วงจรรวม

วงจรรวม (IC) ซึ่งมักเรียกกันว่าไมโครชิปหรือชิป เป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์ดิจิทัลสมัยใหม่ ขับเคลื่อน IoT ทั้งหมด ตั้งแต่สมาร์ทโฟนและระบบคอมพิวเตอร์ไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์และยานพาหนะ วงจรดิจิทัลขนาดเล็กเหล่านี้สร้างขึ้นจากส่วนประกอบทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟ บนพื้นผิวซิลิคอน 

การรวมสารเติมแต่งหลายชนิดไว้ในชิปเดียวมีข้อดีมากมาย ทำให้วงจรรวม (IC) เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ต่อไปนี้คือปัจจัยสำคัญบางประการที่ควรพิจารณา:

ส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟในวงจรรวม

• ส่วนประกอบแอคทีฟ: วงจรรวม (IC) ประกอบด้วยตัวเพิ่มกำลังไฟฟ้า รวมถึงไดโอดและทรานซิสเตอร์ ไดโอดเป็น ส่วนประกอบ เซมิคอนดักเตอร์ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียว ทำให้เกิดฟังก์ชันต่างๆ เช่น การแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นกระแสตรง ทรานซิสเตอร์เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของเกตสัญญาณดิจิทัลและแอมพลิฟายเออร์ รวมถึงการขยายสัญญาณและการสวิตช์สัญญาณ
• ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ:ส่วนประกอบแบบพาสซีฟในวงจรไอซี ได้แก่ ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ตัวต้านทานจะเปลี่ยนสถานะการทำงานของวงจรสมัยใหม่ จำกัดระดับแรงดันไฟฟ้า และรับประกันการจัดรูปแบบสัญญาณที่แม่นยำ ตัวเก็บประจุจะกักเก็บและปล่อยกระแสไฟฟ้า ทำให้สามารถทำงานต่างๆ เช่น การกรองและการเก็บพลังงานได้

เหตุใดจึงต้องใช้วงจรรวม?

วงจรรวมถูกนำไปใช้ในหลายวัตถุประสงค์เนื่องจาก:

ลดจำนวนอุปกรณ์ให้น้อยที่สุด เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของอุปกรณ์

• ข้อดีที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของวงจรรวม (IC) คือความสามารถในการย่อขนาด โดยการรวมส่วนประกอบเสริมจำนวนมากไว้บนชิปเดียว อุปกรณ์ดิจิทัลจึงมีขนาดเล็กลงและพกพาสะดวกยิ่งขึ้น การย่อขนาดนี้ช่วยให้โครงสร้างที่ซับซ้อนสามารถอยู่ในรูปแบบที่กะทัดรัด ซึ่งเป็นแนวโน้มที่เกิดจากการนำเทคโนโลยีขั้นสูงมาใช้ในชีวิตประจำวันของเราอย่างแพร่หลาย
• วงจรรวม (IC) ช่วยให้สามารถสร้างตัวบวกเลขดิจิทัลขนาดเล็กได้ ทำให้สามารถบรรจุวงจรที่ซับซ้อนไว้ภายในชิปขนาดเล็กพิเศษได้ ส่วนประกอบขนาดเล็กเหล่านี้มีส่วนช่วยในการพัฒนาอุปกรณ์ดิจิทัลขนาดเล็กพกพาได้ ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงเทคโนโลยีสวมใส่ได้

การประมวลผลแบบกลุ่มและการลดต้นทุน

• วงจรรวม (IC) ผลิตโดยใช้กลยุทธ์การผลิตจำนวนมาก ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อย่างมาก ประสิทธิภาพนี้เกิดจากความสามารถในการผลิตชิปจำนวนมากบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวกัน ผลผลิตของชิปที่มีฟังก์ชันการทำงานสูงต่อแผ่นเวเฟอร์ช่วยลดต้นทุนต่อหน่วย ส่งผลให้ราคาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลดลง
• วงจรรวม (IC) ถูกสังเคราะห์บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้กลยุทธ์การผลิตแบบเป็นชุด เครื่องมือการผลิตจำนวนมากนี้ช่วยลดต้นทุนต่อหน่วยได้อย่างมาก ด้วยเหตุนี้ การสื่อสารดิจิทัลจึงมีต้นทุนที่คุ้มค่ามากขึ้นสำหรับทั้งผู้ผลิตและลูกค้า

ความน่าเชื่อถือของระบบดีขึ้นแล้ว

• การกำจัดจุดบัดกรีในไอซีช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของเครื่องมือ การประกอบแบบเสมือนแบบดั้งเดิมประกอบด้วยจุดบัดกรีจำนวนมาก ซึ่งอาจกลายเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดความล้มเหลวเนื่องจากความเครียดจากความร้อนและความเครียดทางกล ไอซีที่มีการออกแบบแบบโมโนลิธิกช่วยลดการเชื่อมต่อที่เปราะบางเหล่านี้และปรับปรุงความน่าเชื่อถือโดยรวมของโครงสร้างดิจิทัล
• วงจรไอซีช่วยขจัดความจำเป็นในการบัดกรีและขั้วต่อแบบแยกชิ้นหลายตัว ซึ่งอาจเป็นสาเหตุของความล้มเหลวในระบบดิจิทัล ส่งผลให้มีความน่าเชื่อถือสูงสำหรับอุปกรณ์ขั้นสูงโดยลดปัจจัยที่ทำให้เกิดความล้มเหลวในการทำงานให้น้อยที่สุด

ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้น

• การออกแบบวงจร IC ที่มีขนาดกะทัดรัด ช่วยให้การออกแบบวงจรเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานที่ทันสมัยและเหมาะสมยิ่งขึ้นในแง่ของความเร็ว ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และคุณภาพสัญญาณ IC ได้รับการออกแบบและทดสอบเพื่อให้การทำงานมีเสถียรภาพและเชื่อถือได้ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่หลากหลาย
• วงจรรวม (IC) ช่วยให้สามารถรวมความสามารถทางดิจิทัลมากกว่าหนึ่งอย่างไว้ในชิปเดียวได้ การรวมฟังก์ชันนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมอย่างมาก เนื่องจากสามารถตั้งโปรแกรมส่วนประกอบจำนวนมากได้อย่างง่ายดายบนภาพที่สวยงาม

อุปกรณ์ที่เหมาะสม

• วงจรรวมประกอบด้วยส่วนประกอบที่ประสานงานกันอย่างใกล้ชิด เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอและความสอดคล้องกันโดยรวมในชิปต่างๆ การประสานงานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การประมวลผลสัญญาณอนาล็อก ซึ่งต้องรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันและขั้นตอนที่ซับซ้อนเพื่อให้การทำงานแม่นยำ
• สามารถจับคู่ทรานซิสเตอร์และขั้วต่อไฟบนไอซีได้อย่างแม่นยำ ทำให้มั่นใจได้ว่าส่วนประกอบที่มีไบแอสเดียวกันจะถูกใช้ในวงจรเดียวกัน การจัดเรียงนี้ช่วยปรับปรุงความแม่นยำและความสมดุลของเทคนิคการจำลองเสมือน

เพิ่มความเร็วในการทำงานและลดการใช้พลังงาน

• ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี วงจรรวม (IC) จึงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยนำเสนอประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและลดการใช้พลังงานลง เทคนิคการผลิตขั้นสูง ผนวกกับขนาดของทรานซิสเตอร์ที่เล็ลงและสถาปัตยกรรมที่ทันสมัย ​​ทำให้สามารถพัฒนาวงจรรวมประสิทธิภาพสูงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งตรงตามความต้องการของบรรจุภัณฑ์ผลิตภัณฑ์ในปัจจุบัน
• การเพิ่มสารเติมแต่งลงในชิปตัวเดียวจะช่วยลดเวลาในการสื่อสารระหว่างชิปเหล่านั้น ปฏิสัมพันธ์เล็กๆ น้อยๆ จะนำไปสู่การส่งสัญญาณที่รวดเร็ว และในทางกลับกัน

กระบวนการผลิตวงจรรวม

ประการแรก การผลิตคือกระบวนการสร้างหรือผลิตอุปกรณ์หรือผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยพื้นฐานแล้ว มันคือกระบวนการสร้างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่จากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กจำนวนมาก

กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับวงจรรวมมีดังนี้:

• เตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน
• การฝังไอออน
• การแพร่กระจาย
• โฟโตลิโทกราฟี
• ออกซิเดชัน
• การตกตะกอนไอสารเคมี
• การเคลือบโลหะ
• บรรจุภัณฑ์

เตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน

การเตรียมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการผลิตวงจรรวม และซิลิคอนเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตวงจรรวม เวเฟอร์เป็นพื้นฐานของวงจรรวม มีลักษณะเป็นแผ่นบางๆ รูปทรงกลม มีเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกัน วัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิตนี้คือซิลิคอนผลึกบริสุทธิ์ เวเฟอร์บางแผ่นมีรูปร่าง พื้นผิว และขอบที่ไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นเพื่อให้ได้ความหนาที่ต้องการ จึงจำเป็นต้องมีการขึ้นรูป ขัดเงา และตัดแต่ง

การฝังไอออน

การฝังไอออนเป็นกระบวนการฝังสารเจือปนลงในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ไอออนจะถูกฝังเข้าไปในเวเฟอร์โดยขึ้นอยู่กับแรงดันสนามเร่ง กระบวนการนี้ดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำเพื่อรักษาเสถียรภาพที่อุณหภูมิห้อง และที่พลังงานสูง แต่บางครั้งพลังงานสูงอาจทำให้โครงสร้างของของแข็งเสียรูป ไอออนเจือปนพลังงานสูงถูกนำมาใช้เพื่อฝังลงบนพื้นผิวของของแข็ง และนี่เป็นกระบวนการที่ควบคุมได้ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของของแข็งได้

การแพร่กระจาย

การแพร่ (Diffusion)คือกระบวนการเติมสารเจือปนลงในซิลิคอนจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ สารเจือปนหรือที่เรียกว่าสารโดป จะถูกเติมลงในซิลิคอนเพื่อเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้า สารโดปที่ใช้สามารถอยู่ในสถานะใดก็ได้ ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ กระบวนการนี้ดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000°C) ในเตาเผา ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่ากระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก สารเจือปนชนิดเพนทาเลนต์หรือชนิดเอ็น (n-type) เป็นที่นิยมใช้เป็นสารโดป กระบวนการนี้ไม่ได้ดำเนินการในขั้นตอนสุดท้าย เนื่องจากจำนวนชั้นที่เกิดขึ้นในตอนแรกมีมากเกินไปที่จะทนต่ออุณหภูมิสูงได้

โฟโตลิโทกราฟี

โฟโตลิโทกราฟีเป็นกระบวนการสร้างฟิล์มโดยใช้แสง โดยใช้แสงที่มีความถี่ต่างๆ กัน เช่น รังสีเอ็กซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต และส่วนใหญ่จะเป็นรังสีอัลตราไวโอเลต แสงจะถูกส่งผ่านหรือส่องไปยังเลนส์ สารไวแสง (photoresist) เป็นวัสดุที่ไวต่อแสงซึ่งก่อตัวเป็นชั้นแรกบนพื้นผิวของเวเฟอร์ และจะมีการสร้างมาสก์ (mask) ทับลงบนชั้นสารไวแสงนี้

ลวดลายถูกสร้างขึ้นและบางส่วนถูกเปิดเผย และในบริเวณที่ถูกเปิดเผยนั้น รังสี UV จะกระทบและทำลายชั้นโฟโตเรซิสต์ ทำให้มันอ่อนตัวลงบางส่วน ส่งผลให้มันถูกกำจัดออกไป การพิมพ์ด้วยแสงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากในการสร้างลวดลาย แต่ไม่สามารถทำได้บนพื้นผิวที่ไม่เรียบ

ออกซิเดชัน

โดยพื้นฐานแล้ว การออกซิเดชันคือกระบวนการเติมออกซิเจน และในบริบทนี้ การเติมออกซิเจนและซิลิคอนจะก่อให้เกิดซิลิคอนไดออกไซด์ ซึ่งเกิดขึ้นในเตาเผาที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1000°C) ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นสารเคลือบป้องกันที่แข็งแรง จึงถูกนำมาใช้ การออกซิเดชันมีสองประเภท คือ การออกซิเดชันแบบแห้งและการออกซิเดชันแบบเปียก ทั้งสองประเภทมีข้อดีในแบบของตนเอง

ในกระบวนการออกซิเดชันแบบแห้ง จะไม่มีการใช้ไอน้ำ ทำให้ได้ออกไซด์ที่มีคุณภาพดีกว่าและมีข้อบกพร่องน้อยกว่า อัตราการเกิดออกซิเดชันจะต่ำกว่าแบบเปียก แต่ออกซิเดชันแบบแห้งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีกว่า ในขณะที่ออกซิเดชันแบบเปียกจะเร็วกว่าเนื่องจากมีไอน้ำเข้ามาเกี่ยวข้อง ทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วขึ้น การออกซิเดชันเป็นส่วนสำคัญในกระบวนการผลิตอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนใดๆ

การตกตะกอนไอสารเคมี

CVD (Chemical-Depth Discharge) เป็นกระบวนการที่ใช้ในการผลิตฟิล์มบาง โดยบนพื้นผิวของเวเฟอร์ สารเคมีและไอระเหยจะทำปฏิกิริยากันเพื่อสร้างของแข็ง จากนั้นจึงทำการเคลือบชั้นต่างๆ บนของแข็งนี้โดยใช้กระบวนการ CVD กระบวนการนี้จะผลิตวัสดุแข็งคุณภาพสูง และดำเนินการภายใต้ความดันต่ำ เกือบต่ำกว่าความดันบรรยากาศ โดยขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น วิธีนี้แตกต่างจากวิธี VCD (Variable-Chemical Discharge) อย่างสิ้นเชิง วิธี VCD มีอัตราการเคลือบที่เร็วกว่าและทำหน้าที่เป็นฉนวนบนพื้นผิวของเวเฟอร์

การเคลือบโลหะ

การชุบโลหะเป็นกระบวนการเคลือบชั้นโลหะลงบนพื้นผิวของโลหะและอโลหะ เพื่อปกป้องพื้นผิวจากปัจจัยแวดล้อมภายนอก วิธีนี้ยังใช้ในการเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวเก็บประจุ ทรานซิสเตอร์ เป็นต้น โดยจะเคลือบชั้นโลหะลงบนแผ่นเวเฟอร์ แล้วจึงสร้างชั้นเคลือบโลหะอีกชั้นหนึ่งทับลงบนชั้นโลหะนั้น ชั้นโลหะนี้มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีและยึดเกาะกับซิลิคอนได้ดี

บรรจุภัณฑ์

การบรรจุภัณฑ์เป็นขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการผลิตไอซี โดยแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนจะถูกทดสอบทางไฟฟ้าเพื่อดูว่าทำงานได้หรือไม่ และมีฟังก์ชันการทำงานหรือไม่ วิธีนี้ประหยัดต้นทุนเพราะอุปกรณ์ทดสอบเวเฟอร์มีทั้งการทดสอบด้วยคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ วงจรที่มีข้อบกพร่องจะถูกแยกออก และวงจรที่เหมาะสมและใช้งานได้ดีจะถูกส่งไปประมวลผลเพิ่มเติมหรือส่งไปยังขั้นตอนการผลิต วิธีนี้ยังประกอบไอซีเข้ากับส่วนประกอบอื่นๆ และสร้างผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในขั้นตอนการผลิตด้วย

บรรจุภัณฑ์ถูกปิดผนึกด้วยพลาสติกเพื่อป้องกันจากสิ่งแวดล้อมภายนอกและป้องกันไม่ให้ออกซิเจนเข้าไป ดังนั้นกระบวนการนี้จึงดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่เป็นสุญญากาศ

สรุป

วงจรรวม (Integrated Circuits หรือ ICs) ได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ด้วยการนำเสนอโซลูชันที่กะทัดรัดและประหยัดพลังงานสำหรับแพ็กเก็ตข้อมูลเสมือนจริงหลากหลายประเภท การรวมส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟไว้บนแผ่นซิลิคอนแผ่นเดียวได้กระตุ้นให้เกิดอุปกรณ์ดิจิทัลที่มีขนาดเล็กลง เชื่อถือได้มากขึ้น และมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ซึ่งผลักดันความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและนวัตกรรมในโลกแห่งการเชื่อมต่อยุคใหม่ ด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง วงจรรวมจะยังคงมีบทบาทสำคัญในการกำหนดอนาคตของอิเล็กทรอนิกส์ต่อไป