Circuito integrado
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En electrónica , un circuito integrado (también conocido como IC, microcircuito, microchip, chip de silicio, o chip) es un miniaturizado circuito electrónico (que consiste principalmente de dispositivos semiconductores , así como componentes pasivos) que se ha fabricado en la superficie de un sustrato fino de semiconductores de materiales. Los circuitos integrados se utilizan en casi todos los equipos electrónicos en uso hoy en día y han revolucionado el mundo de la electrónica.
La circuito integrado híbrido es un circuito electrónico miniaturizado construida de dispositivos individuales de semiconductores, así como componentes pasivos, unidos a un tablero de sustrato o circuito.
Este artículo es sobre circuitos integrados monolíticos.
Introducción
Fueron posibles circuitos integrados por los descubrimientos experimentales que mostraron que los dispositivos semiconductores podrían desempeñar las funciones de tubos de vacío, y por los avances en la tecnología del siglo 20 a mediados de la fabricación de dispositivos semiconductores. La integración de un gran número de pequeños transistores en un pequeño chip era una enorme mejora sobre el montaje manual de los circuitos que utilizan discreta componentes electrónicos. Del circuito integrado capacidad de producción en masa, la fiabilidad, y el enfoque de bloques de construcción para el diseño de circuitos garantizarse la rápida adopción de los CI estandarizados en lugar de diseños utilizando transistores discretos.
Hay dos ventajas principales de circuitos integrados a través de circuitos discretos: coste y rendimiento. El costo es bajo debido a los chips, con todos sus componentes, se imprimen como una unidad por fotolitografía y no construyeron un transistor en un momento. El rendimiento es alto ya que los componentes cambian rápidamente y consumen poca energía, debido a que los componentes son pequeños y muy juntos. A partir de 2006, las áreas de chips van desde unos pocos cuadrado mm a alrededor de 350 mm², con hasta 1 millón transistores por mm².
Invención
El nacimiento de la IC
El circuito integrado fue concebido por un científico del radar, Geoffrey WA Dummer (1909-2002), que trabaja para el Radar Establishment Real de los británicos Ministerio de Defensa, y publicado en el Simposio sobre Avances en Calidad Componentes Electrónicos en Washington, DC en 07 de mayo 1952 . Dio muchos simposios públicamente para propagar sus ideas.
Dummer intentó sin éxito construir un circuito de este tipo en 1956.
El circuito integrado fue independiente co-inventado por Jack Kilby de Texas Instruments y Robert Noyce de Fairchild Semiconductor en la misma época. Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958 y con éxito demostró el primer circuito integrado de trabajo el 12 de septiembre de 1958. Kilby ganó el Premio Nobel 2000 de Física por su parte de la invención del circuito integrado. Robert Noyce también subió con su propia idea de circuito integrado, medio año más tarde de Kilby. El chip de Noyce había resuelto muchos problemas prácticos que el microchip desarrollado por Kilby no tenía. El chip de Noyce, hecho en Fairchild, estaba hecha de silicio , mientras que el chip de Kilby fue hecha de germanio .
Los primeros desarrollos del circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi ( Siemens AG) presentó una patente para un dispositivo amplificador de semiconductores de circuito similar integrado que muestra cinco transistores en un sustrato común dispuesta en una de 3 etapas amplificador arreglo. Jacobi revela pequeño y barato audífonos aplicaciones industriales como típicos de su patente. No se ha informado Un uso comercial de su patente.
Una idea precursor de la IC era crear pequeños cuadrados de cerámica (obleas), cada uno que contiene un único componente miniaturizado. Componentes podrían entonces ser integrados y conectados en una red bidimensional o tridimensional compacta. Esta idea, que parecía muy prometedor en 1957, se propuso que el Ejército de Estados Unidos por Jack Kilby, y condujo al Programa Micromódulo de corta duración (similar a la de 1951 Proyecto Tinkertoy). Sin embargo, ya que el proyecto fue cobrando impulso, Kilby se acercó con un nuevo diseño revolucionario: la IC.
Lo anterior acredita Noyce Kurt Lehovec de Sprague eléctrico para el principio de aislamiento unión pn causado por la acción de una unión pn sesgada (el diodo) como un concepto clave detrás de la IC.
Ver: Otras variaciones de los tubos de vacío para los conceptos de precursores como el Loewe 3NF.
Generaciones
SSI, MSI, LSI
Los primeros circuitos integrados contenían sólo unos pocos transistores. "Integración de Pequeña Escala" (SSI), utilizaron circuitos que contienen transistores de numeración en las decenas.
Circuitos SSI fueron cruciales para proyectos aeroespaciales tempranos, y viceversa. Ambos Minuteman misiles y Programa Apolo necesitaba computadoras digitales ligeros para sus sistemas de guía inercial; la Apolo ordenador orientación dirigido y motivado la tecnología de circuitos integrados, mientras que el misil Minuteman forzado en la producción en masa.
Estos programas han comprado casi todos los circuitos integrados disponibles desde 1960 a 1963, y casi solo proporcionaron la demanda que financió las mejoras en la producción para obtener los costos de producción de $ 1.000 / circuito (en dólares de 1960) a sólo $ 25 / circuito (en 1963 dólares) . Ellos comenzaron a aparecer en los productos de consumo a finales de la década, al ser una aplicación típica FM entre operadores de procesamiento de sonido en televisión receptores.
El siguiente paso en el desarrollo de los circuitos integrados, tomada a finales de 1960, los productos que contenían cientos de transistores en cada chip, llamado "Medium-Scale Integration" (MSI) introdujo.
Eran atractivo económicamente porque mientras que cuestan poco más para producir que los dispositivos de SSI, permitieron sistemas más complejos que se producen usando tablas más pequeñas de circuitos, menos trabajo de montaje (debido a un menor número de componentes separados), y un número de otras ventajas.
Un mayor desarrollo, impulsada por los mismos factores económicos, llevó a "Large-Scale Integration" (LSI) a mediados de 1970, con decenas de miles de transistores por chip.
Los circuitos integrados, tales como RAM 1K-bit, chips de calculadora, y los primeros microprocesadores, que comenzaron a ser fabricados en cantidades moderadas a principios de 1970, tenía bajo 4.000 transistores. Circuitos LSI Verdaderos, acercándose a 10.000 transistores, comenzaron a producir alrededor de 1974, para las principales memorias de las computadoras y microprocesadores de segunda generación.
VLSI
El paso final en el proceso de desarrollo, a partir de la década de 1980 y continuando hasta el presente, fue "Integración a Gran Escala-Muy" ( VLSI). Esto podría decirse que comenzar con cientos de miles de transistores en la década de 1980, y continúa más allá de varios miles de millones de transistores a partir de 2007.
No hubo un solo avance que permitió que este aumento de la complejidad, aunque muchos factores ayudaron. Fabricación trasladó a reglas más pequeñas y fábricas más limpias, que les permite producir los chips con más transistores con el rendimiento adecuado, tal como se resume por el International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Herramientas de diseño mejorado lo suficiente para que sea práctico para terminar estos diseños en un tiempo razonable. La energía más eficiente CMOS sustituye NMOS y PMOS, evitando un aumento prohibitivo en el consumo de energía. Mejores textos tales como el libro de texto hito por Mead y Conway ayudó escuelas educan a más diseñadores ...
En 1986, la primera de un megabit Chips de RAM fueron introducidos, que contenían más de un millón de transistores. Microprocesadores pasaron la marca del millón de transistores en 1989 y la marca de mil millones de transistores en 2005. La tendencia continúa en gran parte sin cesar, con chips introducidos en 2007 que contiene decenas de miles de millones de transistores de memoria.
ULSI, WSI, SOC, 3D-IC
Para reflejar un mayor crecimiento de la complejidad, se propuso el término ULSI que significa "Ultra-Large Scale Integration" para los chips de complejidad de más de 1 millón de transistores.
La integración de la oblea escala (WSI) es un sistema de construcción muy grandes circuitos integrados que utiliza toda una oblea de silicio para producir una sola "super-chip". A través de una combinación de gran tamaño y embalaje reducido, WSI podría conducir a costos reducidos drásticamente para algunos sistemas, en particular supercomputadoras masivamente paralelas. El nombre está tomado del término muy gran escala-Integración, el estado actual de la técnica cuando WSI se estaba desarrollando.
System-on-a-Chip (SoC o SOC) es un circuito integrado en el que todos los componentes necesarios para un ordenador u otro sistema se incluyen en un solo chip. El diseño de un dispositivo de este tipo puede ser complejo y costoso, y la construcción de componentes dispares en una sola pieza de silicio, pueden comprometer la eficiencia de algunos elementos. Sin embargo, estos inconvenientes se ven compensados por los costes de fabricación y de montaje inferior y por un presupuesto de energía muy reducido: porque las señales entre los componentes se mantienen en la matriz, se requiere mucha menos energía (ver Packaging, arriba).
Tres Circuito Integrado dimensiones (3D-IC) tiene dos o más capas de componentes electrónicos activos que se integran tanto vertical como horizontalmente en un solo circuito. La comunicación entre capas utiliza la señalización en el chip, por lo que el consumo de energía es mucho menor que en circuitos separados equivalentes. El uso juicioso de cables verticales cortas puede reducir sustancialmente la longitud total de cable para un funcionamiento más rápido.
Los avances en los circuitos integrados
Entre los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores o "núcleos", que controlan todo, desde ordenadores a teléfonos celulares a digitales hornos de microondas. Digital chips de memoria y ASICs son ejemplos de otras familias de circuitos integrados que son importantes para la moderna sociedad de la información. Si bien el costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se extienden a través típicamente millones de unidades de producción se reduce al mínimo el costo individual IC. El rendimiento de los CI es alta debido a su pequeño tamaño permite rastros cortos, que a su vez permite bajo lógica de energía (como CMOS) que se utilizará a velocidades de conmutación rápida.
ICs han emigrado consistentemente a tamaños más pequeños cuentan con los años, lo que permite más circuitos para ser embalado en cada chip. Este aumento de la capacidad por unidad de área se puede utilizar para reducir el coste y / o aumentar la funcionalidad de ver la ley de Moore que, en su interpretación moderna, afirma que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años. En general, como el tamaño de la característica reduce, casi todo mejora, el costo por unidad y el consumo de energía de conmutación bajan, y la velocidad aumenta. Sin embargo, los circuitos integrados con dispositivos de escala nanométrica no están exentos de problemas, el principal de los cuales es la corriente de fuga (ver fuga de subumbral para una discusión de este), aunque estos problemas no son insuperables y probablemente será resuelto o al menos mejorado por la introducción de high-k dieléctricos. Dado que estas ganancias de velocidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, hay una feroz competencia entre los fabricantes a utilizar geometrías más finos. Este proceso, y el progreso esperado en los próximos años, está bien descrito por el International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS).
Popularidad de los circuitos integrados
Sólo medio siglo después de que se inició su desarrollo, los circuitos integrados se han vuelto omnipresentes. Ordenadores , teléfonos celulares , y otros digital aparatos son ahora partes inextricables de la estructura de las sociedades modernas. Es decir, moderna computación, comunicaciones , manufactura y transporte sistemas, incluyendo la Internet , todos dependen de la existencia de circuitos integrados. De hecho, muchos los estudiosos creen que el revolución digital Acerca traído por el microchip revolución fue uno de los acontecimientos más importantes en la historia de la humanidad .
Clasificación
Los circuitos integrados se pueden clasificar en analógico, digital y de señal mixta (tanto analógicas como digitales en el mismo chip).
Circuitos integrados digitales pueden contener desde unos pocos miles de millones de puertas lógicas, chanclas, multiplexores, y otros circuitos en unos pocos milímetros cuadrados. El pequeño tamaño de estos circuitos permite alta velocidad, baja disipación de potencia, y la reducción de costes de fabricación en comparación con la integración a nivel de placa. Estos circuitos integrados digitales, típicamente microprocesadores, DSP y microcontroladores trabajo usando las matemáticas binarias para procesar "uno" y las señales de "cero".
Circuitos integrados analógicos, tales como sensores, circuitos de administración de energía y amplificadores operacionales, funcionan mediante el procesamiento de señales continuas. Realizan funciones como amplificación , filtrado activo, demodulación, mezcla, etc. ICs analógicos aliviar la carga de los diseñadores de circuitos por tener circuitos analógicos diseñados por expertos disponibles en lugar de diseñar un circuito analógico difícil desde el principio.
ICs también pueden combinar circuitos analógicos y digitales en un solo chip para crear funciones tales como Convertidores A / D y Convertidores D / A. Tales circuitos ofrecen un tamaño más pequeño y menor costo, pero deben tener en cuenta cuidadosamente para interferencia de la señal.
Manufactura
Fabricación
Los semiconductores de la tabla periódica de los elementos químicos fueron identificados como los materiales más probables para una estado sólido tubo de vacío por los investigadores como William Shockley en Laboratorios Bell a partir de la década de 1930. Empezando con óxido de cobre, procediendo a germanio , luego de silicio , los materiales fueron estudiados sistemáticamente en los años 1940 y 1950. Hoy en día, el silicio monocristales son la principal sustrato utilizado para los circuitos integrados (ICs) aunque algunos compuestos III-V de la tabla periódica, como arseniuro de galio se utilizan para aplicaciones especializadas como Leds, láseres , células solares y los circuitos integrados de alta velocidad. Tuvieron que pasar décadas a perfeccionar los métodos de creación de cristales sin defectos en la estructura cristalina del material semiconductor.
Semiconductores ICs son fabricados en un proceso de capa que incluye los siguientes pasos claves del proceso:
- Imaging
- Declaración
- Aguafuerte
Los principales pasos del proceso se complementan con medidas de dopaje, de limpieza y de polarización.
Mono-cristal de silicio obleas (o para aplicaciones especiales, silicio sobre zafiro o obleas de arseniuro de galio) se utilizan como sustrato. La fotolitografía se utiliza para marcar las diferentes áreas del sustrato que se va dopado o tener polisilicio, aislantes o de metal (generalmente de aluminio ) pistas depositadas en ellos.
- Los circuitos integrados están compuestos de muchas capas superpuestas, cada una definida por fotolitografía, y normalmente muestran en diferentes colores. Algunas capas marcan donde varios agentes de dopado se difunden en el substrato (llamadas capas de difusión), algunos definen donde se implantan iones adicionales (capas implante), algunos definen los conductores (de polisilicio o metal capas), y algunos definen las conexiones entre las capas conductoras ( vía o capas de contacto). Todos los componentes están construidos a partir de una combinación específica de estas capas.
- En un autoalineada Proceso CMOS, una transistor se forma donde la capa de puerta (polisilicio o metal) atraviesa una capa de difusión.
- Estructuras resistivas, rayas serpenteantes de diferentes longitudes, se forman las cargas en el circuito. La relación de la longitud de la estructura resistiva a su anchura, combinado con su resistividad laminar determina la resistencia.
- Estructuras capacitivas, en forma muy parecida a las placas conductoras paralelas de un condensador eléctrico tradicional, se forman de acuerdo a la zona de las "placas", con material aislante entre las placas. Debido a las limitaciones de tamaño, sólo muy pequeñas capacitancias se pueden crear en un IC.
- Más raramente, estructuras inductivas pueden ser construidas como pequeñas bobinas en el chip, o simulados por giradores.
Desde un dispositivo CMOS sólo consume corriente en la transición entre lógica estados, los dispositivos CMOS consumen mucha menos corriente que dispositivos bipolares.
La memoria de acceso aleatorio es el tipo más habitual de circuito integrado; los dispositivos más altos de densidad son, pues, las memorias; pero incluso una microprocesador tendrá memoria en el chip. (Véase la estructura matriz regular en la parte inferior de la primera imagen.) Aunque las estructuras son intrincados - con anchuras que se han ido reduciendo durante décadas - las capas siguen siendo mucho más delgadas que las amplitudes de dispositivo. Las capas de material se fabrican muy similar a un proceso fotográfico, aunque ligeras ondas en el espectro visible no se puede utilizar para "exponer" una capa de material, ya que sería demasiado grande para las características. Por lo tanto los fotones de altas frecuencias (típicamente ultravioleta se utilizan) para crear los patrones para cada capa. Debido a que cada característica es tan pequeño, microscopios electrónicos son herramientas esenciales para un proceso ingeniero al que podía la depuración de un proceso de fabricación.
Cada dispositivo se prueba antes del envasado utilizando un equipo de prueba automatizado (ATE), en un proceso conocido como pruebas de oblea, o la oblea de sondeo. La oblea se corta en bloques rectangulares, cada uno de los cuales se llama un dado. Cada buena mueren (dados plural, muere, o morir) se conecta en un paquete usando aluminio (o de oro ) cables que se sueldan a las almohadillas, que normalmente se encuentra en el borde de la matriz. Después de envases, los dispositivos pasan a través de las pruebas finales en el mismo o similar ATE utilizan durante la oblea de sondeo. Costo de prueba puede dar cuenta de más del 25% del coste de fabricación de productos de menor costo, pero puede ser insignificante en baja rendimiento, más grande, y / o dispositivos de mayor costo.
A partir de 2005, una instalación de fabricación (comúnmente conocido como un semiconductor fab) cuesta más de mil millones dólares para construir, porque gran parte de la operación está automatizada. Los procesos más avanzados emplean las siguientes técnicas:
- Las obleas son de hasta 300 mm de diámetro (más ancho que un plato común).
- El uso de 65 nanómetros o proceso de fabricación de chips más pequeños. Intel , IBM , NEC, y AMD están utilizando 45 nanómetros para sus CPU fichas, y AMD y NEC han empezado a utilizar un proceso de 65 nanómetros. IBM y AMD son en el desarrollo de un proceso de 45 nm utilizando litografía de inmersión.
- Interconexiones de cobre donde el cableado de cobre reemplaza aluminio para las interconexiones.
- Low-K aislantes dieléctricos.
- Silicio sobre aislante (SOI)
- Silicio rígido en un proceso utilizado por IBM conocido como silicio rígido directamente sobre aislante (SSDOI)
Embalaje
Los circuitos integrados más tempranos fueron envasadas en paquetes planos de cerámica, que continuaron a ser utilizado por los militares por su fiabilidad y su pequeño tamaño hace muchos años. Embalaje circuito comercial se trasladó rápidamente a la paquete dual en línea (DIP), primero en cerámica y más tarde en plástico. En la década de 1980 el recuento de pines de circuitos VLSI excedieron el límite práctico para el envasado de DIP, lo que lleva a pin grid array (PGA) y soporte de chip sin plomo (LCC) paquetes. Montaje superficial embalaje apareció a principios de 1980 y se hizo popular en la década de 1980, el uso de plomo tono más fino con cables formados ya sea como alas de gaviota o J-plomo, como lo demuestra pequeña esquema de circuito integrado - un soporte que ocupa un área de aproximadamente 30 - 50% menos de un equivalente DIP, con un espesor típico que es 70% menos. Este paquete tiene "ala de gaviota" conduce sobresale de los dos lados largos y una separación de plomo de 0,050 pulgadas.
Circuito integrado de contorno pequeño (SOIC) y Paquetes PLCC. A finales de 1990, PQFP y Paquetes de TSOP se convirtió en el más común de los dispositivos de alta densidad de pines, aunque paquetes PGA todavía se utilizan a menudo para la gama alta microprocesadores. Intel y AMD están actualmente en transición de los paquetes de la PGA en microprocesadores de gama alta para land grid array paquetes (LGA).
Ball grid array paquetes (BGA) han existido desde la década de 1970. Flip-chips Ball Grid Array, paquetes que permiten mucho mayor número de pines que otros tipos de paquetes, se desarrollaron en la década de 1990. En un paquete de FCBGA el troquel está montado al revés (girado) y se conecta a las bolas de paquete a través de un sustrato de paquete que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de por los alambres. Paquetes FCBGA permiten una gran variedad de señales de entrada-salida (llamado Area-I / O) que se distribuye en toda la matriz en lugar de limitarse a la periferia dado.
Traza de la matriz, a través del paquete, y en el placa de circuito impreso tienen muy diferentes propiedades eléctricas, en comparación a las señales en el chip. Requieren técnicas de diseño especiales y necesitan mucha más energía eléctrica que las señales confinados al propio chip.
Cuando varios troqueles se ponen en un solo paquete, se llama SiP, por Sistema en paquete. Cuando varios troqueles se combinan en un pequeño sustrato, a menudo de cerámica, que se llama un MCM, o Módulo Multi-Chip. El límite entre una gran MCM y una pequeña placa de circuito impreso a veces es difusa.
Otras novedades
En la década de 1980 Se desarrollaron circuitos integrados programables. Estos dispositivos contienen circuitos cuya función lógica y de conectividad puede ser programado por el usuario, en lugar de ser fijado por el fabricante de circuitos integrados. Esto permite que un solo chip para ser programado para aplicar diferentes funciones de tipo LSI tales como puertas lógicas, sumadores, y registros. Los dispositivos actuales con nombre FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) ahora puede aplicar a decenas de miles de circuitos LSI en paralelo y operar hasta 550 MHz.
Las técnicas perfeccionadas por la industria de los circuitos integrados sobre las últimas tres décadas se han utilizado para crear máquinas microscópicas, conocido como MEMS. Estos dispositivos se utilizan en una variedad de aplicaciones comerciales y militares. Aplicaciones comerciales de ejemplo incluyen DLP proyectores, impresoras de inyección de tinta, y acelerómetros utilizan para desplegar automóvil airbags.
En el pasado, radios no podían ser fabricados en los mismos procesos de bajo coste como microprocesadores. Pero desde el año 1998, un gran número de chips de radio se han desarrollado utilizando procesos CMOS. Los ejemplos incluyen teléfono inalámbrico DECT de Intel, o 802.11 tarjeta de Atheros.
Futuros desarrollos parecen seguir el paradigma multi-microprocesador, ya utilizado por los procesadores de doble núcleo de Intel y AMD. Intel dio a conocer recientemente un prototipo, "no para la venta comercial" chip que lleva la asombrosa cifra de 80 microprocesadores. Cada núcleo es capaz de manejar su propia tarea independientemente de los otros. Esto es en respuesta al límite de calor versus velocidad que está a punto de ser alcanzado utilizando la tecnología de transistor existente. Este diseño ofrece un nuevo desafío a la programación del chip. X10 es el nuevo lenguaje de programación de código abierto diseñado para ayudar con esta tarea.
Grafiti Silicio
Desde que se crearon circuitos integrados, algunos diseñadores de chips han utilizado el área de superficie de silicio para las imágenes o palabras subrepticios, no funcionales. Estos se denominan a veces Arte chip, Silicon Arte, Silicon Graffiti o silicio Doodling. Para una visión general de esta práctica, vea el artículo El Arte Secreto del chip Graffiti, desde el Spectrum y la revista IEEE Zoo de silicio.
