ممکن است برخی‌ها با اصطلاح «مدار مجتمع» (Integrated Circuit) آشنا نباشند، اما وقتی مخفف آن یعنی تراشه IC را ذکر می‌کنیم، بیشتر قابل درک است. مدار مجتمع، از مهمترین المان‌های بردهای الکترونیکی است که در دستگاه‌های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به‌عنوان مغز اصلی برای انجام وظایف متعددی مانند پردازش اطلاعات، ذخیره‌سازی داده‌ها و عملیات کنترل عمل می‌کند.
قدرت یک مدار مجتمع IC در ترکیب مؤلفه‌های متعدد آن نهفته است. برای درک بهتر این موضوع، برد مدارچاپی را در نظر بگیرید. مدارهای مجتمع را می‌توان به بردهای یک مدار مینیاتوری تشبیه کرد، زیرا شامل تعداد زیادی قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورها، دیودها، گیت‌های منطقی، سلول‌های حافظه و غیره هستند. این مؤلفه‌ها درون قطعه‌ای از مواد نیمه‌هادی (معمولاً سیلیکون) قرار می‌گیرند و برای انجام عملکردی خاص با هم کار می‌کنند.
با مطالعه تاریخچه مدارهای مجتمع، به سال 1949 برمی‌گردیم، زمانی که «ورنر جاکوبی» (Werner Jacobi)، مهندس شرکت زیمنس، آن‌ها را توسعه داد. تراشه‌های اولیه خیلی قدرتمند نبوده و تنها شامل پنج ترانزیستور بودند. این تراشه‌ها در آن زمان برای استفاده تجاری مناسب نبودند. سال 1961 بود که تراشه‌هایی با ترانزیستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و سیم‌های متصل‌به‌هم برای اهداف تجاری ساخته شدند. با گذشت زمان و پیشرفت‌های تکنولوژی، این تراشه‌ها به‌طور فزاینده‌ای قدرتمندتر شده‌اند.
انواع مدارهای مجتمع الکترونیکی
در این بخش، به معرفی اجمالی انواع مدارهای مجتمع می‌پردازیم.
مدار مجتمع دیجیتال
مدارهای مجتمع دیجیتال که به‌اختصار DIC نامیده می‌شوند، معمولاً در ساخت مدارهای دیجیتال و سیستم‌های محاسباتی استفاده می‌شوند و در آن‌ها سیگنال‌های دیجیتال گسسته وجود دارد و کدهای باینری به کار رفته است. این تراشه‌های الکترونیکی برای پردازش و انتقال سیگنال‌های دیجیتال با استفاده از مؤلفه‌های داخلی مانند شمارنده‌ها و گیت‌های منطقی دیجیتال طراحی شده‌اند. یکی از مزایای کلیدی IC دیجیتال، سطح بالای یکپارچه‌سازی و برنامه‌پذیری آن است که به کاربران این امکان را می‌دهد به‌جای اینکه صرفاً به سازنده تراشه وابسته باشند، کدهای خود را اجرا کنند. تراشه دیجیتال را می‌توان به IC منطقی، تراشه‌های حافظه، IC رابط، IC مدیریت برق و دستگاه برنامه‌پذیر طبقه‌بندی کرد.
مدار مجتمع آنالوگ
این نوع مدار که به‌اختصار AIC نامیده می‌شود، وظیفه ساخت رابط‌ها و مدارهای پردازش سیگنال آنالوگ را بر عهده دارد و عملکردهایی مانند تقویت سیگنال، فیلتر کردن، مخلوط کردن و کنترل آنالوگ را ممکن می‌سازد. المان‌های داخلی IC آنالوگ شامل تقویت‌کننده‌ها، فیلترها، تقویت‌کننده‌های عملیاتی و مقایسه‌کننده‌ها است. این مدارهای الکترونیکی مجتمع کاربردهای گسترده‌ای در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف از جمله تقویت‌کننده صوتی، گیرنده RF، سنسور آنالوگ و DAQ دارند. تراشه آنالوگ را می‌توان به مدار RF و IC خطی دسته‌بندی کرد.
مدار مجتمع مخلوط
مدار مجتمع مخلوط (HIC)، هر دو مدار آنالوگ و دیجیتال را برای دستیابی به عملکردهای مدار پیچیده و پردازش سیگنال مخلوط، ترکیب می‌کند. این مدارها شامل یک AIC و یک DIC هستند که از طریق تکنیک‌های اتصال داخلی و بسته‌بندی ترکیب می‌شوند تا یک سیستم مدار مجتمع کامل تشکیل شود. تراشه HIC را می‌توان به انواع مختلفی تقسیم کرد، از جمله IC مربوط به DAQ و IC ساعت/زمان، مدار RF CMOS و مدار خازن سوئیچ شده (SC).
تراشه‌های مدار مجتمع چگونه تولید می‌شوند؟
برای تسهیل کل فرایند ساخت مدار مجتمع، از نرم‌افزار طراحی الکترونیکی همچون Cadence Allegro، PADS و ModelSim استفاده می‌شود. این ابزارهای نرم‌افزاری، طراحان را قادر می‌سازند تا تمام جنبه‌های مدارهای مجتمع را ایجاد، شبیه‌سازی، تأیید و طرح‌بندی کنند.
همان‌طور که قبلاً گفتیم، یک مدار مجتمع به‌صورت مجموعه مؤلفه‌های متعددی با انواع گوناگون که با اشکال و نمادهای مختلف در نرم‌افزار طراحی نشان داده می‌شوند، تعریف می‌شود. به عنوان مثال، ترانزیستورها معمولاً به شکل مستطیل نمایش داده می‌شوند، در حالی که خازن‌ها می‌توانند اندازه‌های مختلفی از اشکال مستطیلی برای نشان‌دادن مقادیر مختلف ظرفیت داشته باشند. با ترکیب این اشکال و نمادهای مختلف، طراحان می‌توانند مدارهای مجتمعی با ویژگی‌ها و عملکردهای خاص ایجاد کنند. تصویر زیر، نمای مقطعی یک تراشه IC و مواد موردنیاز برای طراحی ترانزیستورهای nMOS و pMOS را نشان می‌دهد.
هنگامی که ساختار داخلی تراشه طراحی شد، مرحله بعدی ارسال فایل طراحی به سازنده مدار مجتمع برای فرایند ساخت است که شامل تبدیل طرح به ویفر سیلیکونی فیزیکی است. در ادامه، یک بررسی اجمالی از فرایند تولید خواهیم داشت:
- ایجاد ماسک: برای ایجاد ماسک که به‌عنوان قالبی برای انتقال الگوی طراحی تراشه بر روی ویفر سیلیکونی عمل می‌کند، از فایل طراحی استفاده می‌شود. ماسک شامل ساختارهای ضروری مدار است.
- آماده‌سازی ویفر سیلیکونی: ویفر سیلیکونی، به‌عنوان پایه و اساس تراشه‌ها عمل می‌کند و معمولاً دایره‌ای‌شکل است. قبل از ساخت، ویفر تحت فرایندهای تمیزکاری و پوشش‌دهی قرار می‌گیرد تا از شرایط مناسب سطح اطمینان حاصل شود.
- فوتولیتوگرافی: الگوی طراحی تراشه با استفاده از فرایندی به نام «فوتولیتوگرافی» (Photolithography) بر روی سطح ویفر سیلیکونی منتقل می‌شود. یک لایه حساس‌به‌نور روی ویفر اعمال شده و برای نمایش الگوی موردنظر بر روی لایه حساس‌به‌نور، از ماسک استفاده می‌شود.
- توسعه: ویفر سیلیکونی نوردیده در محلول ظهور فروبرده می‌شود تا قسمت نورندیده لایه حساس‌به‌نور حل یا حذف شود. این کار منجر به ظاهرشدن الگوی موردنظر روی سطح ویفر سیلیکونی خواهد شد.
- زدایش: مواد نوردیده روی سطح ویفر سیلیکونی به‌طور انتخابی با استفاده از تکنیک‌های زدایش شیمیایی یا فیزیکی حذف یا زدوده می‌شود. این فرایند ساختارهای مدار موردنیاز برای طراحی تراشه را شکل می‌دهد.
انواع بسته‌بندی مدارهای مجتمع IC
بسته‌بندی، فرایند محصور کردن مدار مجتمع در یک محفظه برای حفاظت از تراشه و تأمین اتصالات الکتریکی است. ابتدایی‌ترین شکل بسته‌بندی، بسته‌بندی تخت سرامیکی است. با توسعه مدارهای مجتمع، شکل‌های بسته‌بندی بیشتری مورداستفاده قرار می‌گیرد. کاربران می‌توانند با توجه به ویژگی‌های تراشه، شرایط کاربرد و ساخت، آن‌ها را انتخاب کنند. در ادامه، با بسته‌بندی‌های رایج مدارهای مجتمع آشنا خواهید شد.
بسته ردیفی دوطرفه (Dual Inline Package) یا دیپ (DIP)
یکی از نخستین بسته‌بندی‌های مدار مجتمع است که دو ردیف پین در دو طرف تراشه دارد. وصل کردن و تعمیر آن آسان است، اما به‌دلیل تعداد محدود پین‌ها، معمولاً برای مدارهای ساده استفاده می‌شود.
بسته برون‌خط کوچک (Small Outline Package) یا SOP
SOP دارای ضریب شکل کوچک‌تری است و برای طراحی برد مدار فشرده مناسب است. این نوع بسته‌بندی شامل پین‌هایی است که در یک ردیف در یک طرف تراشه به‌صورت منظم قرار گرفته‌اند.
بسته فلت چهارطرفه (Quad Flat Package) یا QFP
این بسته یک نوع بسته‌بندی جدیدتر با پین‌هایی است که در هر چهار طرف تراشه چیده شده‌اند. این نوع بسته‌بندی تراکم پین بالاتری را فراهم کرده و معمولاً برای تراشه‌هایی مانند میکروکنترلرها، پردازنده‌های سیگنال دیجیتال و حافظه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد.
آرایه مشبک توپی (Ball Grid Array) یا BGA
در بسته‌بندی BGA پین‌ها به‌شکل کروی روی کف تراشه قرار گرفته‌اند. این نوع بسته‌بندی، تراکم پین و قابلیت اتلاف گرما را بهبود می‌بخشد و اغلب برای تراشه‌های پیچیده، مانند پردازنده‌های با کارایی بالا، تراشه‌های گرافیکی و حافظه‌ها استفاده می‌شود.
بسته مقیاس – تراشه‌ای (Chip Scale Package) یا CSP
مشخصه CSP اندازه آن است که حدوداً به‌اندازه خود تراشه است و تقریباً کل سطح تراشه را می‌پوشاند. این نوع بسته‌بندی برای دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌حمل و کاربردهای ارتباط بی‌سیم مناسب است.
بسته مقیاس – تراشه‌ای
تراشه روی برد (Chip-on-Board) یا COB
در اینجا تراشه مدار مجتمع مستقیماً روی برد مدار لحیم می‌شود، در نتیجه طراحی فشرده‌تر و مسیرهای انتقال سیگنال کوتاه‌تر خواهند شد. COB معمولاً برای کاربردهایی مانند ریزتراشه‌ها و سنسورها به کار می‌رود.
تراشه روی برد
