Integrālā shēma (biežāk saukta par integrālo shēmu, mikroshēmu, silīcija mikroshēmu, datora mikroshēmu vai mikroshēmu) ir speciāli sagatavots silīcija (vai cita pusvadītāja) gabals, kurā, izmantojot fotolitogrāfiju, ir iegravēta elektroniskā shēma. Silīcija mikroshēmās var būt loģiskie vārti, datoru procesori, atmiņa un īpašas ierīces. Mikroshēma ir ļoti trausla, tāpēc parasti to ieskauj plastmasas iepakojumā, lai to aizsargātu. Elektriskais kontakts ar mikroshēmu tiek nodrošināts, izmantojot sīkus vadus, kas savieno mikroshēmu ar lielākiem metāla tapām, kuras izceļas no iepakojuma.

IC ir divas galvenās priekšrocības salīdzinājumā ar diskrētām shēmām: izmaksas un veiktspēja. Izmaksas ir zemas, jo vienā mikroshēmā var ievietot miljoniem tranzistoru, nevis veidot shēmu ar atsevišķiem tranzistoriem. Veiktspēja ir augstāka, jo komponenti var darboties ātrāk un patērē mazāk enerģijas.

Integrālās shēmas ir paredzētas dažādiem mērķiem. Mikroshēmu var izstrādāt tikai kalkulatoram, kas var darboties tikai kā kalkulators. Integrālās shēmas var iedalīt analogajās, digitālajās un jaukto signālu shēmās (gan analogās, gan digitālās vienā mikroshēmā).

Kā tiek ražotas mikroshēmas

Procesa pamatā ir vairāki soļi: silīcija wafers (plāksnītes) ražošana, fotolitogrāfija, dopēšana, oksidēšana, metalizācija un beidzot iepakošana un testēšana. Fotolitogrāfijā uz wafera tiek projektētas ļoti smalkas struktūras, kas veido tranzistorus, vadus un citus elementus. Ražošanā tiek izmantoti tīrās telpas apstākļi un precīzas iekārtas, jo pat mikroskopiskas netīrumu daļiņas var bojāt shēmu.

Klasifikācija un piemēri

  • Digitālās mikroshēmas — mikroprocesori (CPU), mikrokontrolleri, GPU, loģiskie ķēdes, ASIC un FPGA. Piemēram, datora centrālā procesora kodols vai mobilā telefona sistēma uz čipa (SoC).
  • Analogās mikroshēmas — pastiprinātāji, analogās regulēšanas ķēdes, operacionālie pastiprinātāji (op-amp), salīdzinātāji un signālu apstrādes bloki.
  • Jaukto signālu mikroshēmas — apvieno analogās un digitālās funkcijas, piemēram, ADC (analog-digital konvertori), DAC (digital-analog konvertori) un RF front-end risinājumi.
  • Atmiņas ierīces — DRAM, SRAM, Flash, EEPROM — tās nodrošina īslaicīgu vai ilglaicīgu datu glabāšanu.

Ieguvumi un ierobežojumi

  • Ieguvumi: mazāka izmēra un masas, zemākas ražošanas izmaksas masveidā, augstāka ātrdarbība un energoefektivitāte, lielāka uzticamība salīdzinājumā ar diskrētām detaļām.
  • Ierobežojumi: augstas inicializācijas izmaksas (IC dizaina un ražošanas līnijas izmaksas), termiskās vadības problēmas (siltuma atdalīšana), ierobežota remontspēja — bojātu mikroshēmu parasti nomaina, nevis labo.

Iepakojums un savienojumi

Mikroshēmas tiek iesaiņotas dažādos iepakojumos atkarībā no pielietojuma: DIP (caur caurumiem), QFP, BGA (bola masīva iepakojums), CSP un citi. Savienojumiem var izmantot wire bonding (sīkie vadi starp mikroshēmu un paketi) vai flip-chip tehnoloģiju, kur čips tiek pagriezts un pievienots tieši uz pamatplates, nodrošinot īsākus signāla ceļus un labāku termisko vadību.

Testēšana un uzticamība

Pēc ražošanas mikroshēmas tiek pārbaudītas, lai atklātu defektus. Testēšana ietver funkcionalitātes testus, automātisku testu iekārtu (ATE) pārbaudes, temperatūras un stresa testus. Uzticamība ir svarīga īpaši automobiļu, medicīnas un kosmosa lietojumos, kur prasības pret kļūdu skaitu ir ļoti stingras.

Lietojumi

Integrālās shēmas ir visur: mobilajos telefonos, datoros, sadzīves tehnikā, automobiļos (dzinēja vadība, drošības sistēmas), medicīnas ierīcēs (monitori, implanti), telekomunikāciju iekārtās, rūpnieciskajās kontroles sistēmās un aizsardzības tehnoloģijās. Specializētas mikroshēmas (ASIC) tiek izstrādātas konkrētiem uzdevumiem, piemēram, kriptogrāfijas, signālu apstrādes vai tīkla ierīču vajadzībām.

Nākotnes tendences

  • 3D integrācija un chiplet arhitektūras, kas ļauj blīvāk salikt vairāk funkciju kompaktu sistēmu veidošanai.
  • Jaunas materiālu un tehnoloģiju attīstības — FinFET, GAA (gate-all-around), SiC un GaN jaudīgām un RF lietojumprogrammām.
  • Energoefektivitātes uzlabojumi un speciālizētas arhitektūras mākslīgā intelekta aprēķiniem.
  • Hiperskaņas testēšana, drošības funkciju integrācija un uzticamības paaugstināšana kritiskos lietojumos.

Integrālās shēmas turpina būt elektronikas un digitālās pasaules pamatelements — no vienkāršiem slēdžiem un sensoru interfeisiem līdz sarežģītiem datu centrālu procesoriem un mākslīgā intelekta akceleratoriem. Saprašana par to darbību, ražošanu un pielietojumiem palīdz labāk novērtēt mūsdienu tehnoloģiju iespējas un ierobežojumus.