آی سی یا مدار مجتمع (IC) چیست؟

00:00 1401/07/10

 یک آی سی می‌تواند یک تقویت کننده، نوسان ساز، تایمر، شمارنده، گیت منطقی، حافظه کامپیوتر، میکروکنترلر یا ریزپردازنده باشد. آی سی اِلمان اصلی تشکیل دهنده تمام سیستم‌های الکترونیکی مدرن است. و همانطور که از نام آن پیداست، یک سیستم یکپارچه است و از چندین جزء کوچک تشکیل شده است. آی سی‌ها را بر روی بستر نازکی از مواد نیمه هادی (معمولا کریستال سیلیکون) می‌سازند. یکی از نمونه‌های رایج یک آی سی مدرن، پردازنده کامپیوتر است که حاوی میلیون‌ها یا میلیاردها ترانزیستور، خازن، گیت منطقی و غیره است که به یکدیگر متصل شده‌اند تا یک مدار دیجیتال پیچیده را تشکیل دهند. اگرچه پردازنده یک آی سی است، اما همه آی سی‌ها پردازنده نیستند.

لیون الکترونیک (فروشگاه قطعات الکترونیک مرجع اصلی واردات قطعات الکترونیک) در این مقاله شما را با آیسی و انواع آیسی (مدار مجتمع) آشنا میکند:

تاریخچه و سیر تکامل مدارهای مجتمع

در سال 1947 با اختراع ترانزیستور که ترکیبی از دو کلمه انتقال و مقاومت بود، زمینه برای ظهور عصر کامپیوترهای مدرن فراهم شد. در سال‌های اول، هر ترانزیستور در یک پکیج جداگانه عرضه می شد و مدارات شامل ترانزیستورها، خازن‌ها و مقاومت‌های مجزا بود و با توجه به اندازه بزرگ این قطعات، مدارات مجتمع اولیه تنها قادر به داشتن تعداد کمی المان بر روی برد بودند که با سیم های مسی به هم متصل شده بودند. با گذشت زمان و توسعه الکترونیک حالت جامد، اندازه قطعات الکترونیک کاهش یافت. در اواخر دهه 1950، دو مخترع به نام‌های Jack Kilby از شرکت Texas Instruments، و Robert Noyce از شرکت Fairchild Semiconductor راهی برای قرار دادن مسیرهای نازک فلز به جای سیم بین المان‌ها پیدا کردند. این راه حل، مشکل سیم کشی بین قطعات الکترونیکی را از بین برد و این مساله آغاز مسیر توسعه آی سی‌های مدرن بود.

نسل‌های آی سی یا مدار مجتمع

از ابتدای اختراع آی‌سی، آنها را بر اساس تعداد ترانزیستور و همچنین  تعداد گیت‌های منطقی در هر تراشه به نسل‌های مختلفی تقسیم بندی کرده‌اند. لیست نسل های مختلف آی سی همراه با ظرفیت آنها در زیر آمده است.

SSI: در فناوری SSI یا یکپارچه سازی مقیاس کوچک، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده در هر چیپ بین 10 تا 100 ترانزیستور می‌باشد.

MSI: در فناوری MSI یا یکپارچه سازی مقیاس متوسط، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده در هر آی سی بین 100 تا 1000 ترانزیستور است.

LSI: در فناوری LSI یا فناوری یکپارچه سازی در مقیاس بزرگ، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده بین 1000 تا 100000 ترانزیستور در هر آی سی است.

VLSI: در VLSI یا فناوری یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بزرگ، تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده حداکثر به 1000000 ترانزیستور می‌رسد.

ULSI: در ULSI یا فناوری یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بسیار بزرگ، 1000000تعداد ترانزیستورهای مورد استفاده بین میلیون‌ها تا چند میلیارد ترانزیستور در هر چیپ است.

ساختار داخلی آی سی

وقتی به مدارهای مجتمع فکر می کنیم، تراشه های کوچک سیاه رنگ چیزی هستند که در ذهنمان نقش می‌بندد. اما داخل آن پکیچ سیاه رنگ چیست؟

مدار مجتمع

تصویر 1: نمای داخلی یک آی سی

 

در واقع، گوشت یک آی سی شامل لایه‌هایی از ویفر نیمه هادی، مس و مواد دیگر است که به هم متصل شده‌اند  و  اجزای یک مدار را تشکیل می دهند. به ترکیب این ویفرهای برش خورده در کنار هم  قالب یا دای می گویند.

ای سی

تصویر 2: نمای کلی دای یک آی سی

 

با توجه با اندازه کوچک آی سی، ویفرهای نیمه هادی و لایه های مسی تشکیل دهنده آن،  بسیار کوچک و نازک هستند. اتصالات بین لایه ها بسیار پیچیده است. در شکل پایین یک بخش بزرگنمایی شده از دای فوق نشان داده شده است.

مدار مجتمع ای سی

تصویر 3: نمای داخلی میکروسکوپی یک آی سی

دای آی سی کوچکترین مداری است که توان لحیم کاری یا اتصال به پایه‌ها را داراست. برای سهولت در استفاده از آی سی، دای آی سی را در درون پکیج قرار می‌دهند. پکیج آی سی، دای ظریف و کوچک را به تراشه سیاه رنگی تبدیل می کند که همه ما با آن آشنا هستیم.

پکیج آی سی

 پکیج  چیزی است که دایِ مدار مجتمع را محصور می کند و آن را تبدیل به قطعه‌ای می‌کند که می‌توانیم راحت تر به آن متصل شویم. هر پایه بیرونی روی پکیج از طریق یک تکه سیم طلای کوچک به یک پد یا پین روی دای متصل می شود. پین ها ترمینال های نقره ای رنگی هستند که به پدهای برد مدار چاپی لحیم می‌شوند. پایه‌ها برای ما بسیار مهم هستند، زیرا آنها هستند که به بقیه مدار متصل می‌شوند.

 

پکیج‌ها انواع مختلفی دارند که هر کدام دارای ابعاد، تعداد پایه و نوع نصب متفاوتی دارند.

مدار مجتمع

تصویر 4: پکیج های مختلف قطعات الکترونیک

 

علامت و شماره گذاری پین‌ها در آی سی

تمام مدارهای مجتمع دارای نشانه‌ای برای مشخص کردن پین یا پایه شماره یک هستند، در اکثر آی‌سی‌ها از یک نقطه یا بریدگی برای مشخص کردن پین شماره یک استفاده می‌شود. شماره بقیه پین‌های آی سی در جهت خلاف حرکت عقربه‌های ساعت افزایش می‌یابد و اینگونه شماره گذاری می‌گردد.

 

مدارهای مجتمع چگونه ساخته می شوند؟

یک تراشه حافظه یا پردازنده کامپیوتری چگونه ساخته می‌شود؟ این فرایند از یک عنصر ترکیبی خام مانند سیلیکون شروع می‌شود و برای اینکه خواص الکتریکی مورد نظر را پیدا کند عملیات تزریق ناخالصی یا دوپ و یا عملیات جداسازی ناخالصی و خالص کردن بر روی این عنصر انجام می‌گردد.

عملیات دوپینگ بر روی مواد نیمه رسانا

به طور متعارف، مردم مواد و عناصر را به دو دسته طبقه بندی می‌کنند: موادی که اجازه می دهند الکتریسیته به راحتی از آنها عبور کند (رساناها) و موادی که جریان الکتریسیته را از خود عبور نمی‌دهند (عایق ها). بیشتر رساناها را  فلزلت تشکیل می دهند، در حالی که نافلزات مانند پلاستیک، چوب و شیشه عایق هستند. اما در واقع، این مبحث پیچیده تر از این است ، به‌ویژه وقتی صحبت از  عناصر مرکزی جدول تناوبی (در گروه‌های 14 و 15)، به ویژه سیلیکون و ژرمانیوم می‌شود. با تزریق مقادیر کمی ناخالصی به برخی عناصر عایق با روشی به نام دوپینگ، این عناصر خاصیتی بیشتر شبیه به عناصر رسانا پیدا می‌کنند.

اگر کمی عنصر آنتیموان را به سیلیکون اضافه کنید، پیوند بدست آمده دارای الکترون‌های بیشتری می‌شود و این امر باعث می‌گردد که  توان عبور جریان الکتریکی در این ماده بوجود آید. به این ترکیب سیلیکون دوپ شده می‌گویند و به دلیل داشتن الکترون آزاد در لایه ظرفیت به آن سیلیکون نوع n یا دارای بار منفی می گویند. اما وقتی عنصر بور را به جای آنتیموان به سیلیکون اضافه می‌کنید، عنصر بور مقداری از الکترون‌های لایه ظرفیت سیلیکون را می‌گیرد و حفره‌ها را که به‌عنوان بار متضاد الکترون عمل می‌کنند، باقی می‌گذارد. به این نوع سیلیکون نوع p گفته می شود. قرار دادن نواحی سیلیکون نوع n و نوع p در کنار هم برای ایجاد پیوندهایی که در آن الکترون‌ها به روش‌های بسیار جذابی عمل می‌کنند، راهی است که در آن دستگاه‌های نیمه‌رسانای الکترونیکی مانند دیودها، ترانزیستورها و حافظه‌ها تولید می‌شوند.

فرایند تولید چیپ در کارخانه

فرآیند تولید یک آی سی از یک کریستال بزرگ سیلیکونی که به شکل یک استوانه است شروع می‌گردد.در ابتدا این استوانه به قسمت‌های نازک (به اندازه یک دیسک فشرده) که ویفر نامیده می‌شود، برش می‌خورد. بر روی هر ویفر تعداد بسیار زیادی منطقه مربع یا مستطیل ایجاد می‌گردد که هر کدام  از این نواحی یک تراشه را می‌سازد. سپس با انجام عملیات‌های مختلف بر روی ویفر، هزاران، میلیون ها یا میلیاردها المان بر روی هر تراشه بوجود می‌آید.

عملیات دوپینگ در طی چند فرآیند مختلف تکمیل می شود. در یکی از آن‌ها که به اسپاترینگ معروف است، یون‌های ماده دوپینگ درست مانند گلوله‌های تفنگ به سمت ویفر سیلیکونی شلیک می‌شوند. در یک فرایند دیگر به نام رسوب بخار که در آن ماده دوپینگ به عنوان یک گاز اتم های ناخالصی را به صورت یک لایه نازک روی سطح ویفر سیلیکونی ایجاد می‌کند. اپیتاکسیال پرتو مولکولی شکل بسیار دقیق تری از فرایند رسوب بخار است. اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) یک تکنیک رشد مواد ظریف است که به سادگی به عنوان یک شکل بسیار تصفیه شده از تبخیر خلاء یا رسوب بخار فیزیکی، با کنترل عالی بر خلوص مواد، تشکیل رابط، ترکیبات آلیاژ و غلظت دوپینگ شناخته می‌شود.

البته، ساخت مدارهای مجتمعی که شامل، میلیون‌ها یا میلیاردها ترانزیستور  روی یک تراشه سیلیکونی به اندازه ناخن است، بسیار دشوارتر از آن چیزی است که در بالا توضیح داده شد. وقتی در مقیاس میکروسکوپی (یا گاهی اوقات حتی در مقیاس نانو) کار می کنید، تصور کنید وجود کثیفی و گرد و غبار چه تاثیری در نتیجه کارتان خواهد داشت. به همین دلیل است که نیمه هادی‌ها در محیط های آزمایشگاهی تمیز و بدون گردو غبار به نام اتاق های تمیز ساخته می‌شوند، جایی که هوا به طور دقیق فیلتر می شود و کارکنان باید انواع لباس‌های محافظ بپوشند و جریان هوا از طریق ایرلاک‌ها کنترل می‌گردد.

ای سی

مراحل ساخت آی سی

مراحلی که در ساخت یک مدار مجتمع وجود دارد، شامل دو مرحله فابریکیشن یا ساخت و پکیجینگ یا بسته بندی است.

 مرحله فابریکیشن یا ساخت

فابریکیشن چیزی نیست جز روش ساخت آی سی یا مدار مجتمع و از یک سری مراحل شیمیایی شبیه ظهور در عکاسی است، که در آن مدارهای مختلف بر روی یک ماده نیمه هادی به نام ویفر طراحی می‌شوند. مراحل مختلف ساخت شامل موارد زیر است. 

لیتوگرافی

در لیتوگرافی، یک لایه مایع مقاوم در برابر نور در قسمت بیرونی ویفر نیمه هادی اعمال می‌شود. سپس آن لایه خشک و سفت می‌شود.

حکاکی شیمیایی یا اسیدشویی

در این مرحله مواد اضافی از روی سطح ویفر جدا و پاک می‌شود. پس از آن، شابلون مقاوم به نور به سمت ویفر منتقل می شود.

لایه نشانی

در مرحله لایه نشانی، لایه های مختلفی از مواد روی ویفر نشانده می‌شود و این فرآیند را می توان به روش لایه نشانی از طریق بخارات شیمیایی یا بخار فیزیکی انجام داد.

اکسیداسیون

در این مرحله، لایه‌های Si روی سطح از طریق اکسیژن یا مولکول‌های آب به Sio2  یا اکسید سیلیکون تبدیل می‌شوند.

دیفیوژن

می‌توان برای رفع نقص‌های مرحله آنیلینگ از پروسه دیفیوژن استفاده کرد.

بسته بندی یا پکیجینگ

نام جایگزین برای  مرحله پکیجینگ، کپسولاسیون است. این مرحله آخرین مرحله در  ساخت آی سی است. در ابتدا، آی سی ها در پکیج‌های مسطح سرامیکی تولید می‌شدند. پس از گذشت چندین سال پکیج‌های Dual-in-line یا DIP معرفی شدند. و پس از آن  چندین نوع پکیج دیگر مانند پکیج Pin Grid Array و تکنولوژی Surface mount معرفی شدند. AMD و Intel به سمت پکیج‌های آرایه Grid روی آورده‌اند. مراحل پکیجینگ یک آی سی شامل مراحلیاست که در زیر نام می‌بریم.

·       اضافه کردن Die

·       نصب سیم های مخصوص به محل‌های اتصال دای

·       اتصال سیم های متصل به دای به پایه‌های پکیج

·       اتصال دو تراشه‌های روی دای به هم با استفاده از ساختار گره

·       کپسوله کردن تراشه

بیشتر آی سی ها در عایق‌های سرامیکی یا پلاستیک مات پکیج می‌شوند. هر پکیج دارای پین های فلزی  است که به آیسی قابلیت اتصال به قطعات دیگر را مهیا می‌کند. 

انواع مدارهای مجتمع

انواع مختلف مدار مجتمع شامل دسته بندی‌های زیر هستند

مدارهای مجتمع دیجیتال

این نوع IC دارای دو سطح تعریف شده 0 و 1 است و به این معناست که آنها در حالت باینری کار می‌کنند که در آن 1 مخفف روشن و 0 مخفف خاموش است. معمولا این آی سی ها حاوی بیش از میلیون ها فلیپ فلاپ، گیت منطقی و غیره هستند که همگی در یک تراشه واحد گنجانده شده اند. نمونه هایی از آی سی دیجیتال شامل میکروکنترلرها و ریزپردازنده ها هستند.

انواع مدارهای مجتمع، آی سی های منطقی، تراشه های حافظهف، آی سی های رابط (تغییر دهنده های سطح و غیره)، آی سی های مدیریت انرژی و تراشه‌های قابل برنامه ریزی از جمله آی سی‌های دیجیتال هستند.

مدارهای مجتمع آنالوگ

در مقابل مدارهای مجتمع آنالوگ با سیگنال های پیوسته کار می کنند و قادر به انجام کارهایی مانند فیلتر کردن، تقویت، دمدولاسیون و مدولاسیون و غیره هستند. اساسا سنسورها و  OP-AMP ها از جمله آی سی های آنالوگ هستند. 

مدارهای مجتمع سیگنال مختلط

هنگامی که آی سی های دیجیتال و آنالوگ روی یک تراشه واحد قرار بگیرند. IC حاصل به عنوان مدارهای مجتمع سیگنال مختلط شناخته می‌شود. آی سی های جمع آوری داده مانند مبدل های A/D، مبدل D/A و پتانسیومترهای دیجیتال از جمله آی سی های سیگنال مختلط هستند.

چرا مدارهای مجتمع مهم هستند؟

آی سی یا مدار مجتمع شامل هزاران تا میلیون ها قطعه الکترونیکی مانند مقاومت، ترانزیستور و خازن هستند که روی یک تراشه واحد ساخته می شوند. در حال حاضر، تقریباً هر دستگاهی مانند تلفن‌های همراه، تلویزیون، رایانه و ساعت‌های دیجیتال از مدارهای مجتمع به دلیل اندازه کوچک و همچنین کارایی و قابلیت اطمینان بالا استفاده می‌کند. بنابراین، بدون استفاده از آی سی، ابزارهای الکترونیکی کند و حجیم خواهند شد. بنابراین دلیل استفاده از مدارهای مجتمع در کاربردهای مختلف، اندازه کوچک و سرعت بالای آی سی هاست.

نظرات کاربران
هیچ نظری برای این مطلب ثبت نشده است.