마이크로칩이란?
마이크로칩은 회로에 연결된 트랜지스터, 다이오드, 레지스터 및 콘덴서를 포함한 전자 부품을 만들기 위해 다른 도판트, 산화물 및 금속을 사용하여 개질된 작고 평평한 반도체 재료로 구성된 전자 소자입니다.
마이크로칩의 다른 명칭은 다음과 같습니다.
- 집적 회로(IC)
- 컴퓨터 칩
- 반도체
- 칩
집적 회로는 연결된 개별 구성 요소의 어셈블리를 전선 또는 인쇄 회로 기판(PCB)으로 대체했습니다. 이는 크기가 훨씬 작고 전력 소모가 월등히 적으며 훨씬 더 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 단일 모놀리식 소자이기 때문입니다.
1821년에 Thomas Johann Seebec이 반도체 재료를 발견했고, 1947년에 Willam Shockley가 최초의 반도체 트랜지스터를 만들었습니다. 1959년에 Robert Noyce가 구성 요소와 모든 배선을 단일 소자로 결합했습니다. 이러한 발명과 그 후로 이어진 모든 발명을 촉발시킨 것은 평면 제조 공정이었습니다. 평면 제조 공정이란 포토리소그래피를 사용하여 재료를 한 번에 한 층씩 정확한 방식으로 증착시키고 제거하는 공정을 말합니다.
집적 회로는 현대 생활에서 없어서는 안 될 요소로, 장난감부터 심우주 탐사선에 이르기까지 다양한 장치에 사용되는 전자 장치를 제공합니다. 2023년 전 세계 마이크로칩 판매 수익은 5269억 달러였습니다. 또한 당해 매출에서 칩 사용량이 컴퓨터를 넘어설 정도로 큰 폭의 증가세를 보였는데, 통신 분야는 32%, 자동차 애플리케이션 분야는 17%, 산업 기기 분야는 14%, 가전제품 분야는 11% 증가했고, 컴퓨팅의 경우 증가율이 25%에 그쳤습니다.
IC의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가할 것이라는 무어의 법칙에 따르면 회로의 복잡성이 증가하고 구성 요소의 크기가 계속 감소함에 따라 각 세대의 칩에서 마이크로칩을 설계하고 제조하는 일이 더욱 어려워집니다.
칩에 있는 개별 요소의 일반적인 크기를 최소 선폭이라고 하며 측정 단위는 나노미터(nm) 또는 10억 분의 1미터입니다. 현재 반도체 제조업체는 14nm, 10nm, 7nm, 5nm 및 3nm 공정을 사용하고 있으며, 2nm 기술은 곧 적용될 예정입니다. 비교하자면, 쌀 한 알의 길이는 5백만 나노미터입니다.
2023년에 연구원들은 1조 2천억 개의 트랜지스터가 포함된 사상 초유의 마이크로프로세서를 개발했습니다. 2024년 인텔의 CPU 라인은 단일 칩에 1억 개 이상의 트랜지스터가 포함되어 있습니다.
일반적인 마이크로칩의 요소
집적 회로는 반도체 재료(일반적으로 실리콘)로 만들어지며 겹치는 층으로 적층됩니다. 마이크로칩의 가장 일반적인 요소는 다음과 같습니다.
- 실리콘 기판: 기본 순수 실리콘 결정층으로, 다른 재료를 제거하거나 증착시키거나 결정 재료를 도핑하여 다른 층을 구성할 수 있습니다.
- 층: 전자 회로는 개별 층에 생성됩니다. 층은 원하는 구성 요소와 배선을 생성하기 위해 포토리소그래피, 식각 및 증착으로 개질됩니다. 일부 층은 전기 절연체 역할도 합니다.
- 전극: 층 간에 전기 신호를 전송하는 데 사용되는 전도 영역(일반적으로 원통형)입니다.
- 구성 요소: 원하는 회로를 구성하는 전자 소자입니다. 대부분의 IC에서 이는 트랜지스터, 콘덴서, 다이오드, 저항기 및 인덕터로 구성됩니다.
- 배선: 특정 층에서 구성 요소 간에 또는 전극까지 전기를 전도하는 금속 배선입니다.
- 패키징: 완료되면 IC가 반도체 패키지라는 어셈블리 안에 배치되는데, 이는 섬세한 실리콘 칩을 보호 및 절연하고, 여러 칩을 연결할 수 있으며, 더 큰 전자 회로에 칩을 연결하는 방법을 제공합니다.
마이크로칩 제조 방법
마이크로칩 제조는 세 단계로 이루어집니다. 각 단계는 비용을 최소화하고 품질을 보장하며 효율을 극대화하기 위해 고도로 최적화되고 자동화되었습니다. 각 단계에 따라 구성 요소의 크기, 형태 및 간격이 결정되기 때문에 IC를 설계하는 엔지니어는 제조 공정을 잘 이해해야 합니다.
1단계: 웨이퍼 생산
반도체 제조의 첫 번째 단계는 블랭크 실리콘 웨이퍼를 만드는 것입니다. 이 공정에서는 먼저 일반적으로 순수 실리콘인 반도체 재료의 보울이라고 하는 단결정 원통형 잉곳을 성장시킵니다. 그런 다음 얇은 웨이퍼로 보울을 슬라이스하고, 가공을 통해 표면을 평평하게 만들고, 화학적 식각을 통해 가공으로 인한 손상을 제거한 후 광택을 냅니다. 전자 웨이퍼는 일반적으로 직경이 100~450mm입니다. 가장 일반적인 크기는 가로 300mm, 두께 755µm입니다.
2단계: 제조
모든 구성 요소와 배선이 있는 회로는 일반적으로 팹이라고 하는 반도체 제조 시설에서 제작됩니다. 회로의 각 층과 토폴로지는 일련의 고도로 제어된 단계로 제작됩니다. 로봇이 기계 간에 웨이퍼 다발을 이동합니다. 대부분의 칩 제조 공정은 각 층마다 다음 단계를 따릅니다.
- 층을 완전히 덮도록 산화막 실리콘 층을 성장시킵니다(패시베이션이라고도 함).
- 포토레지스트 코팅을 추가합니다.
- 생성하려는 형상 패턴의 포토레지스트 층을 자외선에 노출시킵니다. 그러면 포토레지스트 층이 현상되고 빛에 노출된 재료가 제거됩니다. 이를 포토리소그래피라고 합니다.
- 화학물질(일반적으로 강산)을 사용하여 포토레지스트가 제거된 산화층을 제거합니다. 이를 식각이라고 합니다.
- 현상되지 않은 포토레지스트 재료를 제거합니다.
- 층에 도핑이 필요한 경우, 결정 구조에 오염물질을 이온 이식하면 트랜지스터 및 기타 구성 요소에 대해 원하는 반도체 거동이 발생합니다.
- 다른 재료의 경우 다양한 형태의 화학 또는 증기 증착을 사용하여 배선, 전극 및 기타 구성 요소를 생성합니다.
3단계: 패키징
각 층을 구성하고 웨이퍼를 세척하고 테스트한 후에는 다이라고 하는 개별 칩으로 절단합니다. 그런 다음 본딩을 통해 하나 이상의 다이를 구조에 부착하고 응용 분야에 따라 다른 재료에 IC를 캡슐화합니다. 일부 패키지에는 단일 칩이 포함되어 있지만 현재의 트렌드는 여러 다이를 단일 패키지에 결합하는 것입니다.
마이크로칩 유형 및 용도
집적 회로의 유형과 용도는 매년 증가하고 있습니다. 초기 IC는 단일 기능을 수행한 경우가 많았습니다. 그러나 제조 기술과 설계 툴이 개선되면서 다기능 칩으로 바뀌었습니다.
스마트폰은 단일 소자에 다양한 용도의 여러 가지 칩을 결합하는 방법을 보여주는 좋은 예입니다. 여기에는 5G 라디오 및 GPS용 RF(무선 주파수) 칩, 카메라용 광전자 칩, 디스플레이용 LED 칩, 처리 장치용 디지털 IC, 가속도계용 MEMS(Micro-Electromechanical System) 칩, 다양한 용도를 감지, 제어 및 수정하기 위한 12개의 기타 집적 회로가 포함됩니다.
다양한 유형의 칩을 해당 칩이 전달하는 신호에 따라 분류할 수 있습니다.
아날로그 집적 회로
아날로그 신호는 고전압 또는 저전압 신호뿐만 아니라 연속 전압 범위에 걸쳐 전압을 전달합니다. 증폭, 주파수 필터링 및 신호 혼합에 사용됩니다. 아날로그 IC의 주파수와 전력은 크게 다를 수 있으며, 주파수와 전력이 높으면 설계와 관련하여 해결해야 할 과제가 상당히 많습니다.
아날로그 IC의 일반적인 용도는 다음과 같습니다.
- 광학, 열 및 오디오 센서
- 전원 관리 회로
- 연산 증폭기(op-amp)
- 오디오 및 비디오 신호 처리
- 통신(무선 통신 및 광학 신호 처리 포함)
- RF 회로
- 신호 조절
- 기계 컨트롤러
디지털 집적 회로
디지털 IC는 트랜지스터로 만들어진 수백만 개 또는 수십억 개의 로직 게이트를 포함하는 로직 소자입니다. 고정된 클록 주파수에서 실행되는 신호는 높음 또는 낮음, 0 또는 1로 수정되거나 측정됩니다. 서로 다른 로직 소자를 결합하면 매우 적은 전력을 사용하여 매우 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다.
디지털 IC의 가장 일반적인 용도는 다음과 같습니다.
- 로직 IC 또는 프로세서
- 마이크로프로세서
- 마이크로컨트롤러
- 응용 분야별 집적 회로(ASIC)
- 메모리 칩
- FPGA(Field Programmable Gate Arrays, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)
- 디지털 전력 관리 소자
- SoC(System-on-a-Chip) 소자
- 멀티 다이 칩
혼합 신호 집적 회로
일부 집적 회로는 아날로그 및 디지털 신호를 처리하고 두 신호 간에 변환하기 위해 회로를 결합하여 혼합 신호 집적 회로를 만듭니다. 아날로그 신호가 감지되거나 생성되고 해당 신호를 읽거나 만들거나 수정하기 위해 로직 연산이 필요한 경우에 사용됩니다.
혼합 신호 IC의 가장 일반적인 용도는 다음과 같습니다.
마이크로칩 기술의 미래 트렌드
마이크로칩은 미래에도 과거와 마찬가지로 더 작은 크기로 더 많은 기능을 제공하면서도 지속적으로 비용을 낮출 것입니다. 또한 제조 기술의 발전으로 더 나은 성능과 새로운 응용 분야를 위한 새로운 기회가 생겨날 것입니다.
가까운 미래에 전기 엔지니어링 설계 및 시뮬레이션을 주도할 트렌드는 다음과 같습니다.
팹리스 설계 및 파운드리로 전환
업계 모델은 자체적으로 IC를 설계한 다음 칩 제조 전문 회사에 제조 공정을 아웃소싱할 수 있는 모델로 수년에 걸쳐 전환되었습니다. 이를 팹리스 설계라고 하고, 계약 제조업체를 파운드리라고 합니다. 따라서 Apple 및 Qualcomm과 같은 기업은 자본 투자를 통한 자체 제조 시설 구축 없이 혁신적인 신제품을 설계할 수 있습니다. 엔지니어는 해당 파운드리의 제조 공정 및 표준에 맞게 설계해야 합니다.
최소 선폭 축소
최소 선폭이 계속 축소되면서 전력 및 신호 무결성 문제가 발생하고 있습니다. 전기 엔지니어는 경쟁력을 유지하기 위해 이러한 새로운 기능을 사용하고 시뮬레이션 및 설계 모범 사례를 활용하여 설계를 통해 문제를 방지해야 합니다.
전자 소자의 복잡성과 결합된 기능
시간이 지나면서 단일 칩에서 더 뛰어난 기능을 찾는 전자 소자 설계자가 점점 더 많아지고 있습니다. IoT(사물 인터넷) 장치, 새로운 솔리드 스테이트 장기 스토리지 및 GPU 칩은 동일한 칩에 새로운 요소와 기능을 추가할 뿐만 아니라 이러한 기능 간의 상호 작용도 더욱 정교해지는 집적 회로의 예를 보여줍니다. 엔지니어가 설계를 진행하려면 설계 및 시뮬레이션 툴이 필요하기 때문에 업계는 기술을 도입하고 있습니다. 임플란트 마이크로칩과 같은 생의학 전자 장치는 단일 칩에 여러 기능이 필요한 또 다른 영역이 될 것입니다.
더 높은 클록 속도 및 주파수
성능 향상에 대한 수요와 RF 기술의 발전으로 인해 디지털 IC의 클록 속도와 아날로그 및 혼합 신호 칩의 주파수가 높아지고 있습니다. 둘 다 신호 무결성 및 전원 관리 문제를 일으킵니다.
향상된 에너지 효율로 컴퓨터 성능 향상
인공 지능, 암호 화폐 채굴 및 IoT 애플리케이션과 같은 트렌드를 지원하기 위해 고성능 컴퓨팅을 위한 데이터 센터가 성장함에 따라 마이크로프로세서의 성능 향상에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 애플리케이션으로 인해 업계에서는 데이터 전송 속도를 높이는 데 필요한 모든 칩과 함께 FPGA, 솔리드 스테이트 하드 드라이브, 메모리 및 GPU의 개선이 요구되고 있습니다.
컴퓨팅 그 이상의 활용
자동차, 가전제품 및 산업용 응용 분야에서 마이크로칩 사용량의 증가 추세는 계속될 것입니다. 거의 모든 제품이 광대역 연결, 센서 및 컴퓨팅 성능을 지원하는 스마트 장치로 설계되며, 이 모든 제품에는 마이크로칩이 필요합니다.
마이크로칩 설계 시뮬레이션
마이크로칩 제조의 복잡성과 비용으로 인해 물리적 프로토타입 설계는 현실성이 떨어집니다. 대신 엔지니어는 시뮬레이션을 통해 가상 프로토타입을 제작하여 설계를 진행하고, 성능을 확인하며, 생산이 시작되기 전에 문제를 식별하고 해결합니다. 시뮬레이션은 패키징을 설계하고 칩을 만드는 반도체 제조 기계를 최적화하는 데도 사용됩니다.
디지털 마이크로칩에 사용되는 시뮬레이션은 RTL 설계를 통해 추상적인 수준에서 디지털 설계의 논리적 기능을 확인하는 것부터 시작합니다. 여기에는 Ansys PowerArtist™ 소프트웨어를 사용하여 전원 관리부터 검토하는 과정이 포함됩니다. 이 툴은 공정 초기에 설계의 전력 요구 사항을 평가하고 전력 효율이 더 높은 설계를 진행하는 데 도움이 됩니다.
물리적 설계가 완성되면 엔지니어는 디지털 IC의 전원 노이즈 및 신뢰성 부문에서 신뢰할 수 있는 업계 선두 소프트웨어인 Ansys RedHawk-SC™ 소프트웨어를 사용하여 설계의 전압 강하 및 일렉트로마이그레이션을 평가할 수 있습니다.
아날로그 및 혼합 신호 측면에서 전원 무결성 및 신뢰성 사인오프를 위한 공정에 Ansys Totem™ 소프트웨어를 도입할 수 있습니다. 일렉트로마이그레이션 다중물리에 대한 업계의 신뢰할 수 있는 골드 표준으로, 모든 주요 파운드리에서 인증을 받았습니다(3nm까지). 또한 Ansys PathFinder-SC™ 소프트웨어와 함께 작동하여 정전기 방전을 계산합니다.
설계가 최적화되고 확인되면 패키징 엔지니어는 시뮬레이션을 사용하여 전체 마이크로칩 패키지의 전원, 신호 무결성 및 견고성을 최적화할 수 있습니다. RedHawk-SC 소프트웨어는 시스템-인-패키지 설계를 포함한 대규모 멀티칩 구성을 처리하도록 설계되었습니다. 고급 반도체 패키징은 2.5D 및 3D-IC 접근 방식을 사용하여 동일한 패키지에 여러 다이를 결합하고 연결합니다. 설계를 확인하고 최적화하는 데 주로 사용되는 방법은 RedHawk-SC 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션입니다.
설계의 전기적 측면이 해결되면 패키징 엔지니어는 구조적 신뢰성 및 열 관리를 위해 Ansys Mechanical™ 소프트웨어 및 Ansys Icepak® 툴과 같은 툴을 사용할 수 있습니다.