Integrerad krets (IC) – definition, funktion och typer av mikrochip

Vad är en integrerad krets (IC)? Upptäck funktion, fördelar och typer av mikrochip — analoga, digitala och blandade signaler. Klar, kort förklaring för nybörjare och proffs.

En integrerad krets (oftare kallad IC, mikrochip, kiselchip, datorchip eller chip) är en bit specialpreparerad kisel (eller en annan halvledare) i vilken en elektronisk krets är etsad med hjälp av fotolitografi. Kiselchips kan innehålla logiska grindar, dataprocessorer, minne och särskilda anordningar. Chipet är mycket ömtåligt och omges därför normalt av ett plastpaket för att skydda det. Den elektriska kontakten med chipet sker genom små trådar som förbinder chipet med större metallstift som sticker ut ur förpackningen.

En IC har två huvudsakliga fördelar jämfört med diskreta kretsar: kostnad och prestanda. Kostnaden är låg eftersom miljontals transistorer kan placeras på ett chip i stället för att bygga en krets med enskilda transistorer. Prestandan är högre eftersom komponenterna kan fungera snabbare och förbruka mindre ström.

IC:er är utformade för olika ändamål. Ett chip kan vara konstruerat enbart för en miniräknare, som bara kan fungera som en miniräknare. Integrerade kretsar kan delas in i analoga, digitala och blandade signaler (både analoga och digitala på samma chip).

Tillverkning och tillverkningssteg

Tillverkningen av en IC sker i rena rum (cleanrooms) och innefattar flera precisa steg:

• Waferframställning: Ett tunt skikt av kisel växer eller skärs till en wafer som bas.
• Oxidation och dopning: Ytan förändras kemiskt för att skapa p- och n-områden som behövs för transistorer.
• Fotolitografi: Mönster överförs till wafern med hjälp av fotomasker och ljus, vilket definierar transistorernas och ledningsbanornas placering.
• Etching och deposition: Material tas bort eller läggs på (till exempel metaller för ledare eller dielektriska lager).
• Metallisering: Flera lager av metall används för att skapa interna förbindelser.
• Testning och dicing: Wafern testas elektriskt, skärs i individuella chip (dies) och sorteras efter funktion.
• Förpackning: Die:en monteras i höljen (paket), ansluts med bondtrådar eller flip-chip-bump och kapslas in.

Förpackning och kontakter

Förpackningen skyddar chipet mekaniskt och gör det möjligt att ansluta kretsen till ett kretskort. Vanliga pakettyper är:

• DIP (Dual Inline Package) — äldre genomgående paket för prototyper och enkel montering.
• SOIC, QFP — ytmonterade paket med ben längs kanterna.
• BGA (Ball Grid Array) — med lödpunkter under paketet för hög ytbelastning och bättre termisk/elektrisk prestanda.
• QFN — litet, kompakt paket med god värmeavledning.

Anslutningen från die till paket sker vanligtvis med bondtrådar (små guldfilament) eller med flip-chip-teknik där die vänds och fästs med små lödkulor (solder bumps). Termisk hantering kan kräva kylflänsar eller värmeledande material för högpresterande chip.

Typer av integrerade kretsar

IC:er kan klassificeras efter funktion och användningsområde:

• Digitala kretsar: Logikfamiljer, processorer (CPUs), mikrocontrollers (MCU), digitala signalprocessorer (DSP).
• Minnen: RAM, ROM, Flash och specialiserade minnestyper för lagring och cache.
• Analoga kretsar: Förstärkare (t.ex. operationsförstärkare), regulatorer, filter och sensorförstärkare.
• Blandade signaler (mixed-signal): Innehåller både analoga och digitala block — exempelvis A/D- och D/A-omvandlare.
• ASIC (Application-Specific IC): Specialdesignade kretsar för en specifik produkt eller funktion.
• FPGA (Field-Programmable Gate Array): Programmerbara logikarrays som kan konfigureras efter tillverkning.
• RFIC och kommunikationschip: För radiosignaler, Wi‑Fi, mobilkommunikation och antenner.
• Power IC: Spänningsregulatorer, motorstyrningar och effektstyrningskomponenter.
• Sensorer och MEMS: Integrerade sensorer för tryck, gyroskop, accelerometer och mikroelektromekaniska system.

Klassificering efter integrationsgrad

IC:er beskrivs ofta efter hur många komponenter som finns på chipet:

• SSI (Small-Scale Integration): få logiska grindar.
• MSI (Medium-Scale Integration): tiotals till hundratals funktioner.
• LSI (Large-Scale Integration): tusentals transistorer.
• VLSI (Very-Large-Scale Integration): miljoner transistorer.
• ULSI (Ultra-Large-Scale Integration): hundratals miljoner till miljarder transistorer.

Fördelar och nackdelar

• Fördelar: Låg kostnad per funktion, hög hastighet, låg effektförbrukning per funktion, liten fysisk storlek och hög repeterbarhet i massproduktion.
• Nackdelar: Hög initial utvecklingskostnad för design och maskar, svår att reparera på komponentnivå, känslighet för ESD (elektrostatisk urladdning) och termisk stress.

Prestanda, tillförlitlighet och testning

Nyckelparametrar för ett chip är hastighet (klockfrekvens, latens), effektförbrukning, område (silicon area) och tillförlitlighet. Tillverkare utför omfattande tester (wafer test, final test) för att säkerställa funktion och sortera ut defekta enheter. Fel kan uppstå på grund av processvariationer, termisk påfrestning, bit-flips i minne eller korrosion i kontakter.

Tillämpningar och betydelse

IC:er återfinns i praktiskt taget alla moderna elektroniska produkter:

• Mobiltelefoner, datorer och hemelektronik
• Fordonsindustrin — motorstyrning, sensorer, infotainment
• Medicinsk utrustning — monitorering, implantat
• Industriell automation och styrsystem
• Rymd- och försvarsapplikationer med särskilda krav på robusthet

Framtid och trender

Teknikutvecklingen drivs av mindre transistorer, tredimensionell integration (3D IC), avancerade material utöver kisel och energieffektiva arkitekturer. Begreppet Moores lag — att antalet transistorer per chip ungefär fördubblas varannan till vartannat år — har styrt utvecklingen, men tekniska och ekonomiska utmaningar gör att nya tillvägagångssätt (heterogen integration, chiplets) blir allt viktigare.

Praktiska råd vid hantering

• Använd ESD-skydd (armband, jordade ytor) vid hantering av obearbetade chip.
• Säkerställ korrekt kylning för högpresterande kretsar.
• Följ tillverkarens datablad för spänningsgränser och termiska parametrar.

Sammanfattningsvis är integrerade kretsar grundpelaren i modern elektronik. De möjliggör komplex funktionalitet i små, energieffektiva och billiga paket och fortsätter att utvecklas i rask takt för att möta framtida krav från allt från bärbara enheter till fordons- och industrisystem.

Halvledare

En halvledare, t.ex. kisel, kan styras så att strömmen kan flöda (eller inte). Detta gör det möjligt att tillverka transistorer som kan styra varandra. De finns i många hushållsartiklar som radioapparater, datorer, telefoner och många andra. Andra halvledaranordningar är solceller, dioder och lysdioder (lysdioder).

Sidovy av ett dubbelt inline-paket (DIP)


Bild av Plastic Quad Flat Pack (PQFP)

Frågor och svar

F: Vad är en integrerad krets?

F: Vilka är några exempel på enheter som kan finnas på ett kiselchip?

F: Varför används ett plasthölje för att omge chipet?

F: Hur får man elektrisk kontakt med chipet?

F: Vilka är de två fördelarna med att använda IC istället för diskreta kretsar?

F: Vilka är de olika typerna av integrerade kretsar?

F: Kan ett enskilt chip utformas för ett specifikt ändamål?

Sök med bokstav