Integroitu piiri (IC, mikrosiru) — määritelmä, toiminta ja tyypit
Tutustu integroituun piiriin (IC, mikrosiru): määritelmä, toiminta, edut ja tyypit — analogiset, digitaaliset ja sekasignaaliset selkeällä ja käytännöllisellä esityksellä.
Integroitu piiri (useammin IC, mikrosiru, piisiru, tietokoneen siru tai siru) on erityisesti valmistetun piin (tai muun puolijohteen) pala, johon elektroninen piiri on kaiverrettu fotolitografian avulla. Piisirut voivat sisältää logiikkaportteja, tietokoneprosessoreita, muistia ja erikoislaitteita. Siru on hyvin hauras, joten sitä ympäröi yleensä muovipakkaus sen suojaamiseksi. Sähköinen yhteys siruun muodostuu pienistä johdoista, jotka yhdistävät sirun suurempiin metallitappeihin, jotka työntyvät ulos pakkauksesta.
IC:llä on kaksi pääetua erillisiin piireihin verrattuna: kustannukset ja suorituskyky. Kustannukset ovat alhaiset, koska yhdelle sirulle voidaan sijoittaa miljoonia — nykyisin jopa miljardeja — transistoreita eikä jokaista komponenttia tarvitse liittää erikseen. Suorituskyky on parempi, koska komponentit ovat hyvin lähellä toisiaan, mikä vähentää signaaliviiveitä ja parantaa energiatehokkuutta. Integrointi mahdollistaa myös monimutkaisten järjestelmien rakentamisen pienessä tilassa (esim. järjestelmä piirillä, SoC).
Valmistus ja rakenne
Integroitu piiri valmistetaan tyypillisesti puolijohdevaa'asta (wafer), jonka pinnalle luodaan monikerroksinen rakenne fotolitografian, epitaksian, oksidoinnin, ionisäteilyn ja metalloinnin avulla. Prosessi sisältää useita vaiheita, kuten maskien suunnittelun, fotomaskeilla tapahtuvan kuvioinnin, materiaalikerrosten poistamisen (etsaus) ja dopauksen, jolla säädetään puolijohteen sähköisiä ominaisuuksia. Valmistuksen tarkkuutta kuvataan usein piirin teknologiakokona (nanometreissä) — pienemmät mittakaavat mahdollistavat nopeammat ja energiatehokkaammat transistorit.
Valmistuksen jälkeen wafers leikataan yksittäisiksi siruiksi (dicing), testataan (wafer probe) ja pakataan. Pakkaus suojaa sirua, helpottaa jäähdytystä ja tarjoaa liitännät ympäröivään elektroniikkaan.
Pakkaus ja liitännät
- Johdinliimaukset (wire bonding) — perinteinen tapa yhdistää sirun pienet liitosnastat paketin johtimiin ohuilla metallilangalla.
- Flip‑chip / bumpit — siru käännetään alaspäin ja kiinnitetään suoraan paketille tai kortille pienillä juotoskuplilla, mikä lyhentää liitäntöjen pituuksia ja parantaa lämpö- ja sähköominaisuuksia.
- Pakkaustyyppejä — DIP, SOIC, QFP, BGA, CSP ym. Valinta riippuu sovelluksesta, tilavaatimuksista ja jäähdytysvaatimuksista.
IC-tyypit ja käyttötarkoitukset
Integroidut piirit voidaan yleisesti luokitella:
- Analogisiin — käsittelevät jatkuvia signaaleja (esim. vahvistimet, AD-muuntimet).
- Digitaalisiin — käsittelevät diskreettejä bittiarvoja (esim. logiikkapiirit, prosessorit).
- Sekasignaalisiin — sisältävät sekä analogisia että digitaalisia osia samalla piirillä (esim. mobiilijärjestelmien radioliitynnät).
Lisäksi käytetään erityisiä luokkia kuten:
- Microcontrollerit (MCU) — pienet mikroprosessorit sisältäen muistia ja I/O‑ohjausta, tyypillisiä esimerkiksi laskinta muistuttavissa laitteissa.
- SoC (System on Chip) — yhdistävät prosessorin, grafiikkayksikön, muistiohjaimet ja muut toiminnot yhdelle sirulle.
- ASIC — sovelluskohtaiset piirit, räätälöityjä tiettyyn tehtävään.
- FPGA — ohjelmoitavat logiikkapiirit, joita voidaan konfiguroida käyttäjän tarpeen mukaan.
- Muistipiirit — kuten DRAM, SRAM, flash.
Sisäinen elektroniikka
Suurin osa moderneista IC:istä rakentuu MOSFET‑transistoreista (tyypillisesti CMOS‑tekniikka), joiden avulla muodostetaan logiikkaportteja, rekistereitä, muistoelementtejä ja analogisia toimintoja. Sirulle voidaan sijoittaa myös erikoistuneita oheislaitteita, ajastimia, ADC/DAC‑lohkoja ja virranhallintayksiköitä.
Testaus, luotettavuus ja lämpö
Valmistuksen jälkeen piirit testataan kattavasti: wafer‑testit, pakatun piirin testaus (functional test), burn‑in ja lopputarkastus. Tuotannon tehokkuus mitataan usein yieldillä — käyttökelpoisten sirujen määrällä suhteessa tuotettuihin.
Sirut ovat herkkiä sähköstaattiselle purkaukselle (ESD) ja lämpökuormitukselle. Lämpöä johtavan pakkauksen, jäähdytyselementtien tai piirilevyn avulla varmistetaan, ettei sirun lämpötila ylitä rajoja. ESD‑suojaus on tärkeä osa sekä suunnittelua että käsittelyä.
Vaikutus ja kehitys
Integroitu piiri on mahdollistanut modernin elektroniikan miniaturisaation ja laskentakapasiteetin nopean kasvun. Tieteen ja tekniikan kehittyessä on nähty siirtymästä jatkuvaan skaalaamiseen (FinFETit, 3D‑rakenteet) sekä uusien valmistusmenetelmien (esim. EUV‑litografia) käyttöönottoon. Tänä päivänä kehitys suuntautuu myös heterogeeniseen integrointiin, 3D‑pinottuihin siruihin ja energiatehokkuuden parantamiseen.
Integroitu piiri on siis keskeinen komponentti lähes kaikessa nykytekniikassa: tietokoneista ja matkapuhelimista teollisuuden ohjaukseen, autoelektroniikkaan ja lääketieteellisiin laitteisiin.
Puolijohde
Puolijohdetta, kuten piitä, voidaan ohjata niin, että se sallii (tai ei salli) virran kulkua. Tämä mahdollistaa sellaisten transistorien valmistamisen, jotka voivat ohjata toisiaan. Niitä on monissa kodinkoneissa, kuten radioissa, tietokoneissa, puhelimissa ja monissa muissa. Muita puolijohdekomponentteja ovat aurinkokennot, diodit ja LEDit (valodiodit).
Sivunäkymä kaksoiskotelosta (DIP)
Kuva Plastic Quad Flat Pack (PQFP) -pakkauksesta
Keksintö
Vuosina 1958 ja 1959 kaksi ihmistä sai idean integroidusta piiristä lähes täsmälleen samaan aikaan. Transistoreista oli tullut jokapäiväinen asia, jota käytettiin kodinkoneissa, kuten radioissa. Ne vaikuttivat kaikkeen radioista puhelimiin, ja tuolloin valmistajat tarvitsivat pienemmän korvaajan tyhjiöputkille. Transistorit olivat pienempiä kuin tyhjiöputket, mutta joihinkin uusimpiin elektroniikkalaitteisiin, esimerkiksi ohjusten ohjaukseen, ne eivät olleet riittävän pieniä.
Eräänä heinäkuisena päivänä Jack Kilby työskenteli Texas Instrumentsilla, kun hänelle juolahti mieleen, että kaikki piirin osat, ei vain transistori, voitaisiin valmistaa piistä. Siihen aikaan kukaan ei laittanut kondensaattoreita ja vastuksia IC-piireihin. Tämä muuttaisi tulevaisuuden ja helpottaisi integroitujen piirien valmistusta ja myyntiä. Kilbyn pomo piti ideasta ja käski hänen ryhtyä töihin. Syyskuun 12. päivään mennessä Kilby oli rakentanut toimivan mallin, ja 6. helmikuuta Texas Instruments jätti patenttihakemuksen. Heidän ensimmäinen "kiinteä piirinsä" oli sormenpään kokoinen.
Samaan aikaan Kaliforniassa toisella miehellä oli sama ajatus. Tammikuussa 1959 Robert Noyce työskenteli pienessä Fairchild Semiconductorin perustamisyrityksessä. Hänkin tajusi, että koko virtapiiri voitaisiin sijoittaa yhdelle sirulle. Vaikka Kilby oli selvittänyt yksittäisten komponenttien valmistuksen yksityiskohdat, Noyce keksi paljon paremman tavan yhdistää osat. Suunnitelmaa kutsuttiin nimellä "yhtenäinen piiri". Kaikki tämä yksityiskohtaisuus kannatti, sillä 25. huhtikuuta 1961 patenttivirasto myönsi ensimmäisen integroidun piirin patentin Robert Noycelle, kun Kilbyn hakemusta vielä analysoitiin. Nykyään molempien miesten tunnustetaan keksineen idean itsenäisesti.
Pian oli olemassa kahdenlaisia integroituja piirejä: hybridi (HIC) ja monoliittinen (MIC). Hybridit kuolivat sukupuuttoon 1900-luvun lopulla.
Sukupolvet
| Nimi | Jakso | Transistorien lukumäärä kullakin sirulla (noin) |
| SSI (pienimuotoinen integrointi) | 1960-luvun alussa | yksi siru sisältää vain muutaman transistorin |
| MSI (keskisuuri integrointi) | 1960-luvun loppu | satoja transistoreita kullakin sirulla |
| LSI (laajamittainen integrointi) | 1970-luvun puoliväli | kymmeniä tuhansia transistoreita sirua kohti |
| VLSI (erittäin laaja integrointi) | 20. vuosisadan lopulla vuosisata | satoja tuhansia transistoreita |
| ULSI (Ultra-Large Scale Integration) | 21. vuosisata | yli 1 miljoona transistoria |
※ VLSI:n ja ULSI:n välistä eroa ei ole tarkasti määritelty.
Luokitus
Integroidut piirit voidaan pakata DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) ja muut sirupakettityypit. Jotkin pienet pakkaukset on pakattu pinta-asennustekniikkaa varten. Sisällä olevat transistorit voivat olla bipolaarisia transistoreja epätavallisissa piireissä, kuten niissä, joissa tarvitaan erittäin suuria kytkentänopeuksia. Useimmat ovat kuitenkin MOSFET:iä.
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on integroitu piiri?
V: Integroitu piiri, joka tunnetaan myös nimellä IC tai mikrosiru, on pala erityisesti valmistettua piitä, johon elektroninen piiri on syövytetty fotolitografian avulla.
K: Mitkä ovat esimerkkejä laitteista, jotka voidaan sisällyttää piipiiriin?
V: Piisirut voivat sisältää logiikkaportteja, tietokoneprosessoreita, muistia ja erikoislaitteita.
K: Miksi sirun ympärillä käytetään muovipakkausta?
V: Siru on hyvin hauras, joten muovipakkausta käytetään sen suojaamiseksi.
K: Miten siruun saadaan sähköinen kontakti?
V: Sähköinen kontakti siruun saadaan aikaan pienillä johdoilla, jotka yhdistävät sirun suurempiin metallitappeihin, jotka työntyvät ulos pakkauksesta.
K: Mitkä kaksi etua on IC-piirien käyttämisessä erillisten piirien sijasta?
V: IC-piireillä on kaksi pääetua erillisiin piireihin verrattuna: kustannukset ja suorituskyky. Kustannukset ovat alhaiset, koska yhdelle piirille voidaan sijoittaa miljoonia transistoreita sen sijaan, että rakennettaisiin piiri yksittäisistä transistoreista. Suorituskyky on parempi, koska komponentit voivat toimia nopeammin ja kuluttaa vähemmän virtaa.
K: Millaisia eri IC-tyyppejä on olemassa?
V: Integroidut piirit voidaan luokitella analogisiin, digitaalisiin ja sekasignaalisiin (sekä analogiset että digitaaliset piirit samalla piirillä).
K: Voidaanko yksi piiri suunnitella tiettyä tarkoitusta varten?
V: Kyllä, siru voidaan suunnitella tiettyä tarkoitusta varten, kuten esimerkiksi laskinsiru, joka voi toimia vain laskimena.
Etsiä