كيف يتم صناعة الرقائق الالكترونية

ما هي الرقائق الإلكترونية

تتكون الرقائق الإلكترونية من قطع صغيرة مصنوعة من السيليكون، وتغلف في حاوية من البلاستيك أو الخزف تسمى الحزمة. وتعمل الرقائق الإلكترونية على تضخيم الإشارات الكهربائية أو كمفتاح تشغيل/إيقاف في تطبيقات الحاسوب الآلي (الكمبيوتر)، وقد تكون الرقاقة عبارة عن ترانزستور واحد أو دائرة متكاملة تضم مجموعة مترابطة من الترانزستورات.

تعد الترانزستورات العنصر الأساسي في الدائرة الإلكترونية، وهي رقائق إلكترونية تعمل كصمامات تمرر التيار في اتجاه واحد. تتألف الدائرة الإلكترونية من عناصر أخرى سلبية بجانب الترانزستورات مثل المكثفات والمقاومات. المقاومات توفر مقاومة محددة للتيار، بينما تخزن المكثفات الشحنة الكهربائية. هناك عنصر آخر في الدائرة الإلكترونية يخزن الطاقة في شكل مجال مغناطيسي، ويعرف بالمحرض.

كيف تعمل الرقائق الإلكترونية

تتكون الرقاقة من مادة أشبه بالموصلات، وتم دمجها في الدوائر المتكاملة، كما تتكون من ذاكرة الوصول العشوائي ووحدات المعالجة. وتعد عملية تصنيع الرقاقات الإلكترونية عملية دقيقة للغاية، وتتم في غرفة نظيفة لتجنب أي تلوث ممكن أن يحدث بسبب التلوث المجهري.

يتم استخدام رقائق إلكترونية في العديد من الأجهزة اليومية، مثل تشغيل الهواتف الذكية وأجهزة اللابتوب فائقة النحافة والأجهزة اللوحية وأجهزة الحوسبة العالية الأداء ومراكز البيانات. وهناك العديد من أنواع المعالجات المتاحة، حيث يحتوي المعالج المتطور على المليارات من الترانزستورات المتصلة ببعضها البعض عن طريق أسلاك رفيعة من النحاس. تعمل هذه الترانزستورات كمفاتيح تشغيل / إيقاف للتحكم في كمية الكهرباء المارة، وذلك من خلال الرقاقة الإلكترونية لإرسال واستقبال ومعالجة المعلومات.

وتتكون الرقاقة مما يأتي :

• السيليكون هو عنصر من أشباه الموصلات الطبيعية، ويتواجد بوفرة على سطح الأرض ويشكل المكون الرئيسي في رمال شواطئ البحر. ولإستخدامه في صنع الرقائق الإلكترونية، يتم تنقيته وصهره ثم تبريده لتشكيل سبيكة من السيليكون، ومن ثم قطعها على شكل أقراص تسمى الرقائق، ويتم تصنيع كافة الرقائق في نفس الوقت على شكل شبكة على سطح الرقاقة. يتم ذلك في منشأة تصنيع خاصة.
• الرقاقة هي جهاز معقد يبدو مسطحا من الخارج ولكنه يتكون ثلاثي الأبعاد من حوالي ثلاثين طبقة من الدوائر الإلكترونية المعقدة. تشكل الرقاقة الأساسية لأي جهاز كمبيوتر، وتتم صناعتها في غرف نظيفة عالية الدقة يرتدي فيها الفنيون بدلات خاصة تحمي الرقائق من الشوائب مثل الشعر والغبار. تعرف هذه البدلات باسم “بدلات الأران.

ما قبل تصنيع الرقاقات الإلكترونية

يتطلب صنع الرقائق الإلكترونية عدة خطوات ومكونات، حيث يتم تمرير الشريحة أو الرقاقة خلالها، وسنشرح هذه الخطوات والمكونات التفصيلية فيما يلي

تجهيز السيليكون

يتم استخراج السيليكون من الرمال، وبالتحديد من رمال السيليكا المستخدمة بشكل خاص في صناعة الرقائق الإلكترونية، كما يتم استخراجه بتركيزات عالية من الكوارتز أو ما يعرف بثاني أكسيد السيليكون، وتصل تركيزاته إلى 95%.

تبدأ عملية تجهيز السيليكون من أجل صناعة الرقائق الإلكترونية بتسخين الرمال عن طريق الكربون كعامل اختزال من أجل إنتاج أول أكسيد الكربون والسيليكون ، ومن الممكن أن يكون ناتج عملية الاحتلال هذه نقي بنسبة 99% وهو السيليكون المعدني (MG-Si) ، ثم تستمر المعالجة حتى يتم الحصول على السيليكون ذو النقاء الالكتروني العالي.

يجب أن يكون السيليكون المستخدم في الدوائر الإلكترونية نقيا بدرجة عالية، ويجب أن يتكون من بلورة كاملة تزرع عن طريق وضع بذرة صغيرة تلامس سطح خزان من السيليكون المصهور، ونظرا لأن بلورة البذرة يتم سحبها ببطء بعيدا عن الذوبان، فإن ذرات السيليكون تنتشر على السطح السفلي وتتطابق مع الشبكة البلورية للبذرة وتمددها بشكل تام، مما ينتج عنها كرة كبيرة على شكل اسطوانة يتم قطعها إلى شرائح سماكتها أقل من مليمتر واحد، ثم يتم تلميع أسطح الرقائق بشكل أملس ذريا، ويتم تشكيل الحواف لإزالة التشققات والرقائق.

طريقة تصميم الرقاقة الالكترونية

يتم استخدام مواصفات تصميم الرقاقة بحيث تشمل حجم الرقاقة وعدد الترانزستورات واختبارها وعوامل الإنتاج، لإنشاء تمثيلات رمزية للترانزستورات والتوصيلات التي تتحكم في تدفق الكهرباء عبر الشريحة، ومن ثم يقوم المصممون بصنع أنماط لكل طبقة تسمى الأقنعة، باستخدام محطات عمل التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) لإجراء عمليات محاكاة واختبارات شاملة لوظائف الرقاقة. ولتصميم الشريحة واختبارها وجعلها جاهزة للتصنيع، يتطلب ذلك مئات الأشخاص.

تصنيع الرقاقة الالكترونية

تستخدم وصفة محددة لتصنيع الرقاقات وفقا للاستخدام المقترح، وتتضمن عملية الطباعة الليثوغرافية الضوئية لتشكيل ترانزستورات طبقات ودوائر كهربائية متعددة على رقاقة واحدة. يتم تصنيع مئات المعالجات المتطابقة دفعة واحدة على رقاقة سيليكون واحدة، وعند اكتمال تصنيع جميع الطبقات، يتم إجراء اختبار فرز الرقاقات بواسطة الكمبيوتر. يضمن هذا الاختبار أن الرقائق تعمل وفقا لمواصفات التصميم.

طريقة تغليف الرقاقة الالكترونية

بعد انتهاء عملية التصنيع، يأتي الوقت لعملية التعبئة والتغليف، وفيها يتم العمل على:

• تقطيع رقاقة النفطة إلى قطع منفصلة يسمى ذلك بـ `الموت`.
• يتم تعبئة القالب بين ركيزة وموزع حراري لتشكيل معالج كامل، وتحمي العبوة القالب وتوفر توصيلات طاقة وتوصيلات كهربائية ضرورية عند وضعها مباشرة في لوحة دوائر الكمبيوتر أو الأجهزة المحمولة.

استخدامات الرقائق الإلكترونية

بسبب صغر حجم الرقاقات الإلكترونية، استُخدمت في العديد من الاختراعات المستخدمة في الحياة اليومية، مثل:

• تشمل الأدوات التحكم بالسيارات وأجهزة الكمبيوتر والتلفزيون والميكروويف والأجهزة المحمولة ومحطات اللعب والهواتف المحمولة والكاميرات.
• شحن المعدات، والطائرات الجوية، والمركبات الفضائية.
• تبديل دوائر الهاتف ومعالجة البيانات.
• المعدات العسكرية.
• الساعة الرقمية.
• الآلة الحاسبة.
• مضخمات الطاقة.
• مضخمات الإشارة الصغيرة.
• مكبرات الصوت التنفيذية.
• مضخمات الميكروويف.
• مكبرات الصوت RF و IF.
• مقارنات الجهد.
• مستقبلات الراديو.
• الجهد المنظم.