Circuito integrado

Antecedentes

Un circuito integrado, comúnmente conocido como IC, es una matriz microscópica de circuitos y componentes electrónicos que se ha difundido o implantado en la superficie de un monocristal, o chip, de material semiconductor como el silicio. Se llama circuito integrado porque los componentes, los circuitos y el material base están todos hechos juntos, o integrados, a partir de una sola pieza de silicio, a diferencia de un circuito discreto en el que los componentes se fabrican por separado de diferentes materiales y se ensamblan más tarde. . Los circuitos integrados varían en complejidad, desde simples módulos lógicos y amplificadores hasta microcomputadoras completas que contienen millones de elementos.

El impacto de los circuitos integrados en nuestras vidas ha sido enorme. Los circuitos integrados se han convertido en los componentes principales de casi todos los dispositivos electrónicos. Estos circuitos en miniatura han demostrado ser de bajo costo, alta confiabilidad, bajos requisitos de energía y altas velocidades de procesamiento en comparación con los tubos de vacío y los transistores que los precedieron. Las microcomputadoras de circuito integrado se utilizan ahora como controladores en equipos como máquinas herramienta, sistemas operativos de vehículos y otras aplicaciones en las que anteriormente se utilizaban controles hidráulicos, neumáticos o mecánicos. Debido a que las microcomputadoras IC son más pequeñas y más versátiles que los mecanismos de control anteriores, permiten que el equipo responda a un rango más amplio de entrada y produzca un rango más amplio de salida. También se pueden reprogramar sin tener que rediseñar los circuitos de control. Las microcomputadoras de circuito integrado son tan económicas que incluso se encuentran en juguetes electrónicos para niños.

Los primeros circuitos integrados se crearon a fines de la década de 1950 en respuesta a una demanda de los militares de electrónica miniaturizada para su uso en sistemas de control de misiles. En ese momento, transistores y placas de circuito impreso eran la tecnología electrónica más avanzada. Aunque los transistores hicieron posibles muchas aplicaciones electrónicas nuevas, los ingenieros aún no pudieron hacer un paquete lo suficientemente pequeño para la gran cantidad de componentes y circuitos requeridos en dispositivos complejos como sistemas de control sofisticados y calculadoras programables de mano. Varias empresas compitieron para producir un gran avance en la electrónica miniaturizada, y sus esfuerzos de desarrollo fueron tan estrechos que existe la duda de qué empresa produjo realmente el primer CI. De hecho, cuando finalmente se patentó el circuito integrado en 1959, la patente se otorgó conjuntamente a dos personas que trabajaban por separado en dos empresas diferentes.

Después de la invención del IC en 1959, la cantidad de componentes y circuitos que podían incorporarse en un solo chip se duplicó cada año durante varios años. Los primeros circuitos integrados contenían solo hasta una docena de componentes. El proceso que produjo estos primeros CI se conoció como integración a pequeña escala o SSI. A mediados de la década de 1960, la integración de mediana escala, MSI, produjo circuitos integrados con cientos de componentes. Esto fue seguido por técnicas de integración a gran escala, o LSI, que produjeron circuitos integrados con miles de componentes e hicieron posible las primeras microcomputadoras.

El primer chip de microcomputadora, a menudo llamado microprocesador, fue desarrollado por Intel Corporation en 1969. Entró en producción comercial en 1971 como Intel 4004. Intel introdujo su chip 8088 en 1979, seguido por Intel 80286, 80386 y 80486. En A fines de la década de 1980 y principios de la de 1990, las designaciones 286, 386 y 486 eran bien conocidas por los usuarios de computadoras por reflejar niveles crecientes de potencia y velocidad de computación. El chip Pentium de Intel es el último de esta serie y refleja un nivel aún más alto.

Cómo se forman los
componentes del circuito integrado

En un circuito integrado, los 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 primero se comprenden algunos de los conceptos básicos de cómo se forman estos componentes.

Incluso antes de que se desarrollara el primer CI, se sabía que los componentes electrónicos comunes se podían fabricar a partir de silicio. La pregunta era cómo hacerlos, y los circuitos de conexión, a partir 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 agregando otros químicos, llamados dopantes. Algunos dopantes se unen al silicio para producir regiones donde los átomos dopantes tienen un electrón que pueden ceder. Estos se llaman regiones N. Otros dopantes se unen al silicio para producir regiones donde los átomos dopantes tienen espacio para tomar un electrón. Estas se llaman regiones P. Cuando una región P toca una región N, el límite entre ellas se denomina unión PN. Este límite tiene solo 0,000004 pulgadas (0,0001 cm) de ancho, pero es crucial para el funcionamiento de los componentes del circuito integrado.

Dentro de una unión PN, los átomos de las dos regiones se unen de tal manera que crean una tercera región, denominada región de agotamiento, en la que los átomos dopantes P capturan todos los electrones dopantes N adicionales, agotando así. Uno de los fenómenos que resulta es que un voltaje positivo aplicado a la región P puede hacer que una corriente eléctrica fluya a través de la unión hacia la región N, pero un voltaje positivo similar aplicado a la región N dará como resultado que fluya poca o ninguna corriente a través de la unión. la unión de regreso a la región P. Esta capacidad de una unión PN para conducir o aislar dependiendo de qué lado se aplique el voltaje se puede usar para formar componentes de circuito integrado que dirigen y controlan los flujos de corriente de la misma manera que los diodos y transistores. Un diodo, por ejemplo, es simplemente una única unión PN. Al alterar la cantidad y los tipos de dopantes y cambiar las formas y ubicaciones relativas de las regiones P y N, también se pueden formar componentes de circuitos integrados que emulan las funciones de resistencias y condensadores.

Diseño

Algunos circuitos integrados pueden considerarse artículos estándar disponibles. Una vez diseñado, no se requieren más trabajos de diseño. Los ejemplos de circuitos integrados estándar incluirían reguladores de voltaje, amplificadores, interruptores analógicos y convertidores de analógico a digital o de digital a analógico. Estos circuitos integrados generalmente se venden a otras empresas que los incorporan en placas de circuitos impresos para diversos productos electrónicos.

Otros circuitos integrados son únicos y requieren un extenso trabajo de diseño. 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 los circuitos integrados. Proporciona la base o sustrato para todo el chip y está dopado químicamente para proporcionar las regiones N y P que forman los componentes del circuito integrado. El silicio debe ser tan puro que solo uno de cada diez mil millones de átomos pueda ser una impureza. Esto equivaldría a un grano de azúcar en diez cubos de arena. El dióxido de silicio se utiliza como aislante y como material dieléctrico en condensadores IC.

Los dopantes típicos de tipo N incluyen fósforo y arsénico. El boro y el galio son dopantes típicos de tipo P. El aluminio se usa comúnmente como conector entre los diversos componentes de CI. Los cables delgados que van del chip del circuito integrado a su paquete de montaje pueden ser de aluminio u oro. El propio paquete de montaje puede estar hecho de materiales cerámicos o plásticos.

El
proceso de fabricación

Cientos de circuitos integrados se fabrican al mismo tiempo en una sola rebanada delgada de silicio y luego se cortan en chips IC individuales. El proceso de fabricación se lleva a cabo en un entorno estrictamente controlado conocido como sala limpia donde se filtra el aire para eliminar las partículas extrañas. Los pocos operadores de equipos que se encuentran en la sala usan prendas, guantes y cobertores que no suelten pelusa para la cabeza y los pies. Dado que 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 esté fabricando, 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 mantiene verticalmente dentro de una cámara de vacío con una bobina de calentamiento de alta temperatura rodeándola. Comenzando en la parte superior del cilindro, el silicio se calienta hasta su punto de fusión de aproximadamente 2550 ° F (1400 ° C). Para evitar la contaminación, la región calentada está contenida solo por la tensión superficial del silicio fundido. A medida que la región se derrite, las impurezas del silicio se vuelven móviles. La bobina de calentamiento se mueve lentamente hacia abajo a lo largo del cilindro y las impurezas se llevan junto con la región fundida. Cuando la bobina de calentamiento llega al fondo, casi todas las impurezas se han arrastrado y se concentran allí. Luego se corta el fondo, dejando un lingote cilíndrico de silicio purificado.
• 2 Una oblea fina y redonda de silicio se corta del lingote utilizando una máquina cortadora precisa llamada cortadora de obleas. Cada rebanada tiene un grosor de aproximadamente 0,01 a 0,025 pulgadas (0,004 a 0,01 cm). La superficie sobre la que se van a formar los circuitos integrados está pulida.
• 3 Las superficies de la oblea se recubren con una capa de dióxido de silicio para formar una base aislante y evitar cualquier oxidación del silicio que podría causar 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. El control de la temperatura y la duración de la exposición controla el grosor de la capa de dióxido de silicio.

Enmascaramiento

• 4 El diseño complejo e interconectado de los circuitos y componentes se prepara en un proceso similar al utilizado para hacer placas de circuito impreso. Sin embargo, para los circuitos integrados, las dimensiones son mucho más pequeñas y hay muchas capas superpuestas una encima de la otra. El diseño de cada capa se prepara en una máquina de dibujo asistida por computadora, y la imagen se convierte en una máscara que se reducirá ópticamente y se transferirá a la superficie de la oblea. La máscara es opaca en ciertas áreas y clara en otras. Tiene las imágenes de los varios cientos de circuitos integrados que se formarán en la oblea.
• 5 Se coloca una gota de material fotorresistente en el centro de la oblea de silicio y la oblea se hace girar rápidamente para distribuir el fotorresistente por toda la superficie. A continuación, se hornea el fotorresistente para eliminar el disolvente.
• 6 La oblea recubierta se coloca debajo de la máscara de primera capa y se irradia con luz. Debido a que los espacios entre los circuitos y los componentes son tan pequeños, se utiliza luz ultravioleta con una longitud de onda muy corta para atravesar las pequeñas áreas transparentes de la máscara. A veces también se utilizan haces de electrones o rayos X para irradiar el fotorresistente.
• 7 Se quita la máscara y se disuelven partes del fotorresistente. Si se utilizó un fotorresistente positivo, las áreas irradiadas se disolverán. Si se utilizó un fotorresistente negativo, las áreas que fueron 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 agregar dopantes para crear una capa de regiones P o N es la difusión atómica. En este método, se coloca un lote de obleas en un horno hecho de un tubo de cuarzo rodeado por un elemento calefactor. Las obleas se calientan a una temperatura de funcionamiento de alrededor de 1500-2200 ° F (816-1205 ° C), y el químico dopante se transporta en un gas inerte. A medida que el dopante y el gas pasan sobre las obleas, el dopante se deposita sobre las superficies calientes que quedan expuestas por el proceso de enmascaramiento. Este método es bueno para el dopaje de áreas relativamente grandes, pero no es preciso para áreas más pequeñas. También existen algunos problemas con el uso repetido de altas temperaturas a medida que se agregan capas sucesivas.

Dopaje - implantación de lon

• 9 El segundo método para agregar dopantes es la implantación de iones. En este método, se ioniza un gas dopante, como fosfina o tricloruro de boro, para proporcionar un haz de iones dopantes de alta energía que se disparan en regiones específicas de la oblea. Los iones penetran en la oblea y permanecen implantados. La profundidad de penetración se puede controlar alterando la energía del haz, y la cantidad de dopante se puede controlar alterando la corriente del haz y el tiempo de exposición. Esquemáticamente, todo el proceso se asemeja al disparo de un rayo en un tubo de rayos catódicos doblado. Este método es tan preciso que no requiere enmascaramiento, solo apunta y dispara el dopante donde se necesita. Sin embargo, es mucho más lento que el proceso de difusión atómica.

Hacer capas sucesivas

• 10 El proceso de enmascaramiento y grabado o dopaje se repite para cada capa sucesiva dependiendo del proceso de dopaje utilizado hasta que se completen todos los chips del circuito integrado. A veces, se coloca una capa de dióxido de silicio para proporcionar un aislante entre capas o componentes. Esto se realiza 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 los puntos de contacto y se deposita una capa de aluminio para hacer las almohadillas de contacto. En este punto, se prueba la función eléctrica de los circuitos integrados individuales.

Fabricación de circuitos integrados individuales

• 11 La oblea delgada es como un trozo de vidrio. Los cientos de fichas individuales se separan marcando un rayado de líneas con un fino diamante . cortador y luego poner la oblea bajo tensión para hacer que cada viruta se separe. Los circuitos integrados que no pasaron la prueba eléctrica se descartan. La inspección al microscopio revela otros circuitos integrados que fueron dañados por el proceso de separación, y estos también se descartan.
• 12 Los circuitos integrados buenos se unen individualmente en su paquete de montaje y los cables delgados se conectan mediante unión ultrasónica o termocompresión. El paquete de montaje está marcado con números de pieza de identificación y otra información.
• 13 Los circuitos integrados completos se sellan en bolsas de plástico antiestáticas para ser almacenados o enviados al usuario final.

Control de calidad

A pesar del entorno controlado y el uso de herramientas de precisión, se rechaza una gran cantidad de chips de circuitos integrados. Aunque el porcentaje de chips rechazados ha disminuido constantemente a lo largo de los años, la tarea de hacer una red entrelazada de circuitos y componentes microscópicos sigue siendo difícil, y una 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 debe ser estrictamente controlado.

Debido a que los chips de circuitos integrados son tan versátiles, ha surgido una importante industria del reciclaje. Muchos circuitos integrados y otros componentes electrónicos se retiran de equipos obsoletos, se prueban y se revenden para su uso en otros dispositivos.

El futuro

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

El próximo gran salto en el avance de los dispositivos electrónicos, si tal salto está por venir, puede involucrar una tecnología de circuitos completamente nueva. Siempre se ha sabido que son posibles mejores dispositivos que el mejor microprocesador. El cerebro humano, por ejemplo, procesa la información de manera mucho más eficiente que cualquier computadora, y algunos futuristas han especulado que la próxima generación de circuitos procesadores será biológica, en lugar de mineral. En este punto, estos asuntos son materia de ficción. No hay indicios inmediatos de que el circuito integrado esté en peligro de extinción.