Mạch tích hợp: chúng là gì, sự khác biệt với mạch in và hơn thế nữa

Các mạch tích hợp, chip, vi mạch, IC (Mạch tích hợp) hoặc CI (Mạch tích hợp), hoặc bất cứ cái gì bạn muốn gọi chúng, chúng là một loại vi mạch điện tử đã tạo ra sự tiến bộ của công nghệ với trình độ hiện tại. Nếu không có phát minh này, máy tính và viễn thông có lẽ sẽ không giống như chúng, và các thiết bị điện và điện tử sẽ rất khác.

Mặc dù kích thước siêu nhỏ và chúng ở khắp mọi nơi, nhưng các mạch tích hợp này ẩn những điều bất ngờ tuyệt vời để khám phá. Tại đây bạn có thể tìm hiểu thêm về những Linh kiện điện tử…

Mạch tích hợp là gì ?

Các mạch tích hợp là miếng đệm của chất bán dẫn được đóng gói và chứa một mạch điện tử đã được ghi lại. Tùy thuộc vào họ logic mà chúng thuộc về, các mạch này sẽ được tạo thành từ các thành phần điện tử thu nhỏ khác nhau. Ví dụ, chúng có thể là điốt, bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện, v.v.

Nhờ họ, nó đã có thể phát triển điện tử hiện đại và bắt đầu một kỷ nguyên mới với sự tích hợp tuyệt vời mà họ cho phép. Trên thực tế, một số chip tiên tiến nhất hiện nay có thể tích hợp tới hàng tỷ bóng bán dẫn trong một khuôn chỉ vài mm vuông.

Lịch sử của chip

Lúc đầu, các thiết bị điện tử bắt đầu sử dụng thô van chân không tương tự như bóng đèn thông thường. Các van này lớn, rất kém hiệu quả, chúng khá nóng và dễ bị gãy, vì vậy cần phải thay van bị thổi để máy tính và các thiết bị khác tiếp tục hoạt động.

En Năm 1947 sẽ phát minh ra bóng bán dẫn, một bộ phận sẽ thay thế các van cũ và cũng sẽ cách mạng hóa thiết bị điện tử. Nhờ anh ấy, người ta mới có thể có được một thiết bị ở trạng thái rắn, có khả năng chống chịu, hiệu quả và nhanh hơn nhiều so với van. Tuy nhiên, một số người nghĩ rằng họ có thể tích hợp một số yếu tố này vào một con chip silicon duy nhất. Đây là cách các mạch tích hợp đầu tiên trong lịch sử được tạo ra.

Theo thời gian, thiết bị điện tử trạng thái rắn phát triển và giảm kích thước của các thành phần, cũng như hạ giá thành. Vào cuối những năm 50, một nhà phát minh của Texas Instruments có tên Jack Kilby, anh ta nảy ra ý tưởng tạo ra một con chip bán dẫn và một số hệ thống dây điện đan xen giữa các bộ phận khác nhau. Đây trở thành con chip đầu tiên trong lịch sử và ông sẽ tiếp tục giành được giải Nobel cho nó.

Gần như song song, Robert NoyceVào thời điểm đó, là một nhân viên của Fairchild Semiconductor (sau này là một trong những người sáng lập Intel), anh ta cũng đã phát triển một thiết bị tương tự, nhưng với những ưu điểm lớn hơn của Kilby. Noyce đã tạo ra ý tưởng sẽ nhường chỗ cho các mạch tích hợp ngày nay. Công nghệ này được gọi là phẳng, và nó có những ưu điểm hơn so với công nghệ mesa của Kilby.

Kể từ đó, nó đã không dừng lại sự tiến hóa và cải tiến các thành phần này. Chi phí đã giảm mạnh, cũng như tiết kiệm nhiên liệu và kích thước, trong khi hiệu suất và hiệu suất đã được cải thiện đáng kể. Không có lĩnh vực nào khác phát triển nhiều như vậy, và không có lĩnh vực nào khác có tác động lớn đến nhân loại như vậy …

Chúng được tạo ra như thế nào ?

Thủ tục sản xuất mạch tích hợp nó cực kỳ phức tạp. Tuy nhiên, như đã thấy trong video, nó có thể được tóm tắt trong một vài bước đơn giản hơn để mọi người có thể hiểu chúng được thực hiện như thế nào.

Ở đây tôi sẽ thử tóm tắt các bước thiết kế tốt nhất có thể, mà không cần đi quá sâu, vì nó sẽ cung cấp cho hàng nghìn bài báo:

1. Hãy là một phần của một nhu cầu, một ứng dụng mà bạn cần để tạo ra một mạch điện tử.
2. Một nhóm thiết kế phụ trách phác thảo các đặc điểm và thông số kỹ thuật mà chip cần phải có.
3. Sau đó, thiết kế sẽ bắt đầu sử dụng các cổng logic và các phần tử bộ nhớ khác, v.v., cho đến khi đạt được thiết kế logic phát triển chức năng mà chip này được thiết kế.
4. Sau đó, nó sẽ trải qua một loạt các bước giữa các bài kiểm tra và mô phỏng được thực hiện để xác định rằng nó hoạt động chính xác ở mức logic và thậm chí các chip kiểm tra cũng được sản xuất để xem chúng có hoạt động tốt hay không.
5. Khi giai đoạn thiết kế đã hoàn thành, một loạt các mặt nạ để chế tạo được tạo ra từ bố cục của mạch đã thiết kế. Một hoa văn được khắc trên chúng để nó có thể được khắc trên silicon.
6. Mô hình này được sử dụng bởi xưởng đúc hoặc nhà máy, để tạo ra các mạch tích hợp trong tấm bán dẫn. Trong một số trường hợp, những tấm wafer này thường chứa tới 200 hoặc 300 chip.

Đây là giai đoạn thiết kế, từ phía sản xuất, có:

1. Khoáng vật silic được lấy từ cát hoặc thạch anh.
2. Sau khi nó được tinh chế để trở thành siêu tinh khiết, hoặc EGS (Silicon cấp điện tử), với mức độ tinh khiết cao hơn silicon được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác.
3. EGS này đến ở dạng các mảnh tại xưởng đúc, nơi nó được nấu chảy trong một cái chén và thông qua một tinh thể hạt, nó được tạo ra để phát triển bằng phương pháp Czochralski. Nói cho dễ hiểu, tương tự như cách làm kẹo bông gòn điển hình ở các hội chợ, bạn giới thiệu dạng que (hạt tinh thể) và dạng bông (silicon nóng chảy) và tăng khối lượng.
4. Vào cuối bước đó, kết quả là một thỏi, một mảnh lớn tinh thể silicon đơn tinh thể có dạng hình trụ. Thanh này được cắt thành các tấm wafer rất mỏng.
5. Những tấm wafer này trải qua một loạt quy trình để đánh bóng bề mặt để chúng không bị ô nhiễm khi bắt đầu sản xuất.
6. Sau đó, những tấm wafer này sẽ trải qua một số quy trình lặp đi lặp lại để tạo ra những con chip trên chúng. Các quá trình này thuộc loại vật lý-hóa học, chẳng hạn như quang khắc, ăn mòn hoặc ăn mòn, tăng trưởng biểu mô, oxy hóa, cấy ion, v.v.
7. Ý tưởng cuối cùng là tạo ra các thành phần điện tử, nói chung là bóng bán dẫn, trên chất nền wafer, sau đó thêm các lớp để kết nối các thành phần đã nói với nhau để tạo thành các cổng logic ở lớp thấp nhất, sau đó ở các lớp tiếp theo, các cổng này được kết nối để tạo thành các đơn vị cơ bản (bộ cộng, thanh ghi, …), trong các đơn vị chức năng lớp sau (bộ nhớ, ALU, FPU, …), và cuối cùng tất cả được kết nối với nhau để tạo ra mạch hoàn chỉnh, ví dụ như CPU. Trên một con chip tiên tiến có thể có tới 20 lớp.
8. Sau tất cả các quá trình này, có thể mất vài tháng để hoàn thành, hàng trăm mạch bằng nhau sẽ thu được cho mỗi tấm wafer. Việc tiếp theo là kiểm tra và cắt chúng, tức là chia chúng thành từng chip silicon.
9. Bây giờ chúng là các khuôn rời, chúng ta tiến hành đóng gói (DIP, SOIC, PGA, QFP, …) nơi bảo vệ chip và các miếng đệm được kết nối, là các rãnh dẫn điện trên bề mặt, với các chân của mạch tích hợp .

Rõ ràng là không phải tất cả các mạch tích hợp đều giống nhau. Ở đây tôi đã nói về các đơn vị chức năng và những thứ phức tạp hơn như CPU, nhưng cũng có những mạch rất đơn giản như bộ định thời 555 hoặc IC có 4 cổng logic cực kỳ đơn giản. Chúng sẽ chỉ có vài chục thành phần và sẽ được liên kết bằng một hoặc một vài lớp liên kết kim loại …

Các loại IC

Không chỉ có một loại mà có nhiều loại các loại mạch tích hợp. Những điểm nổi bật nhất mà bạn có thể tìm thấy là:

• Mạch tích hợp kỹ thuật số: chúng khá phổ biến và được sử dụng trong nhiều thiết bị hiện đại, từ máy tính đến thiết bị di động, Smart TV, v.v. Chúng có đặc điểm là hoạt động dựa trên hệ thống kỹ thuật số, nghĩa là, với 0 và 1, với 0 là tín hiệu điện áp thấp và 1 là tín hiệu cao. Đây là cách chúng mã hóa thông tin và hoạt động. Ví dụ có thể là PLC, FPGA, bộ nhớ, CPU, GPU, MCU, v.v.
• Analog: thay vì dựa trên các tín hiệu nhị phân, trong trường hợp này chúng là các tín hiệu liên tục biến điện áp. Nhờ đó, chúng có thể đạt được các nhiệm vụ như lọc, mở rộng tín hiệu, giải điều chế, điều chế, v.v. Tất nhiên, nhiều hệ thống hoạt động với cả mạch tương tự và kỹ thuật số, sử dụng Bộ chuyển đổi AD / DA. Chúng có thể được chia thành hai nhóm lớn, mạch tích hợp tuyến tính và tần số vô tuyến (RF). Ví dụ có thể là chip để lọc âm thanh, bộ khuếch đại âm thanh, hệ thống phát hoặc thu sóng điện từ, cảm biến, v.v.
• IC tín hiệu hỗn hợp: như tên cho thấy, chúng là hỗn hợp của cả hai. Một số ví dụ có thể là bản thân bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số hoặc kỹ thuật số-tương tự, một số chip nhất định cho đồng hồ, bộ hẹn giờ, bộ mã hóa / giải mã, v.v.

Sự độc lạ với mạch in

Không nên nhầm lẫn mạch tích hợp với mạch in. Cả hai đều là những thứ khác nhau. Mặc dù trước đây đề cập đến vi mạch, như bạn đã thấy, mạch in, hoặc PCBChúng là một loại mạch điện tử khác được in trên các tấm lớn hơn.

các sự khác biệt đáng chú ý nhất là:

• Mạch in: chúng được tạo thành từ một tấm có dạng đường dẫn điện, chẳng hạn như đường đồng để liên kết các thành phần được chèn khác nhau (tụ điện, bóng bán dẫn, điện trở, vi mạch, …), được hàn bằng thiếc hàn, ngoài chất điện môi. vật liệu (chất nền) ngăn cách giữa các lớp kết nối các liên kết với nhau. Chúng cũng thường có lỗ thông, hoặc lỗ, đối với các thành phần gắn kết không bề mặt (SMD). Mặt khác, chúng thường có chú giải, một loạt các dấu, chữ cái và số để xác định các thành phần và thuận tiện cho việc bảo trì. Để bảo vệ đồng, vốn dễ bị oxy hóa, họ thường phải xử lý bề mặt. Và, không giống như các mạch tích hợp, chúng có thể được sửa chữa, thay thế các thành phần bị hỏng hoặc khôi phục các kết nối.
• Mạch tích hợpChúng có kích thước rất nhỏ, ở trạng thái rắn và có chi phí sản xuất hàng loạt thấp. Không giống như PCB, chúng không thể sửa chữa được vì các thành phần và kết nối của chúng cực kỳ nhỏ nên điều đó là không thể.

Không phải mạch tích hợp nào thay thế cho mạch in và ngược lại. Cả hai đều có công dụng và trong hầu hết các trường hợp, chúng đi đôi với nhau trong các ứng dụng thực tế …

Các mạch tích hợp thông dụng nhất

Cuối cùng, có vô số mạch tích hợp rất phổ biến nhân viên cho các dự án điện tử, chẳng hạn như của cổng logic. Chúng rẻ và có thể dễ dàng tìm thấy trong các cửa hàng như Amazon hoặc các thiết bị điện tử chuyên dụng. Ví dụ: đây là một số trong số những cách phổ biến nhất:

Source: https://thomaygiat.com
Category : Điện Tử