja power-IC-d toitehalduses ja signaalide töötlemises.

Integreeritud vooluahelad on kaasaegse elektroonika alustala — nende areng määrab paljude seadmete kiiruse, energiatarbe ja hinna. Kuigi tehnoloogia liigub aina peenemate sõlmede ja keerukamate integreeritud lahenduste suunas, jäävad tootmiskvaliteet, soojusjuhtivus ja testimise meetodid jätkuvalt võtmetähtsusega teguriteks.

Pooljuhtide

Pooljuhti, näiteks räni, saab juhtida nii, et see lubaks (või ei lubaks) voolu voolata. See võimaldab valmistada transistoreid, mis suudavad üksteist kontrollida. Neid leidub paljudes majapidamistarvikutes, näiteks raadiotes, arvutites, telefonides ja paljudes muudes seadmetes. Muude pooljuhtseadmete hulka kuuluvad päikesepatareid, dioodid ja valgusdioodid (LEDid).

Kahepoolse in-line-paketi (DIP) külgvaade


Pilt plastikust Quad Flat Pack (PQFP)

Küsimused ja vastused

K: Mis on integraallülitus?

K: Millised on mõned näited seadmetest, mida võib ränikiibile lisada?

K: Miks kasutatakse kiibi ümbritsemiseks plastpakendit?

K: Kuidas toimub kiibiga elektriline kontakt?

K: Millised on kaks eelist, mis on IC-de kasutamisel diskreetsete vooluahelate asemel?

K: Millised on erinevad integraallülituste tüübid?

K: Kas üks kiip võib olla kavandatud konkreetseks otstarbeks?

Otsing