طراحی ، تولید و تامین سیستم های الکترونیکی

تقریباً تمام دستگاه‌های الکترونیکی که روزانه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، از تلفن همراه و کامپیوتر گرفته تا تلویزیون و لوازم خانگی، برای کار کردن به یک قطعه کوچک و حیاتی به نام مدار مجتمعیا آی سی (IC - Integrated Circuit)وابسته هستند. این قطعات کوچک، سنگ بنای فناوری مدرن هستند.

در این مقاله، به طور کامل و با زبانی ساده توضیح می‌دهیم که مدار مجتمع چیست، چگونه کار می‌کند، چه انواعی دارد و چرا تا این حد در دنیای الکترونیک اهمیت دارد.

مدار مجتمع (IC) به زبان ساده چیست؟

مدار مجتمع که با نام‌های ریزتراشه (Microchip)یا چیپهم شناخته می‌شود، یک قطعه الکترونیکی است که مجموعه‌ای از اجزای دیگر مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیودها را در ابعادی بسیار کوچک روی یک ورقه نازک از ماده نیمه‌هادی (معمولاً سیلیکون) جای داده است.

قبل از اختراع آی سی، برای ساخت مدارهای الکترونیکی باید تمام این قطعات را به صورت جداگانه روی یک برد بزرگ لحیم می‌کردند که حجم زیادی را اشغال می‌کرد و احتمال خطا در اتصالات آن بالا بود. آی سی این مشکل را با قرار دادن میلیون‌ها و حتی میلیاردها قطعه در یک بسته فشرده حل کرد.

چرا به آن “مجتمع” می‌گویند؟

واژه “مجتمع” (Integrated) به این دلیل استفاده می‌شود که تمام اجزای الکترونیکی به صورت یکپارچه و جدانشدنی روی یک قطعه واحد ساخته می‌شوند و نمی‌توان آن‌ها را از هم جدا کرد.

تاریخچه مختصر مدار مجتمع

در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰، با پیچیده‌تر شدن دستگاه‌های الکترونیکی، مشکل بزرگی به وجود آمد: تعداد قطعات و سیم‌کشی‌ها آنقدر زیاد شده بود که ساخت و نگهداری مدارها بسیار دشوار، پرهزینه و غیرقابل اعتماد بود.

در سال ۱۹۵۸، دو مهندس به نام‌های جک کیلبیدر شرکت تگزاس اینسترومنتز و رابرت نویسدر شرکت Fairchild Semiconductor (که بعدها اینتل را تأسیس کرد)، به طور مستقل از هم موفق به ساخت اولین مدارهای مجتمع شدند. این اختراع مسیر را برای کوچک‌سازی و افزایش قدرت دستگاه‌های الکترونیکی هموار کرد.

انواع آی سی (IC) بر اساس عملکرد

مدارهای مجتمع بر اساس نوع سیگنالی که پردازش می‌کنند به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

۱. آی سی‌های آنالوگ (Analog ICs)

این آی سی‌ها برای کار با سیگنال‌های پیوسته و متغیر طراحی شده‌اند. وظیفه اصلی آن‌ها تقویت، فیلتر کردن یا تغییر سیگنال‌های آنالوگ است.

• مثال:تقویت‌کننده‌های عملیاتی (Op-Amp)، رگولاتورهای ولتاژ، تایمرها.
• کاربرد:سیستم‌های صوتی، منابع تغذیه، تجهیزات مخابراتی و سنسورها.

۲. آی سی‌های دیجیتال (Digital ICs)

این آی سی‌ها اساس کار کامپیوترها و سیستم‌های دیجیتال هستند. آن‌ها فقط با دو سطح ولتاژ مشخص کار می‌کنند که به عنوان صفر (خاموش)و یک (روشن)شناخته می‌شوند.

• مثال:ریزپردازنده‌ها (CPU)، حافظه‌ها (RAM و ROM)، گیت‌های منطقی.
• کاربرد:کامپیوترها، گوشی‌های هوشمند، ماشین حساب‌ها و هر دستگاهی که محاسبات انجام می‌دهد.

۳. آی سی‌های سیگنال مخلوط (Mixed-Signal ICs)

این تراشه‌ها ترکیبی از مدارهای آنالوگ و دیجیتال را در خود جای داده‌اند. وظیفه اصلی آن‌ها تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال (ADC) و برعکس (DAC) است.

طبقه‌بندی بر اساس تعداد ترانزیستورها

میزان پیچیدگی یک آی سی را با تعداد ترانزیستورهای آن می‌سنجند. بر این اساس، آی سی‌ها به نسل‌های مختلفی تقسیم می‌شوند:

1. SSI (Small Scale Integration):کمتر از ۱۰۰ ترانزیستور.
2. MSI (Medium Scale Integration):بین ۱۰۰ تا ۱,۰۰۰ ترانزیستور.
3. LSI (Large Scale Integration):بین ۱,۰۰۰ تا ۲۰,۰۰۰ ترانزیستور.
4. VLSI (Very Large Scale Integration):بین ۲۰,۰۰۰ تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ ترانزیستور (این نسل باعث تولید پردازنده‌های کامپیوتری شد).
5. ULSI (Ultra Large Scale Integration):بیش از ۱ میلیون ترانزیستور (تراشه‌های امروزی).

مزایای استفاده از مدار مجتمع

جایگزینی مدارهای سنتی با آی سی‌ها به دلایل زیر بود:

• اندازه بسیار کوچک:امکان ساخت دستگاه‌های قابل حمل و کوچک را فراهم کرد.
• هزینه تولید پایین:تولید انبوه آی سی‌ها باعث کاهش شدید قیمت تمام شده دستگاه‌ها می‌شود.
• مصرف انرژی کم:قطعات کوچک‌تر، انرژی کمتری مصرف می‌کنند که برای دستگاه‌های باتری‌محور حیاتی است.
• سرعت عملکرد بالا:فاصله کم بین اجزا باعث می‌شود سیگنال‌ها با سرعت بیشتری جابجا شوند.
• قابلیت اطمینان بالا:حذف اتصالات لحیم‌کاری دستی، احتمال خرابی مدار را به شدت کاهش می‌دهد.

معایب و محدودیت‌های آی سی

با وجود مزایای فراوان، آی سی‌ها معایبی نیز دارند:

• غیرقابل تعمیر بودن:اگر یک جزء کوچک در داخل آی سی آسیب ببیند، کل قطعه باید تعویض شود و امکان تعمیر آن وجود ندارد.
• محدودیت توان:آی سی‌ها معمولاً نمی‌توانند ولتاژ یا جریان‌های بسیار بالا را مدیریت کنند و برای کاربردهای توان بالا مناسب نیستند.
• حساسیت به دما و الکتریسیته ساکن:گرما و تخلیه بار الکتریکی ساکن می‌تواند به راحتی به ساختار داخلی آی سی آسیب بزند.

فرآیند ساخت آی سی

تولید مدارهای مجتمع یکی از دقیق‌ترین فرآیندهای صنعتی در جهان است و در محیط‌های بسیار تمیزی به نام “اتاق تمیز” (Cleanroom)انجام می‌شود. در این اتاق‌ها، تعداد ذرات گرد و غبار در هوا به شدت کنترل می‌شود.

مراحل اصلی تولید به طور خلاصه عبارتند از:

1. ایجاد یک استوانه بزرگ از سیلیکون خالص.
2. برش استوانه به ورقه‌های نازک به نام ویفر (Wafer).
3. انتقال الگوی مدار روی ویفر با استفاده از فرآیندی به نام لیتوگرافی (Lithography).
4. برش ویفر به تراشه‌های کوچک‌تر و قرار دادن هر تراشه در یک بسته محافظ پلاستیکی یا سرامیکی.

نتیجه‌گیری

مدارهای مجتمع (IC) یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن بیستم هستند که دنیای فناوری را متحول کردند. آن‌ها با فشرده‌سازی مدارهای پیچیده در فضایی کوچک، باعث ساخت دستگاه‌های الکترونیکی سریع‌تر، ارزان‌تر و قابل اعتمادتر شدند. درک اصول کارکرد آی سی‌ها برای هر فرد علاقه‌مند به الکترونیک و فناوری ضروری است.

منبع: https://afzarpardazesh.com