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集積回路

集積回路 (IC) は、コンデンサ、ダイオード、トランジスタ、抵抗器などの小さな部品を多数搭載した半導体チップです。これらの小さなコンポーネントは、デジタルまたはアナログ技術を利用してデータを計算し、保存するために使用されます。IC は、完全で信頼性の高い回路として使用できる小さなチップと考えることができます。集積回路には、カウンタ、発振器、増幅器、論理ゲート、タイマー、コンピュータ メモリ、さらにはマイクロプロセッサなども含まれます。

IC は、今日のすべての電子デバイスの基本的な構成要素とみなされます。その名前は、薄いシリコン製の半導体材料に埋め込まれた複数の相互リンクされたコンポーネントのシステムを示唆しています。

集積回路の歴史 

集積回路の背後にある技術は、1950 年に米国のロバート ノイスとジャック キルビーによって初めて導入されました。アメリカ空軍は、この新しい発明の最初の消費者でした。ジャック・キルビーは、小型 IC の発明により 2000 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

キルビーの設計の導入から 1 年半後、ロバート ノイスは独自のバージョンの集積回路を導入しました。彼のモデルは、キルビーの装置におけるいくつかの実際的な問題を解決しました。ノイスもモデルにシリコンを使用しましたが、ジャック・キルビーはゲルマニウムを使用しました。 

Robert Noyce と Jack Kilby は両方とも、集積回路への貢献により米国特許を取得しました。彼らは数年間、法的問題に悩まされていました。最後に、ノイス社とキルビー社の両社は、自社の発明をクロスライセンスし、巨大な世界市場に導入することを決定しました。

集積回路の種類

集積回路には 2 つのタイプがあります。これらは：

1. アナログIC

アナログ IC は、受信した信号に応じて常に変更可能な出力を備えています。理論上、このような IC は無制限の数の状態を取得できます。このタイプの IC では、ムーブメントの出力レベルは信号の入力レベルの一次関数です。

リニア IC は、無線周波数 (RF) および可聴周波数 (AF) アンプとして機能します。ここで通常使用されるデバイスはオペアンプ (op-amp) です。さらに、温度センサーも一般的なアプリケーションです。リニア IC は、信号が特定の値に達すると、さまざまなデバイスをオンまたはオフにすることができます。この技術はオーブン、ヒーター、エアコンに使用されています。 

2. デジタルIC 

これらはアナログICとは異なります。信号レベルの一定範囲では動作しません。代わりに、いくつかの事前設定されたレベルで動作します。デジタル IC は基本的に論理ゲートの助けを借りて動作します。論理ゲートはバイナリ データを使用します。バイナリ データの信号には、ロー (ロジック 0) とハイ (ロジック 1) として知られる 2 つのレベルしかありません。

デジタルICは、コンピュータやモデムなどの幅広い用途に使用されています。

集積回路はなぜ人気があるのでしょうか?

集積回路は約 30 年前に発明されたにもかかわらず、今でも多くのアプリケーションで使用されています。人気の要因のいくつかについて説明しましょう。 

1.拡張性 

数年前、半導体業界の収益は最​​大 3,500 億ドルという驚異的な額に達しました。ここでの最大の貢献者はインテルでした。他にも参加者はいたが、そのほとんどはデジタル市場に属していた。数字を見ると、半導体産業が生み出した売上の 80% がこの市場からのものであることがわかります。

この成功には集積回路が大きな役割を果たしました。ご存知のとおり、半導体業界の研究者は、集積回路、そのアプリケーション、仕様を分析し、スケールアップしました。

史上最初に発明された IC には、ほんの数個のトランジスタ (具体的には 5 個) が含まれていました。そして今、合計 55 億個のトランジスタを備えた Intel の 18 コア Xeon が登場しました。さらに、IBM のストレージ コントローラーには、2015 年に 480 MB の L4 キャッシュを備えた 71 億個のトランジスタが搭載されていました。

この拡張性は、集積回路の普及に大きな役割を果たしてきました。

2. コスト

IC のコストについてはいくつかの議論があります。長年にわたって、IC の実際の価格についても誤解がありました。この背後にある理由は、IC がもはや単純な概念ではないためです。テクノロジーは驚異的なスピードで進歩しており、チップ設計者は IC のコストを計算する際にこのペースに追いつく必要があります。

数年前、IC のコスト計算はシリコン ダイに依存していました。当時、チップのコストの見積もりはダイのサイズによって簡単に決定できました。シリコンは依然として計算の主要な要素ですが、専門家は IC のコストを計算する際に他のコンポーネントも考慮する必要があります。

これまでのところ、専門家は、IC の最終コストを決定するための非常に単純な方程式を導き出しています。

最終的な IC コスト = パッケージコスト + テストコスト + ダイコスト + 送料

この方程式は、チップの製造において大きな役割を果たす必要な要素をすべて考慮しています。それに加えて、その他の要因が考慮される可能性があります。IC のコストを見積もる際に留意すべき最も重要なことは、価格は製造プロセス中にさまざまな理由で変動する可能性があるということです。

また、製造プロセス中に行われる技術的な決定は、プロジェクトのコストに大きな影響を与える可能性があります。

3. 信頼性

集積回路の製造は、すべてのシステムが数百万サイクルにわたって継続的に動作する必要があるため、非常にデリケートな作業です。外部電磁場、極端な温度、その他の動作条件はすべて、IC の動作において重要な役割を果たします。

ただし、これらの問題のほとんどは、正しく制御された高負荷テストを使用することで解決されます。新たな故障メカニズムが発生しないため、集積回路の信頼性が向上します。また、より高い応力を使用することで、比較的短時間で故障の分布を特定することもできます。

これらすべての側面は、集積回路が適切に機能することを確認するのに役立ちます。

さらに、集積回路の動作を決定するいくつかの機能を次に示します。

温度

温度が大きく変化する可能性があり、ICの製造は非常に困難になります。

電圧。

デバイスはわずかに異なる可能性がある公称電圧で動作します。

プロセス

デバイスに使用される最も重要なプロセスの変動は、しきい値電圧とチャネル長です。プロセス変動は次のように分類されます。

• ロットからロットまで
• ウェハからウェハへ
• 死ぬまで死ぬ

集積回路パッケージ

パッケージは集積回路のダイを包み込み、簡単に接続できるようにします。ダイ上の各外部接続は、小さな金線でパッケージ上のピンにリンクされています。ピンは銀色の押し出し端子です。それらは回路を通過してチップの他の部分に接続されます。これらは回路内を巡回してワイヤや回路内の残りのコンポーネントに接続するため、非常に重要です。

ここで使用できるパッケージにはいくつかの異なるタイプがあります。これらはすべて、独自の取り付けタイプ、独自の寸法、ピン数を持っています。これがどのように機能するかを見てみましょう。

ピンカウント

すべての集積回路には極性があり、各ピンは機能と位置の両方の点で異なります。これは、パッケージがすべてのピンを示し、相互に分離する必要があることを意味します。ほとんどの IC は、最初のピンを示すためにドットまたはノッチを使用します。

最初のピンの位置を特定したら、回路を反時計回りに進むにつれて、残りのピン番号が順番に増加します。

取り付け

実装はパッケージタイプのユニークな特性の 1 つです。すべてのパッケージは、表面実装 (SMD または SMT) またはスルーホール (PTH) の 2 つの実装カテゴリのいずれかに従って分類できます。スルーホール パッケージは大きいため、作業がはるかに簡単です。これらは回路の一方の側に固定され、もう一方の側にはんだ付けされるように設計されています。

表面実装パッケージには、小型のものから極小のものまでさまざまなサイズがあります。それらはボックスの片側に固定されており、表面にはんだ付けされています。このパッケージのピンは、チップに対して垂直であるか、側面に押し出されているか、またはチップのベース上にマトリックス状に設置されている場合があります。表面実装の形式の集積回路も、組み立てるために特別なツールを必要とします。

デュアルインライン

デュアル インライン パッケージ (DIP) は、最も一般的なパッケージの 1 つです。スルーホールICパッケージの一種です。これらの小さなチップには、黒色のプラスチック製の長方形のハウジングから垂直に伸びる 2 つの平行なピン列が含まれています。

ピン間の間隔は約 2.54 mm で、ブレッドボードや他のいくつかのプロトタイピング ボードに適合するのに最適な標準です。ピン数に応じて、DIP パッケージの全体の寸法は 4 ～ 64 まで変化します。

ピンの各列の間の領域は、DIP IC がブレッドボードの中央領域に重なるように間隔があけられています。これにより、ピンが独自の列を持ち、短絡しないことが保証されます。

小さな輪郭

小さな外​​形の集積回路パッケージ (SOIC) は、表面実装に似ています。DIP 上のすべてのピンを曲げて縮小することで構成されています。これらのパッケージは、目を閉じていてもしっかりした手で組み立てることができます。とても簡単です。

クワッドフラット

クアッド フラット パッケージは、ピンを 4 方向すべてに広げます。クワッド フラット IC のピンの総数は、片側 8 ピン (合計 32) から片側 70 ピン (合計 300 以上) までさまざまです。これらのピンの間には約 0.4mm ～ 1mm のスペースがあります。クアッド フラット パッケージの小型バージョンは、ロープロファイル (LQFP)、薄型 (TQFP)、および超薄型 (VQFP) パッケージで構成されます。

ボールグリッドアレイ

ボール グリッド アレイ (BGA) は、最先端の IC パッケージです。これらは信じられないほど複雑で小さなパッケージであり、小さなはんだボールが集積回路のベース上の 2 次元グリッドに配置されています。場合によっては、専門家がはんだボールをダイに直接取り付けることもあります。

Ball Grid Arrays パッケージは、Raspberry Pi や pcDuino などの高度なマイクロプロセッサによく利用されます。