집적회로(IC) 완벽 가이드: 엔지니어를 위한 종합 설명

집적회로(IC) 분야에서, 호흡이 생명 유지에 필수적이듯 집적회로가 현 세기 발전에 필수적이라는 건 의심의 여지가 없습니다.

집적회로는 PCB 제조에 필요한 많은 개선을 거쳐 오늘날의 모습이 되었습니다. 처음 설계된 트랜지스터는 크고 볼품없었습니다.

많은 발명가들이 처음부터 이 아이디어를 파악했지만, 실행되지 않으면 아이디어로만 남을 뿐입니다. 이 사슬은 텍사스 인스트루먼트의 잭 킬비(Jack Kilby)와 페어차일드 세미컨덕터의 로버트 노이스(Robert Noyce)가 실행에 옮기면서 깨졌습니다.

집적회로의 장점은 우리 삶의 향상을 위해 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 무슨 뜻일까요?

예를 들어 처음 집적회로 이야기를 접했을 때, 드럼처럼 생긴 전자제품이 손바닥 크기 기기로 개조될 수 있다는 걸 상상할 수 없어 발명가들을 위해 열심히 기도했습니다.

이제 크기, 속도, 칩의 용량이나 볼륨 면에서 더 많은 개선이 당대부터 현재까지 이 요소들을 충족시켰습니다.

최초로 설계된 집적회로는 반도체 물질(우리가 알듯 실리콘) 위에 트랜지스터 클러스터를 조립하는 절차를 기반으로 구축되었습니다. 전자 회로에서 가장 중요한 구성 요소는 트랜지스터이기 때문입니다.

집적회로(IC)란 무엇인가?

1.1 정의

'통합(integrated)'은 전체를 형성하기 위한 구성 또는 조정을 의미합니다. 집적회로는 엔지니어링된 저항, 트랜지스터, 커패시터를 내장한 소형 반도체(보통 실리콘)를 나타냅니다.

집적회로는 디지털, 아날로그, 또는 둘의 혼합일 수 있는 전자 기반 장치로, 일부 전자 장치와 도구의 프레임이나 템플릿 역할을 합니다.

단일 반도체 조각에 수많은 트랜지스터, 커패시터, 저항을 수용할 목적으로 제작됩니다. 흔히 집적회로를 마이크로칩 또는 단순히 칩이라고 부릅니다.

집적회로상의 트랜지스터, 저항, 커패시터 수는 수천, 수백만, 심지어 수십억 개까지 다양합니다. 집적회로 발명 이후 시간이 지나며 상당한 개선이 이루어졌습니다.

일부 칩은 최소부터 수백 개의 트랜지스터만 수용하는데, 이를 소규모 집적(SSI)이라고 합니다.

수천 개 트랜지스터를 수용하는 칩은 중규모 집적(MSI)이라고 합니다.

최대 100만 개 트랜지스터를 수용하는 칩은 대규모 집적(LSI) 또는 초고밀도 집적(VLSI)이라고 합니다. 마지막으로 초초고밀도 집적(ULSI)은 단일 칩에 수십억 개 트랜지스터를 수용하는 집적회로를 의미합니다.

1.2 아날로그 CMOS 집적회로 설계

'CMOS'는 상보성 금속 산화막 반도체(Complementary metal-oxide-semiconductor)를 뜻하며 'COS-MOS', 즉 상보성 대칭 금속 산화막 반도체라고도 불립니다. 디지털과 아날로그 양쪽 응용에 사용됩니다.

또한 CMOS의 아날로그 형태 활용으로는 CMOS 연산 증폭기 집적회로 같은 예가 있습니다. 신호 릴레이 대신 트랜스미션 게이트를 아날로그 멀티플렉서로 사용할 수 있습니다.

여기서 CMOS의 단일 단위인 MOSFET을 다루겠습니다. MOSFET은 금속 산화막 실리콘 전계 효과 트랜지스터(Metal-oxide-silicon field-effect-transistor)의 약자입니다. 상보성 MOSFET의 조합을 CMOS 회로라고 합니다.

독특한 장점은 논리 회로가 논리 게이트를 전환할 때만 소자를 통해 전류가 흐른다는 점입니다. 따라서 10의 인자만큼 관련 전력 낭비가 없는데, 이는 주어진 시점에 10개 게이트 중 1개 미만만 전환되기 때문입니다.

1.3 집적회로 유형

집적회로 유형을 살펴보면:

• 아날로그 집적회로: 신호 증폭, 필터링, 변조 기능을 수행합니다. 소수 부품 사용으로 가장 단순한 유형의 집적회로로 간주됩니다. 신호 송수신 장치에 흔히 사용되며, 지속적인 변화에 반응하는 장치에도 사용됩니다.
• 디지털 집적회로: 데이터 흐름 방향 제어와 이진 0과 1을 사용한 수학적 추정을 돕습니다. 컴퓨터 시스템 구축에 사용됩니다. 아날로그 집적회로와 달리 정확한 값의 판독값만 받아들이도록 구성됩니다.
• 마이크로프로세서 회로: 수백만, 특히 수억 개의 트랜지스터가 수천 개의 단일 디지털 회로로 완벽하게 정렬되어 각각 특정 기능을 수행합니다. 또한 초당 수십억 작업을 실행할 수 있어 매우 정교한 집적회로 유형입니다.

집적회로 분석 및 설계

2.1 아날로그 집적회로 설계 및 분석

아날로그 집적회로 설계와 분석에서는 복합 회로 부품에 '표준' 모델을 사용한다고 가정합니다. 두 가지 다른 분석을 살펴보겠습니다. 첫 번째는 수작업 분석(hand analysis)입니다.

수작업 분석에서는 뚜렷한 자연 모델로 인해 위 가정이 낙관적이거나 정확합니다. 다른 분석은 더 기술적인 유형으로 컴퓨터 분석(computer analysis)이라고 합니다.

중요한 이유로, 회로를 계획하거나 설계하는 개인이 자주 사용되는 모델의 출처와 각 모델에 포함된 근사치 수준에 대한 깊은 지식을 갖는 것이 중요합니다.

집적회로를 위한 현대 반도체 소자

3.1 집적회로를 위한 현대 반도체 소자

3.1.1 반도체 소자란 무엇인가?

반도체는 도체처럼 전기를 전도할 수 있는 전자 소자입니다. 특정 조건에서만 전기를 전도하고 모든 상태에서 전도하지는 않습니다. 이 사실 때문에 적절한 전도체로 간주됩니다.

3.1.2 반도체 산업

5가 6에게 그러하듯, 반도체 소자는 MP3, 자동차, 평면 TV, 컴퓨터, 비디오 게임, 세탁기, 라디오 등 일상에서 사용하는 전기/전자 기기에 필수적인 소재입니다.

의식적이든 무의식적이든 우리는 정상적인 일상 활동을 수행하기 위해 이들에게 의존합니다. 컴퓨터 관점에서 논의를 살펴보겠습니다.

이제 3~5년 전에 구입한 노트북을 교체하려 한다고 가정해 봅시다. 교환 가치가 매우 작다는 것을 알게 될 것입니다.

왜 그럴까요? 시간이 지날수록 복잡성, 속도, 전반적 성능이 시간과 함께 증가하기 때문입니다. 같은 가격이라도 말입니다.

이 산업의 경제 발전 유형이 상대적으로 높다는 것을 알 수 있습니다. 작년에 150mps/s 속도로 작동하던 컴퓨터가 올해는 1500mps/s 속도의 노트북으로 만들어지는 식의 성장이 매우 현실적입니다.

이 산업의 성공은 제품의 새로운 개선이 시간이 지남에 따라 일관되게 이루어지고, 제품 크기 축소(예: 트랜지스터)로 생산 비용도 절감되기 때문이라고 추론할 수 있습니다.

3.2 집적회로를 위한 반도체 소자

집적회로를 위한 반도체 소자에는 다음이 포함됩니다:

• 트랜지스터(Transistors): 트랜지스터는 활용 범위가 넓고 복잡하다고 여겨집니다. BJT(바이폴라 접합 트랜지스터)가 최초의 트랜지스터 설계로, 다른 트랜지스터와 달리 세 개의 단자를 가집니다. 세 단자는 베이스, 컬렉터, 이미터로 나뉩니다. 트랜지스터의 주요 용도 중 하나는 스위치 역할입니다.
• 다이오드(Diodes): 다이오드는 전압 강하가 특정 임계값보다 작을 때 전류 흐름을 차단하는 반도체 소자입니다. 하지만 전압 강하가 임계값을 초과하면 전류가 크게 증가합니다. 예상대로 다이오드는 동일한 특성을 가질 수 없으므로 다양합니다.

디지털 집적회로

4.1 디지털 집적회로 설명

디지털 집적회로의 전모를 논의할 때 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 같은 필수 도구를 강조하는 것이 중요합니다.

디지털 집적회로의 기본 유형은 마이크로프로세서입니다. 마이크로프로세서는 논리 기능의 조합을 기반으로 설계됩니다. 그러면 이 논리 기능은 처음에 어떻게 구성될까요?

논리 기능은 전자 조각이나 부품을 사용해 설계되거나 구성됩니다. 그런 부품의 예로는 트랜지스터가 있습니다.

앞서 디지털 회로에 대해 논의했듯, 이 유형의 집적회로는 아날로그 집적회로처럼 판독값이나 값 사이의 지속적이고 번갈아 가며 변화하는 것이 아니라 이진법을 사용한다는 결론을 내릴 수 있습니다.

디지털 회로는 논리 기능 수행 시 ON/OFF, 참/거짓, 0/1 같은 상수를 사용합니다. 이 디지털 유형은 단일 반도체 조각에 설계된 다중 부품 연결을 포함하는 집적회로를 활용하며 수십억 개의 트랜지스터를 포함할 수 있습니다.

디지털 집적회로를 형성하기 위해 부품을 모으는 지루하고 긴 과정 때문에, 반도체 물질이나 칩에 많은 또는 적은 수의 전자 부품을 수용하는 집적회로를 활용하는 응용 공정이 사용됩니다.

논리 회로(게이트라고도 함)는 디지털 시스템의 기초입니다.

PCBA에서의 집적회로

5.1 PCBA에서의 집적회로 및 응용

빠른 프로토타이핑, 3D PCB 프린팅이 PCB를 만들고 인쇄회로기판 조립(PCBA, Printed Circuit Board Assembly의 약자)을 수행하기 전에, PCBA에 대해 약간의 정보를 아는 것이 필요합니다.

인쇄회로기판 조립은 다른 재료와 결합한 구리로 구성되어 트레이스와 패드를 형성합니다. 인쇄회로기판은 전자 부품을 제자리에 고정하는 보드입니다.

집적회로는 트랜지스터 같은 다른 부품과 결합된 반도체 물질(실리콘)을 활용합니다. 인쇄회로기판은 칩이 보드 위에 편안하게 자리 잡도록 합니다.

5.2 집적회로 응용

집적회로 응용 분야:

• 개인용 컴퓨터
• 텔레비전
• 메모리 장치

5.3 선택

집적회로는 WellPCB에서 구매 가능하며, 개인 요구사항이 다양하므로 잘 준비되어 있습니다. 저희에게서 PCBA를 진행하실 때 개인 취향에 맞는 다양한 집적회로를 제공합니다.

결론

집적회로는 일상생활의 어려움을 돌파구로 해결해 주는 듯합니다. 아이디어만 얻었던 일반 발명가부터 실행을 도입한 개인까지, 집적회로의 기원을 열었습니다. 속도와 신뢰성 같은 요소들이 시간이 지남에 따라 극적으로 개선되었거나, 그렇지 않다면 여러분이 사용하는 모바일 기기가 이 미니 크기가 아니라 큰 케이스 기기일지도 모릅니다. 요약하자면, 집적회로는 우리 삶에 향상과 더 빠르고 개선되고 안정된 세상을 제공했습니다.

집적회로는 선택에 따라 크게 달라지므로, 여러분의 선택뿐만 아니라 정품도 제공해 드릴 수 있습니다. 조립이 필요하시면 견적 요청하시고, 궁금한 점이나 제안사항이 있으시면 언제든 전해 주세요.