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Circuitos integrados de memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM) en paquetes duales en línea . Estos paquetes tienen una ventana transparente que muestra el interior del dado . La ventana se utiliza para borrar la memoria al exponer el chip a la luz ultravioleta .
Circuito integrado de un microchip de memoria EPROM que muestra los bloques de memoria, los circuitos de soporte y los finos cables plateados que conectan el circuito integrado a las patas del embalaje.
Detalle virtual de un circuito integrado a través de cuatro capas de interconexión de cobre planarizada , hasta el polisilicio (rosa), los pozos (grisáceo) y el sustrato (verde)

Un circuito integrado o circuito integrado monolítico (también conocido como IC , chip o microchip ) es un conjunto de circuitos electrónicos en una pequeña pieza plana (o "chip") de material semiconductor que normalmente es silicio . La integración de una gran cantidad de pequeños transistores MOS en un chip pequeño da como resultado circuitos que son órdenes de magnitud más pequeños, más rápidos y menos costosos que los construidos con componentes electrónicos discretos . La capacidad de producción en masa , la confiabilidad y el enfoque de bloques de construcción del IC paraEl diseño de circuitos integrados ha garantizado la rápida adopción de circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños que utilizan transistores discretos . Los circuitos integrados se utilizan ahora en prácticamente todos los equipos electrónicos y han revolucionado el mundo de la electrónica . Las computadoras , los teléfonos móviles y otros electrodomésticos digitales son ahora partes inseparables de la estructura de las sociedades modernas, gracias al pequeño tamaño y al bajo costo de los circuitos integrados.

Los circuitos integrados se hicieron prácticos gracias a los avances tecnológicos en la fabricación de dispositivos semiconductores de óxido de metal-silicio (MOS) . Desde sus orígenes en la década de 1960, el tamaño, la velocidad y la capacidad de los chips han progresado enormemente, impulsados ​​por los avances técnicos que encajan cada vez más transistores MOS en chips del mismo tamaño: un chip moderno puede tener muchos miles de millones de transistores MOS en un mismo tamaño. área del tamaño de una uña humana. Estos avances, siguiendo aproximadamente la ley de Moore , hacen que los chips de computadora de hoy posean millones de veces la capacidad y miles de veces la velocidad de los chips de computadora de principios de la década de 1970.

Los circuitos integrados tienen dos ventajas principales sobre los circuitos discretos : costo y rendimiento. El costo es bajo porque los chips, con todos sus componentes, se imprimen como una unidad mediante fotolitografía en lugar de construirse un transistor a la vez. Además, los circuitos integrados empaquetados utilizan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto porque los componentes del IC cambian rápidamente y consumen relativamente poca energía debido a su pequeño tamaño y proximidad. La principal desventaja de los circuitos integrados es el alto costo de diseñarlos y fabricar las fotomáscaras necesarias . Este alto costo inicial significa que los circuitos integrados solo son comercialmente viables cuando se anticipan altos volúmenes de producción .

Terminología [ editar ]

Un circuito integrado se define como: [1]

Un circuito en el que todos o algunos de los elementos del circuito están asociados inseparablemente y eléctricamente interconectados de modo que se considera indivisible para los fines de la construcción y el comercio.

Los circuitos que cumplen esta definición se pueden construir utilizando muchas tecnologías diferentes, incluidos transistores de película delgada , tecnologías de película gruesa o circuitos integrados híbridos . Sin embargo, en el uso general, el circuito integrado ha llegado a referirse a la construcción de circuito de una sola pieza originalmente conocida como circuito integrado monolítico , a menudo construido sobre una sola pieza de silicio. [2] [3]

Historia [ editar ]

Circuito integrado híbrido original de Jack Kilby de 1958. Este fue el primer circuito integrado y fue hecho de germanio .

Un primer intento de combinar varios componentes en un dispositivo (como los circuitos integrados modernos) fue el tubo de vacío Loewe 3NF de la década de 1920. A diferencia de los circuitos integrados, fue diseñado con el propósito de eludir impuestos , ya que en Alemania, los receptores de radio tenían un impuesto que se aplicaba según la cantidad de soportes de tubo que tuviera un receptor de radio. Permitió que los receptores de radio tuvieran un solo soporte de tubo.

Los primeros conceptos de un circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi [4] ( Siemens AG ) [5] presentó una patente para un dispositivo amplificador semiconductor similar a un circuito integrado [6] que muestra cinco transistores en un sustrato común en un arreglo de amplificador de tres etapas . Jacobi dio a conocer los audífonos pequeños y baratos como aplicaciones industriales típicas de su patente. No se ha informado de un uso comercial inmediato de su patente.

Otro de los primeros proponentes del concepto fue Geoffrey Dummer (1909-2002), un científico de radares que trabajaba para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa británico . Dummer presentó la idea al público en el Simposio sobre Progreso en Componentes Electrónicos de Calidad en Washington, DC el 7 de mayo de 1952. [7] Dio muchos simposios públicamente para propagar sus ideas e intentó sin éxito construir tal circuito en 1956. Entre 1953 y 1957, Sidney Darlington y Yasuo Tarui ( Laboratorio Electrotécnico ) propusieron diseños de chips similares donde varios transistores podían compartir un área activa común, pero no había aislamiento eléctrico.para separarlos entre sí. [4]

El chip de circuito integrado monolítico fue habilitado por Mohamed M. Atalla 's pasivación de la superficie proceso, que estabiliza eléctricamente silicio superficies a través de la oxidación térmica , por lo que es posible fabricar chips de circuitos integrados monolíticos usando silicio. Esta fue la base del proceso plano , desarrollado por Jean Hoerni en Fairchild Semiconductor a principios de 1959, que fue fundamental para la invención del chip de circuito integrado monolítico. [8] [9] [10] Un concepto clave detrás del IC monolítico es el principio del aislamiento de la unión p – n, lo que permite que cada transistor funcione de forma independiente a pesar de ser parte de la misma pieza de silicio. El proceso de pasivación de superficie de Atalla aisló diodos y transistores individuales , [11] que fue ampliado a transistores independientes en una sola pieza de silicio por Kurt Lehovec en Sprague Electric en 1959, [12] y luego independientemente por Robert Noyce en Fairchild más tarde ese mismo año. [13] [14]

Primeros circuitos integrados [ editar ]

Robert Noyce inventó el primer circuito integrado monolítico en 1959. El chip estaba hecho de silicio .

Una idea precursora del CI fue crear pequeños sustratos cerámicos (los llamados micromódulos ), [15] cada uno de los cuales contiene un único componente miniaturizado. A continuación, los componentes podrían integrarse y conectarse en una red compacta bidimensional o tridimensional. Esta idea, que parecía muy prometedora en 1957, fue propuesta al Ejército de los Estados Unidos por Jack Kilby [15] y condujo al Programa de Micromódulos de corta duración (similar al Proyecto Tinkertoy de 1951). [15] [16] [17] Sin embargo, a medida que el proyecto ganaba impulso, a Kilby se le ocurrió un diseño nuevo y revolucionario: el IC.

Recién empleado por Texas Instruments , Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo funcional de un circuito integrado el 12 de septiembre de 1958. [18] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, [19] Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor ... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [20] El primer cliente de la nueva invención fue la Fuerza Aérea de EE . UU . [21] Kilby ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su participación en la invención del circuito integrado. [22] Sin embargo, el invento de Kilby fue uncircuito integrado híbrido (IC híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado monolítico (IC monolítico). [23] El CI de Kilby tenía conexiones de cables externos, lo que dificultaba la producción en masa. [24]

Medio año después de Kilby, Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventó el primer chip IC monolítico verdadero. [25] [24] Era una nueva variedad de circuito integrado, más práctica que la implementación de Kilby. El diseño de Noyce estaba hecho de silicio , mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio . El IC monolítico de Noyce colocó todos los componentes en un chip de silicio y los conectó con líneas de cobre. [24] El CI monolítico de Noyce se fabricó utilizando el proceso planar , desarrollado a principios de 1959 por su colega Jean Hoerni . Los chips IC modernos se basan en el IC monolítico de Noyce, [25] [24]en lugar del CI híbrido de Kilby. [23]

El Programa Apolo de la NASA fue el mayor consumidor de circuitos integrados entre 1961 y 1965. [26]

Circuitos integrados TTL [ editar ]

La lógica transistor-transistor (TTL) fue desarrollada por James L. Buie a principios de la década de 1960 en TRW Inc. TTL se convirtió en la tecnología de circuito integrado dominante durante la década de 1970 hasta principios de la de 1980. [27]

Docenas de circuitos integrados TTL eran un método estándar de construcción para los procesadores de miniordenadores y ordenadores centrales . Computadoras como los mainframes IBM 360 , las minicomputadoras PDP-11 y el Datapoint 2200 de escritorio se construyeron a partir de circuitos integrados bipolares , [28] TTL o la lógica aún más rápida de acoplamiento de emisor (ECL).

Circuitos integrados MOS [ editar ]

Mohamed M. Atalla 's de silicio pasivación de la superficie de proceso (1957) fue la base para el chip IC monolítico. Posteriormente propuso el chip de circuito integrado MOS (1960).

Casi todos los chips IC modernos son circuitos integrados de semiconductores de óxido de metal (MOS), construidos a partir de MOSFET (transistores de efecto de campo de óxido de metal y silicio). [29] El MOSFET (también conocido como transistor MOS), que fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [30] hizo posible la construcción de circuitos integrados de alta densidad . [31] Atalla propuso por primera vez el concepto del chip de circuito integrado MOS (MOS IC) en 1960, y señaló que la facilidad de fabricación del MOSFET lo hacía útil para circuitos integrados. [32] En contraste conLos transistores bipolares que requerían una serie de pasos para el aislamiento de la unión p – n de los transistores en un chip, los MOSFET no requerían tales pasos, pero podían aislarse fácilmente entre sí. [33] Su ventaja para los circuitos integrados fue reiterada por Dawon Kahng en 1961. [34] La lista de hitos del IEEE incluye el primer circuito integrado de Kilby en 1958, [35] el proceso plano de Hoerni y el IC plano de Noyce en 1959, y el MOSFET de Atalla y Kahng en 1959. [36]

El primer circuito integrado MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [37] General Microelectronics luego introdujo el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, [38] un cambio de 120 transistores registro desarrollado por Robert Norman. [37] Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a una integración a gran escala (LSI) con cientos de transistores.en un solo chip MOS a finales de la década de 1960. [39]

Tras el desarrollo del MOSFET de puerta autoalineada ( puerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, [40] la primera tecnología MOS IC de puerta de silicio con puertas autoalineadas , la base de todos los circuitos integrados CMOS modernos , fue desarrollado en Fairchild Semiconductor por Federico Faggin en 1968. [41] La aplicación de chips MOS LSI a la computación fue la base para los primeros microprocesadores , ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completopodría estar contenido en un solo chip MOS LSI. Esto llevó a la invención del microprocesador y el microcontrolador a principios de la década de 1970. [39] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración a muy gran escala (VLSI) de más de 10,000 transistores en un solo chip. [42]

Al principio, las computadoras basadas en MOS solo tenían sentido cuando se requería alta densidad, como calculadoras aeroespaciales y de bolsillo . Las computadoras construidas completamente a partir de TTL, como el Datapoint 2200 de 1970 , eran mucho más rápidas y más potentes que los microprocesadores MOS de un solo chip como el Intel 8008 de 1972 hasta principios de la década de 1980. [28]

Los avances en la tecnología IC, principalmente características más pequeñas y chips más grandes, han permitido que el número de transistores MOS en un circuito integrado se duplique cada dos años, una tendencia conocida como ley de Moore. Moore declaró originalmente que se duplicaría cada año, pero pasó a cambiar el reclamo a cada dos años en 1975. [43] Este aumento de capacidad se ha utilizado para disminuir el costo y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que se reduce el tamaño de la función, casi todos los aspectos del funcionamiento de un CI mejoran. El costo por transistor y el consumo de energía de conmutación por transistor disminuye, mientras que la capacidad de memoria y la velocidad aumentan, a través de las relaciones definidas porEscala de Dennard ( escala MOSFET ). [44] Dado que las ganancias de velocidad, capacidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías más finas. A lo largo de los años, el tamaño de los transistores ha disminuido de 10 s de micrones a principios de la década de 1970 a 10 nanómetros en 2017 [45] con un aumento de un millón de veces correspondiente en transistores por unidad de área. A partir de 2016, las áreas de chip típicas varían desde unos pocos milímetros cuadrados hasta alrededor de 600 mm 2 , con hasta 25 millones de transistores por mm 2 . [46]

La reducción esperada del tamaño de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas fue pronosticado durante muchos años por la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS). El ITRS final se emitió en 2016 y está siendo reemplazado por la Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas . [47]

Inicialmente, los circuitos integrados eran dispositivos estrictamente electrónicos. El éxito de los circuitos integrados ha propiciado la integración de otras tecnologías, en un intento por obtener las mismas ventajas de pequeño tamaño y bajo costo. Estas tecnologías incluyen dispositivos mecánicos, ópticos y sensores.

  • Los dispositivos de carga acoplada y los sensores de píxeles activos estrechamente relacionados son chips sensibles a la luz . Han reemplazado en gran medida a la película fotográfica en aplicaciones científicas, médicas y de consumo. Miles de millones de estos dispositivos se producen ahora cada año para aplicaciones como teléfonos móviles, tabletas y cámaras digitales. Este subcampo de los circuitos integrados ganó el Premio Nobel en 2009. [48]
  • Los dispositivos mecánicos muy pequeños impulsados ​​por electricidad se pueden integrar en chips, una tecnología conocida como sistemas microelectromecánicos . Estos dispositivos se desarrollaron a finales de la década de 1980 [49] y se utilizan en una variedad de aplicaciones comerciales y militares. Los ejemplos incluyen proyectores DLP , impresoras de inyección de tinta y acelerómetros y giroscopios MEMS utilizados para desplegar bolsas de aire de automóviles .
  • Desde principios de la década de 2000, la integración de la funcionalidad óptica ( computación óptica ) en chips de silicio se ha buscado activamente tanto en la investigación académica como en la industria, lo que ha dado como resultado la comercialización exitosa de transceptores ópticos integrados basados ​​en silicio que combinan dispositivos ópticos (moduladores, detectores, enrutamiento) con Electrónica basada en CMOS. [50] También se están desarrollando circuitos integrados fotónicos que utilizan luz, utilizando el campo emergente de la física conocido como fotónica .
  • También se están desarrollando circuitos integrados para aplicaciones de sensores en implantes médicos u otros dispositivos bioelectrónicos . [51] Deben aplicarse técnicas de sellado especiales en tales entornos biogénicos para evitar la corrosión o biodegradación de los materiales semiconductores expuestos. [52]

A partir de 2018 , la gran mayoría de todos los transistores son MOSFET fabricados en una sola capa en un lado de un chip de silicio en un proceso plano bidimensional . Los investigadores han producido prototipos de varias alternativas prometedoras, como:

  • varios enfoques para apilar varias capas de transistores para hacer un circuito integrado tridimensional (3DIC), como a través de silicio , "3D monolítico", [53] unión de cables apilados, [54] y otras metodologías.
  • transistores construidas a partir de otros materiales: transistores de grafeno , transistores de molibdenita , nanotubos de carbono de efecto de campo transistor , galio nitruro de transistor, transistor-como dispositivos electrónicos de nanocables , orgánico de efecto de campo transistor , etc.
  • fabricando transistores sobre toda la superficie de una pequeña esfera de silicio. [55] [56]
  • modificaciones al sustrato, típicamente para hacer " transistores flexibles " para una pantalla flexible u otros componentes electrónicos flexibles , que posiblemente conduzcan a una computadora desplegable .

A medida que se vuelve más difícil fabricar transistores cada vez más pequeños, las empresas están utilizando módulos de varios chips , circuitos integrados tridimensionales , paquete sobre paquete , memoria de gran ancho de banda y vías de silicio con apilamiento de troqueles para aumentar el rendimiento y reducir el tamaño, sin tener que hacerlo. Reducir el tamaño de los transistores. Estas técnicas se conocen colectivamente como empaquetado avanzado. [57]Los envases avanzados se dividen principalmente en envases 2.5D y 3D. 2.5D describe enfoques como módulos de varios chips, mientras que 3D describe enfoques en los que las matrices se apilan de una forma u otra, como paquete en paquete y memoria de gran ancho de banda. Todos los enfoques involucran 2 o más matrices en un solo paquete. [58] [59] [60] [61] [62] Alternativamente, enfoques como 3D NAND apilan múltiples capas en un solo troquel.

Diseño [ editar ]

El costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, normalmente en varias decenas de millones de dólares. [63] [64] Por lo tanto, sólo tiene sentido económico producir productos de circuitos integrados con un alto volumen de producción, por lo que los costos de ingeniería no recurrentes (NRE) se distribuyen entre típicamente millones de unidades de producción.

Los chips semiconductores modernos tienen miles de millones de componentes y son demasiado complejos para ser diseñados a mano. Las herramientas de software para ayudar al diseñador son esenciales. La automatización del diseño electrónico ( EDA ), también conocida como diseño electrónico asistido por computadora ( ECAD ), [65] es una categoría de herramientas de software para diseñar sistemas electrónicos , incluidos los circuitos integrados. Las herramientas funcionan juntas en un flujo de diseño que los ingenieros utilizan para diseñar y analizar chips semiconductores completos.

Tipos [ editar ]

Un CMOS 4511 IC en un DIP

Los circuitos integrados se pueden clasificar en señal analógica , [66] digital [67] y mixta , [68] que consta de señalización analógica y digital en el mismo IC.

Los circuitos integrados digitales pueden contener miles de millones [46] de puertas lógicas , flip-flops , multiplexores y otros circuitos en unos pocos milímetros cuadrados. El pequeño tamaño de estos circuitos permite alta velocidad, baja disipación de energía y costos de fabricación reducidos en comparación con la integración a nivel de placa. Estos circuitos integrados digitales, típicamente microprocesadores , DSP y microcontroladores , utilizan álgebra booleana para procesar señales "uno" y "cero" .

La matriz de un Intel 8742 , un microcontrolador NMOS de 8 bits que incluye una CPU que funciona a 12 MHz, 128 bytes de RAM , 2048 bytes de EPROM y E / S en el mismo chip

Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores o " núcleos ", utilizados en ordenadores personales, teléfonos móviles, hornos microondas , etc. Los chips de memoria digital y los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) son ejemplos de otras familias de circuitos integrados.

En la década de 1980, se desarrollaron dispositivos lógicos programables . Estos dispositivos contienen circuitos cuya función lógica y conectividad puede ser programada por el usuario, en lugar de ser fijada por el fabricante del circuito integrado. Esto permite programar un chip para realizar varias funciones de tipo LSI, como puertas lógicas , sumadores y registros . La programabilidad viene en varias formas: dispositivos que se pueden programar solo una vez , dispositivos que se pueden borrar y luego reprogramar con luz ultravioleta , dispositivos que se pueden (re) programar mediante memoria flash y arreglos de puertas programables en campo(FPGA) que se pueden programar en cualquier momento, incluso durante el funcionamiento. Los FPGA actuales pueden (a partir de 2016) implementar el equivalente a millones de puertas y operar a frecuencias de hasta 1 GHz . [69]

Los circuitos integrados analógicos, como sensores , circuitos de administración de energía y amplificadores operacionales ( amplificadores operacionales ), procesan señales continuas y realizan funciones analógicas como amplificación , filtrado activo , demodulación y mezcla .

Los circuitos integrados pueden combinar circuitos analógicos y digitales en un chip para crear funciones como convertidores de analógico a digital y convertidores de digital a analógico . Dichos circuitos de señal mixta ofrecen un tamaño más pequeño y un costo menor, pero deben tener en cuenta la interferencia de la señal. Antes de finales de la década de 1990, las radios no se podían fabricar en los mismos procesos CMOS de bajo costo que los microprocesadores. Pero desde 1998, los chips de radio se han desarrollado utilizando procesos RF CMOS . Los ejemplos incluyen el teléfono inalámbrico DECT de Intel o los chips 802.11 ( Wi-Fi ) creados por Atheros y otras compañías. [70]

Los distribuidores de componentes electrónicos modernos a menudo subdividen aún más los circuitos integrados:

  • Los circuitos integrados digitales se clasifican en circuitos integrados lógicos (como microprocesadores y microcontroladores ), chips de memoria (como memoria MOS y memoria de puerta flotante ), circuitos integrados de interfaz ( cambiadores de nivel , serializador / deserializador , etc.), circuitos integrados de administración de energía y dispositivos programables. .
  • Los circuitos integrados analógicos se clasifican como circuitos integrados lineales y circuitos de RF ( circuitos de radiofrecuencia ).
  • Los circuitos integrados de señal mixta se clasifican como circuitos integrados de adquisición de datos (incluidos convertidores A / D , convertidores D / A , potenciómetros digitales ), circuitos integrados de reloj / temporización , circuitos de condensadores conmutados (SC) y circuitos CMOS de RF .
  • Los circuitos integrados tridimensionales ( circuitos integrados 3D) se clasifican en circuitos integrados de silicio a través de (TSV) y circuitos integrados de conexión Cu-Cu.

Fabricación [ editar ]

Fabricación [ editar ]

Representación de una celda estándar pequeña con tres capas de metal ( se ha eliminado el dieléctrico ). Las estructuras de color arena están interconectadas de metal , siendo los pilares verticales contactos, típicamente tapones de tungsteno . Las estructuras rojizas son compuertas de polisilicio y el sólido en la parte inferior es la masa de silicio cristalino .
Estructura esquemática de un chip CMOS , construido a principios de la década de 2000. El gráfico muestra LDD-MISFET's en un sustrato SOI con cinco capas de metalización y una protuberancia de soldadura para la unión de chips. También muestra la sección para FEOL (front-end of line), BEOL (back-end of line) y primeras partes del proceso back-end.

Los semiconductores de la tabla periódica de los elementos químicos se identificaron como los materiales más probables para un tubo de vacío de estado sólido . Comenzando con el óxido de cobre , pasando por el germanio y luego el silicio , los materiales se estudiaron sistemáticamente en las décadas de 1940 y 1950. Hoy en día, el silicio monocristalino es el principal sustrato utilizado para los circuitos integrados, aunque algunos compuestos III-V de la tabla periódica , como el arseniuro de galio, se utilizan para aplicaciones especializadas como LED , láseres ,células solares y los circuitos integrados de más alta velocidad. Se necesitaron décadas para perfeccionar los métodos de creación de cristales con defectos mínimos en la estructura cristalina de los materiales semiconductores .

Los circuitos integrados de semiconductores se fabrican en un proceso plano que incluye tres pasos clave del proceso: fotolitografía , deposición (como la deposición de vapor químico ) y grabado . Los principales pasos del proceso se complementan con dopaje y limpieza. Los circuitos integrados más recientes o de alto rendimiento pueden usar transistores FinFET o GAAFET de múltiples puertas en lugar de transistores planos, comenzando en el nodo de 22 nm (Intel) o en los nodos de 16/14 nm. [71]

Las obleas de silicio monocristalino se utilizan en la mayoría de las aplicaciones (o para aplicaciones especiales, se utilizan otros semiconductores como el arseniuro de galio ). No es necesario que la oblea sea completamente de silicio. La fotolitografía se utiliza para marcar diferentes áreas del sustrato a dopar o para que se depositen sobre ellas pistas de polisilicio, aislantes o de metal (típicamente aluminio o cobre). Los dopantes son impurezas que se introducen intencionalmente en un semiconductor para modular sus propiedades electrónicas. El dopaje es el proceso de agregar dopantes a un material semiconductor.

  • Los circuitos integrados se componen de muchas capas superpuestas, cada una definida por fotolitografía, y normalmente se muestra en diferentes colores. Algunas capas marcan dónde se difunden varios dopantes en el sustrato (llamadas capas de difusión), algunas definen dónde se implantan iones adicionales (capas de implante), algunas definen los conductores (capas de polisilicio o metal dopado) y algunas definen las conexiones entre las capas conductoras (vía o capas de contacto). Todos los componentes se construyen a partir de una combinación específica de estas capas.
  • En un proceso CMOS autoalineado , se forma un transistor donde la capa de puerta (polisilicio o metal) cruza una capa de difusión.
  • Las estructuras capacitivas , en forma muy parecida a las placas conductoras paralelas de un condensador eléctrico tradicional , se forman según el área de las "placas", con material aislante entre las placas. Los condensadores de una amplia gama de tamaños son comunes en los circuitos integrados.
  • A veces se usan franjas serpenteantes de diferentes longitudes para formar resistencias en el chip , aunque la mayoría de los circuitos lógicos no necesitan resistencias. La relación entre la longitud de la estructura resistiva y su ancho, combinada con su resistividad de hoja, determina la resistencia.
  • Más raramente, las estructuras inductivas se pueden construir como pequeñas bobinas en el chip o simuladas por giradores .

Dado que un dispositivo CMOS solo consume corriente en la transición entre estados lógicos , los dispositivos CMOS consumen mucha menos corriente que los dispositivos de transistores de unión bipolar .

Una memoria de acceso aleatorio es el tipo más habitual de circuito integrado; los dispositivos de mayor densidad son, pues, memorias; pero incluso un microprocesador tendrá memoria en el chip. (Vea la estructura de matriz regular en la parte inferior de la primera imagen. [ ¿ Cuál ? ] ) Aunque las estructuras son intrincadas, con anchos que se han reducido durante décadas, las capas siguen siendo mucho más delgadas que los anchos del dispositivo. Las capas de material se fabrican de manera muy similar a un proceso fotográfico, aunque las ondas de luz en el espectro visible no se pueden utilizar para "exponer" una capa de material, ya que serían demasiado grandes para las características. Así, los fotones de frecuencias más altas (típicamenteultravioleta ) se utilizan para crear los patrones de cada capa. Debido a que cada característica es tan pequeña, los microscopios electrónicos son herramientas esenciales para un ingeniero de procesos que podría estar depurando un proceso de fabricación.

Cada dispositivo se prueba antes del envasado utilizando equipos de prueba automatizados (ATE), en un proceso conocido como prueba de obleas o sondeo de obleas. Luego, la oblea se corta en bloques rectangulares, cada uno de los cuales se llama troquel . Cada troquel bueno (plural dados , matrices , o matriz ) se conecta entonces en un paquete usando aluminio (u oro) hilos de conexión que están unidos thermosonically [72] a almohadillas , generalmente se encuentran alrededor del borde de la matriz. Unión termosónicafue introducido por primera vez por A. Coucoulas, que proporcionó un medio confiable para formar estas conexiones eléctricas vitales con el mundo exterior. Después del envasado, los dispositivos pasan por la prueba final en el mismo ATE o en uno similar utilizado durante el sondeo de obleas. También se puede utilizar la tomografía computarizada industrial . El costo de la prueba puede representar más del 25% del costo de fabricación en productos de menor costo, pero puede ser insignificante en dispositivos de bajo rendimiento, más grandes o de mayor costo.

A partir de 2016 , la construcción de una instalación de fabricación (comúnmente conocida como fábrica de semiconductores ) puede costar más de US $ 8 mil millones. [73] El costo de una instalación de fabricación aumenta con el tiempo debido a la mayor complejidad de los nuevos productos; esto se conoce como ley de Rock . Dicha instalación cuenta con:

  • Las obleas de hasta 300 mm de diámetro (más anchas que un plato común ).
  • A partir de 2016 , transistores de 14 nm. [74] [ necesita actualización ]
  • Interconexiones de cobre donde el cableado de cobre reemplaza al aluminio para las interconexiones.
  • Aisladores dieléctricos de baja κ .
  • Silicio sobre aislante (SOI).
  • Silicio filtrado en un proceso utilizado por IBM conocido como Silicio filtrado directamente en el aislante (SSDOI).
  • Multigate dispositivos como transistores de triple puerta.

Los circuitos integrados pueden ser fabricados internamente por fabricantes de dispositivos integrados (IDM) o utilizando el modelo de fundición . Los IDM son empresas integradas verticalmente (como Intel y Samsung ) que diseñan, fabrican y venden sus propios circuitos integrados, y pueden ofrecer servicios de diseño y / o fabricación (fundición) a otras empresas (estas últimas a menudo a empresas sin fábricas ). En el modelo de fundición, las empresas sin fábrica (como Nvidia solo diseñan y venden circuitos integrados y subcontratan toda la fabricación a fundiciones de puro juego como TSMC . Estas fundiciones pueden ofrecer servicios de diseño de circuitos integrados).

Embalaje [ editar ]

Un chip MSI nMOS soviético fabricado en 1977, parte de un conjunto de calculadoras de cuatro chips diseñado en 1970 [75]

Los primeros circuitos integrados se empaquetaron en paquetes planos de cerámica , que continuaron siendo utilizados por los militares por su confiabilidad y pequeño tamaño durante muchos años. El envasado de circuitos comerciales se trasladó rápidamente al envase dual en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico. En la década de 1980, el número de pines de los circuitos VLSI excedió el límite práctico para el empaquetado DIP, lo que llevó a paquetes de matriz de cuadrícula de pines (PGA) y portador de chip sin cables (LCC). El empaque de montaje en superficie apareció a principios de la década de 1980 y se hizo popular a fines de la década de 1980, utilizando un paso de plomo más fino con cables formados como ala de gaviota o plomo en J, como lo ejemplifica el circuito integrado de contorno pequeño(SOIC) paquete: un portador que ocupa un área aproximadamente entre un 30% y un 50% menos que un DIP equivalente y, por lo general, es un 70% más delgado. Este paquete tiene cables de "ala de gaviota" que sobresalen de los dos lados largos y un espacio entre cables de 0.050 pulgadas.

A finales de la década de 1990, los paquetes de plástico cuádruple plano (PQFP) y el paquete delgado de contorno pequeño (TSOP) se convirtieron en los más comunes para los dispositivos de alto número de pines, aunque los paquetes PGA todavía se utilizan para microprocesadores de gama alta .

Los paquetes Ball grid array (BGA) existen desde la década de 1970. Los paquetes Flip-chip Ball Grid Array , que permiten un número de pines mucho más alto que otros tipos de paquetes, se desarrollaron en la década de 1990. En un paquete FCBGA, el troquel se monta al revés (volteado) y se conecta a las bolas del paquete a través de un sustrato de paquete que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de cables. Los paquetes FCBGA permiten que una matriz de señales de entrada y salida (llamada Área-E / S) se distribuya por todo el troquel en lugar de limitarse a la periferia del troquel. Los dispositivos BGA tienen la ventaja de no necesitar un zócalo dedicado y son mucho más difíciles de reemplazar en caso de falla del dispositivo.

Intel hizo la transición de PGA a Land Grid Array (LGA) y BGA a partir de 2004, con el último socket PGA lanzado en 2014 para plataformas móviles. A partir de 2018 , AMD usa paquetes PGA en procesadores de escritorio convencionales, [76] paquetes BGA en procesadores móviles, [77] y los microprocesadores de escritorio y servidores de alta gama usan paquetes LGA. [78]

Las señales eléctricas que salen del troquel deben pasar a través del material que conecta eléctricamente el troquel al paquete, a través de las trazas conductoras (caminos) en el paquete, a través de los cables que conectan el paquete a las trazas conductoras en la placa de circuito impreso . Los materiales y estructuras utilizados en el camino que deben recorrer estas señales eléctricas tienen propiedades eléctricas muy diferentes, en comparación con las que viajan a diferentes partes del mismo dado. Como resultado, requieren técnicas de diseño especiales para garantizar que las señales no se corrompan y mucha más energía eléctrica que las señales confinadas al troquel mismo.

Cuando se colocan varios troqueles en un paquete, el resultado es un sistema en paquete , abreviado SiP . Un módulo de chips múltiples ( MCM ) se crea combinando múltiples matrices en un sustrato pequeño, a menudo hecho de cerámica. La distinción entre un MCM grande y una placa de circuito impreso pequeña es a veces confusa.

Los circuitos integrados empaquetados suelen ser lo suficientemente grandes como para incluir información de identificación. Cuatro secciones comunes son el nombre o logotipo del fabricante, el número de pieza, un número de lote de producción de la pieza y un número de serie , y un código de fecha de cuatro dígitos para identificar cuándo se fabricó el chip. Las piezas de tecnología de montaje en superficie extremadamente pequeñas a menudo llevan solo un número que se usa en la tabla de búsqueda del fabricante para encontrar las características del circuito integrado.

La fecha de fabricación se representa comúnmente como un año de dos dígitos seguido de un código de semana de dos dígitos, de modo que una pieza que lleva el código 8341 se fabricó en la semana 41 de 1983, o aproximadamente en octubre de 1983.

Propiedad intelectual [ editar ]

La posibilidad de copiar fotografiando cada capa de un circuito integrado y preparar fotomáscaras para su producción a partir de las fotografías obtenidas es un motivo para la introducción de una legislación para la protección de los esquemas de trazado. La Ley de protección de chips semiconductores de 1984 estableció la protección de la propiedad intelectual para las fotomáscaras utilizadas para producir circuitos integrados. [79]

Una conferencia diplomática celebrada en Washington, DC en 1989 adoptó un Tratado sobre la propiedad intelectual con respecto a los circuitos integrados [80] , también llamado Tratado de Washington o Tratado IPIC. El tratado no está actualmente en vigor, pero se integró parcialmente en el acuerdo ADPIC . [81]

Se han adoptado leyes nacionales que protegen los diseños de trazado de circuitos integrados en varios países, incluidos Japón, [82] la CE , [83] el Reino Unido, Australia y Corea. El Reino Unido promulgó la Ley de derechos de autor, diseños y patentes de 1988, c. 48, § 213, después de que inicialmente asumió la posición de que su ley de derechos de autor protegía completamente las topografías de chips. Véase British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co.

Las críticas a la inadecuación del enfoque de derechos de autor del Reino Unido tal como lo percibe la industria de chips de EE. UU. Se resumen en nuevos desarrollos de derechos de chips. [84]

Australia aprobó la Ley de Disposición de Circuitos de 1989 como una forma sui generis de protección de chips. [ cita requerida ] Corea aprobó la Ley sobre el diseño de trazado de circuitos integrados de semiconductores . [ cita requerida ]

Generaciones [ editar ]

En los primeros días de los circuitos integrados simples, la gran escala de la tecnología limitaba cada chip a solo unos pocos transistores , y el bajo grado de integración significaba que el proceso de diseño era relativamente simple. Los rendimientos de fabricación también fueron bastante bajos para los estándares actuales. A medida que avanzaba la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS), se podían colocar millones y luego miles de millones de transistores MOS en un chip, [85] y los buenos diseños requerían una planificación minuciosa, dando lugar al campo de la automatización del diseño electrónico o EDA. Algunos chips SSI y MSI, como transistores discretos, todavía se producen en masa, tanto para mantener equipos antiguos como para construir nuevos dispositivos que requieren solo unas pocas puertas. La serie 7400 de chips TTL , por ejemplo, se ha convertido en un estándar de facto y permanece en producción.

Integración a pequeña escala (SSI) [ editar ]

Los primeros circuitos integrados contenían solo unos pocos transistores. Los primeros circuitos digitales que contenían decenas de transistores proporcionaban algunas puertas lógicas, y los primeros circuitos integrados lineales como el Plessey SL201 o el Philips TAA320 tenían tan solo dos transistores. El número de transistores en un circuito integrado ha aumentado drásticamente desde entonces. El término "integración a gran escala" (LSI) fue utilizado por primera vez por el científico de IBM Rolf Landauer al describir el concepto teórico; [88] ese término dio lugar a los términos "integración a pequeña escala" (SSI), "integración a mediana escala" (MSI), "integración a muy gran escala" (VLSI) e "integración a gran escala "(ULSI). Los primeros circuitos integrados fueron SSI.

Los circuitos SSI fueron cruciales para los primeros proyectos aeroespaciales , y los proyectos aeroespaciales ayudaron a inspirar el desarrollo de la tecnología. Tanto el programa de misiles Minuteman como el Apollo necesitaban computadoras digitales livianas para sus sistemas de guía inercial. Aunque el Apollo Guidance Computer lideró y motivó la tecnología de circuitos integrados, [89] fue el misil Minuteman el que lo obligó a producirse en masa. El programa de misiles Minuteman y varios otros programas de la Armada de los Estados Unidos representaron el mercado total de circuitos integrados de $ 4 millones en 1962, y en 1968, el gasto del gobierno de los Estados Unidos en espacio y defensa. todavía representó el 37% de la producción total de $ 312 millones.

La demanda del gobierno de los Estados Unidos apoyó el naciente mercado de circuitos integrados hasta que los costos cayeron lo suficiente como para permitir que las empresas de circuitos integrados penetraran en el mercado industrial y, finalmente, en el mercado de consumo . El precio promedio por circuito integrado bajó de $ 50.00 en 1962 a $ 2.33 en 1968. [90] Los circuitos integrados comenzaron a aparecer en productos de consumo a principios de la década de 1970. Una aplicación típica era el procesamiento de sonido entre portadoras de FM en receptores de televisión.

Los primeros chips MOS de aplicación fueron chips de integración a pequeña escala (SSI). [91] Siguiendo la propuesta de Mohamed M. Atalla del chip de circuito integrado MOS en 1960, [32] el primer chip MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [ 37] La primera aplicación práctica de los chips MOS SSI fue para los satélites de la NASA . [91]

Integración a mediana escala (MSI) [ editar ]

El siguiente paso en el desarrollo de circuitos integrados introdujo dispositivos que contenían cientos de transistores en cada chip, llamados "integración de escala media" (MSI).

La tecnología de escalado MOSFET hizo posible construir chips de alta densidad. [31] Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . [39]

En 1964, Frank Wanlass demostró un registro de desplazamiento de 16 bits de un solo chip que diseñó, con 120 transistores MOS de 120 MOS en un solo chip. [91] [92] El mismo año, General Microelectronics presentó el primer chip de circuito integrado MOS comercial , que consta de transistores MOS de 120 canales p . [38] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman [37] y Frank Wanlass. [93] Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a chips con cientos de MOSFET.en un chip a finales de la década de 1960. [39]

Integración a gran escala (LSI) [ editar ]

Un mayor desarrollo, impulsado por la misma tecnología de escalado MOSFET y factores económicos, condujo a una "integración a gran escala" (LSI) a mediados de la década de 1970, con decenas de miles de transistores por chip. [94]

Las máscaras utilizadas para procesar y fabricar SSI, MSI y los primeros dispositivos LSI y VLSI (como los microprocesadores de principios de la década de 1970) se crearon principalmente a mano, a menudo con cinta Rubylith o similar. [95] Para circuitos integrados grandes o complejos (como memorias o procesadores ), esto a menudo lo realizaban profesionales especialmente contratados a cargo del diseño del circuito, bajo la supervisión de un equipo de ingenieros, quienes también, junto con los diseñadores de circuitos, Inspeccione y verifique la corrección e integridad de cada máscara.

Los circuitos integrados como RAM de 1K bits, chips de calculadora y los primeros microprocesadores, que comenzaron a fabricarse en cantidades moderadas a principios de la década de 1970, tenían menos de 4.000 transistores. Los circuitos LSI verdaderos, que se acercan a los 10,000 transistores, comenzaron a producirse alrededor de 1974, para memorias principales de computadoras y microprocesadores de segunda generación.

Integración a muy gran escala (VLSI) [ editar ]

Capas de interconexión superiores en una matriz de microprocesador Intel 80486 DX2

El desarrollo de la "integración a muy gran escala" ( VLSI ) comenzó con cientos de miles de transistores a principios de la década de 1980 y, a partir de 2016, el número de transistores continúa creciendo más allá de los diez mil millones de transistores por chip.

Se requirieron múltiples desarrollos para lograr este aumento de densidad. Los fabricantes se trasladaron a reglas de diseño de MOSFET más pequeñas e instalaciones de fabricación más limpias . El camino de las mejoras de procesos se resumió en la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS), que desde entonces ha sido reemplazada por la Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas (IRDS). Se mejoraron las herramientas de diseño electrónico , lo que hace que sea práctico terminar los diseños en un tiempo razonable. El CMOS más eficiente en energía reemplazó a NMOS y PMOS , evitando un aumento prohibitivo en el consumo de energía. La complejidad y densidad de los dispositivos VLSI modernos hicieron que ya no fuera posible comprobar las máscaras o hacer el diseño original a mano. En cambio, los ingenieros utilizan herramientas EDA para realizar la mayor parte del trabajo de verificación funcional. [96]

En 1986, se introdujeron chips de memoria de acceso aleatorio (RAM) de un megabit , que contienen más de un millón de transistores. Los chips de microprocesador pasaron la marca de un millón de transistores en 1989 y la marca de mil millones de transistores en 2005. [97] La tendencia continúa en gran medida sin cesar, con chips introducidos en 2007 que contienen decenas de miles de millones de transistores de memoria. [98]

ULSI, WSI, SoC y 3D-IC [ editar ]

Para reflejar un mayor crecimiento de la complejidad, se propuso el término ULSI que significa "integración a gran escala" para chips de más de 1 millón de transistores. [99]

La integración a escala de obleas (WSI) es un medio para construir circuitos integrados muy grandes que utilizan una oblea de silicio completa para producir un solo "superchip". A través de una combinación de tamaño grande y empaque reducido, WSI podría llevar a costos dramáticamente reducidos para algunos sistemas, notablemente supercomputadoras masivamente paralelas. El nombre proviene del término Integración a muy gran escala, el estado actual de la técnica cuando se estaba desarrollando WSI. [100]

Un sistema en un chip (SoC o SOC) es un circuito integrado en el que todos los componentes necesarios para una computadora u otro sistema están incluidos en un solo chip. El diseño de un dispositivo de este tipo puede ser complejo y costoso, y aunque se pueden obtener beneficios de rendimiento al integrar todos los componentes necesarios en un dado, el costo de la licencia y el desarrollo de una máquina de un dado aún superan el tener dispositivos separados. Con las licencias adecuadas, estos inconvenientes se compensan con menores costos de fabricación y ensamblaje y con un presupuesto de energía muy reducido: debido a que las señales entre los componentes se mantienen en la matriz, se requiere mucha menos energía (ver Empaque ). [101] Además, las fuentes de señal y los destinos están físicamente más cercaen la matriz, reduciendo la longitud del cableado y, por lo tanto , la latencia , los costos de transmisión de energía y el calor residual de la comunicación entre módulos en el mismo chip. Esto ha llevado a una exploración de los llamados dispositivos Network-on-Chip (NoC), que aplican metodologías de diseño de sistema en chip a las redes de comunicación digital en contraposición a las arquitecturas de bus tradicionales .

Un circuito integrado tridimensional (3D-IC) tiene dos o más capas de componentes electrónicos activos que están integrados tanto vertical como horizontalmente en un solo circuito. La comunicación entre capas utiliza señalización en matriz, por lo que el consumo de energía es mucho menor que en circuitos separados equivalentes. El uso prudente de cables verticales cortos puede reducir sustancialmente la longitud total del cable para una operación más rápida. [102]

Etiquetado de silicona y graffiti [ editar ]

Para permitir la identificación durante la producción, la mayoría de los chips de silicio tendrán un número de serie en una esquina. También es común agregar el logo del fabricante. Desde que se crearon los circuitos integrados, algunos diseñadores de chips han utilizado el área de la superficie de silicio para imágenes o palabras subrepticias y no funcionales. Estos a veces se denominan arte de chips , arte de silicio, graffiti de silicio o garabatos de silicio. [ cita requerida ]

IC y familias de IC [ editar ]

  • El temporizador 555 IC
  • El amplificador operacional
  • Circuitos integrados de la serie 7400
  • Circuitos integrados de la serie 4000 , la contraparte CMOS de la serie 7400 (ver también: serie 74HC00 )
  • Intel 4004 , generalmente considerado como el primero disponible comercialmente microprocesador , lo que llevó a la famosa 8080 de la CPU y luego el IBM PC 's 8088 , 80286 , 486 , etc.
  • Los microprocesadores MOS Technology 6502 y Zilog Z80 , utilizados en muchas computadoras domésticas a principios de la década de 1980
  • La serie 6800 de chips relacionados con computadoras de Motorola , que conducen a las series 68000 y 88000 (utilizadas en algunas computadoras Apple y en la serie Commodore Amiga de los años 80 )
  • La serie LM de circuitos integrados analógicos

Ver también [ editar ]

  • Chipset
  • Lógica de inyección integrada
  • Implantación de iones
  • Circuito integrado de microondas monolítico
  • CMOS de umbral múltiple
  • Silicio-germanio
  • Chip de sonido
  • ESPECIA
  • Portador de chips
  • Silicio oscuro
  • Dispositivos pasivos integrados
  • Vida operativa a alta temperatura
  • Simulaciones térmicas para circuitos integrados
  • Generación de calor en circuitos integrados

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Lectura adicional [ editar ]

  • Veendrick, HJM (2017). Circuitos integrados de nanómetros CMOS, desde lo básico hasta los ASIC . Saltador. ISBN 978-3-319-47595-0.
  • Baker, RJ (2010). CMOS: Diseño, trazado y simulación de circuitos (3ª ed.). Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.
  • Marsh, Stephen P. (2006). Práctico diseño MMIC . Casa Artech. ISBN 978-1-59693-036-0.
  • Camenzind, Hans (2005). Diseño de chips analógicos (PDF) . Ratón de biblioteca virtual. ISBN 978-1-58939-718-7. Archivado desde el original (PDF) el 12 de junio de 2017. Hans Camenzind inventó el temporizador 555
  • Hodges, David; Jackson, Horace; Saleh, Resve (2003). Análisis y Diseño de Circuitos Integrados Digitales . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-228365-5.
  • Rabaey, JM; Chandrakasan, A .; Nikolic, B. (2003). Circuitos integrados digitales (2ª ed.). Pearson. ISBN 978-0-13-090996-1.
  • Mead, Carver; Conway, Lynn (1980). Introducción a los sistemas VLSI . Addison Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-201-04358-7.

Enlaces externos [ editar ]

General

  • Los primeros circuitos integrados monolíticos
  • Un cuadro grande que enumera los circuitos integrados por número genérico, incluido el acceso a la mayoría de las hojas de datos de las piezas.
  • La historia del circuito integrado en Nobelprize.org

Patentes

  • US3,138,743 - Circuito electrónico miniaturizado - JS Kilby
  • US3,138,747 - Dispositivo de circuito semiconductor integrado - RF Stewart
  • US3 261 081 - Método de fabricación de circuitos electrónicos miniaturizados - JS Kilby
  • US3,434,015 - Condensador para circuitos electrónicos miniaturizados o similares - J.. Kilby

Fabricación de matrices de circuitos integrados

  • IC Die Photography - Una galería de fotografías de IC Die
  • Zeptobars : otra galería más de fotografías de troqueles de CI