Vad är en Integrerad Krets?

Integrerad kretsdesign, eller IC-design, är en del av en större kunskapsmassa som kallas elektronikteknik. Inom disciplinen elektronikteknik finns det en process som kallas kretsdesign.

Målet med kretsdesign är att sätta ihop en samling sammankopplade kretselement som utför en specifik objektiv funktion. Möjligheten att addera eller multiplicera tal är ett enkelt exempel. Utvecklingen av en mikroprocessor som exekverar datorinstruktioner för att utföra komplexa uppgifter är ett annat exempel.

Kretselementen som används i denna process börjar med grundläggande byggstenar som transistorer, motstånd, kondensatorer och ledningar.

Dessa element kombineras för att bilda mer komplexa funktioner såsom logiska grindar eller precisionsförstärkare, som sedan kombineras för att bilda mer komplexa funktioner såsom adderare och multiplikatorer. Denna process fortsätter att bygga på sig själv, vilket resulterar i tillgängligheten av allt mer komplexa kretsbyggstenar.

Kretsdesign använder diskreta, förtillverkade element för att bilda kretsen. När det gäller IC-design finns det en viktig skillnad. Här är kretselementen gjorda av miniatyriserade komponenter som är implementerade på ett kiselsubstrat med hjälp av en process som kallas fotolitografi.

Fotolitografiprocessen skapar olika geometriska former på kiselsubstratet där de elektriska egenskaperna för området som definieras av den formen ändras. Grundläggande kretselement skapas när dessa regioner kombineras och överlagras över varandra.

Så IC-design består av två distinkta processer. Först sätts kretselement ihop för att utföra den objektiva funktionen. Därefter måste de olika geometriska formerna som implementerar dessa kretselement sättas ihop och sammankopplas på kiselsubstratet. Den första processen kallas vanligtvis logik, eller krets, design och den andra processen kallas fysisk design. Baserat på typen av signal som bearbetas av IC, används en digital eller analog metod.

I fallet med en analog/blandad signal, eller AMS, design används båda metoderna. Dessutom är hur de olika kretselementen passar designens krav också relevant. När kretselement måste modifieras för att uppfylla kraven i designen används en helt anpassad designmetod.

Innehållsförteckning

Vikten av integrerade kretsar

Integrerade kretsar är en kritiskt viktig disciplin. Den utgör grunden för utvecklingen av alla mikroelektroniska enheter som används idag. Detta inkluderar mikroprocessorerna som driver bärbara datorer och mobiltelefoner, bildbehandlingskretsarna som driver datorskärmar och TV-apparater och sensorerna som används i bärbara och implanterade medicinska apparater. Dessa mikroelektroniska enheter tillåter också den växande användningen av artificiell intelligens (AI) som öppnar nya gränser, såsom autonom körning, maskinseende och naturlig språkbehandling.

Integrerad kretsteknik har blivit utbredd i vår värld, och IC-design utgör den grundläggande uppsättningen av discipliner som krävs för att skapa dessa enheter.

Översikt över de olika stegen i ett integrerad krets Design

Processen för integrerade kretsar kan ses som en serie hierarkiska nedbrytningssteg. Krav på hög nivå sönderdelas till fler detaljer med målet att implementera en krets på en kiselskiva som troget utför den objektiva funktionen. De primära stegen som utgör ett IC-designflöde inkluderar:

Arkitektonisk design. Här specificeras den nödvändiga funktionaliteten hos integrerade kretsar. Möjligheterna hos den specifika IC som övervägs kommer att beaktas i samband med systemet som byggs. Vilka funktioner måste IC leverera? Vilken hastighet och strömförbrukning krävs? Vad är målkostnaden för enheten? Svaren på dessa frågor kommer att informera efterföljande val för den specifika teknik som kommer att användas för att implementera enheten. I detta skede är ”vad” som krävs viktigast. ”Hur” det kommer att implementeras är fortfarande inte väl definierat.

Logik/kretsdesign. Här sätts byggstenar på makronivå ihop och sammankopplas för att implementera den erforderliga funktionaliteten hos den integrerade kretsen. Vanligtvis används redan existerande byggstenar, såsom minnen, bearbetningsenheter och sensorer. Funktionsbeskrivningar på hög nivå av kretselement delas upp i de erforderliga lågnivåkretselementen. Denna process automatiseras av programvara som kallas logisk syntes. Samlingen av enheter simuleras för att verifiera designens funktionalitet. Antingen kommer en digital logisk simulator eller en analog kretssimulator att användas, beroende på vilken nivå av simuleringsdetaljer som krävs. Om byggstenarna på makronivå behöver modifieras för att uppfylla kraven i IC:n, används anpassade kretsdesigntekniker. Under detta steg börjar ”hur” chippet ska implementeras att definieras.

Fysisk design. Under detta steg skapas den faktiska layouten av de sammankopplade formerna som implementerar alla nödvändiga kretselement på kiselskivan. Processen börjar med en ”planlösning” för chip, som definierar var var och en av chipets primära funktioner kommer att placeras och var designens primära in- och utgångsportar kommer att finnas. De slutliga kretselementen placeras sedan och dirigeras som förberedelse för tillverkning. Om byggstenarna på makronivå behöver modifieras för att uppfylla kraven för den integrerade kretsen används anpassade layouttekniker, som använder ett layoutredigeringsverktyg. ”Hur” chippet kommer att implementeras är nu helt definierat.

Fysisk verifiering. Alla de fysiska effekterna som tillverkningsprocessen lägger till designen kan nu modelleras. Extra motstånd från ledningar, signalöverhörning och variabilitet i själva tillverkningsprocessen är några av de många artiklar som måste beaktas här. Kommer kretsen fortfarande att fungera korrekt under dessa påfrestningar? Dessutom finns det många designregler om hur kretsen fysiskt måste läggas ut på kiselskivan för att säkerställa att den kommer att kunna tillverkas. Dessa designregler kontrolleras också i detta steg.

Signoff. Detta är det sista steget innan designen skickas till tillverkning. Här verifieras alla de kritiska parametrarna som kommer att påverka chipets prestanda eller tillverkningsbarhet mot resultaten av kvalitetsverktyg med ”golden signoff”. Designregler verifieras helt under detta steg, tillsammans med design för tillverkningsregler.

Timingen, strömförbrukningen och signalintegriteten för designen verifieras också och ”stängs” under detta steg. Det är avgörande att noggrann parasitisk extraktion utförs under signoff för att säkerställa att de fysiska effekterna av processen förstås väl.

När man tänker på avancerad halvledarteknik, finns det en annan aspekt av integrerad krets-designflödet som blir viktig. I avancerad tillverkningsteknik spelar fysiska effekter och processvariabilitet en stor roll. Till exempel kan det fysiska motståndet hos ledningarna som ansluter kretselement orsaka betydande förändringar i driftspänningar och därmed den totala kretsens prestanda.

Variabiliteten i tillverkningsprocessen kan också skapa oväntat kretsbeteende. För att hantera dessa problem måste sena effekter som ledningsfördröjning och processvariationer modelleras och övervägas tidigt i designprocessen för att säkerställa att dessa effekter beaktas.

Dessutom måste vissa aspekter av designen, såsom hur den kommer att testas och hur mycket ström den kommer att förbruka, modelleras och förfinas vid varje steg i processen. Dessa föremål är för komplexa för att kunna hanteras i slutet av designen. Den här processen att ”se framåt” kallas en Shift-Left-metod, och den kräver en mycket sofistikerad uppsättning designverktyg och designflöden för att stödja den.

När det gäller kostnadsreduktion är en integrerad krets funktion att tillhandahålla ett relativt billigt alternativ till att samla ihop en enorm mängd halvledardelar och elektriska delar, och montera på ett kretskort och löda. Om en elektronikdesign skulle implementeras i diskreta komponenter, kan antalet delar vara till exempel 250. Med integrerade kretsar kan antalet delar sjunka till 10. Detta betyder att det totala antalet material har minskat och varje del av produktionsprocessen är avsevärt förenklat. Genom att välja rätt integrerad krets kan nya funktioner läggas till med mindre resurser.

Prestandaförbättringsfunktionen hos en integrerad krets möjliggörs av den specialiserade kretsimplementeringen inuti chipet. Flera radiofrekvensapplikationer var för dyra att implementera som diskreta komponenter. När det fanns en stor efterfrågan på en specifik funktion, hittar halvledarindustrin ett sätt att få finansiering och bygger integrerade kretsar för speciella applikationer.

Till exempel, när ljudkort för persondatorer (PC) introducerades, var det många tillverkare som bestämde sig för att bygga medium-scale integrerade kretsar (MSI)-chips som stöder PC-ljudapplikationer. En annan prestandaförbättring är den lägre strömförbrukningen för samma resultat, vilket ger högre energieffektivitet.

Det finns flera integrerade kretsar och till och med flera mikrodatorer inuti datorer, mobiltelefoner och andra digitala enheter. I en handhållen spelpryl finns en grafikprocessor som driver den färgade skärmen. Denna processor är vanligtvis ett storskaligt integrationschip (LSI) med ett eget miniatyriserat och superlågt digitalt bearbetningssystem. En annan dator – huvuddatorn – sköter uppgiften att köra användarapplikationer.

Trenden inom elektronik har alltid varit att miniatyrisera kretsar, medan slutkostnaderna är låga. All populär utrustning kommer vanligtvis att motivera mängden resurser som spenderas på att konceptualisera, designa och implementera nya integrerade kretsar avsedda att optimera tillverkningen av produkter. Med tanke på trenderna inom miniatyrisering verkar det finnas oändliga möjligheter att leverera elektroniska produkter som presterar ännu bättre i alla aspekter.

Det finns standard-integrerade kretsar som fungerar som förstärkare, effektregulatorer och enkla signalprocessorer. Dessa IC:er sträcker sig vanligtvis från 8-stifts till cirka 16-stiftspaket.

Det gemensamma paketet har två rader med stift, så ett 20-stifts dual-in-line (DIL)-paket kommer att ha två rader med 10 stift. Större chips används mest för komplexa digitala applikationer som skräddarsydd eller applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC), som kan innehålla en hel mikrodator för alla typer av applikationer inom telekommunikation, automation och effektstyrning.

Den integrerade kretsens historia

Uppfinningen av Iden integrerade kretsen började först med vakuumrören, det första vakuumröret uppfanns av John Ambrose Fleming 1897 är känt som vakuumdiod och Fleming gav också en vänsterhandsregel för motorer.

Sedan år 1906 utvecklades ett nytt vakuum som är känt som Triode som används för förstärkning.

Sedan nästan 40 år senare uppfann William Shockley på Bell Labs transistorn år 1947, vilket startade en ersättningsera inom elektronikindustrin. Transistorer ersätter de skrymmande vakuumrören delvis inte helt eftersom transistorerna är små till storleken och använder mindre ström för att fungera samtidigt som applikationsapparater kräver mindre ström.

Sedan år 1959 utvecklades den integrerade kretsen. Integrerad krets, under vilken många antal komponenter kan tillverkas på en kiselskiva. Integrerad krets tar låg ström för att fungera och ger jämn utgång. Med tiden ökar också antalet transistorer på den integrerade kretsen med tiden.

Utveckling av integrerad krets från SSI, MSI, LSI till VLSI

Klassificeringen av integrerad krets kan göras baserat på storleken på chipet och integrationsskalan.

För det första, under åren 1961 till 1965 i småskalig integration, tillverkades SSI-transistorer omkring 10 till 100 på ett enda chip. Denna teknik används för att skapa logiska grindar och flip-flops.
Sedan under åren 1966-1970, i medelstor integration, tillverkades MSI-transistorer omkring 100 till 1000 på ett enda chip.
Denna teknik används för att skapa räknare, multiplexorer och avkodare.
Under åren 1971-1979 i storskalig integration tillverkades LSI-transistorer omkring 1000 till 20000 på ett enda chip. Denna teknik används för att skapa mikroprocessor, RAM, ROM
Under åren 1980-1984 i storskalig integration tillverkades VLSI-transistorer omkring 20000 till 50000 på ett enda chip.
Denna teknik används för att skapa DSP (digital signal processing) IC:er, RISC-mikroprocessorer, 16-bitars och 32-bitars mikroprocessorer.
1985 introducerades den ultrastorskaliga integrationen ULSI, där transistorer tillverkas från mer än 50 tusen till miljarder på ett enda chip. Denna teknik används för att skapa 64-bitars mikroprocessorer.

Begränsningar för olika typer av integrerade kretsar

Begränsningen för olika typer av integrerade kretsar inkluderar följande:

Begränsad effekt, eftersom det inte är möjligt att tillverka hög effekt på mer än 10 Watt).
I den integrerade kretsen är olika komponenter en del av en halvledare som är liten och därför kan den enskilda komponenten eller andra komponenter inte tas bort och ersättas, därför, om någon av komponenterna i en integrerad krets misslyckas, har hela den integrerade kretsen ersatts av den nya.
Det finns ett behov av att ansluta induktorer och transformatorer utanför ledarchippet eftersom det kanske inte är möjligt att tillverka induktorer och transformera på halvledarchipets yta.
Den fungerar vid en låg spänning, vilket innebär att integrerad-driften sker vid ganska låg spänning.
Den är ganska ömtålig d.v.s. sköter funktionen varsamt då dessa inte tål grov hantering eller överdriven värme.
Det finns också ett behov av att ansluta kondensatorn utvändigt till halvledarchippet eftersom det varken är bekvämt eller ekonomiskt att tillverka kapacitanser som överstiger 30pF.
Högkvalitativ P-N-P-montering är inte möjlig.
En lågtemperaturkoefficient är svår att uppnå.
Svårt att tillverka en integrerad krets med lågt brus.
Ett stort värde på mättnadsmotstånd hos transistorer.
Spänningsberoende hos motstånd och kondensatorer.
Processerna som används i tillverkningsprocessen, såsom diffusion och andra relaterade procedurer, är inte tillräckliga för att tillåta en viss kontroll av parametervärdena för kretselementen. Styrningen av förhållanden i processen är emellertid på en tillräckligt acceptabel nivå.

Fördelar med integrerade kretsar

Extremt liten i storleken. Det beror på att i tillverkningsprocessen för integrerade kretsar används för att integrera aktiva och passiva komponenter på ett kiselchip, då blir den integrerade kretsen mycket mindre än den faktiska storleken. När den jämförs med en diskret krets kan den anses vara tusen gånger mindre.
Har väldigt låg vikt. På grund av deras ringa storlek minskar vikten också på grund av en miniatyriserad krets.
Produktionskostnaden kommer att vara mycket låg och mindre tidskrävande på grund av samtidig produktion av många liknande kretsar på en liten halvledarskiva.
Mer tillförlitlig – detta beror på elimineringen av lödfogar och behovet av färre sammankopplingar.
Lägre strömförbrukning på grund av deras mindre storlek.
Enkelt byte då det är mer ekonomiskt att byta eller byta ut dem än att reparera dem.
På grund av frånvaron av parasitisk kapacitans kommer driftshastigheten att öka.
Nära matchning av komponenter och temperaturkoefficienter på grund av bulkproduktion i partier.
Integrerade kretsar har nu förbättrade funktionella prestanda eftersom kretsarna är mer komplexa och kan tillverkas för att uppnå bättre egenskaper.
Större förmåga att arbeta vid extrema temperaturer.
Lämplig för drift med små signaler på grund av att det inte finns någon chans att någon elektrisk upptagning sker eftersom olika komponenter i en INC tillverkas mycket nära varandra på en silikonskiva.
Det kommer inte att finnas några externa projektioner eftersom alla komponenter är inuti chipet.

Nackdelar med integrerade kretsar

Vissa av de komplexa integrerade kretsarna är dyra och om sådana komplexa integrerade kretsar används grovt kan det finnas en risk för fel och om någon komponent i integrerade kretsarna går sönder måste de ersättas med en ny eftersom de inte kan repareras eftersom de enskilda komponenterna inuti de integrerade kretsarna är för små.
Begränsad effektklassning eftersom effektklassificeringen för de flesta integrerade kretsar inte överstiger 10 watt. Därför är det omöjligt att tillverka integrerade kretsar med hög effekt.
Transformatorer och induktorer kan inte integreras i en integrerad krets. Därför måste de anslutas externt till halvledarstiften.
Högkvalitativ P-N-P-montering är inte möjlig.
Integrerade kretsar fungerar inte korrekt om dem hanteras felaktigt eller utsätts för överdriven värme.
Det är ganska svårt att uppnå en lågtemperaturkoefficient.
Det är omöjligt att tillverka kondensatorer som överstiger värdet på 30pF. Behöver ansluta högvärdiga kondensatorer externt till integrerade kretsar.
Det finns ett stort värde på mättnadsresistans hos transistorer.