Circuito integrado
Circuito electrónico formado sobre una pequeña pieza plana de material semiconductor.

Imagen microscópica de un chip de circuito integrado utilizado para controlar pantallas LCD . Los pines son los círculos oscuros que rodean el circuito integrado.

Un circuito integrado ( CI ), también conocido como microchip , chip de computadora o simplemente chip , es un pequeño dispositivo electrónico compuesto por múltiples componentes electrónicos interconectados, como transistores , resistencias y condensadores . Estos componentes están grabados en una pequeña pieza de material semiconductor , generalmente silicio . Los circuitos integrados se utilizan en una amplia gama de dispositivos electrónicos, incluidos ordenadores , teléfonos inteligentes y televisores , para realizar diversas funciones, como procesar y almacenar información. Han tenido un gran impacto en el campo de la electrónica al permitir la miniaturización de los dispositivos y una funcionalidad mejorada.

Los circuitos integrados son órdenes de magnitud más pequeños, más rápidos y menos costosos que aquellos construidos con componentes discretos, lo que permite un gran número de transistores .

La capacidad de producción en masa de los CI , su fiabilidad y el enfoque de bloques de construcción para el diseño de circuitos integrados han asegurado la rápida adopción de CI estandarizados en lugar de diseños que utilizan transistores discretos. Los CI 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 son ahora partes esenciales de la estructura de las sociedades modernas, lo que es posible gracias al pequeño tamaño y al bajo costo de los CI, como los procesadores de computadoras y los microcontroladores modernos .

La integración a gran escala se hizo posible gracias a los avances tecnológicos en la fabricación de dispositivos semiconductores . 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 permiten colocar cada vez más transistores en chips del mismo tamaño (un chip moderno puede tener muchos miles de millones de transistores en un área del tamaño de una uña humana). Estos avances, que siguen aproximadamente la ley de Moore , hacen que los chips de computadora de hoy tengan 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 tres ventajas principales sobre los circuitos construidos a partir de componentes discretos: tamaño, costo y rendimiento. El tamaño y el costo son bajos porque los chips, con todos sus componentes, se imprimen como una unidad mediante fotolitografía en lugar de construirse transistor por transistor. Además, los circuitos integrados encapsulados utilizan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto porque los componentes del circuito integrado se conmutan rápidamente y consumen comparativamente poca energía debido a su pequeño tamaño y proximidad. La principal desventaja de los circuitos integrados es el alto costo inicial de diseño y el enorme costo de capital de construcción en fábrica. Este alto costo inicial significa que los circuitos integrados solo son comercialmente viables cuando se anticipan grandes volúmenes de producción .

Terminología

Un circuito integrado se define como: [1]

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

En sentido estricto, circuito integrado se refiere a la construcción de circuito de una sola pieza conocida originalmente como circuito integrado monolítico , que comprende una sola pieza de silicio. [2] [3] En el uso general, los circuitos que no cumplen con esta definición estricta a veces se denominan CI, que se construyen utilizando muchas tecnologías diferentes, por ejemplo , CI 3D , CI 2.5D , MCM , transistores de película delgada , tecnologías de película gruesa o circuitos integrados híbridos . La elección de la terminología aparece con frecuencia en discusiones relacionadas con si la Ley de Moore está obsoleta.

Circuito integrado original de Jack Kilby ; el primero del mundo. Fabricado en germanio con interconexiones de hilo de oro.

Historia

Un primer intento de combinar varios componentes en un dispositivo (como los circuitos integrados modernos) fue el tubo de vacío Loewe 3NF , fabricado por primera vez en 1926. [4] [5] A diferencia de los circuitos integrados, se diseñó con el propósito de evadir impuestos , ya que en Alemania los receptores de radio tenían un impuesto que se aplicaba en función de la cantidad de portatubos que tuviera un receptor de radio. Permitió que los receptores de radio tuvieran un solo portatubos. Se fabricaron un millón y fueron "un primer paso en la integración de dispositivos radioelectrónicos". [6] El dispositivo contenía un amplificador , compuesto por tres triodos, dos condensadores y cuatro resistencias en un dispositivo de seis pines. [7] Las radios con el Loewe 3NF eran menos costosas que otras radios, [8] lo que demuestra una de las ventajas de la integración sobre el uso de componentes discretos , que se vería décadas después con los circuitos integrados. [9]

Los primeros conceptos de un circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi [10] ( Siemens AG ) [11] presentó una patente para un dispositivo amplificador semiconductor similar a un circuito integrado [12] que mostraba cinco transistores en un sustrato común en una disposición de amplificador de tres etapas . Jacobi divulgó 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 defensores del concepto fue Geoffrey Dummer (1909-2002), un científico de radar que trabajaba para el Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa británico . Dummer presentó la idea al público en el Simposio sobre el Progreso en Componentes Electrónicos de Calidad en Washington, DC , el 7 de mayo de 1952. [13] Dio muchos simposios públicamente para propagar sus ideas e intentó sin éxito construir un circuito de este tipo en 1956. Entre 1953 y 1957, Sidney Darlington y Yasuo Tarui ( Laboratorio Electrotécnico ) propusieron diseños de chips similares en los que varios transistores podían compartir un área activa común, pero no había aislamiento eléctrico para separarlos entre sí. [10]

El chip de circuito integrado monolítico fue posible gracias a las invenciones del proceso planar de Jean Hoerni y del aislamiento de la unión p–n de Kurt Lehovec . La invención de Hoerni se basó en el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre la protección y pasivación de superficies mediante enmascaramiento y predeposición de dióxido de silicio, [14] [15] [16] así como en el trabajo de Fuller, Ditzenberger y otros sobre la difusión de impurezas en el silicio. [17] [18] [19] [20] [21]

Los primeros circuitos integrados

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

Una idea precursora del CI fue la creación de pequeños sustratos cerámicos (los llamados micromódulos ), [22] cada uno de los cuales contenía un único componente miniaturizado. Los componentes podían entonces integrarse y conectarse en una red compacta bidimensional o tridimensional. Esta idea, que parecía muy prometedora en 1957, fue propuesta al ejército de los EE. UU. por Jack Kilby [22] y condujo al efímero Programa de Micromódulos (similar al Proyecto Tinkertoy de 1951). [22] [23] [24] Sin embargo, a medida que el proyecto ganaba impulso, Kilby ideó un diseño nuevo y revolucionario: el CI.

Kilby, recién incorporado a Texas Instruments , 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. [25] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, [26] Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [27] El primer cliente de la nueva invención fue la Fuerza Aérea de los Estados Unidos . [28] Kilby ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su participación en la invención del circuito integrado. [29]

Sin embargo, la invención de Kilby no era un verdadero chip de circuito integrado monolítico ya que tenía conexiones externas de cables de oro, lo que habría dificultado su producción en masa. [30] Medio año después de Kilby, Robert Noyce en Fairchild Semiconductor inventó el primer chip IC monolítico verdadero. [31] [30] Más práctico que la implementación de Kilby, el chip de Noyce estaba hecho de silicio , mientras que el de Kilby estaba hecho de germanio , y el de Noyce se fabricó utilizando el proceso planar , desarrollado a principios de 1959 por su colega Jean Hoerni e incluía las críticas líneas de interconexión de aluminio en el chip. Los chips IC modernos se basan en el IC monolítico de Noyce, [31] [30] en lugar del de Kilby.

El Programa Apolo de la NASA fue el mayor consumidor individual de circuitos integrados entre 1961 y 1965. [32]

Tiempo de vida útilcircuitos integrados

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 y principios de la de 1980. [33]

Dov Frohman , un ingeniero eléctrico israelí que desarrolló la EPROM entre 1969 y 1971

Docenas de circuitos integrados TTL fueron un método estándar de construcción para los procesadores de minicomputadoras y computadoras mainframe . Computadoras como las mainframes IBM 360 , las minicomputadoras PDP-11 y la computadora de escritorio Datapoint 2200 se construyeron a partir de circuitos integrados bipolares , [34] ya sea TTL o la lógica acoplada a emisor (ECL), aún más rápida.

Memoria EPROM

Una EPROM es un tipo de chip cuyo concepto fue desarrollado por el ingeniero eléctrico israelí, Dov Frohman en 1969 y desarrollado en la práctica en 1971 mientras Frohman trabajaba para Intel . [35] [36]

Circuitos integrados MOS

Casi todos los chips de CI modernos son circuitos integrados de metal-óxido-semiconductor (MOS), construidos a partir de MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-óxido-silicio). [37] El MOSFET inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . [45] A diferencia de los 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. [46] Su ventaja para los circuitos integrados fue señalada por Dawon Kahng en 1961. [47] La ​​lista de hitos del IEEE incluye el primer circuito integrado de Kilby en 1958, [48] el proceso planar de Hoerni y el CI planar de Noyce en 1959. [49]

El primer CI MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [50] Más tarde, General Microelectronics presentó el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, [51] un registro de desplazamiento de 120 transistores desarrollado por Robert Norman. [50] En 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 la integración a gran escala (LSI) con cientos de transistores en un solo chip MOS a fines de la década de 1960. [52]

Tras el desarrollo del MOSFET de compuerta autoalineada (compuerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, [53] la primera tecnología de CI MOS de compuerta de silicio con compuertas autoalineadas , la base de todos los circuitos integrados CMOS modernos , fue desarrollada en Fairchild Semiconductor por Federico Faggin en 1968. [54] La aplicación de chips MOS LSI a la informática fue la base de los primeros microprocesadores , ya que los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completo podía estar contenido en un solo chip MOS LSI. Esto condujo a las invenciones del microprocesador y el microcontrolador a principios de la década de 1970. [52] Durante 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. [55]

Al principio, las computadoras basadas en MOS solo tenían sentido cuando se requería alta densidad, como en la industria aeroespacial y las calculadoras de bolsillo . Las computadoras construidas completamente a partir de TTL, como la Datapoint 2200 de 1970 , eran mucho más rápidas y potentes que los microprocesadores MOS de un solo chip, como el Intel 8008 de 1972 , hasta principios de la década de 1980. [34]

Los avances en la tecnología de los circuitos integrados, principalmente las características más pequeñas y los chips más grandes, han permitido que la cantidad de transistores MOS en un circuito integrado se duplique cada dos años, una tendencia conocida como la ley de Moore. Moore originalmente afirmó que se duplicaría cada año, pero luego cambió la afirmación a cada dos años en 1975. [56] Esta mayor capacidad se ha utilizado para reducir el costo y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que se reduce el tamaño de las características, casi todos los aspectos del funcionamiento de un circuito integrado mejoran. El costo por transistor y el consumo de energía de conmutación por transistor disminuyen, mientras que la capacidad de memoria y la velocidad aumentan, a través de las relaciones definidas por la escala de Dennard ( escalamiento MOSFET ). [57] Debido a 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, los tamaños de los transistores han disminuido de decenas de micrones a principios de la década de 1970 a 10 nanómetros en 2017 [58] con un aumento correspondiente de un millón de veces en transistores por unidad de área. A partir de 2016, las áreas típicas de los chips varían desde unos pocos milímetros cuadrados hasta alrededor de 600 mm2 , con hasta 25 millones de transistores por mm2 . [ 59]

La reducción prevista de los tamaños de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas se habían previsto durante muchos años en la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS). La ITRS final se publicó en 2016 y está siendo reemplazada por la Hoja de Ruta Internacional para Dispositivos y Sistemas . [60]

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

  • Los dispositivos acoplados por carga y los sensores de píxeles activos , estrechamente relacionados con ellos, son chips sensibles a la luz que han reemplazado en gran medida a la película fotográfica en aplicaciones científicas, médicas y de consumo. En la actualidad, se producen miles de millones de estos dispositivos cada año para aplicaciones como teléfonos celulares, tabletas y cámaras digitales. Este subcampo de los circuitos integrados ganó el Premio Nobel en 2009. [61]
  • Se pueden integrar en chips dispositivos mecánicos muy pequeños accionados por electricidad, una tecnología conocida como sistemas microelectromecánicos (MEMS). Estos dispositivos se desarrollaron a fines de la década de 1980 [62] y se utilizan en una variedad de aplicaciones comerciales y militares. Algunos 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 resultó en la comercialización exitosa de transceptores ópticos integrados basados ​​en silicio que combinan dispositivos ópticos (moduladores, detectores, enrutamiento) con electrónica basada en CMOS. [63] También se están desarrollando circuitos integrados fotónicos que utilizan luz, como PACE (Photonic Arithmetic Computing Engine) de Lightelligence, utilizando el campo emergente de la física conocido como fotónica . [64]
  • También se están desarrollando circuitos integrados para aplicaciones de sensores en implantes médicos u otros dispositivos bioelectrónicos . [65] Se deben aplicar técnicas de sellado especiales en dichos entornos biogénicos para evitar la corrosión o biodegradación de los materiales semiconductores expuestos. [66]

A partir de 2018 [actualizar], 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:

A medida que se hace más difícil fabricar transistores cada vez más pequeños, las empresas están utilizando módulos multi-chip / chiplets , circuitos integrados tridimensionales , paquete sobre paquete , memoria de alto ancho de banda y vías a través de silicio con apilamiento de matrices para aumentar el rendimiento y reducir el tamaño, sin tener que reducir el tamaño de los transistores. Estas técnicas se conocen colectivamente como empaquetado avanzado . [71] El empaquetado avanzado se divide principalmente en empaquetado 2.5D y 3D. 2.5D describe enfoques como módulos multi-chip, mientras que 3D describe enfoques donde las matrices se apilan de una forma u otra, como paquete sobre paquete y memoria de alto ancho de banda. Todos los enfoques implican 2 o más matrices en un solo paquete. [72] [73] [74] [75] [76] Alternativamente, enfoques como 3D NAND apilan múltiples capas en una sola matriz. Se ha demostrado una técnica para incluir refrigeración microfluídica en circuitos integrados, para mejorar el rendimiento de refrigeración [77] así como refrigeradores termoeléctricos Peltier en protuberancias de soldadura, o protuberancias de soldadura térmicas utilizadas exclusivamente para la disipación de calor, utilizadas en chips invertidos . [78] [79]

Diseño

Detalle virtual de un circuito integrado a través de cuatro capas de interconexión de cobre planarizado , hasta el polisilicio (rosa), los pozos (grisáceos) y el sustrato (verde)

El costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, normalmente de varias decenas de millones de dólares. [80] [81] Por lo tanto, solo 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 típicamente entre 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), [82] es una categoría de herramientas de software para diseñar sistemas electrónicos , incluidos los circuitos integrados. Las herramientas trabajan juntas en un flujo de diseño que los ingenieros utilizan para diseñar, verificar y analizar chips semiconductores completos. Algunas de las últimas herramientas EDA utilizan inteligencia artificial (IA) para ayudar a los ingenieros a ahorrar tiempo y mejorar el rendimiento del chip.

Tipos

Convertidor de A a D IC en un DIP

Los circuitos integrados se pueden clasificar ampliamente en analógicos [83] , digitales [84] y de señal mixta [85] , que consisten en señalización analógica y digital en el mismo CI.

Los circuitos integrados digitales pueden contener miles de millones [59] 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 potencia y un menor costo de fabricación 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" .

El chip 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. Se pueden integrar varios núcleos en un único circuito integrado o chip. 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 pueden ser programadas por el usuario, en lugar de ser fijadas 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 se presenta en varias formas: dispositivos que se pueden programar solo una vez , dispositivos que se pueden borrar y luego reprogramar utilizando luz ultravioleta , dispositivos que se pueden (re)programar utilizando memoria flash y matrices de puertas programables en campo (FPGAs) que se pueden programar en cualquier momento, incluso durante el funcionamiento. Los FPGAs actuales pueden (a partir de 2016) implementar el equivalente a millones de puertas y operar a frecuencias de hasta 1 GHz . [86]

Los circuitos integrados analógicos, como sensores , circuitos de gestión de energía y amplificadores operacionales (op-amps), 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 analógico-digitales y convertidores digital-analógicos . Estos circuitos de señal mixta ofrecen un tamaño menor y un menor costo, pero deben tener en cuenta la interferencia de la señal. Antes de finales de la década de 1990, las radios no podían fabricarse con los mismos procesos CMOS de bajo costo que los microprocesadores. Pero desde 1998, se han desarrollado chips de radio utilizando procesos CMOS de RF . Algunos ejemplos incluyen el teléfono inalámbrico DECT de Intel o los chips 802.11 ( Wi-Fi ) creados por Atheros y otras empresas. [87]

Los distribuidores de componentes electrónicos modernos suelen subdividir los circuitos integrados en:

Fabricación

Fabricación

Representación de una pequeña celda estándar con tres capas de metal ( se ha eliminado el dieléctrico ). Las estructuras de color arena son interconexiones de metal , con los pilares verticales siendo contactos, típicamente tapones de tungsteno . Las estructuras rojizas son compuertas de polisilicio, y el sólido en la parte inferior es el silicio cristalino .
Estructura esquemática de un chip CMOS , tal como se fabricó a principios de la década de 2000. El gráfico muestra LDD-MISFET sobre un sustrato SOI con cinco capas de metalización y soldadura para la unión de chips invertidos. También muestra la sección para FEOL (frontal de línea), BEOL (posterior de línea) y las primeras partes del proceso posterior.

Los semiconductores de la tabla periódica de los elementos químicos fueron identificados como los materiales más probables para un tubo de vacío de estado sólido . Empezando con el óxido de cobre , siguiendo con el germanio , luego el silicio , los materiales fueron estudiados sistemáticamente en los años 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 mediante un proceso planar que incluye tres pasos clave: fotolitografía , deposición (como la deposición química en fase de vapor ) y grabado . Los pasos principales del proceso se complementan con dopaje y limpieza. Los circuitos integrados más recientes o de alto rendimiento pueden utilizar en cambio transistores FinFET o GAAFET de múltiples puertas en lugar de los planares, comenzando en el nodo de 22 nm (Intel) o en los nodos de 16/14 nm. [88]

En la mayoría de las aplicaciones se utilizan obleas de silicio monocristalino (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 que se van a dopar o para depositar sobre ellas pistas de polisilicio, aislantes o metal (normalmente aluminio o cobre). Los dopantes son impurezas que se introducen intencionadamente en un semiconductor para modular sus propiedades electrónicas. El dopaje es el proceso de añadir dopantes a un material semiconductor.

  • Los circuitos integrados se componen de muchas capas superpuestas, cada una definida por fotolitografía y normalmente mostradas en diferentes colores. Algunas capas marcan dónde se difunden diversos 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 (capas de contacto o de vía). Todos los componentes están construidos a partir de una combinación específica de estas capas.
  • En un proceso CMOS autoalineado , se forma un transistor donde la capa de compuerta (polisilicio o metal) cruza una capa de difusión (esto se llama "la compuerta autoalineada"). [89] : p.1 (ver Fig. 1.1) 
  • Las estructuras capacitivas , que tienen una forma muy similar a las placas conductoras paralelas de un condensador eléctrico tradicional , se forman según el área de las "placas", con material aislante entre ellas. En los circuitos integrados es habitual utilizar condensadores de una amplia gama de tamaños.
  • A veces se utilizan franjas serpenteantes de longitudes variables para formar resistencias en chip , aunque la mayoría de los circuitos lógicos no necesitan ninguna resistencia. La relación entre la longitud de la estructura resistiva y su ancho, combinada con su resistividad laminar, determina la resistencia.
  • Con menor frecuencia, las estructuras inductivas se pueden construir como pequeñas bobinas en chip o simularse mediante 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 con transistores de unión bipolar .

Una memoria de acceso aleatorio es el tipo más regular de circuito integrado; los dispositivos de mayor densidad son, por lo tanto, 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 ido reduciendo 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. Por lo tanto, se utilizan fotones de frecuencias más altas (normalmente ultravioleta ) 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 empaquetado utilizando un equipo de prueba automatizado (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 matriz . Luego, cada matriz buena (plural dados , matrices o dado ) se conecta a un paquete utilizando cables de unión de aluminio (u oro) que están unidos termosónicamente [90] a almohadillas , que generalmente se encuentran alrededor del borde de la matriz. La unión termosónica fue introducida por primera vez por A. Coucoulas, que proporcionó un medio confiable para formar estas conexiones eléctricas vitales con el mundo exterior. Después del empaquetado, los dispositivos pasan por una prueba final en el mismo ATE o 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 2022 [update], la construcción de una planta de fabricación (comúnmente conocida como fábrica de semiconductores ) puede costar más de 12 mil millones de dólares. [91] El costo de una planta de fabricación aumenta con el tiempo debido a la mayor complejidad de los nuevos productos; esto se conoce como la ley de Rock . Una instalación de este tipo presenta:

Los circuitos integrados pueden fabricarse 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 fábrica). En el modelo de fundición, las empresas sin fábrica (como Nvidia ) solo diseñan y venden circuitos integrados y subcontratan toda la fabricación a fundiciones puras como TSMC . Estas fundiciones pueden ofrecer servicios de diseño de circuitos integrados.

Embalaje

Un chip nMOS MSI soviético fabricado en 1977, parte de un conjunto de calculadora de cuatro chips diseñado en 1970 [92]

Los primeros circuitos integrados se empaquetaban en paquetes planos de cerámica , que continuaron siendo utilizados por los militares por su confiabilidad y pequeño tamaño durante muchos años. El empaquetado de circuitos comerciales rápidamente pasó al encapsulado dual en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico, que comúnmente es cresol - formaldehído - novolac . En la década de 1980, los recuentos de pines de los circuitos VLSI excedieron el límite práctico para el empaquetado DIP, lo que llevó a los encapsulados de matriz de rejilla de pines (PGA) y portador de chip sin cables (LCC). El empaquetado de montaje superficial apareció a principios de la década de 1980 y se hizo popular a fines de la década de 1980, utilizando un paso de cable más fino con cables formados como ala de gaviota o cable J, como lo ejemplifica el encapsulado de circuito integrado de contorno pequeño (SOIC), un portador que ocupa un área aproximadamente entre un 30 y un 50 % menos que un DIP equivalente y generalmente es un 70 % más delgado. Este paquete tiene cables en forma de "alas de gaviota" que sobresalen de los dos lados largos y un espaciado entre cables de 0,050 pulgadas.

A fines de la década de 1990, los paquetes de plástico cuádruple plano (PQFP) y los paquetes de contorno pequeño y delgado (TSOP) se convirtieron en los más comunes para dispositivos con gran cantidad de pines, aunque los paquetes PGA todavía se utilizan para microprocesadores de alta gama .

Los encapsulados de matriz de rejilla de bolas (BGA) existen desde la década de 1970. Los encapsulados de matriz de rejilla de bolas con chip invertido , que permiten un número de pines mucho mayor que otros tipos de encapsulados, se desarrollaron en la década de 1990. En un encapsulado FCBGA, el chip se monta al revés (volteado) y se conecta a las bolas del encapsulado a través de un sustrato de encapsulado que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de cables. Los encapsulados FCBGA permiten que una matriz de señales de entrada y salida (llamadas E/S de área) se distribuya por todo el chip en lugar de limitarse a la periferia del chip. Los dispositivos BGA tienen la ventaja de no necesitar un zócalo dedicado, pero son mucho más difíciles de reemplazar en caso de falla del dispositivo.

Intel dejó de usar PGA para pasar a la matriz de rejilla terrestre (LGA) y BGA a partir de 2004, y el último zócalo PGA se lanzó en 2014 para plataformas móviles. A partir de 2018 [update], AMD usa paquetes PGA en procesadores de escritorio convencionales, [93] paquetes BGA en procesadores móviles, [94] y los microprocesadores de escritorio y servidor de alta gama usan paquetes LGA. [95]

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

Cuando se colocan múltiples chips en un paquete, el resultado es un sistema en paquete , abreviado SiP . Un módulo multichip ( MCM ) se crea combinando múltiples chips en un sustrato pequeño, a menudo de cerámica. La distinción entre un MCM grande y una placa de circuito impreso pequeña a veces es 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 superficial extremadamente pequeñas a menudo solo llevan un número que se utiliza 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

La posibilidad de copiar mediante la fotografía de cada capa de un circuito integrado y preparar fotomáscaras para su producción a partir de las fotografías obtenidas es una de las razones para la introducción de una legislación para la protección de los esquemas de trazado. La Ley de Protección de Chips Semiconductores de los Estados Unidos de América de 1984 estableció la protección de la propiedad intelectual para las fotomáscaras utilizadas para producir circuitos integrados. [96]

En 1989, en una conferencia diplomática celebrada en Washington, D.C., se adoptó un Tratado sobre la propiedad intelectual en materia de circuitos integrados, [97] también denominado Tratado de Washington o Tratado IPIC. El tratado no está en vigor en la actualidad, pero se integró parcialmente en el Acuerdo sobre los ADPIC . [98]

Hay varias patentes de Estados Unidos relacionadas con el circuito integrado, que incluyen las patentes de JS Kilby US3,138,743 , US3,261,081 , US3,434,015 y de RF Stewart US3,138,747 .

En varios países, entre ellos Japón, [99] la CE , [100] el Reino Unido, Australia y Corea, se han adoptado leyes nacionales que protegen los diseños de los circuitos integrados. El Reino Unido promulgó la Ley de derechos de autor, diseños y patentes de 1988, c. 48, § 213, después de haber adoptado inicialmente la postura de que su ley de derechos de autor protegía plenamente las topografías de los chips. Véase British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co.

Las críticas a la insuficiencia del enfoque de derechos de autor del Reino Unido tal como lo percibe la industria de chips de EE. UU. se resumen en los desarrollos posteriores sobre derechos de chips. [101]

Australia aprobó la Ley de Diseño de Circuitos de 1989 como una forma sui generis de protección de chips. [102] Corea aprobó la Ley sobre el Diseño de Circuitos Integrados de Semiconductores en 1992. [103]

Generaciones

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 eran bastante bajos para los estándares actuales. A medida que avanzaba la tecnología de semiconductores de óxido de metal (MOS), se podían colocar millones y luego miles de millones de transistores MOS en un chip, [104] y los buenos diseños requerían una planificación minuciosa, lo que dio lugar al campo de la automatización del diseño electrónico o EDA. Algunos chips SSI y MSI, como los 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 sigue en producción.

AcrónimoNombreAñoRecuento de transistores [105]Puertas lógicas número [106]
SSIintegración a pequeña escala19641 a 101 a 12
MSIintegración a mediana escala196810 a 50013 a 99
LSIintegración a gran escala1971500 a 20 000100 a 9999
VLSIintegración a muy gran escala198020 000 a 1 000 00010 000 a 99 999
ULSIintegración a ultra gran escala19841 000 000 y más100 000 y más

Integración a pequeña escala (SSI)

Los primeros circuitos integrados contenían sólo unos pocos transistores. Los primeros circuitos digitales que contenían decenas de transistores proporcionaban unas pocas puertas lógicas, y los primeros circuitos integrados lineales como el Plessey SL201 o el Philips TAA320 tenían tan sólo 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; [107] ese término dio lugar a los términos "integración a pequeña escala" (SSI), "integración a escala media" (MSI), "integración a escala muy grande" (VLSI) e "integración a escala ultragrande" (ULSI). Los primeros circuitos integrados fueron SSI.

Los circuitos SSI fueron cruciales para los primeros proyectos aeroespaciales , y estos ayudaron a inspirar el desarrollo de la tecnología. Tanto el misil Minuteman como el programa Apolo necesitaban computadoras digitales ligeras para sus sistemas de guía inercial. Aunque la computadora de guía Apolo lideró y motivó la tecnología de circuitos integrados, [108] 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 de dólares en 1962, y en 1968, el gasto del gobierno de los Estados Unidos en espacio y defensa todavía representaba el 37% de la producción total de 312 millones de dólares.

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 cayó de $50 en 1962 a $2,33 en 1968. [109] Los circuitos integrados comenzaron a aparecer en productos de consumo a principios de la década de 1970. Una aplicación típica fue el procesamiento de sonido entre portadoras FM en receptores de televisión.

Los primeros chips MOS de aplicación fueron los chips de integración a pequeña escala (SSI). [110] Tras la propuesta de Mohamed M. Atalla del chip de circuito integrado MOS en 1960, [111] 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. [50] La primera aplicación práctica de los chips MOS SSI fue para los satélites de la NASA . [110]

Integración de mediana escala (MSI)

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. [45] En 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . [52]

En 1964, Frank Wanlass demostró un registro de desplazamiento de 16 bits de un solo chip que él diseñó, con unos entonces increíbles 120 transistores MOS en un solo chip. [110] [112] El mismo año, General Microelectronics introdujo el primer chip de circuito integrado MOS comercial, que constaba de 120 transistores MOS de canal p . [51] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman [50] y Frank Wanlass. [113] [114] 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 fines de la década de 1960. [52]

Integración a gran escala (LSI)

Un mayor desarrollo, impulsado por la misma tecnología de escalamiento MOSFET y factores económicos, condujo a la "integración a gran escala" (LSI) a mediados de la década de 1970, con decenas de miles de transistores por chip. [115]

Las máscaras utilizadas para procesar y fabricar dispositivos SSI, MSI y los primeros LSI y VLSI (como los microprocesadores de principios de los años 1970) se creaban en su mayoría a mano, a menudo utilizando cinta Rubylith o similar. [116] Para circuitos integrados grandes o complejos (como memorias o procesadores ), esto a menudo lo hacían profesionales especialmente contratados a cargo del diseño del circuito, colocados bajo la supervisión de un equipo de ingenieros, quienes también, junto con los diseñadores de circuitos, inspeccionarían y verificarían la corrección e integridad de cada máscara.

Los circuitos integrados, como las memorias RAM de 1K bit, los chips de calculadora y los primeros microprocesadores, que comenzaron a fabricarse en cantidades moderadas a principios de los años 1970, tenían menos de 4.000 transistores. Los verdaderos circuitos LSI, que se acercaban a los 10.000 transistores, comenzaron a producirse alrededor de 1974, para las memorias principales de las computadoras y los microprocesadores de segunda generación.

Integración a muy gran escala (VLSI)

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

La "integración a muy gran escala" ( VLSI ) es un desarrollo que comenzó con cientos de miles de transistores a principios de la década de 1980 y, a partir de 2023, el número de transistores continúa creciendo más allá de los 5,3 billones de transistores por chip.

Se necesitaron múltiples desarrollos para lograr esta mayor densidad. Los fabricantes pasaron 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). Las herramientas de diseño electrónico mejoraron, lo que hizo que fuera práctico terminar los diseños en un tiempo razonable. Los CMOS, más eficientes energéticamente, reemplazaron a los NMOS y PMOS , lo que evitó un aumento prohibitivo en el consumo de energía . La complejidad y la densidad de los dispositivos VLSI modernos hicieron que ya no fuera factible verificar 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 . [117]

En 1986 se introdujeron chips de memoria de acceso aleatorio (RAM) de un megabit , que contenían más de un millón de transistores. Los chips de microprocesadores superaron la marca del millón de transistores en 1989 y la de los mil millones de transistores en 2005. [118] La tendencia continúa prácticamente sin cesar, y en 2007 se introdujeron chips que contienen decenas de miles de millones de transistores de memoria. [119]

ULSI, WSI, SoC y 3D-IC

Para reflejar un mayor crecimiento de la complejidad, se propuso el término ULSI , que significa "integración a ultra gran escala", para chips de más de un millón de transistores. [120]

La integración a escala de oblea (WSI, por sus siglas en inglés) es un método para construir circuitos integrados de gran tamaño que utiliza una oblea de silicio entera para producir un único "superchip". Mediante una combinación de gran tamaño y un encapsulado reducido, la WSI podría llevar a una reducción drástica de los costos para algunos sistemas, en particular para los superordenadores con paralelismo masivo. El nombre se toma del término integración a escala muy grande, el estado actual de la técnica cuando se estaba desarrollando la WSI. [121] [122]

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 chip, el costo de licencia y desarrollo de una máquina de un solo chip aún supera el de tener dispositivos separados. Con la licencia adecuada, 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 el chip, se requiere mucha menos energía (ver Empaquetado). [123] Además, las fuentes y los destinos de las señales están físicamente más cerca en el chip, lo que reduce la longitud del cableado y, por lo tanto , la latencia , los costos de energía de transmisión 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 lugar de 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 el chip, por lo que el consumo de energía es mucho menor que en circuitos separados equivalentes. El uso juicioso de cables verticales cortos puede reducir sustancialmente la longitud total del cable para un funcionamiento más rápido. [124]

Etiquetado de silicona y graffitis

Para permitir la identificación durante la producción, la mayoría de los chips de silicio tienen un número de serie en una esquina. También es común agregar el logotipo del fabricante. Desde que se crearon los circuitos integrados, algunos diseñadores de chips han utilizado la superficie de silicio para imágenes o palabras subrepticias y no funcionales. A estas imágenes o palabras a veces se las denomina arte de chip , arte de silicio, grafiti de silicio o garabatos de silicio. [ cita requerida ]

Circuitos integrados y familias de circuitos integrados

Véase también

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Lectura adicional

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  • Baker, RJ (2010). CMOS: diseño, disposición y simulación de circuitos (3.ª ed.). Wiley-IEEE. ISBN 978-0-470-88132-3.OCLC 699889340  .
  • Marsh, Stephen P. (2006). Diseño práctico de MMIC . Artech House. ISBN 978-1-59693-036-0.OCLC 1261968369  .
  • Camenzind, Hans (2005). Diseño de chips analógicos (PDF) . Virtual Bookworm. ISBN 978-1-58939-718-7. OCLC  926613209. 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.OCLC 840380650  .
  • Rabaey, JM; Chandrakasan, A.; Nikolic, B. (2003). Circuitos integrados digitales (2.ª ed.). Pearson. ISBN 978-0-13-090996-1.OCLC 893541089  .
  • Mead, Carver; Conway, Lynn (1991). Introducción a los sistemas VLSI. Addison Wesley Publishing Company. ISBN 978-0-201-04358-7.OCLC 634332043  .
  • Medios relacionados con Circuitos integrados en Wikimedia Commons
  • Los primeros circuitos integrados monolíticos
  • Un cuadro grande que enumera los circuitos integrados por número genérico e incluye acceso a la mayoría de las hojas de datos de las piezas.
  • La historia del circuito integrado
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