【電気部品・電子部品の解説】 ICとは? ~電子部品を一纏めにして小型化した部品~

電気電子

電気の仕事をしていると様々な部品を用いる機会が出てきます。
コイル・コンデンサ・IC・コンバータ・パワーサプライなどなど…名前は聞いたことあるけどイマイチ何なのか理解していないものもあるのではないでしょうか?
この記事では、そんな部品について基本からわかりやすく解説していけたらと思っています。
機械部品に関する記事も混ざってたりしますが、深く考えないでください。

分類するのが面倒だっただけです。

今回は、「IC」についての説明です。

1.初めに

ブラウン管テレビ液晶テレビに、携帯電話がスマートフォンに。

時代が進むにつれて何でもかんでも小型化が進んでいますよね。
プリント基板という決められたスペースに各部品配置していくわけですから、小型化は永遠のテーマなのです。
小さければ小さいほどスペースに余裕ができて色んな機能を盛り込めますからね。

そんな小型化を大きく推進させた立役者がICです。

今回は、ICとはそもそも何なのかという基本から順番に説明していこうと思います。

2.ICとは?

ICは英語で[Integrated Circuit]と書きます。
意味は[集積回路]です。
[Integrated]は[統合]、[Circuit]は[回路]なので、何かを統合した回路とも言えますね。
その何かとは電子部品(電子の流れを制御する部品)のことです。

電子部品とは以下のようなものを指します。

これらの電子部品を一つにまとめて超小型化したものがICです。

身の回りにある電子機器(PCやスマートフォンなど)を分解すると、色んな部品が載っている緑色の板が入っています。
これがプリント基板です。
ここに色んな回路を組んでいるんです。

この基板を眺めてると、以下のような黒くて足がいっぱい生えた変な部品があります。

これらがICです。
黒い部分は樹脂製で、中にダイと呼ばれる半導体のチップが入っています。

なぜICが存在するのかと言うと、単純に便利だからです。

回路を組んで特定の動作をさせたいと考えた場合、多少の違いはあれど基本的な回路構成は同じになります。
そんな回路を毎回毎回一から設計するのは時間の無駄だと思いませんか?
コピーできるところはコピーした方が絶対楽ですよね。
そんな悩みを解決してくれるのがICです

特定の動作をする回路を小さくまとめて樹脂パッケージに内蔵して売られているので、使用用途に適したICを選んで使うことで設計が容易になるのです。
コスト削減・設計時間短縮にもなりますし。

カレーに例えると、『スパイスを一から配合してカレーを作るより(電子部品を一から選定して回路を組むより)、カレー粉を使ってカレーを作る(ICを使って回路を組む)方が早いし汎用性がある』という話です。
時間も金もかけてこだわりたいなら一から作ればいいですが、大半の人は後者を選びますよね。

3.ICの開発が進むようになった経緯

電子回路の小型化(ついでに高耐久化)は古くからのテーマなので、半導体を使用したトランジスタや合成樹脂を使用したプリント基板など様々なモノの開発が行われていました。

ですが、回路・抵抗・コンデンサなどの一部の電子回路構成要素は小型化が進まず、従来の形のままでした。
なので、ある時期からは自ずと電子部品をいかに効率的に配置するかという観点で小型化を進めるようになっていました。

そんな中、TI社のJ・キルビーという方がこんな発想をしました。

『トランジスタをゲルマニウム半導体で作るなら、抵抗やコンデンサもゲルマニウム半導体で作り込んでしまおう』と。
『パンが無いならケーキを食べればいいじゃない』みたいなぶっ飛んだ発想ですね。

こうして、様々な電子部品を半導体で作り込むことにより、回路をより小さく凝縮することに成功したわけです。
これを足掛けに急速な技術発展を遂げて今に到ります。

4.ICの構造と製造工程

先程述べたように、何でもかんでも半導体で作り込んでしまおうという発想から生まれたのがICなので、基本は半導体でできています
厳密には、ほぼシリコン結晶です。
最初はゲルマニウムだったのですが、シリコンに移り変わっているのです。

ICの構造は結構単純です。

ウェハから作られたダイと呼ばれる半導体チップが樹脂でできた入れ物・パッケージの中に入っています。
これだけです。
これだけの中に結構な工程や技術が凝縮されているんですよ。

ICの製造工程に関しては以下の外部リンク先にわかりやすい図付きで用意されているので、ここではポイントだけ説明していきます。

半導体ができるまで | nanotec museum
20世紀から今世紀にかけてのエレクトロニクスの発展に、半導体がどのような役割を果たしてきたのか。わたしたちの生活を豊かにしたテクノロジーの発展を、立体的な展示で理解できます。

ウェハは直径8inch(約20cm)もしくは12inch(約30cm)の円形をしていることが多いです。

図3

このウェハ上に、数ミリ~十数ミリ角程度の範囲で回路パターンを作り込みます。
ウェハ全体を埋めつくすようにビッシリとです。
この回路パターンを作り込んだ一角を1個1個のチップとして切り出したものをダイと呼びます。

図4

このダイを配線用のリードを用意した支持体(基盤に当たる部分)にダイボンダという装置を使用して接着します。
後はワイヤボンダという装置を使用してダイとリードをワイヤで接続し、それを樹脂でできた入れ物・パッケージの中に入れることで半導体チップ、所謂ICが出来上がります。

図5

言葉にすると簡単ですが、マイクロとかナノの世界で行っているので難易度は相当なものなんですよ。

5.ICの種類

ICは、アナログ信号処理を行うアナログICとデジタル信号処理を行うデジタルICに二分されます。

アナログICはセンサや増幅器などが当て嵌まります。

デジタルICは更に信号処理用のロジックICと記録用のメモリICに分類されます。
ロジックICはその名の通り論理回路関連のICで、MPUGPUPLDDSPなどが挙げられます。
メモリICも名前通り記録関連のICで、メインメモリROMRAMなどが挙げられます。

用語としての簡単な意味や電気電子分野に少し踏み込んだ説明も気になったら青字下線をクリックしてそれぞれ確認してみてください。
※順次更新していくので、全て用意されているとは限りません。

以上、「IC」についての説明でした。


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