فنی مگ
0

مدار مجتمع چیست؟ تاریخچه، انواع، کاربرد و روش ساخت

مدار مجتمع چیست
بازدید 281

در دنیای پرشتاب امروز، تکنولوژی با سرعت باورنکردنی در حال پیشرفت است، از گوشی‌های هوشمند در جیبمان تا ابر رایانه‌های غول پیکر، همه و همه مرهون تلاش‌ دانشمندان و مهندسان در خلق مدار‌های مجتمع یا به اختصار IC هستند.

مدار‌ مجتمع، دنیای کوچک و شگفت انگیزی است که در قلب تپنده تکنولوژی قرار دارد. این مدارها، تراشه‌های سیلیکونی ظریفی هستند که میلیون‌ها و حتی میلیاردها ترانزیستور، خازن، مقاومت و سایر اجزای الکترونیکی را در خود جای داده‌اند.

امروزه مدارهای مجتمع در طیف وسیعی از دستگاهها و تجهیزات الکترونیکی از جمله کامپیوتر‌ها، تلفن‌های همراه، لوازم خانگی، خودروها و حتی تجهیزات پزشکی کاربرد دارند.

مدار مجتمع چیست

مدار مجتمع چیست؟

یک مدار مجتمع (Integrated Circuit – IC) که معمولاً تراشه نامیده می‌شود – از یک ماده نیمه رسانا به نام سیلیکون ساخته شده است که در آن اجزای الکترونیکی کوچکی به نام ترانزیستورها در داخل سیلیکون تشکیل شده و سپس با اتصالات لایه‌ای در بالای سطح سیلیکون به هم متصل می‌شوند.
مدار مجتمع به مجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی گفته می‌شود که روی یک تراشه یا Chip ساخته شده و کار مشخصی را انجام می‌دهد. ویژگی‌های مدار مجتمع:

– حاوی اجزای الکترونیکی مختلف مانند ترانزیستور، مقاومت، خازن‌ و… است که روی یک تراشه سیلیکونی کوچک ساخته شده‌اند.

  • اندازه‌ی آن بسیار کوچک است.
  • مصرف انرژی پایینی دارد.  
  • قابل اطمینان و دقیق است.
  • قیمت تمام شده پایینی برای تولید انبوه دارد.

انواع رایج مدارهای مجتمع عبارت‌اند از: پردازنده، حافظه RAM و ROM، میکروکنترلر و …

تاریخچه پیدایش مدار مجتمع

تاریخچه پیدایش مدار مجتمع به صورت خلاصه به شرح زیر است:

شاید کمتر منبعی را بتوانید پیدا کنید که در مورد اولین مخترع مدارهای مجتمع و میکروچیپ یا ریزپردازنده جهان به درستی صحبت کرده باشد. بنابراین بد نیست بدانید جک کلیبی فیزیکدان و مهندس برق آمریکایی اولین شخصی بود که توانست با هوش بالا و نبوغ خود این وسیله شگفت انگیز را اختراع کند. پیش از آنکه جک کلیبی مدارهای پیشرفته خود را به دنیای الکترونیک معرفی کند. تجهیزات این حوزه از مدارهای حجیم و قطعات شکننده مانند لامپ‌های خلا شیشه‌ای استفاده می‌کردند و به واسطه این اختراع جک کلیبی که آغازگر عصر دیجیتال بود، انقلابی در دنیای الکترونیک ایجاد کرد و خیلی‌ها او را هم سطح با افراد تاثیر گذاری مانند توماس ادیسون، هنری فرد و حتی انیشتین می‌دانند.

در ادامه به صورت کاملا مختصر به روند ایجاد مدارهای مجتمع اشاره خواهیم کرد.

  • در اواسط دهه 1950 میلادی، ترانزیستورهای اولیه معرفی شدند که امکان ساخت مدارهای الکترونیکی کوچک را فراهم کردند. 
  • در اوایل دهه 1960، اولین مدارهای مجتمع با تعداد کمی ترانزیستور ساخته شدند.
  • در سال 1963، شرکت فیرچایلد اولین حافظه نیمه هادی RAM را معرفی کرد.
  • در سال 1968، رابرت نویس از شرکت انتل اولین میکروپروسسور 4بیتی 4004 را طراحی کرد.
  • در دهه 1970 و 1980 میلادی، مدارهای مجتمع با پیچیدگی بیشتر و تراکم بالاتر ترانزیستور توسعه یافتند.
  • تا اواسط دهه 1980، فناوری مدارهای مجتمع به بلوغ رسید و به طور گسترده‌ای در صنعت مورد استفاده قرار گرفت.

اولین تولیدکنندگان آی سی شرکت‌هایی بودند از ابتدا بر این تصمیم بودند که تمام مراحل طراحی و ساخت را خودشان انجام دادند. این موضوع هنوز برای برخی از شرکت‌ها مانند اینتل، سامسونگ و تولیدکنندگان تراشه‌های حافظه وجود دارد. تولیدکنندگان پیشرو IC امروزه عبارت‌اند از TSMC، Samsung و GlobalFoundries

درمجموع، پیشرفت‌های مداوم درزمینهٔ مواد، طراحی و فرایندهای ساخت، منجر به تکامل مدارهای مجتمع از ابتدایی‌ترین حالت تا پیچیده‌ترین تراشه‌های امروزی شده‌ است.

کاربردهای مدار مجتمع چیست؟

شما احتمالاً با جعبه‌های سیاه کوچکی که درون دستگاه‌های مورد علاقه شما قرار گرفته‌اند، آشنا هستید. این قطعات سیاه کوچک درواقع محور اصلی بیشتر الکترونیک‌های مدرن هستند و بدون مدارهای مجتمع بیشتر فناوری‌ها امکان‌پذیر نبودند. اساساً اگر دستگاهی دارای کلید روشن/خاموش باشد، احتمالاً بخش الکترونیکی زندگی خود را مدیون یک مدار مجتمع است. یک مدار مجتمع می‌تواند در هر دستگاه به عنوان پردازنده، تقویت‌کننده یا حافظه عمل کند.

مدارهای مجتمع، چیپ‌های الکترونیکی فشرده‌ای هستند که از اجزای متصل به هم شامل مقاومت‌ها، ترانزیستورها و خازن‌ها تشکیل شده‌اند. کاربردهای مدارهای مجتمع گسترده است و شامل موارد زیر می‌شود:

  • اسباب‌بازی‌های کودکان
  • اتومبیل‌ها
  • رایانه‌ها
  • تلفن‌های همراه
  • فضاپیماها
  • قطارهای زیرزمینی
  • هواپیماها
  • بازی‌های ویدئویی

انواع مدار مجتمع 

مدارهای مجتمع را می‌توان بر اساس پیچیدگی و هدفشان به انواع مختلفی طبقه‌بندی کرد. برخی از انواع متداول آی سی عبارت‌اند از:

1- مدار مجتمع دیجیتال

 این مدارهای مجتمع در دستگاه‌هایی مانند کامپیوتر و ریزپردازنده‌ها استفاده می‌شوند. آی سی‌های دیجیتال می‌توانند برای حافظه، ذخیره داده‌ها یا منطق استفاده شوند. مدارهای مجتمع دیجیتال توانایی پردازش اطلاعات دیجیتالی را دارند و در بسیاری از دستگاه‌ها از اسمارتفون‌ها تا کامپیوترها به کار می‌رود. این مدارها در تمامی صنایع الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و نقش بسیار مهمی در پیشرفت فناوری دیجیتال ایفا می‌کنند. آن‌ها مقرون به صرفه هستند و برای کاربردهای فرکانس پایین طراحی آسانی دارند.

2- مدار مجتمع آنالوگ

مدارهای مجتمع آنالوگ برای پردازش سیگنال‌های پیوسته طراحی شده‌اند که در آن‌ها میزان سیگنال از صفر تا ولتاژ تغذیه کامل متغیر است. این مدارها برای پردازش سیگنال‌های آنالوگ مانند صدا یا نور استفاده می‌شوند. در مقایسه با آی سی‌های دیجیتال، آن‌ها از ترانزیستورهای کمتری ساخته شده‌اند اما طراحی آن‌ها دشوارتر است. مدارهای مجتمع آنالوگ را می‌توان در طیف وسیعی از کاربردها ازجمله تقویت‌کننده‌ها، فیلترها، نوسان‌سازها، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و مدارهای مدیریت توان استفاده کرد. آن‌ها معمولاً در وسایل الکترونیکی مانند تجهیزات صوتی، فرستنده‌های فرکانس رادیویی (RF)، ارتباطات، حسگرها و ابزار پزشکی یافت می‌شوند.

3- مدار مجتمع سیگنال مختلط

با ترکیب مدارهای دیجیتال و آنالوگ، مدار مجتمع سیگنال مختلط در مناطقی استفاده می‌شود که هر دو نوع پردازش موردنیاز است، مانند صفحه نمایش، سنسور و برنامه‌های ارتباطی در تلفن‌های همراه، اتومبیل‌ها و وسایل الکترونیکی قابل حمل.

این نوع مدارها در بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. این مدارها به شکل کلی مشتمل بر اجزای الکترونیکی مانند ترانزیستورها، ترانزیستور‌های فیلد افزاری (FET)، آی سی‌ها و مدارهای تکنولوژی ای‌سی‌ام (IC) می‌باشند. مدارهای مجتمع سیگنال مختلط عموماً برای پردازش سیگنال‌های آنالوگ به صورت موازی و میان ردیف استفاده می‌شوند و در عین حال می‌توانند اطلاعات دیجیتالی را نیز پردازش کنند. ازجمله کاربردهای این نوع مدارها می‌توان به سیستم‌های رادیویی، تلویزیون، ارتباطات بی‌سیم و دستگاه‌های الکترونیکی پزشکی اشاره کرد. این مدارات دارای ویژگی‌های ورودی/خروجی آنالوگ و دیجیتال هستند که برای پردازش سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال با هم استفاده می‌شوند.

4- مدار مجتمع حافظه

مدار مجتمع حافظه، یا Memory Integrated Circuit یا به اختصار MIC یک مدار الکترونیکی است که برای ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده می‌شود. این مدارها می‌توانند انواع مختلفی از حافظه‌ها را شامل شود، ازجمله حافظه دسترسی تصادفی (RAM)، حافظه فلش، حافظه داخلی میکروکنترلرها و حافظه‌های دیسک.

آی سی‌های حافظه ازنظر تعداد ترانزیستورها جزو بزرگ‌ترین آی سی‌ها هستند و به ابزارهای شبیه‌سازی بسیار با ظرفیت و سریع نیاز دارند.

مدارهای مجتمع حافظه معمولاً از تعداد زیادی عنصر حافظه یا سلول حافظه تشکیل شده‌اند که به همراه مدارهای کنترلی ورودی و خروجی برای مدیریت داده‌ها استفاده می‌شود. این مدارها در انواع مختلفی از تراشه‌های حافظه مانند DIMM، SIMM، SO-DIMM، و … یافت می‌شوند. ازجمله شرکت‌های معروفی که درزمینهٔ تولید مدارهای مجتمع حافظه فعالیت می‌کنند می‌توان به اینتل، سامسونگ، میکرون و SK Hynix اشاره کرد.

5- مدار مجتمع ویژه‌ برنامه (ASIC)

مدار مجتمع ویژه برنامه یا (ASIC) واژه‌ای است که به ترکیب سخت‌افزارها و نرم‌افزارها به‌منظور انجام یک وظیفه یا گروهی از وظایف در یک دستگاه مدار مجتمع اشاره دارد. این ترکیب با توجه به نیازمندی‌های وظیفه خاصی طراحی و ساخته می‌شود.
در برخی موارد، شرکت‌ها واحدهای سفارشی ASIC را برای اجرای وظایف خاص یا کاربردهای خاص توسعه می‌دهند، زیرا این امر امکان قرار دادن سخت‌افزار و نرم‌افزار بهینه شده برای کار بهینه را فراهم می‌کند. ASICها به‌طور گسترده در صنایع مختلفی ازجمله الکترونیک مصرفی، ارتباطات بی‌سیم، رایانش ابری، دستگاه‌های پزشکی و … مورد استفاده قرار می‌گیرند.

روش تولید و ساخت مدار مجتمع

در یک مدار مجتمع، اجزای الکترونیکی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، دیودها و ترانزیستورها مستقیماً بر روی سطح کریستال سیلیکون تشکیل می‌شوند. اگر ابتدا برخی از اصول اولیه نحوه تشکیل این اجزا را درک کنید، فرآیند ساخت یک مدار مجتمع منطقی‌تر خواهد بود.

سیلیکون خالص اساس اکثر مدارهای مجتمع است. این پایه یا بستر را برای کل تراشه فراهم می‌کند و ازنظر شیمیایی دوپ شده است تا مناطق N و P را که اجزای مدار مجتمع را تشکیل می‌دهند، ارائه دهد. سیلیکون باید آن‌قدر خالص باشد که از هر ده میلیارد اتم فقط یک اتم ناخالصی باشد. این معادل یک دانه شکر در ده سطل شن است. دی اکسید سیلیکون به عنوان عایق و به عنوان ماده دی‌الکتریک در خازن‌های آی سی استفاده می‌شود.

آلاینده‌های معمولی نوع N شامل فسفر و آرسنیک هستند. بور و گالیم آلاینده‌های نوع P هستند. آلومینیوم معمولاً به عنوان یک اتصال دهنده بین اجزای مختلف آی سی استفاده می‌شود. سیم نازک از تراشه مدار مجتمع به بسته نصب آن ممکن است آلومینیوم یا طلا باشد. بسته نصب ممکن است از مواد سرامیکی یا پلاستیکی ساخته شده باشد.

روند تولید و ساخت یک مدار مجتمع (IC) یا چیپ الکترونیکی بسیار پیچیده است، اما به طور کلی شامل چند مرحله اصلی است. 

  1. طراحی: این مرحله شامل طراحی مدار الکتریکی و لایه‌های چیپ می‌شود. در این مرحله از نرم‌افزار‌های مهندسی بهره گرفته می‌شود تا طراحی‌های الکتریکی و لایه‌های فیزیکی چیپ ایجاد شود.
  2. تولید پوشش: بعد از طراحی، ماسک‌ یا پوشش‌های لیتوگرافی برای الگوبرداری از لایه‌های مدار ساخته می‌شود. این ماسک‌ها به طور کامل دقیق و با ابعاد نانومتری تولید می‌شوند.
  3. تولید چیپ: از مدل‌بندی فرآیند تا فرآیند ساخت و آزمایش، هر گام از تولید چیپ با دقت بسیار بالا انجام می‌شود. این قسمت شامل نیمه‌هادی و دیگر مواد نیمه‌رسانا، پوزیشنینگ دقیق لایه‌ها و پوشش‌ها، دستگاه‌های لیتوگرافی و سایر فرآیندهای ساخت می‌شود.
  4. آزمایش و بسته‌بندی: بعد از ساخت، چیپ‌ها باید آزمایش شوند تا اطمینان حاصل شود که به درستی کار می‌کنند. سپس آن‌ها بسته‌بندی شده و آماده برای ارسال به بازار می‌شوند.

نظرات کاربران

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *