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  • 集積回路（IC）とは？仕組みや種類をわかりやすく解説！

    • 集積回路（IC）とは？仕組みや種類をわかりやすく解説！

    2024.08.07更新

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    機電系専門ライター Div.長谷川

    長谷川

    FREE AID編集部 機電系専門ライター Div.
    アナログ回路設計・営業を経験した後ライター＆ディレクターとして独立。
    電気電子・ITジャンルを得意とし、正確で分かりやすい情報の発信を行っています。

    集積回路は、数多くの電子部品を圧縮して一つのチップに収めた部品であり、電子回路の小型化・高密度化の立役者です。今回は、集積回路の仕組みや種類、製造工程などの基本情報について解説します。

    集積回路とは

    集積回路とは、微細な半導体部品を作り出すことで、小さなパッケージ内に電子回路を形成した部品のことです。集積回路が開発されるまでは、各種部品のサイズを小型化することに注力されていましたが、それでは微細化に限界がありました。そこで、シリコンなどの半導体ウェハ上に導線パターンを転写し、また不純物ドーピングなどにより半導体上に電子回路自体を成形する方法が発明され、この方法により作られた部品を集積回路と呼ぶようになったのです。

    数個の部品を半導体上に作り出す所から始まった集積回路ですが、回路の微細化と高密度化は加速度的に進み、今では最大億単位の半導体が集積回路の内部に作られるようになっています。

    集積回路の構造別種類

    集積回路は、内部の構造や有する機能によっていくつかの分類が行われています。ここでは、代表的な2つの分類を紹介します。

    モノリシックICとハイブリッドIC

    まず、内部の構造による分類として、モノリシックICとハイブリッドICがあります。モノリシックICは、トランジスタやダイオード、抵抗などの電子部品を半導体上に作り、絶縁樹脂でカバーして端子を取り付けたもので、一般的な集積回路のことです。

    一方、ハイブリッドICはモノリシック回路や半導体、抵抗などを個別で作ったのち、それぞれを基板上に配置して一つのパッケージとした製品のことです。モノリシックICよりサイズが大きくなりコストも高いですが、その分高電圧・高周波信号への耐性が高く、また電子回路の設計を簡略化できるメリットがあります。

    アナログ回路とデジタル回路

    機能上の違いについては、アナログ回路とデジタル回路の分類があります。アナログ回路は、その名の通りアナログ信号を扱う集積回路のことです。信号の増幅が主な用途で、センサーや無線、音声などの信号を増幅する目的で用いられます。

    一方、デジタル回路は1,0のデジタル信号を扱うICです。信号のオンオフ切り替えを行うスイッチ素子の種類別で、バイポーラ型とMOS型に分かれています。ちなみに、デジタルIC、アナログIC両方の信号を扱える存在として、ミックスドシグナルICというのも販売されています。

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    集積回路の機能別種類と呼び方

    集積回路は用途に合わせてさまざまな機能を持つ製品が開発されており、それぞれで呼び名も変わります。代表的な6つの種類を紹介します。

    IC（Integrated Circuit）

    ICは、一般的な集積回路のことです。集積回路が登場した際に呼ばれた名称であり、今でも小規模な集積回路はICと呼ばれています。

    LSI（Large Scale IC）

    ICよりも大規模な集積回路を、ICと分類するために使われる呼称です。数千個以上のトランジスタを内包する集積回路をLSIと呼んでいますが、今ではほとんどのICがLSIの規模以上となっているため、IC＝LSIという呼称が一般的になりつつあります。

    SoC（System on Chip）

    SoCは、複数のLSIを一つのパッケージに封入した集積回路のことです。1つのICで複数の機能を持ち、1つのシステムとして機能するよう設計されています。従来は複数のICを使って設計する必要があった所を、SoC1つで実装できるようになったため、さらなる小型化が実現でき、設計も楽になります。また、パッケージ内で配線が完結するため、通信の高速化などを簡単に実現できるのも特徴です。

    ただし、SoCは開発コストが高いほか、機能の柔軟性がなく設計変更ができないのが欠点です。そのため、大量生産が前提の場合のみ用いられます。

    ASIC（Application Specific Integrated Circuit）

    ASICは、特定の用途に向けて、最適化した機能を実装したICのことです。オーダーメイドで設計・製造するため開発コストは高いですが、一般的なICよりも性能が高く、ICでは実現できない機能を持たせることもできます。一から論理回路を作るフルカスタムASICのほか、基本的な回路や機能を組み合わせて作るセミカスタムASICなどの種類があります。

    FPGA（Field Programmable Gate Array）

    FPGAは、現場でプログラムを書き換え可能なICのことです。論理回路を集積しており、ハードウェア言語を書き換え論理回路の構成を組みなおすことで、さまざまな機能を実装します。通常のICと異なりプログラムを現場で組めるので、柔軟性が高く、ソフト設計に掛かるコストを減らせるのがポイントです。

    ASICやFPGAの機能や特徴についてより詳しく知りたい方は「ASICとFPGAの違いを徹底解説！用途や性能の違いを知って使いこなそう！」を参照ください。

    GPU（Graphics Processing Unit）

    GPUは小型のCPUコアを多数搭載し、並列演算に特化したICです。通常のCPUでは処理しきれない大容量のデータを一気に処理できるのが特徴で、リアルタイム性が求められる画像処理用途で用いられています。今や最近のPCやスマートフォンには欠かせない存在で、ほぼ必ず搭載されています。

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    ICの製造工程

    ICは、他の半導体と同じく半導体ウェーハ上に内部部品やパターンを転写することで作られます。ここからは、ICの製造工程について概要を解説します。

    設計

    半導体ウェハに特定の機能を作り出すには、フォトマスクを用いてパターンを形成する作業が欠かせません。そのため、製造前に回路パターンの設計と、フォトマスクの製造が行われます。

    前工程

    IC製造工程のうち、ウェハ上にトランジスタや配線パターンを作るまでの作業を前工程と呼びます。
    以下の流れで作業が行われ、前工程を通してウェハ上に多数のICチップが製造されます。

     

    1. 1.洗浄・酸化膜生成
    2. 2.フォトマスク転写・エッチング
    3. 3.トランジスタ生成（不純物投入・活性化）
    4. 4.レジスト剥離・電極形成
    5. 5.繰り返しによる積層

     

    後工程

    後工程は、前工程でウェハ上に製造された大量のICチップを切り離し、個別のICパッケージを作り出す工程です。以下の順番で作業を行い、高品質な製品を作り出します。

     

    1. 1.ダイシング
    2. 2.パッケージング
    3. 3.最終検査

     

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    集積回路の市場動向

    最後に、集積回路の市況が確認できる情報として、市場規模の変化や、技術的な動向について紹介します。

    集積回路の市場規模は順調に成長

    まず、集積回路の市場規模はここ数年で堅調に推移しており、将来的にも更なる成長が見込まれます。半導体産業は、これまで約2年ごとに好況、不況を繰り返しており、「シリコンサイクル」と呼ばれてきました。しかし、近年は自動運転技術の発展を始め、5Gの普及やIoTの登場により、半導体市場が5年以上にわたり活況を続ける「スーパーサイクル」が訪れると予測されています。

    実際、米国半導体工業会が発表した統計によると、2021年における世界の半導体売上は前年比26.2%増と大きな伸びを示しており、中でもアナログICの需要が伸びているそうです。

    ムーアの法則に従い微細化が進む

    集積回路の技術動向として重要なのは、内部回路の微細化ですが、こちらはムーアの法則に従って微細化が継続しています。ムーアの法則とは、ゴードン・ムーア氏が1975年に提唱した「半導体の集積度が2年ごとに2倍となる」という予測のことです。

    ムーアの法則が提唱されてから約50年が経過していますが、未だに法則に従って集積度は増加し続けており、最近では3次元構造での集積化が進んでいます。もちろんサイズ上の限界があるため、ムーアの法則にも限界があると思われますが、これまでも多くの技術的課題を乗り越えてムーアの法則を達成してきたことから、今後も一定の集積度向上が見込まれます。

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    まとめ

    今回は、集積回路についての概要と種類、製造方法などについて解説しました。集積回路は、半導体ウェハ上に微細な部品を大量に作り、パッケージ化した電子部品のことです。汎用ICだけでなく、ASICやSoCなどの特殊な集積回路も多数開発されており、高機能な電子機器の心臓部として大きな役割を果たしています。

    日常で使うあらゆる電子機器を始め、自動運転車やIoT、AIなど最新技術に使われるため、集積回路の需要は増え続けています。ムーアの法則に従って更なる高性能化も続いているため、数年後には新たな半導体の製造方法や、新種の集積回路が生まれているかもしれません。

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