دارة متكاملة

خطوات صناعة الدارات المتكاملة

• تعتمد فكرة صناعة الدائرة المتكاملة على خطوات:
• تكوين سبيكة سيلكون اسطوانية مصمتة من نوع p .
• تقطيع الاسطوانة إلى أقراص.
• ترسيب طبقة رفيعة من نوع n .
• حقن بنوع p لصنع قاعدة الترانزستور والمقاومات.
• ترسيب طبقة من مادة حساسة للضوء.
• تعريض المناطق المراد حقنها للضوء.
• حقن بنوع p .
• تكرار نفس الخطوات ولكن بنوع n لصنع باعث الترانزستور.
• تكرار نفس الخطوات للحقن بنوع +p للعزل بين الترانزستورات.
• طبقة أوكسيد للعزل.
• ثقب طبقة الأوكسيد في أماكن التوصيل وطباعة التوصيلات بالألمونيوم.

المصطلحات

إضافةً إلى ذلك، دارة فيها كل أو بعض عناصر الدائرة غير قابلة للفصل ومترابطة كهربائيا بحيث تعتبر قابلة للتجزئة لأغراض بنيوية وتجارية.

تعريف الدوائر المتكاملة (أو الدارات المتكامله كالتالي)

في هذا الإطار، الدوائر المتكاملة التي تخضع لهذا التعريف يمكن بناؤها باستخدام الكثير من التقنيات المختلفة، بما في ذلك الترانزستور ذو الطبقة الرقيقة Thin-film Transistor و Thick film technology

علاوةً على ذلك، و Hybrid integrated circuit ، وهذه الدوائر تعتبر قطعة واحدة متكاملة وتعرف ب monolithic integrated circuit أو الدوائر المتكاملة المتجانسة

المميزات

• حجمها صغير ويمكن أن يصل 1/10 بوصة مربعة.
• استهلاكها للقدرة الكهربائية ضعيف مقارنة بالأنواع الأخرى من العناصر.
• تكلفة أقل (رخيصة الثمن).

ومن ناحية أخرى، تعمل بسرعة عالية حيث أن الإشارة تأخذ زمناً أقل عند انتقالها داخل الدائرة.

ومن ناحية أخرى، عدم وجود لحامات داخلية يقلل من احتمال حدوث فصل داخلي للأطراف حيث أن المكونات تتصل ببعضها عن طريق شرائح رقيقة من المعدن.

وفي هذا الصدد، تعمل الدائرة المتكاملة بكفاءة عالية ربما تصل إلى 50 مرة من كفاءة الدوائر العادية.

ولادة الدارات المتكاملة

وعلى صعيد آخر، كانت أول فكرة للدارات المتكاملة، قد بدأت على يد عالم رادار بريطاني يدعى جيفري دُمِر، "Geoffrey W.A.Dummer" (مواليد 1909). والذي كان يعمل لدى المؤسسة الملكية للرادار والتابعة لوزارة الدفاع البريطانية. وأعلن عنها في واشنطن في أيار 1952. ولكنه لم يتمكن من تصنيعها أبداً.

ومن ناحية أخرى، أول دارة متكاملة صنعت بشكل مستقل من قبل عالمين هما: جاك كيلبي، العامل لدى شركة Texas Instruments، والتي كانت عبارة عن «دارة صلبة» مصنوعة من الجرمانيوم، والعالم الآخر هو روبرت نويس "Robert Noyce"، والذي كان يعمل في شركة Fairchild Semiconductor والذي قام بصنع دارة أكثر تعقيداً من سابقتها وأساسها السيليكون.

ومن ناحية أخرى، الفكرة الأساسية للدارات المتكاملة هي إنشاء مربعات خزفية صغيرة (رقاقات - wafers)، كل منها يحتوي عنصراً منمنماً (بالغ الصغر). وهذه العناصر يمكن أن تدمج فيما بعد وتوصل إلى شبكة مدمجة ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد. هذه الفكرة والتي بدت واعدة جداً عام 1957 قدمت للجيش الأمريكي من قبل جاك كيلبي، "Jack Kilby"، والذي قدمت له كافة الحوافز الممكنة، ليقدم أخيراً تصميماً ثورياً جديداً هو الدارات المتكاملة والتي أصبحت تعرف في الوقت الحالي بالـ IC.

علاوةً على ذلك، هكذا ولدت الدارات المتكاملة، ومن حينها بدأت عمالقة شركات صناعة الإلكترونيات منافستها على إنتاج أصغرها، أسرعها، وأفضلها أداءً. حتى أصبحت موجودة في كل شيء كهربائي على وجه التقريب.

من جانب آخر، والدارة المتكاملة عبارة عن دارة بكاملها موجودة في قطعة صغيرة من السيليسيوم (السيليكون) أبعادها بحدود (1.5mm * 0.2mm * 1.5mm)، وتحتوي على عدد كبير من العناصر الإلكترونية: ترانزستورات، متصلات ثنائية، مقاومات، مكثفات.. وذلك حسب نوعها. ويصل عدد العناصر في البعض منها في الوقت الحالي إلى 106 عنصر، وتتصل الدارة المتكاملة مع الدارة الخارجية بواسطة ما يدعى دبابيس (Pins).

تصنيف الدارات المتكاملة

علاوةً على ذلك، وقد ظهر حديثاً الدارات ذات العدد فوق الكبير جداً: " Ultra Large scale integration ". فضلًا عن wafer scale integration، و System-on-Chip (SOC).

وعلى صعيد آخر، يمكن أن نقوم بتصنيف الدارات المتكاملة بطرق عديدة، سواء عن طريق الوظيفة، أو الشركة، أو السرعة، أو نوع المنطق التي تستعمله، لكن التصنيف الأهم لها هو حسب عدد العناصر (البوابات) التي تحتويها.

من جهة ثانية، 2. الدارات المتكاملة ذات العدد المتوسط من البوابات: وتحتوي هذه الدارات من 10 إلى أقل من 100 بوابة ويرمز لها بـ MSI، " Medium scale integration".

من جهة ثانية، 1. الدارات المتكاملة ذات العدد الصغير من البوابات: وتحتوي هذه الدارات أقل من 10 بوابات وتدعى هذه الدارات بـ SSI، " Small scale integration ".

إضافةً إلى ذلك، وهنالك تصنيف آخر يقسم الدارات المتكاملة حسب نوع الكمون الذي تقبله في مدخلها، إذ تقسم إلى:

ومن ناحية أخرى، 2. الدارات الرقمية، Digital Circuits: هي الدارات التي تقبل في مدخلها كمونات محددة 0 فولت أو 5 فولت مثلاً، أي الرقمين المنطقيين 0 و 1. وتعطي هذه الدارة في مخرجها قيماً محددة كذلك. 0 أو 5 فولت أو القريب منها.

من جانب آخر، 4. الدارات ذات العدد الكبير جداً من البوابات: وهي تحوي على ما يزيد عن 10000 بوابة، نرمز لها بـ VLSI، " Very Large scale integration ".

وهي الدارات التي تقبل في مدخلها كمونات متغيرة بشكل مستمر.

1. الدارات الخطية، Linear Circuits:

وعلى صعيد آخر، 3. الدارات المتكاملة ذات العدد الكبير من البوابات: يرمز لها بـ LSI اختصاراً لـ Large scale integration، تحوي من 100 إلى 10000 بوابة.

الدارات المتكاملة المزوّرة

من جهة ثانية، من هذه الطرق إضافة حساسات تحسب عمر تشغيل الدارة المتكاملة والتي تسمى Combating Die and IC Recycling (CDIR) Sensor وأيضاً طرق تجنّب التزوير تعتمد على تأمين عملية التصنيع بحيث يمكن للمصمّم التأكد تماماً من عدم وجود أي تلاعب من قبل المصنع وذلك من خلال تقسيم عملية التصنيع ومراقبتها عن بعد وتسمى هذه الطريقة (Secure Split Test (SST.

المميزات والعيوب

من جانب آخر، تقوم الكثير من الجهات بتزوير الدارات المتكاملة بأشكال وطرق مختلفة ومنها إعادة تدوير الدارات المتكاملة القديمة على أساس أنها جديد أو إعادة تعليمها (remarking) لتغيير اسم العنصر أو رفع فئته من الاستخدام العادي إلى الاستخدام الصناعي مثلاً. من طرق التزوير الأخرى إعادة تغليف التصميم السيليكوني (Die) بغلاف آخر جديد أو مختلف كلياً عن الغلاف (package) الأصلي وأيضاً تصنيع كميات خارج إطار العقد الموقع بين المصنع والمصمم أو طرح الدارات المتكاملة التي بها عيوب وتم استبعادها خلال التصنيع إلى السوق خارج علم المصمم الأصلي. بسبب الأخطار التي قد تسببها الدارات المتكاملة المزوّرة والتكاليف الباهظة لاكتشاف وتعديل المنتجات التي تعاني منها فقد تم طرح الكثير من الحلول لتجنب التزوير.

العيوب

• لا يمكن إصلاح الدوائر المتكاملة عند تلفها ولكن يتم إستبدالها.
• اقرأ كذلك
• قانون مور
• دارات التكامل الفائق
• ربط الأسلاك
• مقاومة متغيرة رقمية

إضافةً إلى ذلك، لا يمكن تصنيع بعض المكونات داخل الدائرة المتكاملة مثل الملفات نظراً لكبر حجم الملف المصنع باستخدام طريقة تصنيع الدوائر المتكاملة وكذلك المكثفات ذات السعات الكبيرة.

لا تعمل بتيارات عالية بسبب صغر الحجم.

وفي هذا السياق، تتأثر الدوائر المتكاملة بدرجة الحرارة ولذلك فهي تحتاج إلى وسيلة للتبريد عند العمل على قدرات عالية.