Geïntegreerde schakeling (IC/microchip): werking, soorten en toepassingen
Ontdek hoe geïntegreerde schakelingen (IC/microchip) werken, welke typen (analoog, digitaal, gemengd) er zijn en hun toepassingen in elektronica, computers en IoT.
Een geïntegreerde schakeling (vaker IC, microchip, siliciumchip, computerchip of chip genoemd) is een stuk speciaal geprepareerd silicium (of een andere halfgeleider) waarin met behulp van fotolithografie een elektronische schakeling is geëtst. Siliciumchips kunnen logische poorten, computerprocessoren, geheugen en speciale apparaten bevatten. De chip is zeer kwetsbaar en wordt daarom gewoonlijk omgeven door een plastic verpakking om hem te beschermen. Het elektrische contact met de chip wordt verzorgd door kleine draadjes die de chip verbinden met grotere metalen pennen die uit de verpakking steken.
Een IC heeft twee grote voordelen ten opzichte van discrete schakelingen: kosten en prestaties. De kosten zijn laag, omdat miljoenen transistors op één chip kunnen worden geplaatst in plaats van een schakeling met afzonderlijke transistors te bouwen. De prestaties zijn hoger, omdat de componenten sneller kunnen werken en minder stroom verbruiken.
IC's worden voor verschillende doeleinden ontworpen. Een chip kan ontworpen zijn voor een rekenmachine, die alleen als rekenmachine kan werken. Geïntegreerde schakelingen kunnen worden ingedeeld in analoog, digitaal en gemengd signaal (zowel analoog als digitaal op dezelfde chip).
Hoe een IC wordt gemaakt
De productie van een IC begint meestal met een zuivere siliciumwafer. Met behulp van tientallen tot honderden fotolithografische stappen, doping (toevoegen van onzuiverheden), oxidatie en etsen wordt een netwerk van transistoren, weerstanden en condensatoren gevormd. Daarna worden metalen lagen aangebracht voor de interconnects die de componenten op de chip verbinden. De wafer wordt in individuele stukjes (dies) gesneden, elk die wordt getest, verpakt en nogmaals getest.
Belangrijke aandachtspunten tijdens productie zijn:
- Fotolithografie: bepaalt de minimale featuregrootte en daarmee hoe compact transistors kunnen worden gemaakt.
- Doping en procescontrole: precisie in elektrische eigenschappen van transistoren.
- Yield: het percentage werkende chips per wafer; kleine defecten kunnen hele dies onbruikbaar maken.
- Testen en kwaliteitscontrole: functionele en burn-in tests om fouten vroeg te detecteren.
Technologieën en bouwprincipes
- CMOS (complementary MOS): de meest gebruikte technologie voor moderne digitale IC's vanwege lage statische stroom en hoge integratiedichtheid.
- Bipolaire transistoren (BJT): gebruikt in snel analoog ontwerp en bepaalde hoogstroomtoepassingen.
- Mixed-signal: combineert analoge en digitale circuits op één chip, essentieel voor audio, RF en sensorsystemen.
- Geheugentechnologieën: RAM, ROM, EEPROM en flash zijn gespecialiseerde IC's voor gegevensopslag.
Classificatie naar schaal en functie
- SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI: indelingen op basis van het aantal gates of transistors (Small/Medium/Large/Very Large/Ultra Large Scale Integration).
- Microcontrollers: bevatten CPU, geheugen en I/O op één chip voor embedded toepassingen.
- Microprocessors: krachtige CPU-chips die in computers en servers worden gebruikt.
- Application-specific ICs (ASIC): op maat gemaakte chips voor een specifieke toepassing of product.
- FPGA: programmeerbare IC's die herconfigureerbare logica bieden voor test- en ontwikkeltoepassingen of producten met veranderende vereisten.
Verpakkingen en aansluiting
Na het snijden en testen wordt een chip verpakt in een behuizing die fysiek beschermt en elektricamente verbindt met het systeem. Veelvoorkomende verpakkingen zijn DIP, QFP, SOIC en BGA. Moderne high-pin-count chips gebruiken vaak BGA (ball grid array) vanwege betere signalering en thermische eigenschappen. Om de chip te beschermen tegen ESD (electrostatische ontlading) en vocht worden er ook speciale materialen en processen toegepast.
Voordelen, beperkingen en ontwerpafwegingen
- Voordelen: hoge integratie, lage kost per functie, hoge snelheid, lager stroomverbruik per transistor.
- Beperkingen: hoge initiële ontwikkelingskosten (vooral voor ASICs), thermische afvoer (warmte), complexiteit van foutdiagnose en beperkte mogelijkheid tot reparatie van individuele componenten.
- Ontwerpafwegingen: trade-offs tussen snelheid, vermogen, oppervlakte en productiekosten. Schaalverkleining (kleinere transistoren) verbetert prestaties maar brengt uitdagingen zoals lekstroom en variatie met zich mee.
Toepassingen
IC's zitten in vrijwel elk modern elektronisch product. Enkele belangrijke toepassingsgebieden:
- Consumentenelektronica: smartphones, tv's, draagbare apparaten.
- Computers en datacenters: CPU's, GPU's, geheugen en speciale accelerators.
- Automotive: motorbesturing, rijhulpsystemen (ADAS), infotainment en sensoren.
- Industriële automatisering: PLC's, sensoren, stuur- en vermogensregelaars.
- Medische apparatuur: draagbare monitors, imaging- en diagnostische systemen.
- Internet of Things (IoT): laagvermogen microcontrollers en draadloze IC's.
Betrouwbaarheid en levenscyclus
IC's worden getest op betrouwbaarheid onder diverse omstandigheden (temperatuurwisselingen, spanningspieken, langdurige belasting). Belangrijke faalfactoren zijn thermische overstress, electromigration in metalen interconnects, en schade door ESD. Fabrikanten plannen vaak lange productlevenscycli voor automotive en medische toepassingen, wat langdurige beschikbaarheid en kwalificatie van componenten vereist.
Toekomst en trends
Belangrijke trends zijn verdergaande miniaturisatie, 3D-stacking van chips, heterogene integratie van verschillende technologieën (bijv. een fotonics- of sensorlaag met een digitale laag), en de ontwikkeling van energiezuinige en gespecialiseerde accelerators (voor AI, cryptografie enz.). Hoewel Moore's Law minder spectaculaire schalen meer garandeert, verschuiven innovaties naar architectuur, materialen en verpakkingsoplossingen om de prestaties verder te verbeteren.
Door hun veelzijdigheid en schaalbaarheid blijven geïntegreerde schakelingen de kerncomponenten van de hedendaagse elektronica — van simpele rekenmachines tot geavanceerde AI-servers en kritieke medische systemen.
Halfgeleider
Een halfgeleider zoals silicium kan worden bestuurd om stroom toe te laten (of niet toe te laten). Dit maakt het mogelijk transistors te maken die elkaar kunnen besturen. Zij zijn te vinden in veel huishoudelijke artikelen zoals radio's, computers en telefoons. Andere halfgeleiderelementen zijn zonnecellen, diodes en LED's (light emitting diodes).
Beeld van Plastic Quad Flat Pack (PQFP)
Zijaanzicht van een dubbel in-line pakket (DIP)
Uitvinding
In 1958 en 1959 kwamen twee mensen op bijna precies hetzelfde moment op het idee voor een geïntegreerde schakeling. Transistors waren een alledaags ding geworden dat werd gebruikt in huishoudelijke apparaten zoals radio's. Zij beïnvloedden alles van radio's tot telefoons en op dat ogenblik hadden fabrikanten behoefte aan een kleinere vervanging voor vacuümbuizen. Transistors waren kleiner dan vacuümbuizen, maar voor sommige van de nieuwste elektronica, bijvoorbeeld raketgeleiding, waren ze niet klein genoeg.
Op een dag in juli was Jack Kilby aan het werk bij Texas Instruments toen het tot hem doordrong dat alle onderdelen van een schakeling, niet alleen de transistor, van silicium konden worden gemaakt. In die tijd stopte niemand condensatoren en weerstanden in IC's. Dit zou de toekomst veranderen en het gemakkelijker maken om geïntegreerde schakelingen te produceren en te verkopen. Kilby's baas vond het een goed idee en zei hem aan de slag te gaan. Op 12 september had Kilby een werkend model gebouwd, en op 6 februari vroeg Texas Instruments patent aan. Hun eerste "Solid Circuit" was zo groot als een vingertop.
Ondertussen, in Californië, had een andere man hetzelfde idee. In januari 1959 werkte Robert Noyce bij het kleine startende bedrijf Fairchild Semiconductor. Ook hij besefte dat een heel circuit in een enkele chip kon worden gestopt. Terwijl Kilby de details van het maken van afzonderlijke componenten had uitgewerkt, bedacht Noyce een veel betere manier om de onderdelen met elkaar te verbinden. Het ontwerp werd een "unitaire schakeling" genoemd. Al die details betaalden zich uit, want op 25 april 1961 kende het octrooibureau het eerste octrooi voor een geïntegreerde schakeling toe aan Robert Noyce, terwijl de aanvraag van Kilby nog in behandeling was. Tegenwoordig wordt erkend dat beide mannen het idee onafhankelijk van elkaar hebben bedacht.
Al snel waren er twee soorten geïntegreerde schakelingen: hybride (HIC) en monolithische (MIC). Hybriden stierven uit aan het eind van de 20e eeuw.
Generaties
| Naam | Periode | Aantallen transistors op elke chip (ongeveer) |
| SSI (kleinschalige integratie) | vroege jaren 1960 | een chip bevat maar een paar transistors |
| MSI (Integratie op middelgrote schaal) | late jaren 1960 | honderden transistors op elke chip |
| LSI (grootschalige integratie) | midden jaren zeventig | tienduizenden transistors per chip |
| VLSI (Integratie op zeer grote schaal) | laat 20e eeuw | honderdduizenden transistors |
| ULSI (ultra-grote schaalintegratie) | 21e eeuw | meer dan 1 miljoen transistors |
※ Het verschil tussen VLSI en ULSI is niet goed gedefinieerd.
Classificatie
Geïntegreerde schakelingen kunnen worden verpakt als DIP (Dual in-line package), PLCC (Plastic leaded chip carrier), TSOP (Thin small-outline package), PQFP (Plastic Quad Flat Pack) en andere typen chipverpakkingen. Sommige kleintjes zijn verpakt voor surface-mount technologie. De transistors binnenin kunnen bipolaire transistors zijn in ongebruikelijke schakelingen, zoals schakelingen die zeer hoge schakelsnelheden vereisen. De meeste zijn echter MOSFET's.
Verwante pagina's
Vragen en antwoorden
V: Wat is een geïntegreerde schakeling?
A: Een geïntegreerde schakeling, ook wel IC of microchip genoemd, is een stuk speciaal geprepareerd silicium waarop een elektronische schakeling geëtst wordt met behulp van fotolithografie.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van apparaten die op een siliciumchip kunnen zitten?
A: Siliciumchips kunnen logische poorten, computerprocessoren, geheugen en speciale apparaten bevatten.
V: Waarom wordt een plastic verpakking gebruikt om de chip te omringen?
A: De chip is erg breekbaar, dus wordt er een plastic verpakking gebruikt om hem te beschermen.
V: Hoe wordt er elektrisch contact gemaakt met de chip?
A: Er is elektrisch contact met de chip via kleine draadjes die de chip verbinden met grotere metalen pinnen die uit de verpakking steken.
V: Wat zijn twee voordelen van het gebruik van IC's in plaats van discrete schakelingen?
A: IC's hebben twee grote voordelen ten opzichte van discrete schakelingen: kosten en prestaties. De kosten zijn laag omdat er miljoenen transistors op één chip gezet kunnen worden in plaats van een circuit met losse transistors te bouwen. De prestaties zijn hoger omdat de componenten sneller kunnen werken en minder stroom verbruiken.
V: Wat zijn de verschillende soorten IC's?
A: Geïntegreerde schakelingen kunnen worden ingedeeld in analoog, digitaal en gemengd signaal (zowel analoog als digitaal op dezelfde chip).
V: Kan een enkele chip voor een specifiek doel ontworpen worden?
A: Ja, een chip kan voor een specifiek doel ontworpen worden, zoals een rekenmachinechip die alleen als rekenmachine kan werken.
Zoek in de encyclopedie