Se necesita urgentemente una introducción en inglés a los circuitos integrados (CI). Por favor, ayuda.

¿Qué es un circuito integrado?

Antecedentes

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

El impacto El número de circuitos integrados en nuestras vidas ha sido enorme. Los circuitos integrados se han convertido en los componentes principales de casi todos los dispositivos electrónicos. Estos circuitos en miniatura han demostrado ser de bajo costo, alta confiabilidad, bajos requisitos de energía y altas velocidades de procesamiento en comparación con los tubos de vacío y los transistores que los precedieron. Las microcomputadoras de circuitos integrados ahora se usan como controladores en equipos como máquinas herramienta, sistemas operativos de vehículos y otras aplicaciones donde anteriormente se usaban controles hidráulicos, neumáticos o mecánicos. Debido a que las microcomputadoras IC son más pequeñas y más versátiles que los mecanismos de control anteriores. permiten que el equipo responda a una gama más amplia de entradas y produzca una gama más amplia de resultados.

por lo que pueden reprogramarse sin tener que rediseñar los circuitos de control. Los microordenadores de circuitos integrados son tan económicos que incluso se encuentran en los juguetes electrónicos de los niños.

Los primeros circuitos integrados se crearon a finales de la década de 1950 en respuesta a una demanda de la industria. militar para la electrónica miniaturizada que se utilizaría en sistemas de control de misiles En ese momento, los transistores y las placas de circuito impreso eran la tecnología electrónica más avanzada. Aunque los transistores hicieron posibles muchas aplicaciones electrónicas nuevas, los ingenieros todavía no podían crear una pequeña. paquete suficiente para la gran cantidad de componentes y circuitos necesarios en dispositivos complejos como sistemas de control sofisticados y calculadoras programables portátiles. Varias empresas competían para producir un gran avance en la electrónica miniaturizada, y sus esfuerzos de desarrollo estaban tan cerca que existen dudas sobre si. qué empresa produjo realmente el primer circuito integrado. De hecho, cuando finalmente se patentó el circuito integrado en 1959, la patente se otorgó conjuntamente a dos personas que trabajaban por separado en dos empresas diferentes.

Después de la invención del circuito integrado en En 1959, el número de componentes y circuitos que podían incorporarse en un solo chip se duplicó cada año durante varios años. Los primeros circuitos integrados contenían sólo hasta una docena de componentes. El proceso que produjo estos primeros circuitos integrados se conoció como integración a pequeña escala. SSI A mediados de la década de 1960, la integración de mediana escala, MSI, produjo circuitos integrados con

cientos de componentes. A esto le siguieron las técnicas de integración a gran escala, o LSI, que produjeron circuitos integrados con miles de componentes e hicieron posibles las primeras microcomputadoras.

Se desarrolló el primer chip de microcomputadora, a menudo llamado microprocesador. por Intel Corporation en 1969. Entró en producción comercial en 1971 como Intel 4004. Intel introdujo su chip 8088 en 1979, seguido por Intel 80286, 80386 y 80486. A finales de los 80 y principios de los 90, las designaciones 286, 386 , y 486 eran bien conocidos por los usuarios de computadoras porque reflejaban niveles crecientes de potencia y velocidad informática. El chip Pentium de Intel es el último de esta serie y refleja un nivel aún mayor.

Cómo circuito integrado

Se forman los componentes

En un circuito integrado, los componentes electrónicos como resistencias, condensadores, diodos y transistores se forman directamente sobre la superficie de un cristal de silicio. El proceso de fabricación de un circuito integrado producirá más. Tiene sentido si primero se comprenden algunos de los conceptos básicos de cómo se forman estos componentes.

Incluso antes de que se desarrollara el primer circuito integrado, se sabía que se podían fabricar componentes electrónicos comunes a partir de silicio. La pregunta era cómo fabricarlos. ¿Y los circuitos de conexión, de la misma pieza de silicio? La solución fue alterar o dopar la composición química de pequeñas áreas en la superficie del cristal de silicio agregando otras sustancias químicas, llamadas dopantes. Algunos dopantes se unen al silicio para producirlo. regiones donde

los átomos dopantes tienen un electrón que pueden ceder, lo que se denomina regiones N. Otros dopantes se unen al silicio para producir regiones donde los átomos dopantes tienen espacio para tomar un electrón. Estas se denominan regiones P. región, el límite entre ellos se conoce como unión PN. Este límite tiene solo 0,000004 pulgadas (0,0001 cm) de ancho, pero es crucial para el funcionamiento de los componentes del circuito integrado.

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

Diseño<

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Algunos circuitos integrados pueden considerarse elementos estándar disponibles en el mercado. Una vez diseñados, no se requiere ningún trabajo de diseño adicional. Los ejemplos de circuitos integrados estándar incluirían reguladores de voltaje, amplificadores, interruptores analógicos y conectores analógicos. -Convertidores digitales o de digital a analógico. Estos circuitos integrados generalmente se venden a otras empresas que los incorporan en placas de circuito impreso para diversos productos electrónicos.

Otros circuitos integrados son únicos y requieren un trabajo de diseño extenso. Sería un nuevo microprocesador para ordenadores. Este trabajo de diseño puede requerir investigación y desarrollo de nuevos materiales y nuevas técnicas de fabricación para conseguir el diseño final.

Materias Primas

El silicio puro es la base. para la mayoría de los circuitos integrados proporciona la base o sustrato para todo el chip y está dopado químicamente para proporcionar las regiones N y P que forman los componentes del circuito integrado. El silicio debe ser tan puro que sólo uno de cada diez mil millones de átomos. puede ser una impureza. Esto sería el equivalente a un grano de azúcar en diez cubos de arena. El dióxido de silicio se utiliza como aislante y como material dieléctrico en los condensadores de circuitos integrados.

Los dopantes de tipo N típicos incluyen. El fósforo y el arsénico son dopantes típicos de tipo P. El aluminio se utiliza comúnmente como conector entre los distintos componentes del circuito integrado. Los cables delgados que van desde el chip del circuito integrado hasta su paquete de montaje pueden ser de aluminio o de oro. puede estar hecho de

materiales cerámicos o plásticos.

El proceso de fabricación

Cientos de circuitos integrados se fabrican al mismo tiempo en una única y delgada rebanada de silicio y luego se cortado en chips IC individuales El proceso de fabricación se lleva a cabo en un ambiente estrictamente controlado conocido como sala limpia donde el aire se filtra para eliminar partículas extrañas. Los pocos operadores de equipos en la sala usan prendas, guantes y cubiertas que no dejen pelusa. sus cabezas y pies Dado que algunos componentes de CI son sensibles a ciertas frecuencias de luz, incluso las fuentes de luz se filtran. Aunque los procesos de fabricación pueden variar dependiendo del circuito integrado que se esté fabricando, el siguiente proceso es típico.

Preparación de la oblea de silicio

Un lingote cilíndrico de silicio de aproximadamente 1,5 a 4,0 pulgadas (3,8 a 10,2 cm) de diámetro se mantiene verticalmente dentro de una cámara de vacío con una bobina calefactora de alta temperatura que lo rodea comenzando en la parte superior. del cilindro, el silicio se calienta hasta su punto de fusión de aproximadamente 2550 °F (1400 °C). Para evitar la contaminación, la región calentada está contenida únicamente por la tensión superficial del silicio fundido. el silicio se vuelve móvil. La bobina calefactora se mueve lentamente a lo largo del cilindro y las impurezas son arrastradas junto con la región fundida. Cuando la bobina calefactora llega al fondo, casi todas las impurezas han sido arrastradas y se concentran allí. Luego se corta la parte inferior, dejando una c.

lingote cilíndrico de silicio purificado.

Se corta una oblea delgada y redonda del lingote utilizando una máquina cortadora precisa llamada cortadora de oblea. Cada rebanada tiene aproximadamente 0,01 a 0,025 pulgadas (0,004 a 0,01 cm) de espesor. La superficie sobre la que se van a formar los circuitos integrados está pulida.

Las superficies de la oblea están recubiertas con una capa de dióxido de silicio para formar una base aislante y evitar cualquier oxidación del silicio. El dióxido de silicio se forma sometiendo la oblea a vapor sobrecalentado a aproximadamente 1830 °F (1000 °C) bajo varias atmósferas de presión para permitir que el oxígeno del vapor de agua reaccione con el silicio. la exposición controla el espesor de la capa de dióxido de silicio.

Enmascaramiento

El diseño complejo e interconectado de los circuitos y componentes se prepara en un proceso similar al utilizado para fabricar placas de circuito impreso. Sin embargo, en el caso de los circuitos integrados, las dimensiones son mucho más pequeñas y hay muchas capas superpuestas unas sobre otras. El diseño de cada capa se prepara en una máquina de dibujo asistida por computadora y la imagen se convierte en una máscara que se reducirá ópticamente. y transferido a la superficie de la oblea. La máscara es opaca en ciertas áreas y clara en otras. Tiene las imágenes de todos los cientos de circuitos integrados que se formarán en la oblea.

Una gota de. Se coloca material fotorresistente en el centro de la oblea de silicio y la oblea se hace girar.

Luego se hornea el fotorresistente para eliminar el disolvente.

La oblea recubierta se coloca debajo de la máscara de la primera capa y se irradia con luz en los espacios entre los circuitos y los componentes. son tan pequeños que se utiliza luz ultravioleta con una longitud de onda muy corta para pasar a través de las pequeñas áreas claras de la máscara. A veces también se utilizan haces de electrones o rayos X para irradiar el fotorresistente.

La máscara es Se eliminan y se disuelven partes del fotorresistente. Si se utilizó un fotorresistente positivo, las áreas que fueron irradiadas se disolverán. Si se usó un fotorresistente negativo, las áreas que fueron irradiadas permanecerán. Las áreas descubiertas se graban químicamente. para abrir una capa o se someten a dopaje químico para crear una capa de regiones P o N.

Dopaje: difusión atómica

Un método para agregar dopantes para crear una capa de P o N regiones es difusión atómica. En este método se coloca un lote de obleas en un horno hecho de un tubo de cuarzo rodeado por un elemento calefactor. Las obleas se calientan a una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 1500-2200°F (816-1205°). C), y el dopante químico se transporta en un gas inerte a medida que el dopante y el gas pasan sobre las obleas, el dopante se deposita en las superficies calientes que quedan expuestas mediante el proceso de enmascaramiento. pero no es exacto para áreas más pequeñas. También existen algunos problemas con el uso repetido.

f altas temperaturas a medida que se agregan capas sucesivas.

Dopaje: implantación de lon

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

Realización de capas sucesivas

El proceso de enmascaramiento y grabado o dopaje se repite para cada capa sucesiva dependiendo del proceso de dopaje. Se utiliza hasta que todos los chips del circuito integrado estén completos. A veces se coloca una capa de dióxido de silicio para proporcionar un aislante entre las capas o componentes. Esto se hace mediante un proceso conocido como deposición química de vapor, en el que la superficie de la oblea se calienta hasta aproximadamente. 752 °F (400 °C), y una reacción entre los gases silano y oxígeno deposita una capa de dióxido de silicio. Una capa final de dióxido de silicio sella la superficie, un grabado final abre los puntos de contacto y se deposita una capa de aluminio. Haga las almohadillas de contacto. En este punto, el indi.

Se prueba el funcionamiento eléctrico de los circuitos integrados individuales.

Fabricación de circuitos integrados individuales

La delgada oblea es como un trozo de vidrio. Los cientos de chips individuales se separan marcando líneas cruzadas con un lápiz. Un cortador de diamante fino y luego someter la oblea a tensión para hacer que cada chip se separe. Los circuitos integrados que no pasaron la prueba eléctrica se descartan. La inspección bajo un microscopio revela otros circuitos integrados que resultaron dañados por el proceso de separación, y estos también se descartan. p>

Los circuitos integrados buenos están unidos individualmente en su paquete de montaje y los cables delgados están conectados mediante unión ultrasónica o termocompresión. El paquete de montaje está marcado con números de pieza de identificación y otra información.

El Los circuitos integrados completos se sellan en bolsas de plástico antiestáticas para almacenarse o enviarse al usuario final.

Control de calidad

A pesar del entorno controlado y el uso de herramientas de precisión, un gran número de chips de circuitos integrados son rechazados Aunque el porcentaje de chips rechazados ha disminuido constantemente a lo largo de los años, la tarea de crear una red entretejida de circuitos y componentes microscópicos sigue siendo difícil, y una cierta cantidad de rechazos es inevitable.

Materiales Peligrosos y

Reciclaje

Los dopantes galio y arsénico, entre otros, son sustancias tóxicas y su almacenamiento, uso y eliminación debe ser estrictamente controlado.

Debido a que los chips de circuitos integrados son tan versátiles, ha surgido una importante industria de reciclaje.

Muchos circuitos integrados y otros componentes electrónicos se retiran de equipos que de otro modo serían obsoletos, se prueban y se revenden para su uso en otros dispositivos.

El futuro

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

El próximo gran salto en el avance de los dispositivos electrónicos, si tal salto está por llegar, puede implicar una tecnología de circuitos completamente nueva. Siempre se ha sabido que son posibles dispositivos mejores que el mejor microprocesador. El cerebro humano, por ejemplo, procesa información mucho más eficientemente que cualquier computadora, y algunos futuristas han especulado que la próxima generación de circuitos de procesador será biológica, en lugar de mineral. En este momento, tales cuestiones son materia de ficción. No hay signos inmediatos de que el circuito integrado esté en peligro de extinción.