Integreret kredsløb (mikrochip): Hvad er en IC? Typer og anvendelser

Lær om integrerede kredsløb (IC/mikrochip): typer, funktion, fordele og anvendelser — fra analoge og digitale chips til blandede signaler. Perfekt guide til elektronik og design.

Et integreret kredsløb (ofte kaldet IC, mikrochip, siliciumchip, computerchip eller chip) er et stykke specielt forberedt silicium (eller en anden halvleder), hvori et elektronisk kredsløb er ætset ved hjælp af fotolitografi. Siliciumchips kan indeholde logiske gates, computerprocessorer, hukommelse og særlige anordninger. Chippen er meget skrøbelig og er derfor normalt omgivet af en plast- eller keramisk emballage for at beskytte den. Den elektriske kontakt med chippen sker via små ledninger, som forbinder chippen med større metalpinde eller pads, der stikker ud af eller er tilgængelige fra emballagen.

Hvorfor bruge integrerede kredsløb?

En IC har to hovedfordele i forhold til diskrete kredsløb: pris og ydeevne. Omkostningerne holdes lave, fordi millioner af transistorer og andre komponenter kan placeres på én chip i stedet for at skulle samle hver komponent individuelt. Ydelsen forbedres, fordi komponenterne er fysisk tættere på hinanden — det giver kortere signalveje, højere hastighed og lavere strømforbrug.

Hvordan fremstilles en chip?

Fremstillingen foregår i store, specialiserede fabrikker (foundries) og omfatter flere trin:

• Wafer-fremstilling: Et poleret siliciumkrystal skæres i tynde skiver (wafers).
• Oxidation og fotolitografi: Lag lægges på og mønstre overføres ved hjælp af fotomasker og fotolitografi, hvilket skaber transistorer og forbindelser.
• Dopning og etching: Indførsel af urenheder (dopning) og ætseprocesser ændrer siliciumets elektriske egenskaber.
• Metalaflejring: Ledende lag lægges på for at forbinde komponenterne indbyrdes.
• Test og trimning: Hver chip testes på wafer-niveau for fejl; defekte chips markeres.
• Pakning: Wafere skæres til individuelle die, som monteres i en kapsling (f.eks. DIP, QFP, BGA) og forbindes med enten bondwires eller flip-chip-teknik.
• Endelig test: Pakkerede chips gennemgår funktionstest og kvalitetssikring før forsendelse.

Pakning og elektriske forbindelser

Emballagen beskytter die’et, giver mekanisk stabilitet og tilvejebringer de ydre forbindelser. Almindelige pakketyper er DIP (gennemgående ben til printkort), SOIC, QFP og BGA (hvor BGA har kugleformede pads under pakken). To almindelige metoder til at forbinde selve die’et til emballagen er:

• Bondwires: Tynde metaltråde (ofte guld eller aluminium) forbinder die’et til pakken.
• Flip-chip: Die vendes og loddes direkte mod pakkens underlag for kortere forbindelser og bedre termisk ledning.

Chips er følsomme over for ESD (elektrostatisk udladning), så korrekt håndtering er vigtig.

Typer af integrerede kredsløb

Integrerede kredsløb designes til forskellige formål og kan inddeles efter funktion og kompleksitet:

• Analoge kredsløb: Forstærkere, reguleringskredsløb, ADC/DAC osv. (se analoge).
• Digitale kredsløb: Logik, processorer og digitale signalbehandlere (se digitale).
• Blandede signaler: Kombination af analoge og digitale funktioner på samme chip — f.eks. radiosystemer eller sensorinterfaces.
• Standardkomponenter: Hukommelseschips (DRAM, SRAM, Flash), operationsforstærkere, spændingsregulatorer.
• Programmable devices: FPGA’er og CPLD’er, som kan omprogrammeres efter fremstilling.
• ASIC/SoC: Application-Specific Integrated Circuits og System-on-Chip, skræddersyet til specifikke produkter og kan indeholde CPU, GPU, hukommelse og periferienheder på én chip.

En chip kan være designet til en lommeregner, som kun kan fungere som en lommeregner, men i moderne systemer ser man ofte meget mere komplekse SoC’er, som styrer smartphones, biler og IoT-enheder.

Klassifikation efter kompleksitet

Traditionelt opdeles IC’er efter antallet af komponenter:

• SSI (Small-Scale Integration) — få logiske funktioner.
• MSI (Medium-Scale Integration) — f.eks. tællere, multiplexere.
• LSI (Large-Scale Integration) — komplekse funktioner som simple CPU’er.
• VLSI og ULSI — millioner til milliarder af transistorer (moderne mikroprocessorer og hukommelser).

Anvendelser

IC’er finder anvendelse overalt i moderne teknologi:

• Forbrugerelektronik: smartphones, TV, computere.
• Kommunikation: netværksudstyr, basestationer, trådløse enheder.
• Biler: motorstyring, ADAS, infotainment.
• Industrielt udstyr: automationsstyringer, sensorer og målesystemer.
• Medicinsk udstyr: billeddannelse, pacemakere, monitorering.
• Militær og rumfart: specialdesignede, ofte radiorådede chips.

Fordele og begrænsninger

Fordele:

• Miniaturisering: mange funktioner på lidt plads.
• Lavere omkostninger pr. funktion ved masseproduktion.
• Høj pålidelighed sammenlignet med mange discrete komponenter.
• Bedre energiforbrug og højere hastighed pga. tættere komponentplacering.

Begrænsninger og udfordringer:

• Termisk håndtering: tæt pakning giver varmeproblemer.
• Høje udviklingsomkostninger for komplekse ASIC’er (masker og designværktøjer).
• Fejl i produktionen kan medføre lavt udbytte, især ved meget små processnoder.
• Begrænset mulighed for reparation — ofte udskiftes hele modul/board.

Design og verifikation

Design af IC’er kræver specialiserede EDA-værktøjer (Electronic Design Automation). Processen omfatter arkitekturdesign, logiksyntese, fysisk layout, simulering af timing og signalintegritet samt omfattende verifikation og testplanlægning. Produktion udføres ofte i foundries, mens virksomheder laver designet (fabless-modellen).

Test, kvalitet og pålidelighed

Efter fremstilling gennemgår chips test på wafer-niveau og efter pakning. Test dækker funktionalitet, temperaturdrift og langtidspålidelighed. For kritiske anvendelser bruges også radiorådfaste eller temperaturområdespecifikke variationer af chips.

Sikkerhed og håndtering

Chips er følsomme over for mekanisk stress, fugt og electrostatisk afladning. Ved håndtering i produktion og reparation anvendes ESD-sikret udstyr og renrumsprocedurer for at undgå skader og kontaminering.

Integrerede kredsløb har revolutioneret elektronik ved at gøre komplekse systemer små, billige og effektive. Fremtidens udvikling fortsætter med nye materialer, tredimensionelle integrationsteknikker (3D IC) og mindre procesknuder, som giver endnu flere funktioner per areal og lavere energiforbrug.

Halvleder

En halvleder som f.eks. silicium kan styres til at tillade (eller ikke tillade) strøm at flyde. Dette gør det muligt at fremstille transistorer, der kan styre hinanden. De findes i mange husholdningsartikler som radioer, computere, telefoner og mange andre. Andre halvlederkomponenter omfatter solceller, dioder og lysdioder (lysdioder).

Sidebillede af dobbelt in-line-pakke (DIP)


Billede af Plastic Quad Flat Pack (PQFP)

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er et integreret kredsløb?

Q: Hvad er nogle eksempler på enheder, der kan være på en siliciumchip?

Q: Hvorfor bruger man en plastikpakke til at omslutte chippen?

Q: Hvordan skabes der elektrisk kontakt med chippen?

Q: Hvad er to fordele ved at bruge IC'er i stedet for diskrete kredsløb?

Q: Hvad er de forskellige typer af IC'er?

Q: Kan en enkelt chip designes til et bestemt formål?

Søg efter bogstav