วงจรรวม: อะไรคือความแตกต่างจากวงจรพิมพ์และอื่น ๆ

ลอส วงจรรวม ชิป ไมโครชิป IC (วงจรรวม) หรือ CI (วงจรรวม)หรืออะไรก็ตามที่คุณอยากจะเรียกพวกมันว่าเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ประเภทหนึ่งที่ทำให้ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีมาถึงระดับปัจจุบันได้ หากไม่มีสิ่งประดิษฐ์นี้ คอมพิวเตอร์และโทรคมนาคมอาจไม่เป็นอย่างที่เป็น และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้าจะแตกต่างกันมาก

แม้จะมีขนาดเล็กและมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง แต่วงจรรวมเหล่านี้ซ่อน พบกับเซอร์ไพรส์สุดเซอร์ไพรส์. คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ได้ที่นี่ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์...

วงจรรวมคืออะไร?

ลอส วงจรรวมเป็นแผ่นของเซมิคอนดักเตอร์ ห่อหุ้มและบรรจุวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่บันทึกไว้ วงจรเหล่านี้จะประกอบด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่แตกต่างกันทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตระกูลลอจิกที่พวกเขาอยู่ ตัวอย่างเช่น อาจเป็นไดโอด ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ฯลฯ

ต้องขอบคุณพวกเขาที่มันเป็นไปได้ที่จะพัฒนา อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ และเริ่มต้นยุคใหม่ด้วยการบูรณาการที่ยอดเยี่ยมที่พวกเขาอนุญาต อันที่จริง ชิปที่ทันสมัยที่สุดบางตัวในปัจจุบันสามารถรวมทรานซิสเตอร์ได้มากถึงพันล้านตัวในแม่พิมพ์ที่มีขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตร

ประวัติของชิป

ตอนแรก อิเล็กทรอนิคส์เริ่มใช้หยาบ วาล์วสุญญากาศ คล้ายกับหลอดไฟทั่วไป วาล์วเหล่านี้มีขนาดใหญ่ ไม่มีประสิทธิภาพมาก ร้อนมาก และแตกง่าย จึงจำเป็นต้องเปลี่ยนวาล์วที่เป่าออกเพื่อให้คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อื่นๆ ที่มีวาล์วเหล่านี้ทำงานต่อไปได้

En พ.ศ. 1947 จะมีการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ชิ้นส่วนที่จะมาแทนที่วาล์วเก่าและที่จะปฏิวัติระบบอิเล็กทรอนิกส์ด้วย ต้องขอบคุณเขาที่ทำให้อุปกรณ์โซลิดสเตตมีความทนทาน มีประสิทธิภาพ และเร็วกว่าวาล์วมาก อย่างไรก็ตาม บางคนคิดว่าพวกเขาสามารถรวมองค์ประกอบหลายอย่างเหล่านี้ไว้ในชิปซิลิคอนตัวเดียวได้ นี่คือวิธีสร้างวงจรรวมชุดแรกในประวัติศาสตร์

เมื่อเวลาผ่านไป อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบโซลิดสเตตได้พัฒนาและลดขนาดของส่วนประกอบ รวมทั้งลดต้นทุนด้วย ในช่วงปลายทศวรรษ 50 นักประดิษฐ์ของ Texas Instruments ได้ชื่อว่า แจ็ค คิลบี้เกิดขึ้นกับเขาเพื่อสร้างชิปเซมิคอนดักเตอร์และสายไฟบางส่วนที่ผสมผสานส่วนต่างๆ นี่เป็นชิปตัวแรกในประวัติศาสตร์ และเขาจะได้รับรางวัลโนเบลต่อไป

แทบจะขนานกัน โรเบิร์ต นอยซ์ในเวลานั้น พนักงานของ Fairchild Semiconductor (ซึ่งต่อมาเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้ง Intel) เขายังพัฒนาอุปกรณ์ที่คล้ายกัน แต่มีข้อได้เปรียบเหนือ Kilby's Noyce ได้สร้างแนวคิดที่จะหลีกทางให้กับวงจรรวมในปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้เรียกว่าระนาบ และมีข้อได้เปรียบเหนือเทคโนโลยีเมซ่าของคิลบี

ตั้งแต่นั้นมาก็ไม่หยุด วิวัฒนาการ และการปรับปรุงส่วนประกอบเหล่านี้ ต้นทุนลดลง เช่นเดียวกับการประหยัดเชื้อเพลิงและขนาด ขณะที่ประสิทธิภาพและประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมาก ไม่มีภาคส่วนใดที่พัฒนาได้มากเท่านี้ และไม่มีภาคส่วนอื่นใดที่มีผลกระทบอย่างมากต่อมนุษยชาติ ...

พวกเขาทำอย่างไร?

ขั้นตอนของการ การผลิตวงจรรวม มันซับซ้อนมาก อย่างไรก็ตาม ตามที่เห็นในวิดีโอ สามารถสรุปได้ในขั้นตอนง่ายๆ สองสามขั้นตอน เพื่อให้ผู้คนสามารถเข้าใจวิธีการทำ

ฉันจะพยายาม สรุปขั้นตอนการออกแบบ ดีที่สุดโดยไม่ต้องลงลึกเกินไป เพราะมันจะให้บทความนับพัน:

1. เป็นส่วนหนึ่งของความต้องการ แอปพลิเคชันที่คุณต้องการสร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์
2. ทีมออกแบบมีหน้าที่กำหนดคุณลักษณะและข้อกำหนดที่ชิปควรมี
3. จากนั้น การออกแบบจะเริ่มใช้ลอจิกเกตและองค์ประกอบหน่วยความจำอื่นๆ เป็นต้น จนกว่าจะมีการออกแบบลอจิกที่พัฒนาฟังก์ชันสำหรับชิปนี้
4. หลังจากนี้ จะผ่านขั้นตอนต่างๆ ระหว่างการทดสอบและการจำลองเพื่อตรวจสอบว่าทำงานได้อย่างถูกต้องที่ระดับตรรกะ และแม้แต่ชิปทดสอบก็ถูกผลิตขึ้นเพื่อดูว่าทำจริงหรือไม่
5. เมื่อขั้นตอนการออกแบบเสร็จสิ้นลง ชุดหน้ากากสำหรับการผลิตจะถูกสร้างขึ้นจากเลย์เอาต์ของวงจรที่ออกแบบ มีการแกะสลักลวดลายเพื่อให้สามารถแกะสลักบนซิลิกอนได้
6. โรงหล่อหรือโรงงานใช้รูปแบบนี้เพื่อสร้างวงจรรวมในเซมิคอนดักเตอร์เวเฟอร์ เวเฟอร์เหล่านี้มักจะมีมากถึง 200 หรือ 300 ชิปในบางกรณี

จนถึงขั้นตอนการออกแบบตั้งแต่ ด้านการผลิต, เรามี:

1. แร่ซิลิกอนได้มาจากทรายหรือควอตซ์
2. เมื่อผ่านการกลั่นให้เป็น ultra-pure หรือ EGS (Electronic-Grade Silicon) โดยมีระดับความบริสุทธิ์สูงกว่าซิลิคอนที่ใช้ในอุตสาหกรรมอื่นๆ
3. EGS นี้มาในรูปแบบของชิ้นส่วนที่โรงหล่อ ซึ่งหลอมละลายในเบ้าหลอมและผ่านผลึกของเมล็ด มันถูกทำให้เติบโตโดยใช้วิธี Czochralski เพื่อให้เข้าใจง่าย มันคล้ายกับวิธีทำขนมสายไหมทั่วไปในงานแสดงสินค้า คุณแนะนำแท่ง (คริสตัลเมล็ด) และแท่งสำลี (ซิลิคอนหลอมเหลว) และเพิ่มปริมาตร
4. เมื่อสิ้นสุดขั้นตอนนั้น ผลลัพธ์ที่ได้คือแท่งโลหะ ซึ่งเป็นชิ้นใหญ่ของผลึกซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์ที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก แท่งนี้ถูกตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์บางมาก
5. แผ่นเวเฟอร์เหล่านี้ต้องผ่านกระบวนการต่างๆ เพื่อขัดพื้นผิวเพื่อไม่ให้เกิดมลภาวะในช่วงเริ่มต้นของการผลิต
6. หลังจากนั้น แผ่นเวเฟอร์เหล่านี้จะผ่านกระบวนการซ้ำๆ หลายครั้งเพื่อสร้างชิปบนแผ่นเวเฟอร์ กระบวนการเหล่านี้เป็นประเภททางกายภาพและเคมี เช่น photolithography, etching or etching, epitaxial growth, ออกซิเดชัน, การฝังไอออน ฯลฯ
7. แนวคิดสุดท้ายคือการสร้างส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไปแล้วจะเป็นทรานซิสเตอร์ บนแผ่นเวเฟอร์ จากนั้นเพิ่มเลเยอร์เพื่อเชื่อมต่อส่วนประกอบดังกล่าวเพื่อสร้างลอจิกเกทในเลเยอร์ต่ำสุด จากนั้นในเลเยอร์ต่อไปนี้ ประตูเหล่านี้จะเชื่อมต่อกันในรูปแบบหน่วยพื้นฐาน (แอดเดอร์, registers, ...) ในหน่วยการทำงานในเลเยอร์ต่อไปนี้ (หน่วยความจำ, ALU, FPU, ...) และสุดท้ายทั้งหมดจะเชื่อมต่อถึงกันเพื่อสร้างวงจรที่สมบูรณ์ เช่น CPU บนชิปขั้นสูงสามารถมีได้ถึง 20 ชั้น
8. หลังจากกระบวนการทั้งหมดนี้ ซึ่งอาจใช้เวลาหลายเดือนจึงจะเสร็จสมบูรณ์ จะได้รับวงจรที่เท่ากันหลายร้อยวงจรสำหรับแต่ละแผ่นเวเฟอร์ ขั้นต่อไปคือการทดสอบและตัดมัน กล่าวคือ แบ่งเป็นชิปซิลิกอนแต่ละอัน
9. ตอนนี้เป็นแม่พิมพ์หลวมแล้ว เราดำเนินการห่อหุ้ม (DIP, SOIC, PGA, QFP, ...) ซึ่งชิปได้รับการปกป้องและแผ่นอิเล็กโทรดเชื่อมต่อกัน ซึ่งเป็นรางนำไฟฟ้าบนพื้นผิวด้วยหมุดของวงจรรวม .

เห็นได้ชัดว่า วงจรรวมไม่เหมือนกันทั้งหมด. ที่นี่ฉันได้พูดคุยเกี่ยวกับหน่วยการทำงานและสิ่งที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่น CPU แต่ยังมีวงจรที่ง่ายมากเช่นตัวจับเวลา 555 หรือ IC ที่มีประตูลอจิก 4 ตัวที่ง่ายมาก พวกเขาจะมีส่วนประกอบเพียงไม่กี่โหลและจะเชื่อมโยงกับการเชื่อมต่อโครงข่ายโลหะหนึ่งหรือสองสามชั้น ...

ประเภทของไอซี

ไม่ได้มีแค่แบบเดียวแต่มีหลายแบบ ประเภทของวงจรรวม. สิ่งที่โดดเด่นที่สุดที่คุณสามารถหาได้คือ:

• วงจรรวมดิจิตอล: ค่อนข้างเป็นที่นิยมและใช้ในอุปกรณ์ที่ทันสมัยมากมาย ตั้งแต่คอมพิวเตอร์ไปจนถึงอุปกรณ์พกพา สมาร์ททีวี ฯลฯ มีลักษณะการทำงานตามระบบดิจิทัล กล่าวคือ โดยมีค่า 0 และ 1 โดยที่ 0 เป็นสัญญาณไฟฟ้าแรงต่ำ และ 1 เป็นสัญญาณสูง นี่คือวิธีที่พวกเขาเข้ารหัสข้อมูลและดำเนินการ ตัวอย่างอาจเป็น PLC, FPGA, หน่วยความจำ, CPU, GPU, MCU เป็นต้น
• อนาล็อก: แทนที่จะอิงจากสัญญาณไบนารี ในกรณีนี้มันเป็นสัญญาณต่อเนื่อง ตัวแปรในแรงดันไฟฟ้า. ด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงสามารถทำงานต่างๆ ได้สำเร็จ เช่น การกรอง การขยายสัญญาณ มอดูเลต มอดูเลต ฯลฯ แน่นอนว่าระบบจำนวนมากทำงานได้ทั้งวงจรแอนะล็อกและดิจิทัลโดยใช้ ตัวแปลง AD / DA. แบ่งได้เป็น XNUMX กลุ่มใหญ่ คือ วงจรรวมเชิงเส้นและความถี่วิทยุ (RF) ตัวอย่างอาจเป็นชิปสำหรับการกรองเสียง แอมพลิฟายเออร์เสียง ระบบปล่อยหรือรับสัญญาณสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์ ฯลฯ
• ไอซีสัญญาณผสม: ตามชื่อเลย เป็นส่วนผสมของทั้งสองอย่าง ตัวอย่างบางส่วนอาจเป็นตัวแปลงอนาล็อก-ดิจิตอลหรือดิจิทัล-แอนะล็อก ชิปบางตัวสำหรับนาฬิกา ตัวจับเวลา ตัวเข้ารหัส/ตัวถอดรหัส ฯลฯ

ความแตกต่างของวงจรพิมพ์

วงจรรวมไม่ควรสับสนกับวงจรพิมพ์ พวกเขาทั้งสองเป็นสิ่งที่แตกต่างกัน ในขณะที่อดีตอ้างถึงไมโครชิปอย่างที่คุณเห็น วงจรพิมพ์ หรือ PCBเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์อีกประเภทหนึ่งที่พิมพ์บนเพลตขนาดใหญ่

ลา ความแตกต่าง ที่โดดเด่นที่สุดคือ:

• วงจรพิมพ์: ประกอบด้วยเพลตที่มีรูปแบบของเส้นนำไฟฟ้า เช่น รางทองแดง เพื่อเชื่อมส่วนประกอบต่างๆ ที่สอดใส่ (ตัวเก็บประจุ ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ไมโครชิป ...) บัดกรีด้วยการบัดกรีดีบุก นอกเหนือไปจากไดอิเล็กตริก วัสดุ ( พื้นผิว) ที่แยกชั้นของการเชื่อมต่อระหว่างกัน โดยทั่วไปแล้วจะมีรูทะลุหรือจุดอ่อนสำหรับส่วนประกอบที่ไม่ใช่พื้นผิว (SMD) ในทางกลับกัน พวกเขามักจะมีคำอธิบาย ชุดเครื่องหมาย ตัวอักษร และตัวเลขเพื่อระบุส่วนประกอบและอำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษา เพื่อป้องกันทองแดงซึ่งออกซิไดซ์ได้ง่าย มักจะมีการชุบผิว และต่างจากวงจรรวมตรงที่สามารถซ่อมแซม เปลี่ยนส่วนประกอบที่เสียหาย หรือกู้คืนการเชื่อมต่อระหว่างกันได้
• วงจรรวมมีขนาดเล็กมาก โซลิดสเตต และมีต้นทุนการผลิตต่ำ ซึ่งต่างจาก PCB ตรงที่สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถซ่อมแซมได้ เนื่องจากส่วนประกอบและการเชื่อมต่อมีขนาดเล็กมากจนเป็นไปไม่ได้

ไม่มีวงจรรวมใดทดแทนวงจรพิมพ์หรือในทางกลับกัน ทั้งสองมีการใช้งานและโดยส่วนใหญ่แล้วจะนำไปใช้ในการใช้งานจริง ...

วงจรรวมยอดนิยม

ในที่สุดก็มี .มากมาย วงจรรวมยอดนิยม พนักงานสำหรับโครงการอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ของ ประตูตรรกะ. ราคาถูกและหาซื้อได้ง่ายในร้านค้าอย่าง Amazon หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เฉพาะทาง ตัวอย่างเช่น ต่อไปนี้คือรายการยอดนิยมบางส่วน:

• ชุดไอซียอดนิยม 75 ชุดจาก Interstellar Electronics
• ผลิตภัณฑ์ที่ไม่พบ.
• 10 ไอซีของตัวจับเวลา NE555 ยอดนิยม.
• ผลิตภัณฑ์ที่ไม่พบ.