Circuitos integrados (CI): chips compactos y potentes que impulsan la electrónica moderna

Introducción

Un circuito integrado, comúnmente llamado CI, es un array microscópico de circuitos y componentes electrónicos que ha sido difundido o implantado en la superficie de un solo cristal, o chip, de material semiconductor como el silicio. Se llama circuito integrado porque los componentes, circuitos y material base están todos hechos juntos, o integrados, de una sola pieza de silicio, a diferencia de un circuito discreto en que los componentes se fabrican por separado de diferentes materiales y se ensamblan después. Los CI varían en complejidad desde simples módulos lógicos y amplificadores hasta microcomputadoras completas conteniendo millones de elementos.

El impacto de los circuitos integrados en nuestras vidas ha sido enorme. Los CI se han convertido en los componentes principales de casi todos los dispositivos electrónicos. Estos circuitos miniatura han demostrado bajo coste, alta fiabilidad, bajos requisitos de energía y altas velocidades de procesamiento comparados con los tubos de vacío y transistores que les precedieron. Los microcomputadores de circuito integrado se usan ahora como controladores en equipos como herramientas de máquina, sistemas operativos de vehículos y otras aplicaciones donde antes se usaban controles hidráulicos, neumáticos o mecánicos. Porque los microcomputadores CI son más pequeños y versátiles que mecanismos de control previos, permiten que el equipo responda a una gama más amplia de entradas y produzca una gama más amplia de salidas. También pueden reprogramarse sin tener que rediseñar el circuito de control. Los microcomputadores CI son tan baratos que incluso se encuentran en juguetes electrónicos infantiles.

Los primeros circuitos integrados se crearon a finales de los 50 en respuesta a una demanda militar de electrónica miniaturizada para sistemas de control de misiles. En ese momento, transistores y placas de circuito impreso eran la tecnología electrónica de vanguardia. Aunque los transistores hicieron posibles muchas nuevas aplicaciones electrónicas, los ingenieros aún no podían hacer un paquete lo bastante pequeño para el gran número de componentes y circuitos requeridos en dispositivos complejos como sistemas de control sofisticados y calculadoras programables de mano. Varias empresas competían para producir un avance en electrónica miniaturizada, y sus esfuerzos de desarrollo estaban tan igualados que hay dudas sobre qué empresa produjo realmente el primer CI. De hecho, cuando el circuito integrado se patentó finalmente en 1959, la patente se otorgó conjuntamente a dos individuos trabajando por separado en dos empresas diferentes.

Tras la invención del CI en 1959, el número de componentes y circuitos que podían incorporarse en un solo chip se duplicaba cada año durante varios años. Los primeros circuitos integrados contenían solo hasta una docena de componentes. El proceso que producía estos primeros CI se conocía como integración a pequeña escala, o SSI. A mediados de los 60, la integración a media escala, MSI, producía CI con cientos de componentes. Le siguió la integración a gran escala, LSI, que producía CI con miles de componentes y hizo posibles los primeros microcomputadores.

El primer chip de microcomputador, a menudo llamado microprocesador, fue desarrollado por Intel Corporation en 1969. Entró en producción comercial en 1971 como el Intel 4004. Intel introdujo su chip 8088 en 1979, seguido por el 80286, 80386 y 80486. A finales de los 80 y principios de los 90, las designaciones 286, 386 y 486 eran bien conocidas por usuarios de computadoras como reflejo de niveles crecientes de potencia y velocidad de cómputo. El chip Pentium de Intel es el más reciente de esta serie y refleja un nivel aún superior.

Cómo se forman los componentes del circuito integrado

En un circuito integrado, componentes electrónicos como resistencias, condensadores, diodos y transistores se forman directamente sobre la superficie de un cristal de silicio. El proceso de fabricación de un circuito integrado tendrá más sentido si se entienden primero algunos fundamentos de cómo se forman estos componentes.

Incluso antes del primer CI, se sabía que componentes electrónicos comunes podían hacerse de silicio. La pregunta era cómo hacerlos, y los circuitos conectores, de la misma pieza de silicio. La solución fue alterar, o dopar, la composición química de áreas diminutas en la superficie del cristal de silicio añadiendo otros químicos, llamados dopantes. Algunos dopantes se unen al silicio para producir regiones donde los átomos de dopante tienen un electrón que pueden ceder. Estas se llaman regiones N. Otros dopantes se unen al silicio para producir regiones donde los átomos de dopante tienen espacio para tomar un electrón. Estas se llaman regiones P. Cuando una región P toca una región N, el límite entre ellas se refiere como unión PN. Este límite mide solo 0,000004 pulgadas (0,0001 cm) de ancho, pero es crucial para el funcionamiento de componentes de circuitos integrados.

Dentro de una unión PN, los átomos de las dos regiones se unen de manera que crean una tercera región, llamada región de agotamiento, en la que los átomos de dopante P capturan todos los electrones extra del dopante N, agotándolos. Uno de los fenómenos resultantes es que un voltaje positivo aplicado a la región P puede causar una corriente eléctrica que fluya a través de la unión a la región N, pero un voltaje positivo similar aplicado a la región N resultará en poca o ninguna corriente fluyendo de vuelta a la región P. Esta capacidad de una unión PN para conducir o aislar dependiendo de qué lado se aplique el voltaje puede usarse para formar componentes de circuitos integrados que dirigen y controlan flujos de corriente de la misma manera que diodos y transistores. Un diodo, por ejemplo, es simplemente una sola unión PN. Alterando la cantidad y tipos de dopantes y cambiando las formas y colocaciones relativas de regiones P y N, también pueden formarse componentes de circuitos integrados que emulan las funciones de resistencias y condensadores.

Diseño

Algunos circuitos integrados pueden considerarse artículos estándar, de estantería. Una vez diseñados, no se requiere más trabajo de diseño. Ejemplos de CI estándar incluirían reguladores de voltaje, amplificadores, interruptores analógicos y convertidores analógico-digital o digital-analógico. Estos CI se venden usualmente a otras empresas que los incorporan en placas de circuito impreso para diversos productos electrónicos.

Otros circuitos integrados son únicos y requieren trabajo de diseño extensivo. Un ejemplo sería un nuevo microprocesador para computadoras. Este trabajo de diseño puede requerir investigación y desarrollo de nuevos materiales y nuevas técnicas de fabricación para lograr el diseño final.

Materias primas

El silicio puro es la base de la mayoría de circuitos integrados. Proporciona la base, o sustrato, para todo el chip y se dopa químicamente para proveer las regiones N y P que componen los componentes del circuito integrado. El silicio debe ser tan puro que solo uno de cada diez mil millones de átomos puede ser una impureza. Esto equivaldría a un grano de arena en diez cubos de arena. El dióxido de silicio se usa como aislante y como material dieléctrico en condensadores de CI.

Dopantes tipo N típicos incluyen fósforo y arsénico. Boro y galio son dopantes tipo P típicos. El aluminio se usa comúnmente como conector entre los diversos componentes del CI. Los finos hilos de conexión del chip del circuito integrado a su paquete de montaje pueden ser de aluminio u oro. El paquete de montaje en sí puede ser de materiales cerámicos o plásticos.

El proceso de fabricación

Cientos de circuitos integrados se fabrican a la vez en una sola lámina fina de silicio y luego se cortan en chips CI individuales. El proceso de fabricación ocurre en un entorno rigurosamente controlado conocido como sala blanca donde el aire se filtra para eliminar partículas extrañas. Los pocos operadores de equipos en la sala usan prendas sin pelusa, guantes y cubiertas para cabeza y pies. Como algunos componentes de CI son sensibles a ciertas frecuencias de luz, incluso las fuentes de luz se filtran. Aunque los procesos de fabricación pueden variar según el circuito integrado que se haga, el siguiente proceso es típico.

Preparación de la oblea de silicio

• 1 Un lingote cilíndrico de silicio de aproximadamente 1,5 a 4,0 pulgadas (3,8 a 10,2 cm) de diámetro se sostiene verticalmente dentro de una cámara de vacío con una bobina de calentamiento de alta temperatura rodeándolo. Empezando por la parte superior del cilindro, el silicio se calienta a su punto de fusión de aproximadamente 2550 °F (1400 °C). Para evitar contaminación, la región calentada solo se contiene por la tensión superficial del silicio fundido. A medida que la región se funde, cualquier impureza en el silicio se vuelve móvil. La bobina de calentamiento se mueve lentamente hacia abajo a lo largo del cilindro, y las impurezas son arrastradas junto con la región fundida. Cuando la bobina llega al fondo, casi todas las impurezas han sido barridas y se concentran allí. El fondo se corta entonces, dejando un lingote cilíndrico de silicio purificado.
• 2 Una oblea fina y redonda de silicio se corta del lingote usando una máquina de corte precisa llamada rebanadora de obleas. Cada rebanada mide aproximadamente 0,01 a 0,025 pulgadas (0,004 a 0,01 cm) de grosor. La superficie sobre la que se formarán los circuitos integrados se pule.
• 3 Las superficies de la oblea se recubren con una capa de dióxido de silicio para formar una base aislante y prevenir cualquier oxidación del silicio que causaría impurezas. El dióxido de silicio se forma sometiendo la oblea a vapor sobrecalentado a aproximadamente 1830 °F (1000 °C) bajo varias atmósferas de presión para permitir que el oxígeno en el vapor de agua reaccione con el silicio. Controlar la temperatura y duración de exposición controla el grosor de la capa de dióxido de silicio.

Enmascarado

• 4 El diseño complejo e interconectado de los circuitos y componentes se prepara en un proceso similar al usado para hacer placas de circuito impreso. Para CIs, sin embargo, las dimensiones son mucho menores y hay muchas capas superpuestas unas sobre otras. El diseño de cada capa se prepara en una máquina de dibujo asistido por computadora, y la imagen se convierte en una máscara que se reducirá ópticamente y transferirá a la superficie de la oblea. La máscara es opaca en ciertas áreas y transparente en otras. Tiene las imágenes para todos los varios cientos de circuitos integrados a formarse en la oblea.
• 5 Una gota de material fotorresistente se coloca en el centro de la oblea de silicio, y la oblea se gira rápidamente para distribuir el fotorresistente sobre toda la superficie. El fotorresistente se hornea para eliminar el disolvente.
• 6 La oblea recubierta se coloca bajo la primera capa de máscara e irradia con luz. Como los espacios entre circuitos y componentes son tan pequeños, se usa luz ultravioleta de longitud de onda muy corta para colarse por las diminutas áreas transparentes de la máscara. Haces de electrones o rayos X también se usan a veces para irradiar el fotorresistente.
• 7 Se retira la máscara y se disuelven porciones del fotorresistente. Si se usó fotorresistente positivo, las áreas irradiadas se disolverán. Si se usó fotorresistente negativo, las áreas irradiadas permanecerán. Las áreas descubiertas se graban químicamente para abrir una capa o se someten a dopaje químico para crear una capa de regiones P o N.

Dopaje — Difusión atómica

• 8 Un método de añadir dopantes para crear una capa de regiones P o N es la difusión atómica. En este método, un lote de obleas se coloca en un horno hecho de tubo de cuarzo rodeado por elemento calefactor. Las obleas se calientan a una temperatura de operación de aproximadamente 1500-2200 °F (816-1205 °C), y el químico dopante entra en un gas inerte. A medida que el dopante y gas pasan sobre las obleas, el dopante se deposita en las superficies calientes dejadas expuestas por el proceso de enmascarado. Este método es bueno para dopar áreas relativamente grandes, pero no es preciso para áreas más pequeñas. También hay problemas con el uso repetido de altas temperaturas al añadir capas sucesivas.

Dopaje — Implantación iónica

• 9 El segundo método para añadir dopantes es la implantación iónica. En este método, un gas dopante, como fosfina o tricloruro de boro, se ioniza para proveer un haz de iones dopantes de alta energía que se disparan a regiones específicas de la oblea. Los iones penetran la oblea y permanecen implantados. La profundidad de penetración puede controlarse alterando la energía del haz, y la cantidad de dopante puede controlarse alterando la corriente del haz y el tiempo de exposición. Esquemáticamente, todo el proceso se asemeja a disparar un haz en un tubo de rayos catódicos curvado. Este método es tan preciso que no requiere enmascarado —simplemente apunta y dispara el dopante donde se necesita. Sin embargo es mucho más lento que el proceso de difusión atómica.

Creación de capas sucesivas

• 10 El proceso de enmascarado y grabado o dopaje se repite para cada capa sucesiva dependiendo del proceso de dopaje usado hasta que todos los chips de circuito integrado están completos. A veces se deposita una capa de dióxido de silicio para proveer un aislante entre capas o componentes. Esto se hace mediante un proceso conocido como deposición química de vapor, en el que la superficie de la oblea se calienta a aproximadamente 752 °F (400 °C), y una reacción entre los gases silano y oxígeno deposita una capa de dióxido de silicio. Una capa final de dióxido de silicio sella la superficie, un grabado final abre puntos de contacto, y se deposita una capa de aluminio para hacer las almohadillas de contacto. En este punto, los CIs individuales se prueban para función eléctrica.

Creación de CIs individuales

• 11 La oblea fina es como un trozo de vidrio. Los cientos de chips individuales se separan rayando un patrón de cuadrícula con un cortador de diamante fino y luego poniendo la oblea bajo estrés para causar que cada chip se separe. Los CIs que fallaron la prueba eléctrica se descartan. La inspección bajo microscopio revela otros CIs dañados por el proceso de separación, y estos también se descartan.
• 12 Los buenos CIs se enlazan individualmente en su paquete de montaje y los finos hilos de conexión se conectan por unión ultrasónica o termocompresión. El paquete de montaje se marca con números de pieza identificativos y otra información.
• 13 Los circuitos integrados completados se sellan en bolsas plásticas antiestáticas para almacenarse o enviarse al usuario final.

Control de calidad

A pesar del entorno controlado y uso de herramientas de precisión, un alto número de chips de circuito integrado son rechazados. Aunque el porcentaje de chips rechazados ha caído constantemente a lo largo de los años, la tarea de hacer un enrejado entrelazado de circuitos y componentes microscópicos sigue siendo difícil, y cierta cantidad de rechazos es inevitable.

Materiales peligrosos y reciclaje

Los dopantes galio y arsénico, entre otros, son sustancias tóxicas y su almacenamiento, uso y eliminación deben controlarse estrictamente.

Porque los chips de circuito integrado son tan versátiles, ha surgido una industria significativa de reciclaje. Muchos CIs y otros componentes electrónicos se retiran de equipos obsoletos, se prueban y se revenden para uso en otros dispositivos.

El futuro

Es difícil decir con certeza qué depara el futuro para el circuito integrado. Los cambios en tecnología desde la invención del dispositivo han sido rápidos, pero evolutivos. Muchos cambios se han hecho en la arquitectura, o disposición de circuitos, en un chip, pero el circuito integrado sigue siendo un diseño basado en silicio.

El próximo gran salto en el avance de dispositivos electrónicos, si ha de venir, puede involucrar una tecnología de circuito totalmente nueva. Mejores dispositivos que el mejor microprocesador siempre se han sabido posibles. El cerebro humano, por ejemplo, procesa información mucho más eficientemente que cualquier computadora, y algunos futuristas han especulado que la próxima generación de circuitos de procesador será biológica, en lugar de mineral. En este punto, tales materias son materia de ficción. No hay señales inmediatas de que el circuito integrado esté en peligro de extinción.