集積回路とその種類とは?

20世紀半ば、ジャック・キルビーとロバート・ノイスは、電子部品の小型化というアイデアを独自に考案した。1958年、ジャック・キルビーは初の機能集積回路の開発に成功し、極めて重要な瞬間を迎えた。この技術革新は、半導体技術を国家発展の礎へと急速に押し上げた。

一般にマイクロチップまたはICチップと呼ばれる集積回路は、現代の電子機器の構成要素とみなされている。このチップには、抵抗器、ダイオード、トランジスタ、コンデンサなどの小型電子部品が半導体材料上に複雑に配置されている。このコンパクトな設計は、小さなパッケージの中で複雑な電子機能を実現することを可能にし、効率的で強力なデバイスやプロジェクトの作成を容易にします。

集積回路

集積回路の種類

チップサイズによる分類

  • SSI: Small-Scale Integrationは、集積回路開発の初期段階を定義するもので、チップ内に限られた数のコンポーネント(3~30ゲート)を搭載するのが特徴である。SSIは、基本的な論理ゲート、デコーダ、マルチプレクサなどの単純な回路設計に使用される。
  • 三井住友海上: ミディアム・スケール・インテグレーションは、30~300ゲートの内部容量を持ち、演算機能、データ処理、制御システムなどの機能を持つ回路を強化する。MSIは、減算器、加算器、多用途レジスタなどのアプリケーションに適しています。
  • LSI: 大規模集積は、ICチップの進歩における重要なマイルストーンである。LSIチップは、1つのチップ上に完全なサブシステム(300~3000ゲート)をホストすることができる。これにより、マイクロプロセッサ・メモリ・ユニットや複雑なデジタル機能の製造が容易になり、通信機器やコンピュータを含むさまざまな電子プロジェクトに貢献する。
  • VLSI: IC技術の最高峰であるVLSIは、電子システムの設計と製造に革命をもたらした。VLSIは、1つのチップ上に3,000以上のゲートを構成することを可能にします。現在、最先端産業は、高度なシグナル・プロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)のVLSIに大きく依存しています。

チップ厚さによる分類

  • 薄膜IC:スパッタリングや化学気相成長法(CVD)などの技術を用いて、基板上に抵抗体や導電材料を薄く成膜することで製造され、より高い精度を実現します。精密な抵抗器やコンデンサを含むプロジェクトに適している。
  • 厚膜IC:蒸着層が厚いため構造が簡単で、同様の条件下でコスト効率が高い。大電力を扱うことができるため、電圧レギュレーターやアンプなどのプロジェクトに最適。
  • モノリシックIC:抵抗器、コンデンサ、トランジスタ、ダイオードなどのさまざまな部品を、シリコンでできた1枚の半導体基板上に集積したもの。コンポーネントが緊密に相互接続されているため、性能と信頼性が向上し、消費電力が削減される。
  • ハイブリッドまたはマルチチップIC:ワイヤーボンディングまたはフリップチップ方式を利用し、複数のチップを相互接続します。設計者はニーズに応じて個々のコンポーネントの機能を最適化できるため、プロジェクトのカスタマイズ性と柔軟性が大幅に向上します。

チップ機能による分類

  • デジタル集積回路: マイクロプロセッサー、デジタルシグナルプロセッサー、マイクロコントローラーなどがその例である。
  • アナログ集積回路: 時間とともに滑らかに変化する連続信号を処理するために使用される。オペアンプ、電圧レギュレータ、アナログ・デジタル・コンバータ(ADC)などがその例である。
  • ミックスドシグナル集積回路: アナログ・コンポーネントとデジタル・コンポーネントを1枚のボード上に組み合わせ、デジタル領域と実世界領域の相互作用を可能にする。精密な制御が必要で、アナログ・デジタル変換やデジタル・アナログ変換を伴うアプリケーションに適している。
  • パワーマネージメントIC: 電子システム内の電力を調整および分配し、バッテリーの寿命を延ばしながら電力効率を確保する。例えば、電圧レギュレータ、電力コンバータ、バッテリ充電ICなどがあります。
  • RF IC: 高周波信号を処理する発振器、RFアンプ、トランシーバー、ミキサーを備え、無線通信システムの中核を形成し、Wi-Fi、スマートフォン、衛星通信システムの発展を支えている。
  • マイクロコントローラー: メモリ、中央演算処理装置、入出力インターフェイスを備え、モノのインターネット・デバイス、組み込みシステム、オートメーション・プロジェクトに適した完全なコンピューティング・システムを形成する。
  • メモリーIC: フラッシュ・メモリー、ランダム・アクセス・メモリー(RAM)、リード・オンリー・メモリー(ROM)、EEPROMが含まれ、デジタル情報の記憶と検索の機能を提供する。
  • センサーIC: 温度、光、圧力、運動などの現実の物理現象を電気信号に変換する。
  • 特定用途向け集積回路(ASIC): 特定のアプリケーションのためにカスタム設計されたコンポーネントで、不要なコンポーネントを減らすことで性能と効率を最適化する。暗号化、画像処理、信号処理業務でよく使用される。
  • フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA): 製造後に特定の処理を実行するために使用される汎用IC。例えば、デジタル信号処理などがある、 PCBプロトタイピングそしてハードウェアアクセラレーション。
  • システムオンチップ(SoC): 通信、メモリー、プロセッシング、I/Oインターフェースなど、さまざまな機能を1チップに集積。
  • 電圧レギュレータ・モジュール(VRM): 繊細な機器に不可欠なVRMレギュレーションは、電子部品に電圧を供給し、効果的で安定した電力供給を保証します。
  • クロックジェネレーター: 電子システム内のさまざまなコンポーネントを同期させるための正確なタイミング信号を生成する。
  • ディスプレイドライバIC: ピクセルデータとリフレッシュレートを設定し、モニターや携帯電話などのデバイスの表示機能を制御し、正しくスムーズな映像出力を保証します。
  • オーディオ・アンプ: オーディオ信号の増幅と処理に使用される。 家電PCBA ヘッドフォン、オーディオプレーヤー、スピーカーなど。

集積回路設計

アナログ設計

アナログ設計には、ビデオ、オーディオ、センサー入力などの連続信号の処理と操作が含まれる。アナログIC設計では、エンジニアは時間とともに滑らかに変化し、特定の範囲内で値を保持できる信号を扱います。主な目的は、これらの信号を正確に増幅、フィルタリング、修正して、望ましい結果を達成することです。

アナログ設計の要はオペアンプであり、増幅と信号調整のための主要な素子として機能する。アナログ回路の正確な動作を保証するために、コンデンサ、抵抗、インダクタなどの受動部品もアナログ設計に利用されます。

アナログ設計を成功させるには、ノイズ解析、半導体の動作、回路の感度を総合的に把握する必要があります。エンジニアは、信頼性の高いアナログ回路を作るために、消費電力、信号品質、ノイズ耐性などのさまざまなパラメータを綿密に考慮しなければなりません。

デジタル・デザイン

デジタル設計の分野では、ゼロか1の値を持つ2値信号が操作される。デジタルICは、論理ゲートを使用してこれらの信号を処理し、データ記憶、算術演算、意思決定などのさまざまな機能を実行します。この設計技術は、正確な信号伝送、低消費電力、効率的なデータ処理を保証します。

デジタル設計者は、ロジックゲート、フリップフロップ、レジスタ、マルチプレクサなどのコンポーネントに注目する。複雑なデジタル・システムを構築するには、ブール代数や有限ステート・マシンなどの手法が用いられます。タイミング解析は、同期動作を保証し、信号スキューや競合状態などの問題を防止する上で重要な役割を果たします。

デジタル設計は、高いノイズ耐性、正確な制御、容易な複製といった利点を提供する。メモリーユニット、マイクロプロセッサー、デジタルシグナルプロセッサーをベースとし、デジタル機器やコンピューターの機能を駆動します。

集積回路の構造

  1. シリコンウェハーの準備: 集積回路の製造は、シリコン・ウェーハの製造から始まる。これは半導体材料で、優れた電気特性と豊富な量から選ばれる。シリコン・ウェハーは、高い純度と均一性を達成するために加工を受けます。
  2. フォトリソグラフィー: フォトレジストの層が半導体ウェハに塗布され、続いてソルダーマスクが塗布される。この工程では、紫外線を使ってフォトレジスト上にパターンを形成する。このパターンがマイクロチップの複雑な回路設計を決定する。フォトレジストで露光された部分は化学的にエッチングマスクとして機能する。
  3. エッチング: エッチング・プロセスでは、フォトリソグラフィで作成されたパターンに基づいて、ウェハ上のシリコン材料の特定の部分が選択的に除去される。ウェット・エッチングやドライ・エッチング(プラズマ・エッチング)など、必要な回路素子を正確に切り出すためにさまざまな方法が採用される。
  4. イオン注入: シリコンウェハーに特定の不純物やドーパントを導入することで、シリコンの電気的特性を変化させ、その結果、明確な導電特性を持つ領域ができる。
  5. 酸化だ: シリコンウェハー上に絶縁層を形成するために利用される。酸素が豊富な環境でウェハーを高温にさらすことで、二酸化ケイ素の薄い層が形成される。この絶縁層により、異なる部品間の意図しない電気的接続が防止される。
  6. 供述: 蒸着プロセスでは、さまざまな材料の薄膜がウェハーの表面に塗布される。化学気相成長法(CVD)と物理気相成長法(PVD)が一般的な蒸着法です。
  7. メタライゼーション: さまざまな回路部品間の相互接続を確立するために金属層を蒸着すること。これらの金属層は、ダイオードやトランジスタなど、マイクロチップ上に相互接続されたさまざまな部品間の信号の流れを可能にする経路を作る。

集積回路FAQ

FSテクノロジーは PCBA会社 はターンキーPCBプロジェクトに特化しています。当社のアセンブリプロジェクトでは、様々なチップが使用されるため、集積回路を熟知しています。お客様のご要望は 部品調達私たちは、お客様との長期ビジネスを確立されています。私達のプロダクトの何れかのモデルに興味がある場合は、お問い合わせは、自由にしてくださいを参照してください。

これは誤解である。集積回路は回路基板と同等ではないが、多数の部品を搭載するキャリアとして共通点がある。両者の関係は次のように理解できる:集積回路はPCBの表面に実装される。

上級の読書: PCBとは?

はい、集積回路はRFIの影響を受ける可能性があり、干渉を減らすためにシールドやフィルタリングなどの対策が必要です。

チップの動作温度は通常-40℃から85℃の範囲であり、チップの種類によって異なる場合がある。

これは設計の複雑さやプロセス要件に左右され、通常は数ヶ月から数年で、製品の反復が頻繁に更新される理由のひとつである。

サイズが小さいということは、機能密度が高いということであり、より多くの電子部品や機能を集積することができる。

一般的なものにはベアチップがある、 QFN, ビーゲーTSOPなど。エンジニアは、さまざまなアプリケーションの要件に応じて、より適切なパッケージを選択する必要があります。

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