Sirkuit Terintegrasi

Latar Belakang

Sirkuit terpadu, biasa disebut sebagai IC, adalah susunan mikroskopis sirkuit elektronik dan komponen yang telah disebarkan atau ditanamkan ke permukaan kristal tunggal, atau chip, bahan semikonduktor seperti silikon. Disebut sirkuit terpadu karena komponen, sirkuit, dan bahan dasar semuanya dibuat bersama, atau terintegrasi, dari sepotong silikon, sebagai lawan dari sirkuit diskrit di mana komponen dibuat secara terpisah dari bahan yang berbeda dan dirakit kemudian. . IC berkisar dalam kompleksitas dari modul logika sederhana dan amplifier hingga mikrokomputer lengkap yang berisi jutaan elemen.

Dampak sirkuit terpadu pada kehidupan kita sangat besar. IC telah menjadi komponen utama dari hampir semua perangkat elektronik. Sirkuit mini ini telah menunjukkan biaya rendah, keandalan tinggi, kebutuhan daya rendah, dan kecepatan pemrosesan tinggi dibandingkan dengan tabung vakum dan transistor yang mendahuluinya. Mikrokomputer sirkuit terpadu sekarang digunakan sebagai pengontrol dalam peralatan seperti peralatan mesin, sistem operasi kendaraan, dan aplikasi lain di mana kontrol hidrolik, pneumatik, atau mekanis sebelumnya digunakan. Karena mikrokomputer IC lebih kecil dan lebih fleksibel daripada mekanisme kontrol sebelumnya, mereka memungkinkan peralatan untuk merespons input yang lebih luas dan menghasilkan rentang output yang lebih luas. Mereka juga dapat diprogram ulang tanpa harus mendesain ulang sirkuit kontrol. Mikrokomputer sirkuit terpadu sangat murah bahkan dapat ditemukan di mainan elektronik anak-anak.

Sirkuit terpadu pertama dibuat pada akhir 1950-an sebagai tanggapan atas permintaan dari militer untuk elektronik mini yang akan digunakan dalam sistem kontrol rudal. Pada saat itu, transistor dan papan sirkuit tercetak adalah state-of-the-art teknologi elektronik. Meskipun transistor memungkinkan banyak aplikasi elektronik baru, para insinyur masih tidak dapat membuat paket yang cukup kecil untuk sejumlah besar komponen dan sirkuit yang diperlukan dalam perangkat kompleks seperti sistem kontrol canggih dan kalkulator genggam yang dapat diprogram. Beberapa perusahaan bersaing untuk menghasilkan terobosan dalam elektronik mini, dan upaya pengembangan mereka sangat dekat sehingga ada beberapa pertanyaan tentang perusahaan mana yang benar-benar memproduksi IC pertama. Bahkan, ketika sirkuit terpadu akhirnya dipatenkan pada tahun 1959, paten itu diberikan secara bersama-sama kepada dua individu yang bekerja secara terpisah di dua perusahaan yang berbeda.

Setelah penemuan IC pada tahun 1959, jumlah komponen dan sirkuit yang dapat dimasukkan ke dalam satu chip menjadi dua kali lipat setiap tahun selama beberapa tahun. Sirkuit terpadu pertama hanya berisi hingga selusin komponen. Proses yang menghasilkan IC awal ini dikenal sebagai integrasi skala kecil, atau SSI. Pada pertengahan 1960-an, integrasi skala menengah, MSI, menghasilkan IC dengan ratusan komponen. Ini diikuti oleh teknik integrasi skala besar, atau LSI, yang menghasilkan IC dengan ribuan komponen dan memungkinkan mikrokomputer pertama.

Chip mikrokomputer pertama, sering disebut mikroprosesor, dikembangkan oleh Intel Corporation pada tahun 1969. Chip ini mulai diproduksi secara komersial pada tahun 1971 sebagai Intel 4004. Intel memperkenalkan chip 8088 mereka pada tahun 1979, diikuti oleh Intel 80286, 80386, dan 80486. akhir 1980-an dan awal 1990-an, sebutan 286, 386, dan 486 dikenal baik oleh pengguna komputer sebagai cerminan peningkatan tingkat daya dan kecepatan komputasi. Chip Pentium Intel adalah yang terbaru dalam seri ini dan mencerminkan level yang lebih tinggi.

Bagaimana Sirkuit Terintegrasi
Komponen Terbentuk

Dalam sirkuit terpadu, komponen elektronik seperti resistor, kapasitor, dioda, dan transistor dibentuk langsung ke permukaan kristal silikon. Proses pembuatan sirkuit terpadu akan lebih masuk akal jika seseorang terlebih dahulu memahami beberapa dasar bagaimana komponen ini terbentuk.

Bahkan sebelum IC pertama dikembangkan, diketahui bahwa komponen elektronik umum dapat dibuat dari silikon. Pertanyaannya adalah bagaimana membuatnya, dan sirkuit penghubungnya, dari potongan silikon yang sama? Solusinya adalah mengubah, atau membius, komposisi kimia dari area kecil pada permukaan kristal silikon dengan menambahkan bahan kimia lain, yang disebut dopan. Beberapa dopan berikatan dengan silikon untuk menghasilkan daerah di mana atom dopan memiliki satu elektron yang dapat dilepaskan. Ini disebut N daerah. Ikatan dopan lain dengan silikon untuk menghasilkan daerah di mana atom dopan memiliki ruang untuk mengambil satu elektron. Ini disebut daerah P. Ketika daerah P menyentuh daerah N, batas antara keduanya disebut sebagai PN junction. Batas ini hanya selebar 0,000004 inci (0,0001 cm), tetapi sangat penting untuk pengoperasian komponen sirkuit terpadu.

Di dalam sambungan PN, atom-atom dari dua daerah terikat sedemikian rupa untuk menciptakan daerah ketiga, yang disebut daerah penipisan, di mana atom dopan P menangkap semua elektron ekstra dopan N, sehingga menghabiskannya. Salah satu fenomena yang dihasilkan adalah bahwa tegangan positif yang diterapkan ke daerah P dapat menyebabkan arus listrik mengalir melalui persimpangan ke daerah N, tetapi tegangan positif yang sama diterapkan ke daerah N akan menghasilkan sedikit atau tidak ada arus yang mengalir melaluinya. persimpangan kembali ke wilayah P. Kemampuan sambungan PN untuk melakukan atau mengisolasi tergantung pada sisi mana tegangan diterapkan dapat digunakan untuk membentuk komponen sirkuit terpadu yang mengarahkan dan mengontrol aliran arus dengan cara yang sama seperti dioda dan transistor. Dioda, misalnya, hanyalah sambungan PN tunggal. Dengan mengubah jumlah dan jenis dopan serta mengubah bentuk dan penempatan relatif daerah P dan N, komponen sirkuit terpadu yang meniru fungsi resistor dan kapasitor juga dapat dibentuk.

Desain

Beberapa sirkuit terpadu dapat dianggap sebagai item standar dan siap pakai. Setelah dirancang, tidak ada pekerjaan desain lebih lanjut yang diperlukan. Contoh IC standar akan mencakup regulator tegangan, amplifier, sakelar analog, dan konverter analog-ke-digital atau digital-ke-analog. IC ini biasanya dijual ke perusahaan lain yang menggabungkannya ke dalam papan sirkuit tercetak untuk berbagai produk elektronik.

Sirkuit terpadu lainnya unik dan membutuhkan pekerjaan desain yang ekstensif. Contohnya adalah mikroprosesor baru untuk komputer. Pekerjaan desain ini mungkin memerlukan penelitian dan pengembangan bahan baru dan teknik manufaktur baru untuk mencapai desain akhir.

Bahan Baku

Silikon murni adalah dasar untuk sebagian besar sirkuit terpadu. Ini menyediakan dasar, atau substrat untuk seluruh chip dan didoping secara kimia untuk menyediakan wilayah N dan P yang membentuk komponen sirkuit terpadu. Silikon harus sangat murni sehingga hanya satu dari setiap sepuluh miliar atom yang dapat menjadi pengotor. Ini setara dengan satu butir gula dalam sepuluh ember pasir. Silikon dioksida digunakan sebagai isolator dan sebagai bahan dielektrik pada kapasitor IC.

Tipikal dopan tipe-N termasuk fosfor dan arsenik. Boron dan galium adalah tipikal dopan tipe-P. Aluminium umumnya digunakan sebagai penghubung antara berbagai komponen IC. Kawat tipis mengarah dari chip sirkuit terpadu ke paket pemasangannya mungkin aluminium atau emas. Paket pemasangan itu sendiri dapat dibuat dari bahan keramik atau plastik.

Manufaktur
Proses

Ratusan sirkuit terintegrasi dibuat pada saat yang sama pada satu irisan tipis silikon dan kemudian dipotong menjadi chip IC individu. Proses pembuatan berlangsung di lingkungan yang dikontrol ketat yang dikenal sebagai ruang bersih di mana udara disaring untuk menghilangkan partikel asing. Beberapa operator peralatan di ruangan itu mengenakan pakaian bebas serat, sarung tangan, dan penutup kepala dan kaki mereka. Karena beberapa komponen IC sensitif terhadap frekuensi cahaya tertentu, bahkan sumber cahaya pun disaring. Meskipun proses manufaktur dapat bervariasi tergantung pada sirkuit terpadu yang dibuat, proses berikut adalah tipikal.

Menyiapkan wafer silikon

• 1 Batang silikon berbentuk silinder dengan diameter sekitar 1,5 hingga 4,0 inci (3,8 hingga 10,2 cm) dipegang secara vertikal di dalam ruang vakum dengan koil pemanas suhu tinggi yang melingkarinya. Dimulai dari bagian atas silinder, silikon dipanaskan hingga titik lelehnya sekitar 2500 ° F (1400 ° C). Untuk menghindari kontaminasi, daerah yang dipanaskan hanya dibatasi oleh tegangan permukaan silikon cair. Saat wilayah tersebut meleleh, semua pengotor dalam silikon menjadi bergerak. Kumparan pemanas perlahan-lahan dipindahkan ke bawah silinder, dan kotoran dibawa bersama dengan daerah leleh. Ketika koil pemanas mencapai bagian bawah, hampir semua kotoran telah tersapu dan terkonsentrasi di sana. Bagian bawah kemudian diiris, meninggalkan ingot silinder silikon murni.
• 2 Wafer silikon bulat tipis dipotong dari batangan menggunakan mesin pemotong presisi yang disebut pengiris wafer. Setiap irisan tebalnya sekitar 0,01 hingga 0,025 inci (0,004 hingga 0,01 cm). Permukaan di mana sirkuit terpadu akan dibentuk dipoles.
• 3 Permukaan wafer dilapisi dengan lapisan silikon dioksida untuk membentuk dasar isolasi dan untuk mencegah oksidasi silikon yang akan menyebabkan kotoran. Silikon dioksida dibentuk dengan menundukkan wafer ke uap super panas pada sekitar 1830 ° F (1000 ° C) di bawah beberapa atmosfer tekanan untuk memungkinkan oksigen dalam uap air bereaksi dengan silikon. Mengontrol suhu dan lama paparan mengontrol ketebalan lapisan silikon dioksida.

Menyamarkan

• 4 Desain sirkuit dan komponen yang kompleks dan saling berhubungan disiapkan dalam proses yang serupa dengan yang digunakan untuk membuat papan sirkuit cetak. Namun, untuk IC, dimensinya jauh lebih kecil dan ada banyak lapisan yang dilapiskan di atas satu sama lain. Desain setiap lapisan disiapkan pada mesin draf berbantuan komputer, dan gambar dibuat menjadi topeng yang akan direduksi secara optik dan dipindahkan ke permukaan wafer. Topeng buram di area tertentu dan jelas di area lain. Ini memiliki gambar untuk semua dari beberapa ratus sirkuit terpadu yang akan dibentuk pada wafer.
• 5 Setetes bahan photoresist ditempatkan di tengah wafer silikon, dan wafer diputar dengan cepat untuk mendistribusikan photoresist ke seluruh permukaan. Photoresist kemudian dipanggang untuk menghilangkan pelarut.
• 6 Wafer yang dilapisi kemudian ditempatkan di bawah lapisan masker pertama dan disinari dengan cahaya. Karena jarak antara sirkuit dan komponen sangat kecil, sinar ultraviolet dengan panjang gelombang yang sangat pendek digunakan untuk menembus area kecil yang jelas pada topeng. Berkas elektron atau sinar-x juga terkadang digunakan untuk menyinari photoresist.
• 7 Masker dilepas dan bagian dari photoresist dilarutkan. Jika fotoresist positif digunakan, maka daerah yang disinari akan larut. Jika photoresist negatif digunakan, maka area yang disinari akan tetap ada. Area yang tidak tertutup kemudian digores secara kimia untuk membuka lapisan atau dikenai doping kimia untuk membuat lapisan daerah P atau N.

Doping — Difusi atom

• 8 Salah satu metode penambahan dopan untuk membuat lapisan daerah P atau N adalah difusi atom. Dalam metode ini sejumlah wafer ditempatkan dalam oven yang terbuat dari tabung kuarsa yang dikelilingi oleh elemen pemanas. Wafer dipanaskan sampai suhu operasi sekitar 1500-2200 °F (816-1205 °C), dan bahan kimia dopan dibawa ke dalam gas inert. Saat dopan dan gas melewati wafer, dopan diendapkan pada permukaan panas yang dibiarkan terbuka oleh proses masking. Metode ini baik untuk doping area yang relatif luas, tetapi tidak akurat untuk area yang lebih kecil. Ada juga beberapa masalah dengan penggunaan berulang suhu tinggi sebagai lapisan berturut-turut ditambahkan.

Doping — implantasi lon

• 9 Cara kedua untuk menambahkan dopan adalah implantasi ion. Dalam metode ini gas dopan, seperti fosfin atau boron triklorida, diionisasi untuk menghasilkan seberkas ion dopan berenergi tinggi yang ditembakkan pada daerah tertentu dari wafer. Ion menembus wafer dan tetap tertanam. Kedalaman penetrasi dapat dikontrol dengan mengubah energi berkas, dan jumlah dopan dapat dikontrol dengan mengubah arus berkas dan waktu pemaparan. Secara skema, seluruh proses menyerupai menembakkan sinar dalam tabung sinar katoda yang bengkok. Metode ini sangat tepat, tidak memerlukan penyamaran—hanya mengarahkan dan menembakkan dopan di tempat yang diperlukan. Namun itu jauh lebih lambat daripada proses difusi atom.

Membuat layer berurutan

• 10 Proses masking dan etsa atau doping diulang untuk setiap lapisan berturut-turut tergantung pada proses doping yang digunakan sampai semua chip sirkuit terintegrasi selesai. Kadang-kadang lapisan silikon dioksida diletakkan untuk menyediakan isolator antara lapisan atau komponen. Hal ini dilakukan melalui proses yang dikenal sebagai deposisi uap kimia, di mana permukaan wafer dipanaskan sampai sekitar 752°F (400 °C), dan reaksi antara gas silan dan oksigen menyimpan lapisan silikon dioksida. Lapisan silikon dioksida terakhir menyegel permukaan, etsa akhir membuka titik kontak, dan lapisan aluminium diendapkan untuk membuat bantalan kontak. Pada titik ini, IC individu diuji untuk fungsi listrik.

Membuat IC individu

• 11 Wafer tipis itu seperti kaca. Ratusan chip individu dipisahkan dengan mencetak garis silang dengan berlian halus pemotong dan kemudian menempatkan wafer di bawah tekanan untuk menyebabkan setiap chip terpisah. IC yang gagal dalam tes listrik dibuang. Pemeriksaan di bawah mikroskop mengungkapkan IC lain yang rusak oleh proses pemisahan, dan ini juga dibuang.
• 12 IC yang baik secara individual terikat ke dalam paket pemasangannya dan kabel tipis dihubungkan dengan ikatan ultrasonik atau termokompresi. Paket pemasangan ditandai dengan mengidentifikasi nomor bagian dan informasi lainnya.
• 13 Sirkuit terpadu yang telah selesai disegel dalam kantong plastik anti-statis untuk disimpan atau dikirim ke pengguna akhir.

Kontrol Kualitas

Meskipun lingkungan terkontrol dan penggunaan alat presisi, sejumlah besar chip sirkuit terpadu ditolak. Meskipun persentase serpihan yang ditolak terus menurun selama bertahun-tahun, tugas membuat kisi yang terjalin dari sirkuit dan komponen mikroskopis masih sulit, dan sejumlah penolakan tidak dapat dihindari.

Bahan Berbahaya dan
Daur Ulang

Galium dan arsenik dopan, antara lain, adalah zat beracun dan penyimpanan, penggunaan, dan pembuangannya harus dikontrol dengan ketat.

Karena chip sirkuit terpadu sangat serbaguna, industri daur ulang yang signifikan bermunculan. Banyak IC dan komponen elektronik lainnya dikeluarkan dari peralatan yang sudah usang, diuji, dan dijual kembali untuk digunakan di perangkat lain.

Masa Depan

Sulit untuk mengatakan dengan pasti apa yang akan terjadi di masa depan untuk sirkuit terpadu. Perubahan teknologi sejak penemuan perangkat berlangsung cepat, tetapi evolusioner. Banyak perubahan telah dibuat dalam arsitektur, atau tata letak sirkuit, pada sebuah chip, tetapi sirkuit terintegrasi masih tetap merupakan desain berbasis silikon.

Lompatan besar berikutnya dalam kemajuan perangkat elektronik, jika lompatan seperti itu akan datang, mungkin melibatkan teknologi sirkuit yang sama sekali baru. Perangkat yang lebih baik daripada mikroprosesor terbaik selalu diketahui mungkin. Otak manusia, misalnya, memproses informasi jauh lebih efisien daripada komputer mana pun, dan beberapa futuris berspekulasi bahwa generasi berikutnya dari sirkuit prosesor akan bersifat biologis, bukan mineral. Pada titik ini, hal-hal seperti itu adalah hal-hal fiksi. Tidak ada tanda-tanda langsung bahwa sirkuit terpadu berada dalam bahaya kepunahan.