집적 회로

집적 회로(集積回路, 영어: Integrated Circuit) 또는 모놀리식 집적회로, 칩, 마이크로칩, IC는 반도체에 만든 전자회로의 집합을 말한다. 집적회로는 여러 독립된 요소를 집적해서 하나의 칩으로 만든 것인데, 각각의 트랜지스터 칩을 이용해서 회로로 만들 때 보다 훨씬 작게 만들 수 있다. 집적회로는 손톱수준의 크기에 수십억 개의 트랜지스터나 다른 전자부품이 들어갈 수 있을 정도로 조밀하게 만들 수 있다. 기술이 발전할수록 회로선폭은 점점 더 세밀해진다. 2008년에는 100나노미터 미만으로 떨어졌고, 지금은 수십 나노미터이다.
반도체 소자가 진공관처럼 증폭기 및 스위치 역할을 할 수 있다는 것이 밝혀 지고, 반도체 제작 기술이 발달하면서, 집적회로를 만들 수 있게 되었다. 매우 많은 수의 작은 트랜지스터를 작은 칩에 합치는 것은 전자 부품을 이용하여 손으로 회로를 조립하는 것을 넘어서는 굉장한 발전이었다. 집적회로의 대량생산 능력, 신뢰성, 회로 설계에 대한 빌딩블록 방식 접근은 이산 트랜지스터를 이용하던 산업이 빠르게 집적회로를 적용할 수 있도록 하였다.
집적회로는 이산회로에 비교해서, 비용과 성능이라는 두 가지 주요한 장점이 있다. 한 번에 하나의 트랜지스터를 조립하는 방식과는 달리 사진석판술을 이용하여 모든 부품을 한꺼번에 찍어내기 때문에 비용이 낮아 진다. 또한, 크기가 작고 부품들이 조밀하게 설계되어, 동작 속도가 빨라지고, 전력 소모는 줄어들게 된다. 2012년, 전형적인 집적회로의 크기는 수 제곱 밀리미터에서 약 450제곱 밀리미터였고, 제곱 밀리미터당 약 9백만 개의 트랜지스터가 들어있었다.
집적회로는 전자공학에 혁명을 일으켰고 오늘날 거의 모든 전자장비에 사용된다. 현대사회에서 필수불가결한 컴퓨터, 휴대폰 그리고 다른 모든 가전기기들은 싼 가격의 집적회로 덕분에 가능한 것들이다.

정의

집적회로는 다음과 같이 정의된다: 
모든 또는 일부의 회로 소자들이 상업용 따위의 목적으로 불가분하게 배선돼있는 것. 
이 정의를 만족하는 회로들은 박막 트랜지스터, 박막기술, 하이브리드 집적회로 등이 있다.

발명

초기 집적회로의 개발은 독일의 공학자인 베르나 야콥이 집적회로와 비슷한 반도체 증폭 기기에 대한 특허권을 얻은 1949년으로 거슬러 올라간다. 특허권을 얻은 반도체 증폭기는 공통기판위에 5개의 트랜지스터를 포함했고 3단 증폭기 배열로 구성되어있었다. 베르나 야콥은 그의 특허를 응용하는 예로 작고 싼 보청기를 제시했다. 그의 특허에 대한 직접적인 상업적 사용은 알려진 바가 없다.
집적회로의 아이디어는 영국 국방성의 왕립 레이다 시설에서 일하고 있던 레이다 과학자인 제프리 더머(1909-2002)가 생각해냈다. 더머는 1952년 5월 7일 워싱턴주에서 열린 한 심포지엄에서 그 아이디어를 발표했다. 그는 많은 심포지엄에서 그의 아이디어를 알렸지만, 1956년 회로를 실제로 구현하려는 그의 시도는 실패했다.
1958년에 제안된 집적회로에 다가가는 선구적인 아이디어는 각각 별개의 축소시킨 소자를 포함한 작은 세라믹판, 또는 웨이퍼를 만드는 것이었다. 소자들은 그 후에 2차원이나 3차원 적인 압축된 그리드에 통합되고 선으로 연결된다. 당시엔 매우 유망해보였던 이 아이디어는 잭 킬비가 미 육군에게 제안한 것이었고, 미 육군의 초소형 전자제품 개발 계획인 마이크로모듈 프로그램으로 이어졌다. 하지만 프로젝트를 진행하던 중, 킬비는 새롭고 혁신적인 집적회로를 생각해냈다. 콘덴서와 저항기를 트랜지스터 제조에 사용된 것과 동일한 반도체 물질로 된 기판위에다 제조, 집적시키는 것이었다.
킬비는 1958년 텍사스 인스트루먼트에 입사한 뒤, 그해 7월에 집적회로에 관한 그의 첫 아이디어를 기록으로 남겼고, 1958년 12월 12일에 그의 상사에게 처음으로 작동할 수 있는 집적회로를 보여 줄 수 있었다. 1959년 2월 6일 그의 특허 신청서에서, 킬비는 그의 새로운 기기를 "몸체는 반도체이고...모든 소자들은 전자회로 안에 완벽히 집적되어있다"라고 묘사했다. 그의 새로운 발명에 대한 첫 번째 고객은 미 공군이었다.
킬비는 집적회로의 발명에 대한 공로로 1982년에는 미국 발명가 명예의 전당에 오르고 2000년 노벨 물리학상을 받았다
킬비가 집적회로를 생각해내고 반년 뒤, 페어차일드 반도체의 로버트 노이스는 킬비가 풀지 못한 많은 실용적 문제들을 푼 집적회로 아이디어를 생각해냈다. 노이스가 생각해낸 집적회로는 게르마늄으로 이루어진 킬비의 집적회로와는 달리 실리콘으로 이루어져 있었다. 노이스는 p-n 접합 절연의 아이디어를 스프라그 일렉트릭의 커트 레호벡에게서 얻었다고 밝혔는데, 이 절연 덕분에 한 실리콘 위에 있는 트랜지스터가 독립적으로 동작할 수 있게 되었다.
페어차일드 반도체는 또한 현대의 모든 CMOS(Complementary Metal–Oxide–Semiconductor,상보형 금속 산화 반도체) 컴퓨터 칩의 기본이 되는, 셀프 얼라인 게이트를 이용한 첫 번째 실리콘 게이트 집적회로가 만들어진 곳이다. 그 기술은 1968년 이탈리아의 물리학자인 페데리코 파긴에 의해 개발되었고, 그는 후에 첫 번째 단일 칩인 CPU(인텔4004)를 개발하기 위해 인텔에 합류했다. 그 공로로 그는 2010년 전미 기술메달을 받았다.

세대

초기 집적회로는 트랜지스터 몇개만 포함되었고, 설계과정도 상대적으로 단순했다. 제조 분야 또한 오늘날의 기준으로는 꽤 미흡했다. 기술이 발달하면서, 수십억 개의 트랜지스터가 하나의 칩에 들어갈 수 있었고, 새로운 설계방법이 등장했다. 집적회로는 포함된 트랜지스터의 수에 따라 분류할 수 있다.

SSI, MSI, LSI

처음 개발된 집적회로는 트랜지스터 몇개만 들어가 있었다. 소규모 집적이라는 뜻의 SSI(small-scale integration)이라고 불리는 디지털 회로는 수십 개의 트랜지스터만을 포함할 수 있었고 소수의 논리게이트를 구현했다. 예를 들어, 초기 리니어 IC는 2개의 트랜지스터밖에 없었다. 대규모 집적이라는 말은 IBM의 연구원인 롤프 란다우어가 이론적인 개념을 설명할 때 처음 사용했고, 그것에서 SSI나 MSI, VLSI, ULSI가 유래했다.
집적회로의 다음 단계의 발전은 1960년대 후반, 중간 규모의 집적이라는 뜻의 MSI(Middle Scale Integration)라고 불리는 한 칩에 수백 개의 트랜지스터를 포함하는 기기가 소개되면서 일어났다. MSI는 100~1000개의 트랜지스터를 포함하고, 좀더 복잡한 기능을 수행하는 인코더(encoder), 디코더(decoder), 카운터(counter), 레지스터(register), 멀티플렉서(multiplexer) 및 디멀티플렉서(demultiplexer), 소형 기억 장치 등의 기능을 포함하는 부류다. MSI소자는 SSI소자보다 생산하는데 비용이 조금 더 들지만, 작은 회로기판과 적은 조립작업으로 더 복잡한 시스템을 구현할 수 있기 때문에, 경제적으로 매력적이었다.
1970년대 중반, 한 칩에 수만 개의 트랜지스터를 포함하는 LSI가 MSI와 같은 이유로 개발되었다. LSI는 메모리 등과 같이 하나의 칩에 1,000~10,000개에 이르는 등가 게이트를 포함하는 부류이다.
1Kb 램이나 계산기 칩, 세계 최초의 마이크로프로세서 같은 1970년대 꽤 많이 생산되었던 집적회로들은 4천개 이하의 트랜지스터를 포함했다. 만개에 가까운 트랜지스터를 포함한 LSI회로는 1974년쯤에 컴퓨터의 메인메모리와 2세대 마이크로프로세서에 쓰이기 위해 생산되기 시작했다.

VLSI

발전과정의 마지막단계는 1980년대 시작해서 지금까지 이어지고 있는 것으로, VLSI(Very Large Scale Integration)이다. VLSI는 10,000~1,000,000개의 트랜지스터를 포함하는 대규모 칩이다, 대형 마이크로프로세서, 단일 칩 마이크로프로세서(single-chip microprocessor) 등을 포함한다. 이 발전은 1980년대 초기 수십만 개의 트랜지스터로 시작해서 2009년 수십억 개의 트랜지스터를 넘어서 발전하고 있다.
이 정도로 조밀성을 높이기 위해서는 여러 단계의 발전이 필요하다. 생산기업들은 수율을 유지하면서 더 많은 트랜지스터를 포함하는 칩을 만들 수 있도록 세밀한 설계와 깨끗한 생산시설을 추구했다. 공정 향상은 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor, 국제 반도체 기술 로드맵)로 요약할 수 있다. 설계 툴은 이런 설계를 합리적인 시간에 끝낼 수 있도록 발전했다. CMOS는 에너지 면에서 더 효율적이기 때문에, 전력소비의 증가를 피하면서 NMOS(N-channel metal oxide semiconductor,N형 금속 산화막 반도체)와 PMOS(P-channel metal oxide semiconductor,P형 금속 산화막 반도체)를 대체했다.
1986년에 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 최초의 1Mb 크기의 랩이 소개되었다. 1989년 마이크로프로세서 칩에는 백만 개가 넘는 트랜지스터가 들어갔고, 2005년에는 십억 개의 트랜지스터가 들어갔다. 기술의 발전은 조금도 수그러들지 않고, 2007년에는 수백억 개의 메모리 트랜지스터가 들어간 칩이 개발되었다
.

ULSI, WSI, SOC, 3D-IC

복잡성이 더욱 커진 것을 반영하는 ULSI(Ultra-Large-Scale Integration)는 백만 개가 넘는 트랜지스터를 포함하는 초대규모 집적을 의미한다
. 트랜지스터를 1,000,000개 이상 포함하고, 인텔의 486이나 펜티엄이 UVSI에 해당한다. VLSI와 UVSI를 정확하게 구분하기는 어렵다.
웨이퍼 규모 집적은 한 개의 "슈퍼칩"을 만들기 위해 전체 실리콘 웨이퍼를 사용하는 매우 큰 집적회로를 만드는 것을 의미한다. WSI(Wafer-Scale Integration)는 큰 규모와 줄어든 패키징을 통해 특히 병렬 슈퍼컴퓨터 같은 일부 시스템에서 매우 급격히 비용을 줄였다. WSI라는 이름은 WSI가 개발되었을 때의 기술의 발전단계인 VLSI에서 유래되었다.
SOC(System-On-a-Chip)는 컴퓨터나 다른 시스템에 필요한 모든 소자들이 한 개의 칩에 포함된 집적회로이다. 이런 기기의 설계는 매우 복잡하고 비용이 들며, 한 조각의 실리콘에 모든 이질적인 소자들을 포함시키는 것은 특정 소자의 효율성을 희생시킬 수도 있다. 하지만 이런 결점들은 적은 제조비용과 조립비용, 상당히 줄어든 전력소모로 상쇄될 수 있다. 소자들 간의 모든 신호가 한 개의 실리콘에서 교환되기 때문에, 훨씬 적은 전력이 필요하다
.
3차원 집적회로는 한 개의 회로에 수직과 수평으로 집적된 2개 이상의 활성 전자 소자의 층이 있다. 층간의 통신은 한 개의 실리콘에서 일어나는 신호를 이용하며 결과적으로 전력소모가 분리된 동일한 회로보다 더 적게 든다. 짧은 수직 회로 선을 이용하는 것은 더 빠른 작동을 위해 전체 회로 선의 길이를 상당히 줄일 수 있다.

집적회로에서의 발전

코어나 마이크로프로세서는 컴퓨터나 휴대폰부터 전자레인지까지 모든 것을 통제하는 가장 발전한 집적회로이다. 디지털 메모리칩과 ASIC는 현대정보사회에서 중요한 집적회로의 다른 예이다. 복잡한 집적회로를 설계하고 개발하는 비용은 꽤 높지만, 각각의 집적회로의 비용은 보통 수백만 개의 제품에 사용되면서 낮아진다. 집적회로는 작은 크기로 인해 빠른 작동이 가능하게 하는 저 전력 논리회로를 구현 가능하게 하기 때문에 성능이 좋다.
집적회로는 한 칩에 더 많은 회로가 내장될 수 있도록 작은 크기를 지향해 왔다. 이것은 비용을 줄이거나 더 많은 기능을 할 수 있도록 집적회로의 용량을 늘려왔다. 무어의 법칙에서는 2년마다 집적회로에 포함되는 트랜지스터의 개수가 2배씩 늘어난다고 한다. 일반적으로 크기가 줄어들수록 거의 모든 것이 향상된다. 비용과 전력소모는 줄고 속도는 올라간다. 하지만, 나노미터 크기의 집적회로는, 누설전류같은 문제가 발생한다. 이 문제는 현재 하이-k 유전체로 해결하고 있다. 이런 속도저하와 전력소모가 최종사용자에게는 분명히 느껴지기 때문에, 더 정밀한 집적회로를 생산하기 위한 제조기업들간의 치열한 경쟁이 있다. 이런 과정과 몇 년 안에 일어날 것으로 예상되는 발전은 ITRS가 묘사하고 있다.
현재의 연구 프로젝트에서 집적회로는 생체전자공학이나 의학 삽입물에서 센서로 사용될 목적으로 개발되고 있다. 각각의 봉합은 노출된 반도체 물질에 의한 부식이나 분해를 막기 위해 유기물로 이뤄져야 한다. CMOS에서 사용되는 이런 소수의 물질들 중 하나로, 의료삽입물에서 전극역할에 접합하고 안정하다고 밝혀진 질화티타늄(TiN)이 있다
.

패키징

집적회로는 다른 기능소자와 결합하여 전체회로가 구성된다. 따라서 패키지를 통해 PCB상에 결합하여 회로를 구성한다. 개별적인 칩이 하나의 패키지 형태를 갖는 것이 기본이다. 패키지를 만들어 PCB상에 붙이는 방법이 일반적이지만, 비용 상 또는 다른이유로 PCB상에 직접 붙이는 방법도 사용한다.
본딩을 할 때, 반도체 칩을 PCB 상에 고정하고 반도체칩과 PCB상의 패드에 직접 연결한다. 와이어본딩이 보이면 손상을 받을수 있으므로 보호용 재료로 덮는다.
이렇게 직접 PCB에 칩을 붙이는 방법은 문자 LCD와 같은 기능적 블럭이나 장난감 등에 비용에 민감한 분야에 적용하여 전자회로를 구현한다.
PCB상에 직접 칩을 붙이면 칩만 제거하는 일이 불가능하므로 고장시 모듈 전체를 바꾸는 방법으로 시스템 관리 유지한다. 모듈로 기능적 블럭이 확실한 경우에 많이 사용한다.
초기 집적회로는 세라믹 평판에 패키지되었고, 그 방법은 몇 년간 군이 안정성과 작은 크기를 위해 채용하였다. 상업용 회로 패키징은 빠르게 DIP(dual in-line package)로 이동했고, 처음에는 세라믹을 이용했으나 나중엔 플라스틱을 이용했다. 1980년대 VLSI회로의 핀 카운트는 DIP패키징의 한계를 넘어섰고, PGA(Pin Grid Array)나 LCC(Leadless Chip Carrier)패키지로 이동했다. 표면 실장 기술은 1980년대에 나타나기 시작해 1980년대 후반에 널리 퍼졌다.
1990년대 후반, PGA패키지가 고성능 마이크로프로세서에 종종 쓰이긴 했지만, PQFP와 TSOP패키지가 하이 핀 카운트 장치에 흔하게 쓰였다. 인텔과 AMD는 현재 PGA패키지에서 LGA(Land Grid Package)로 바꾸는 추세이다.
BGA(Ball Grid ARRAY)패키지는 1970년대부터 존재했다. FBGA(Flip-chip Ball Grid Array)패키지는 다른 패키지 방식보다 훨씬 더 높은 핀 카운트를 지원하는데 1930년대에 개발되었다. FCBGA패키지에서 다이가 거꾸로 마운트되고, 선보다는 인쇄 회로 기판비슷한 패키지 기판을 통해서 패키지 볼에 연결된다. FCBGA패키지는 입력/출력 신호의 배열이 다이 주변에 한정되기 보다는 전체 다이에 분배될 수 있게 해준다.
여러개의 다이가 한 패키지에 포함되면, 그것은 SiP(System in Package)라고 한다. 여러개의 다이가 보통 세라믹인 한 개의 작은 기판에 결합되면 MCM(Multiple-Chip Module)이라고 한다. 큰 MCM과 작은 인쇄 회로 기판 사이의 구별은 종종 혼란스럽다. 패키지 형태에 따라 DIP(Dual Inline Package), TO, SIP(Single Inline Package), 평면 패키지로 나뉠 수 있다.

칩 라벨링과 제조일자

대부분의 집적회로는, 제조기업의 이름이나 로고, 부품 생산 배치 넘버, 시리얼 넘버 그리고 언제 제조되었는지를 표기하는 4자리의 숫자, 이 4개의 정보를 포함할 수 있을 정도로 크다. 극히 미세한 표면 실장 기술은 칩의 특성을 표시하는 제조기업의 순람표에 쓰이는 한 개의 숫자만을 표기한다.
제조 일자는 보통 연도를 표시하는 2자리 숫자와 주를 표시하는 2자리 숫자로 이루어져있다. 예를 들어 8341은 1983년 41번 째 주에 생산되었다는 말이다.

지적재산권

집적회로 설계를 보호하는 법안들은 집적회로의 각각의 층이나 광학 마스크를 베낄 가능성에서 비롯된 것이다.
1989년 워성턴에서 IPIC조약을 채택한 외교회의가 열렸다. IPIC조약은 지금은 효력의 없지만 TRIPS합의에서 부분적으로 통합되었다.
집적회로 설계디자인을 보호하는 법이 많은 나라에서 채택되고 있다.