Mạch tích hợp

Mạch tích hợp (IC), thường được gọi là vi mạch hoặc chip, là trung tâm của các thiết bị kỹ thuật số hiện đại, cung cấp năng lượng cho toàn bộ IoT, từ điện thoại thông minh và hệ thống máy tính đến các thiết bị y tế và phương tiện giao thông. Những mạch kỹ thuật số thu nhỏ này, được tạo ra từ các linh kiện sống động và thụ động, được chế tạo trên nền silicon. 

Việc tích hợp nhiều chất phụ gia trên một con chip duy nhất mang lại nhiều lợi ích, khiến IC trở thành công nghệ quan trọng trong ngành điện tử. Dưới đây là một số yếu tố quan trọng được xem xét:

Linh kiện chủ động và thụ động trong IC

• Linh kiện chủ động: IC bao gồm các chất phụ gia năng lượng, cùng với diode và transistor. Diode là các linh kiện bán dẫn cho phép kết nối dòng điện hiện tại theo một hướng duy nhất, cho phép thực hiện các chức năng như chỉnh lưu. Transistor là thành phần cấu tạo nên các cổng và bộ khuếch đại tín hiệu số, bao gồm khuếch đại và chuyển mạch tín hiệu.
• Linh kiện thụ động: Linh kiện thụ động trong IC bao gồm điện trở và tụ điện. Điện trở thay đổi trạng thái hoạt động của mạch điện hiện đại, giới hạn các mức điện áp và đảm bảo định dạng tín hiệu chính xác. Tụ điện giữ và giải phóng dòng điện, cho phép thực hiện các chức năng như lọc và lưu trữ năng lượng.

Tại sao lại sử dụng mạch tích hợp?

Mạch tích hợp được sử dụng cho nhiều mục đích vì:

Thu nhỏ và do đó tăng mật độ thiết bị

• Một trong những lợi ích tuyệt vời nhất của IC là khả năng thu nhỏ. Bằng cách tích hợp nhiều thành phần phụ trợ vào một con chip duy nhất, các thiết bị kỹ thuật số có thể trở nên nhỏ gọn và dễ vận chuyển hơn đáng kể. Khả năng thu nhỏ này cho phép đưa các cấu trúc phức tạp vào một dạng nhỏ gọn, vốn là xu hướng chủ đạo trong sự phổ biến của công nghệ tiên tiến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
• IC cho phép các bộ cộng kỹ thuật số thu nhỏ, cho phép đặt các mạch phức tạp vào trong các chip siêu nhỏ. Những chất phụ gia nhỏ hơn này đã góp phần cải tiến các thiết bị kỹ thuật số cầm tay cỡ nhỏ, từ điện thoại thông minh đến công nghệ đeo được.

Xử lý hàng loạt và giảm chi phí

• IC được sản xuất bằng chiến lược xử lý hàng loạt, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất. Hiệu quả này đến từ khả năng tạo ra nhiều chip trên cùng một wafer silicon. Sản lượng chip chức năng cao trên mỗi wafer giúp giảm chi phí trên mỗi đơn vị, giúp thiết bị điện tử có giá thành thấp hơn.
• IC được tổng hợp trên các tấm wafer silicon bằng cách sử dụng các chiến lược xử lý hàng loạt. Công cụ sản xuất hàng loạt này giúp giảm đáng kể chi phí theo từng đơn vị sản phẩm. Nhờ việc ngừng sản xuất, truyền thông kỹ thuật số đặc biệt tiết kiệm chi phí hơn cho cả nhà sản xuất và khách hàng.

Độ tin cậy của hệ thống được cải thiện

• Việc loại bỏ các mối hàn trong IC giúp tăng cường độ tin cậy của công cụ. Các cụm lắp ráp ảo truyền thống bao gồm nhiều mối hàn, có thể trở thành yếu tố gây hỏng hóc do áp suất nhiệt và ứng suất cơ học. IC, với sự ra đời của khối nguyên khối, làm giảm các liên kết dễ bị tổn thương đó và cải thiện độ tin cậy tổng thể của các cấu trúc kỹ thuật số.
• IC loại bỏ nhu cầu về mối hàn và một vài đầu nối rời rạc vốn có thể là nguyên nhân gây ra lỗi trong các hệ thống kỹ thuật số. Điều này mang lại độ tin cậy cao cho thiết bị tiên tiến nhờ giảm thiểu các yếu tố lỗi chức năng.

Hiệu suất chức năng tốt hơn

• Bố cục nhỏ gọn của IC cho phép thiết kế mạch xanh và tối ưu hơn. Điều này mang lại hiệu suất hiện đại hợp lý hơn về tốc độ, hiệu suất điện năng tiêu thụ và chất lượng tín hiệu. IC được thiết kế và thử nghiệm để mang lại hoạt động ổn định và đáng tin cậy trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
• IC cho phép tích hợp nhiều hơn một khả năng kỹ thuật số trên một chip duy nhất. Sự tích hợp này cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể, bởi vì các thành phần có thể được lập trình dễ dàng với số lượng lớn trên các hình ảnh tuyệt đẹp.

Thiết bị phù hợp

• Mạch tích hợp bao gồm các thành phần được phối hợp chặt chẽ, đảm bảo hiệu suất và xu hướng chung giữa các chip khác nhau. Sự phối hợp này rất quan trọng trong các chương trình như xử lý tín hiệu tương tự, trong đó điện áp riêng biệt và các tầng hiện đại phải được duy trì để hoạt động chính xác.
• Các transistor và đầu nối năng lượng cụ thể trên IC có thể được kết hợp chính xác, đảm bảo các chất phụ gia có cùng xu hướng được sử dụng trong cùng một mạch. Sự căn chỉnh này cải thiện độ chính xác và cân bằng của kỹ thuật ảo.

Tăng tốc độ hoạt động và giảm mức tiêu thụ điện năng

• Cùng với sự phát triển của thời đại, IC tiếp tục phát triển, mang lại tốc độ hoạt động tốt hơn và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Kỹ thuật sản xuất tiên tiến, cùng với kích thước bóng bán dẫn nhỏ hơn và kiến ​​trúc hiện đại, cho phép phát triển các IC xanh, hiệu suất cao, đáp ứng nhu cầu của các gói sản phẩm hiện tại.
• Việc thêm chất phụ gia vào một chip đơn lẻ sẽ làm giảm thời gian giao tiếp giữa chúng. Tương tác nhỏ dẫn đến sự lan truyền dấu hiệu nhanh, và ngược lại.

Quy trình chế tạo mạch tích hợp

Đầu tiên, chế tạo là quá trình xây dựng hoặc sản xuất thiết bị hoặc sản phẩm điện tử. Về cơ bản, đây là quá trình tạo ra các linh kiện điện tử lớn từ nhiều linh kiện điện tử nhỏ.

Quy trình liên quan đến Mạch tích hợp như sau:

• Chuẩn bị wafer silicon
• Cấy ion
• Sự khuếch tán
• Quang khắc
• Sự oxy hóa
• Lắng đọng hơi hóa học
• Kim loại hóa
• Bao bì

Chuẩn bị wafer silicon

Chuẩn bị wafer silicon là bước đầu tiên của quá trình chế tạo IC và silicon thường được sử dụng trong quy trình chế tạo mạch tích hợp. Wafer là nền tảng của mạch tích hợp - mỏng, hình tròn với đường kính khác nhau. Vật liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo này là silicon tinh thể nguyên chất. Một số wafer có hình dạng, bề mặt và các cạnh thừa không đều, vì vậy để đạt được độ dày nhất định, cần phải định hình, đánh bóng và cắt.

Cấy ion

Cấy ion là quá trình cấy tạp chất vào wafer silicon. Các ion được thẩm thấu vào wafer, phụ thuộc vào điện áp trường gia tốc. Quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ thấp để có thể duy trì ở nhiệt độ phòng và năng lượng cao, nhưng đôi khi năng lượng cao làm biến dạng cấu trúc của chất rắn. Các ion pha tạp năng lượng cao được sử dụng để thẩm thấu vào bề mặt chất rắn và đây là quá trình có thể kiểm soát được, có khả năng thay đổi các tính chất của chất rắn.

Sự khuếch tán

Khuếch tán là quá trình thêm tạp chất vào silic từ vùng nồng độ cao sang vùng nồng độ thấp. Tạp chất, hay còn gọi là chất pha tạp, được thêm vào silic, làm thay đổi điện trở suất của silic. Chất pha tạp được sử dụng có thể ở bất kỳ trạng thái nào - rắn, lỏng hoặc khí. Quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ cao (khoảng 1000 độ C) trong lò nung, do đó có thể nói rằng nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Tạp chất hóa trị năm hoặc loại n được ưa chuộng làm chất pha tạp. Quá trình này không được thực hiện ở giai đoạn cuối vì số lớp được hình thành ban đầu quá nhiều nên nó không thể chịu được nhiệt độ cao.

Quang khắc

Quang khắc là quá trình sản xuất phim bằng ánh sáng, loại ánh sáng được sử dụng có nhiều tần số khác nhau - tia X, tia UV và nhiều khả năng là tia UV. Ánh sáng chiếu trực tiếp hoặc qua thấu kính. Chất cản quang là vật liệu nhạy sáng tạo thành lớp đầu tiên trên bề mặt wafer, và phía trên lớp cản quang là một lớp mặt nạ được hình thành.

Hoa văn được hình thành và một số được để lộ ra, và tại vùng được phơi sáng đó, tia UV chiếu vào, phá vỡ lớp photoresist và làm mềm một phần lớp, khiến chúng bị loại bỏ. Quang khắc là phương pháp rất hiệu quả để tạo hoa văn nhưng không thể thực hiện trên bề mặt không bằng phẳng.

Sự oxy hóa

Về cơ bản, quá trình oxy hóa là quá trình bổ sung oxy, và trong bối cảnh này, việc bổ sung oxy và silic tạo thành silic dioxit, được hình thành trong lò nung ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 1000 độ C). Silic dioxit là lớp phủ bảo vệ cứng, đó là lý do tại sao nó được sử dụng. Quá trình oxy hóa có hai loại: oxy hóa khô và oxy hóa ướt. Cả hai loại đều tốt theo cách riêng của nó.

Trong quá trình oxy hóa khô, không sử dụng hơi nước nên oxit tạo ra có chất lượng tốt và ít khuyết tật hơn. Tốc độ oxy hóa của nó thấp hơn so với oxy hóa ướt, nhưng oxy hóa khô có tính chất điện tốt. Mặt khác, oxy hóa ướt diễn ra nhanh hơn do sự hiện diện của hơi nước, tốc độ phản ứng cũng tăng lên. Quá trình oxy hóa là một phần quan trọng trong quá trình chế tạo bất kỳ thiết bị hoặc linh kiện nào.

Lắng đọng hơi hóa học

Phương pháp CVD được sử dụng để sản xuất màng mỏng. Trên bề mặt wafer, hóa chất và hơi phản ứng với nhau tạo thành chất rắn, do đó các lớp trên chất rắn được lắng đọng bằng quy trình CVD. Nhờ đó, vật liệu rắn chất lượng cao được tạo ra và quy trình này được thực hiện ở áp suất thấp, gần như thấp hơn áp suất khí quyển, và tất cả phụ thuộc vào phản ứng của quy trình. Phương pháp này hoàn toàn khác với phương pháp VCD. Phương pháp này có tốc độ lắng đọng nhanh hơn và hoạt động như một chất cách điện trên bề mặt wafer.

Kim loại hóa

Mạ kim loại là quá trình phủ một lớp kim loại lên bề mặt kim loại và phi kim loại nhằm bảo vệ bề mặt khỏi các tác nhân môi trường bên ngoài. Phương pháp này cũng được sử dụng để kết nối các linh kiện khác nhau như tụ điện, transistor, v.v. Lớp kim loại được phủ lên wafer, sau đó lớp phủ kim loại được tạo thành phía trên lớp kim loại. Lớp kim loại này có độ dẫn điện tốt và liên kết tốt với silicon.

Bao bì

Đóng gói là công đoạn cuối cùng của quá trình chế tạo IC, trong đó wafer silicon được kiểm tra bằng điện để xem nó hoạt động như thế nào, có hoạt động hay không. Phương pháp này tiết kiệm chi phí vì mục đích kiểm tra wafer, máy móc bao gồm thử nghiệm bằng sóng vi ba và tần số vô tuyến. Các mạch có bất kỳ lỗi nào sẽ được tách ra và các mạch phù hợp và tốt sẽ được gửi để xử lý tiếp theo hoặc đến đầu ra. Phương pháp này cũng lắp ráp IC với các thiết bị khác và tạo ra một sản phẩm có thể phù hợp để sử dụng ở đầu ra.

Bao bì được niêm phong bằng nhựa để bảo vệ khỏi các yếu tố môi trường bên ngoài và ngăn không cho oxy xâm nhập vào bên trong bao bì nên quá trình này được thực hiện trong môi trường chân không.

Kết luận

Mạch tích hợp đã cách mạng hóa ngành công nghiệp điện tử thông qua việc cung cấp một giải pháp nhỏ gọn và tiết kiệm điện năng cho hàng loạt các gói dữ liệu ảo. Việc tích hợp các thành phần hoạt động và thụ động trên một đế silicon duy nhất đã thúc đẩy các thiết bị kỹ thuật số nhỏ gọn hơn, đáng tin cậy hơn và hiệu suất cao hơn, đồng thời áp dụng những cải tiến công nghệ và cải tiến trong thế giới kết nối hiện đại. Với những nghiên cứu và cải tiến liên tục, mạch tích hợp sẽ tiếp tục đóng vai trò then chốt trong việc định hình tương lai của ngành điện tử.