میکروالکترونیک شاخه‌ای از مهندسی الکترونیک است که به مطالعه، طراحی، ساخت، و کاربرد قطعات و مدارهای الکترونیکی بسیار کوچک می‌پردازد. این قطعات و مدارها معمولاً در مقیاس میکرومتر یا حتی نانومتر ساخته می‌شوند و پایه و اساس تمامی تجهیزات الکترونیکی مدرن را تشکیل می‌دهند.
اهمیت میکروالکترونیک
میکرو الکترونیک قلب تپنده دنیای مدرن است. بدون آن، هیچ یک از ابزارهای الکترونیکی که امروزه زندگی ما را متحول کرده‌اند، وجود نداشتند. از جمله کاربردهای حیاتی آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
* رایانه‌ها و پردازنده‌ها: ریزپردازنده‌ها (CPU)، حافظه‌ها (RAM, ROM)، و تراشه‌های گرافیکی (GPU) همگی محصولات میکروالکترونیک هستند.
* تلفن‌های همراه و ارتباطات: تمامی قطعات داخلی تلفن‌های هوشمند، تجهیزات مخابراتی، و زیرساخت‌های شبکه‌های بی‌سیم بر پایه میکروالکترونیک ساخته شده‌اند.
* خودروها: سیستم‌های کنترل موتور، کیسه‌های هوا، سیستم‌های ناوبری، و سیستم‌های سرگرمی در خودروهای مدرن از تراشه‌های میکروالکترونیکی استفاده می‌کنند.
* لوازم خانگی: ماشین لباسشویی، یخچال، تلویزیون‌های هوشمند، و سایر لوازم خانگی برای عملکرد خود به مدارهای میکروالکترونیکی نیاز دارند.
* پزشکی: تجهیزات پزشکی پیشرفته مانند دستگاه‌های تصویربرداری (MRI, CT Scan)، پایشگرهای حیاتی، و حتی ابزارهای جراحی رباتیک، به شدت به میکروالکترونیک وابسته هستند.
* صنایع نظامی و هوافضا: سیستم‌های ناوبری، رادارها، و کنترل‌کننده‌های موشک‌ها و فضاپیماها بر اساس فناوری میکروالکترونیک ساخته می‌شوند.
* هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء (IoT): توسعه این حوزه‌ها نیازمند تراشه‌های قدرتمند و کم‌مصرف است که در بستر میکروالکترونیک طراحی و تولید می‌شوند.
اجزا و مفاهیم کلیدی در میکروالکترونیک
* نیمه‌هادی‌ها (Semiconductors): مواد اصلی که در ساخت قطعات میکروالکترونیک به کار می‌روند. سیلیکون رایج‌ترین نیمه‌هادی است.
* ترانزیستورها (Transistors): بلوک‌های سازنده اصلی تمامی مدارهای مجتمع هستند. ترانزیستورها به عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی عمل می‌کنند و جریان برق را کنترل می‌کنند.
* مدارهای مجتمع (Integrated Circuits – ICs یا Chips): مجموعه‌ای از هزاران، میلیون‌ها، یا حتی میلیاردها ترانزیستور و سایر قطعات الکترونیکی که بر روی یک قطعه کوچک از ماده نیمه‌هادی (معمولاً سیلیکون) ساخته شده‌اند.
* فوتولیتوگرافی (Photolithography): فرآیند اصلی در ساخت مدارهای مجتمع که از نور برای الگوبرداری از لایه‌های مختلف روی ویفرهای نیمه‌هادی استفاده می‌کند.
* نانوالکترونیک (Nanoelectronics): زیرشاخه‌ای از میکروالکترونیک که به طراحی و ساخت ادوات الکترونیکی در مقیاس نانومتر (یک میلیاردیم متر) می‌پردازد. این مقیاس، امکان ساخت تراشه‌های کوچک‌تر، سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر را فراهم می‌کند.
مراحل کلی ساخت تراشه‌های میکروالکترونیکی:
ساخت یک تراشه الکترونیکی فرآیندی پیچیده و شامل ده‌ها تا صدها مرحله است که در محیط‌های بسیار تمیز (اتاق‌های تمیز – Cleanrooms) انجام می‌شود:
* رشد کریستال و برش ویفر: ابتدا کریستال‌های بزرگ نیمه‌هادی (مانند سیلیکون) رشد داده می‌شوند و سپس به ویفرهای نازک برش می‌خورند.
* لایه نشانی (Deposition): لایه‌های نازکی از مواد مختلف (مانند اکسیدها، فلزات، یا نیمه‌هادی‌ها) بر روی ویفر نشانده می‌شوند.
* فوتولیتوگرافی (Photolithography): با استفاده از ماسک و نور UV، الگوهای مداری بر روی لایه‌ها ایجاد می‌شوند.
* اچینگ (Etching): با استفاده از مواد شیمیایی یا پلاسما، بخش‌های ناخواسته لایه‌ها حذف می‌شوند تا الگوهای مداری شکل گیرند.
* آلایش (Doping): برای تغییر ویژگی‌های الکتریکی نیمه‌هادی، ناخالصی‌هایی به آن اضافه می‌شود (مثل کاشت یون یا نفوذ).
* متالیزیشن (Metallization): لایه‌های فلزی برای ایجاد اتصالات الکتریکی بین قطعات مختلف روی تراشه نشانده می‌شوند.
* بسته‌بندی (Packaging): پس از ساخت و تست ویفر، تراشه‌های تکی برش خورده و در بسته‌های محافظ قرار می‌گیرند تا برای استفاده آماده شوند.
وضعیت میکروالکترونیک در ایران:
صنعت میکروالکترونیک در ایران در سالیان اخیر مورد توجه قرار گرفته و تلاش‌هایی برای توسعه آن در سطوح پژوهشی و صنعتی در حال انجام است. چالش‌هایی مانند تحریم‌های بین‌المللی (که دسترسی به فناوری‌های لبه و تجهیزات ساخت را محدود می‌کند) و نیاز به سرمایه‌گذاری‌های کلان، مسیر توسعه این صنعت را دشوار کرده است.
مراکز و نهادهای فعال در حوزه میکروالکترونیک در ایران:
* دانشگاه‌ها: بسیاری از دانشگاه‌های برتر کشور (مانند دانشگاه تهران، صنعتی شریف، علم و صنعت، امیرکبیر و …) در دانشکده‌های مهندسی برق و کامپیوتر، آزمایشگاه‌ها و گروه‌های پژوهشی فعال در زمینه میکروالکترونیک و نانوالکترونیک دارند.
* پژوهشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی:
* پژوهشگاه ارتباطات و فناوری اطلاعات (ITRC): دارای پژوهشکده میکروالکترونیک.
* مرکز خدمات تخصصی میکروالکترونیک جهاد دانشگاهی صنعتی شریف: ارائه‌دهنده خدمات تخصصی در زمینه لایه‌نشانی، میکرولیتوگرافی و ساخت تراشه.
* پردیس میکروالکترونیک و فوتونیک ایران: با هدف شبکه‌سازی، استقرار واحدهای فناور و توسعه کارآفرینی در این حوزه.
* ستاد توسعه فناوری‌های میکرو و نانو (ذیل معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری): که مسئول تدوین و اجرای برنامه‌های ملی در این حوزه است.
* شرکت‌های دانش‌بنیان: تعدادی شرکت دانش‌بنیان در زمینه طراحی، ساخت نمونه و ارائه خدمات مرتبط با میکروالکترونیک در کشور فعالیت می‌کنند.
* انجمن میکروالکترونیک ایران: نهادی تخصصی که به برگزاری کنفرانس‌ها و سمینارها و توسعه ارتباطات علمی در این حوزه می‌پردازد.
توسعه صنعت میکروالکترونیک برای هر کشوری، به ویژه در عصر حاضر که فناوری‌های دیجیتال و هوش مصنوعی محور توسعه هستند، یک اولویت راهبردی محسوب می‌شود. ایران نیز با وجود چالش‌ها، در تلاش است تا با استفاده از پتانسیل‌های داخلی و تمرکز بر طراحی و ساخت تراشه‌های خاص منظوره، گام‌هایی در این مسیر بردارد.