Lý do vi mạch điện tử tích hợp đã trở thành một sản phẩm trọng yếu là vì trong thế giới hiện đại của chúng ta, hầu như mọi thứ đều được liên kết với nhau bởi điện tử. Từ lò vi sóng đến vệ tinh, các thiết bị sử dụng điện tử được tích hợp vào mọi khoảnh khắc thức giấc của chúng ta. Ngày nay, ngay cả giấc ngủ của chúng ta cũng bao gồm âm thanh kỹ thuật số, cảm biến haptic và phân tích. Nhưng dù các hệ thống chiếu sáng, kết nối và di chuyển cuộc sống của chúng ta có thể khác nhau rất nhiều, hầu như mọi thiết bị điện tử đều có một hoặc nhiều thành phần cơ bản giống nhau — mạch tích hợp rất nhỏ và rất phức tạp.
Vi Mạch Điện Tử Tích Hợp Là Gì?
Vi mạch điện tử tích hợp (IC) — thường được gọi là chip — được làm từ một vật liệu bán dẫn gọi là silicon. Trong đó các thành phần điện tử nhỏ gọi là linh kiện bán dẫn chủ động (transistor) được hình thành trong silicon; và sau đó được kết nối với nhau bằng các dây liên kết được xếp lớp trên bề mặt silicon.
IC bao gồm các thành phần kết nối với nhau như điện trở, transistor và tụ điện. Được xây dựng trên một mảnh vật liệu bán dẫn duy nhất, chẳng hạn như silicon, mạch tích hợp có thể chứa từ hàng trăm đến hàng tỷ thành phần — tất cả hoạt động cùng nhau để làm cho thế giới của chúng ta vận hành.
Mạch tích hợp được tạo ra bằng cách sử dụng kỹ thuật quang khắc (photolithography), một quy trình sử dụng ánh sáng cực tím để in các thành phần lên một chất nền duy nhất cùng một lúc — tương tự như cách bạn có thể tạo nhiều bản in của một bức ảnh từ một tấm phim âm bản. Hiệu quả của việc in tất cả các thành phần của IC cùng một lúc có nghĩa là IC có thể được sản xuất rẻ hơn và đáng tin cậy hơn so với việc sử dụng các thành phần rời.
Biểu Đồ Mạch Tích Hợp
Webinar “Thách Thức và Giải Pháp về Tích Hợp Nhiệt của Thiết Kế Silicon Interposer.” – Xem hội thảo trực tuyến này để tìm hiểu về các điểm nóng nhiệt, các ứng suất cơ học do vấn đề nhiệt gây ra, và các phương pháp để nắm bắt các vấn đề này thông qua mô phỏng và lập bản mẫu ảo, tập trung vào các thiết kế sử dụng silicon trung gian xen kẽ (interposers). Yêu cầu ngay.
Các Vi Mạch Điện Tử Tích Hợp Dùng Làm Gì?
Bạn có lẽ đã quen thuộc với những hộp đen nhỏ nằm gọn gàng bên trong các thiết bị yêu thích của bạn. Với kích thước nhỏ và đặc điểm khiêm tốn, thật khó tin rằng những thiết bị này thực sự là trụ cột của hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. Nhưng nếu không có các vi mạch tích hợp, hầu hết các công nghệ sẽ không thể tồn tại, và chúng ta — một xã hội phụ thuộc vào công nghệ — sẽ trở nên bất lực.
Ứng dụng của mạch tích hợp rất rộng lớn: đồ chơi trẻ em, ô tô, máy tính, điện thoại di động, tàu vũ trụ, tàu điện ngầm, máy bay, trò chơi điện tử, bàn chải đánh răng, và nhiều thiết bị khác. Cơ bản, nếu nó có công tắc nguồn, nó có khả năng tồn tại điện tử nhờ một mạch tích hợp. Một mạch tích hợp có thể hoạt động trong mỗi thiết bị như một vi xử lý, bộ khuếch đại hoặc bộ nhớ.
Các lợi ích khác của IC bao gồm:
- Kích thước cực kỳ nhỏ, giúp các thiết bị có thể nhỏ gọn
- Độ tin cậy cao
- Hiệu suất cao
- Yêu cầu năng lượng thấp
Sự Phát Triển Của Sản Xuất IC
ICs đã làm cho các thiết bị ngày càng tinh vi hơn có thể tồn tại gần 75 năm. Nhưng chúng bắt đầu như thế nào? Ý tưởng đặt nhiều thành phần trên một chip lần đầu được xem xét vào những năm 1950, với các nhà khoa học khác nhau được ghi nhận là đã phát triển các thiết kế tương tự một cách độc lập vào khoảng thời gian đó.
Kể từ khi được tạo ra, các mạch tích hợp đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển để làm cho các thiết bị của chúng ta ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn. Trong khi thế hệ đầu tiên của IC chỉ gồm vài thành phần trên một chip duy nhất, mỗi thế hệ sau đó đã thúc đẩy những bước nhảy vọt về công suất và kinh tế.
- Những năm 1950: Vi mạch điện tử tích hợp được giới thiệu với chỉ vài transistor và diode trên một chip.
- Những năm 1960: Việc giới thiệu transistor tiếp giáp lưỡng cực và tích hợp quy mô nhỏ và trung bình làm cho hàng ngàn transistor có thể được kết nối trên một chip duy nhất.
- Những năm 1970: Tích hợp quy mô lớn và rất lớn (VLSI) cho phép các chip có hàng chục ngàn, sau đó là hàng triệu thành phần, cho phép phát triển máy tính cá nhân và các hệ thống tính toán tiên tiến.
- Những năm 2000: Đầu những năm 2000, tích hợp quy mô siêu lớn (ULSI) cho phép hàng tỷ thành phần được tích hợp trên một chất nền duy nhất.
- Tương lai: Các công nghệ mạch tích hợp 2.5D và 3D (3D-IC) hiện đang được phát triển sẽ tạo ra sự linh hoạt chưa từng có, thúc đẩy một bước nhảy vọt khác trong sự tiến bộ của điện tử.
Các nhà sản xuất IC đầu tiên là các công ty tích hợp theo chiều dọc tự thực hiện tất cả các bước thiết kế và sản xuất. Điều này vẫn đúng với một số công ty như Intel, Samsung và các nhà sản xuất chip nhớ. Nhưng từ những năm 1980, mô hình kinh doanh “fabless” đã trở thành chuẩn mực trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Một công ty IC fabless không sản xuất chip mà họ thiết kế. Thay vào đó, họ hợp đồng sản xuất này cho các công ty sản xuất chuyên dụng vận hành các cơ sở sản xuất (fabs) được nhiều công ty thiết kế chia sẻ. Các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp như Apple, AMD và NVIDIA là ví dụ về các công ty thiết kế IC fabless. Các nhà sản xuất IC hàng đầu hiện nay bao gồm TSMC, Samsung và GlobalFoundries.
Các Loại Vi Mạch Điện Tử Tích Hợp
ICs có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên độ phức tạp và mục đích sử dụng. Một số loại IC phổ biến bao gồm:
- IC số: Được sử dụng trong các thiết bị như máy tính và vi xử lý. IC số có thể được sử dụng cho bộ nhớ, lưu trữ dữ liệu hoặc logic. Chúng có giá thành kinh tế và dễ thiết kế cho các ứng dụng tần số thấp.
- IC analog: Được thiết kế để xử lý các tín hiệu liên tục trong đó cường độ tín hiệu thay đổi từ 0 đến điện áp cung cấp đầy đủ. Các IC này được sử dụng để xử lý các tín hiệu analog như âm thanh hoặc ánh sáng. So với IC số, chúng có ít transistor hơn nhưng khó thiết kế hơn. IC analog có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm bộ khuếch đại, bộ lọc, dao động, bộ điều chỉnh điện áp và các mạch quản lý điện. Chúng thường được tìm thấy trong các thiết bị điện tử như thiết bị âm thanh, bộ thu phát tần số vô tuyến (RF), truyền thông, cảm biến và thiết bị y tế.
- IC tín hiệu hỗn hợp: Kết hợp cả mạch số và mạch analog, IC tín hiệu hỗn hợp được sử dụng trong các lĩnh vực yêu cầu cả hai loại xử lý, chẳng hạn như màn hình, cảm biến và các ứng dụng truyền thông trong điện thoại di động, ô tô và thiết bị điện tử di động.
- IC bộ nhớ: Các IC này được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời hoặc vĩnh viễn. Ví dụ về IC bộ nhớ bao gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) và bộ nhớ chỉ đọc (ROM). IC bộ nhớ là một trong những IC có số lượng transistor lớn nhất và yêu cầu các công cụ mô phỏng có dung lượng và tốc độ cực cao.
- Mạch Tích Hợp Chuyên Dụng (ASIC): ASIC được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể một cách hiệu quả. Đây không phải là IC đa năng có thể được triển khai trong hầu hết các ứng dụng mà là một hệ thống trên chip (SoC) được tùy chỉnh để thực hiện một chức năng mục tiêu.
Các Loại Đóng Gói Mạch Tích Hợp (IC)
Sau khi thiết kế và sản xuất chip, có một bước thứ ba và cuối cùng là kiểm tra và đóng gói chip. Đây là một lĩnh vực chuyên môn cao khác trong ngành công nghiệp bán dẫn.
Vì chip silicon thực tế quá nhỏ và mỏng manh để có thể thao tác trực tiếp, việc đóng gói IC cung cấp một cái gì đó chắc chắn hơn để làm việc. Một vỏ bảo vệ — thường là một vỏ bọc bằng nhựa hoặc gốm với các chân hoặc điểm tiếp xúc tích hợp — cho phép chúng ta kết nối chip nhỏ xíu với bảng mạch. Tùy thuộc vào ứng dụng dự định, việc đóng gói IC có thể khác nhau về kích thước và hình dạng.
Một số loại gói IC phổ biến bao gồm:
- Gói hai hàng chân (DIP)
- Hệ thống trên chip (SOIC/SOC)
- Mạng lưới chân cắm (PGA)
- Gói phẳng bốn cạnh (QFP)
- Mạng lưới bóng (BGA)
- Gói tích hợp Fan Out (InFO)
- IC 2.5D và IC 3D
2.5D và 3D-IC Là Gì?
Khi nhu cầu sử dụng các thiết bị kỹ thuật số ngày càng tăng, áp lực đòi hỏi các thiết bị phải nhanh hơn, thông minh hơn và nhỏ gọn hơn cũng tăng theo. Nhu cầu này đòi hỏi các vi mạch điện tử tích hợp (IC) phải xử lý nhiều thông tin hiệu quả hơn. Trong thế hệ gần đây nhất, có hai tùy chọn mới rất hứa hẹn: IC 2.5D và IC 3D.
Trong các IC 2.5D, hai hoặc nhiều chip được đặt cạnh nhau trên cùng một bề mặt phẳng, theo một kỹ thuật gọi là công nghệ interposer. Việc đặt gần nhau trên cùng một nền tảng chung này làm tăng mật độ kết nối.
Nâng cấp logic này lên một cấp độ mới, bạn sẽ có các IC 3D. Cấu trúc dạng “sandwich” logic-on-logic này được tạo ra bằng cách xếp chồng các chip hoặc tấm wafer lên nhau. Ngoài việc tăng cường kết nối hơn nữa, IC 3D còn cung cấp sức mạnh xử lý lớn hơn trong một không gian nhỏ hơn và rất linh hoạt trong việc sử dụng các nút công nghệ khác nhau.
Một thách thức lớn mới do các công nghệ đóng gói nhiều chip này đặt ra là việc tản nhiệt. Khi bạn xem xét rằng một chip tính toán hiệu suất cao (HPC) có thể dễ dàng tiêu thụ hơn 200 watt, rõ ràng là quá nhiệt và quản lý nhiệt là các yếu tố giới hạn chính khi bạn bắt đầu xếp chồng nhiều chip này gần nhau.
Bằng cách làm cho các IC hiệu quả hơn trong cách chúng kết nối, các công nghệ 2.5D và 3D đang vượt qua thách thức mở rộng mà các kỹ sư đã đối mặt từ những năm 1950: “Làm thế nào để chúng ta có được nhiều hơn với ít hơn?”
Cải Thiện Thiết Kế Mạch Tích Hợp (IC)
Bằng cách cho phép các kỹ sư dự đoán hiệu suất của các IC, việc xác minh chính xác rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình thiết kế cho hầu hết các thiết bị điện tử. Với mô phỏng, các nhà thiết kế có thể đánh giá IC của họ dựa trên nhiều yêu cầu, bao gồm tiêu thụ điện năng, nhiệt và hiệu suất tham số. Ngoài ra, Ansys RedHawk-SC được trang bị độc đáo để cung cấp phân tích đa vật lý toàn diện, tiết lộ cách các hiện tượng vật lý khác nhau sẽ tương tác để ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của IC.
Đại Lý Ủy Quyền Ansys-CADFEM Tư Vấn Và Cung Cấp Các Giải Pháp Tối Ưu Thiết Kế Mạch Tích Hợp Bán Dẫn
Vina Aspire là Công ty tư vấn, cung cấp các giải pháp, dịch vụ CNTT, An ninh mạng, bảo mật & an toàn thông tin tại Việt Nam. Đội ngũ của Vina Aspire gồm những chuyên gia, cộng tác viên giỏi, có trình độ, kinh nghiệm và uy tín cùng các nhà đầu tư, đối tác lớn trong và ngoài nước chung tay xây dựng.
Các Doanh nghiệp, tổ chức có nhu cầu liên hệ Công ty Vina Aspire theo thông tin sau:
Email: info@vina-aspire.com | Website: www.vina-aspire.com
Tel: +84 944 004 666 | Fax: +84 28 3535 0668
Vina Aspire – Vững bảo mật, trọn niềm tin
