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Circuito integrado

Imagen microscópica de un circuito integrado utilizado para controlar pantallas LCD . Los pinouts son los círculos oscuros que rodean el circuito integrado.
Un circuito integrado (abajo) dentro de un LED rojo, verde y azul que recorre los colores según su intensidad.

Un circuito integrado , también conocido como microchip o IC , es un pequeño dispositivo electrónico formado por múltiples componentes electrónicos interconectados, como transistores , resistencias y condensadores . Estos componentes están grabados en una pequeña pieza de material semiconductor , normalmente 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 dispositivos y una funcionalidad mejorada.

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

La capacidad de producción en masa , la confiabilidad y el enfoque de bloques de construcción del circuito integrado para el diseño de circuitos integrados han garantizado la rápida adopción de circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños que utilizan transistores discretos. Los circuitos integrados se utilizan actualmente 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 el bajo costo de los circuitos integrados, como los procesadores y microcontroladores de computadora modernos .

La integración a muy gran escala se hizo práctica 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 avances técnicos que adaptan cada vez más transistores a chips del mismo tamaño: un chip moderno puede tener muchos miles de millones de transistores en un área la tamaño de una uña humana. Estos avances, que siguen aproximadamente la ley de Moore , hacen que los chips de ordenador de hoy posean millones de veces la capacidad y miles de veces la velocidad de los chips de ordenador de principios de los años 1970.

Los circuitos integrados tienen tres ventajas principales sobre los circuitos construidos con 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 un transistor a la vez. Además, los circuitos integrados empaquetados utilizan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto porque los componentes del IC cambian rápidamente y consumen comparativamente poca energía debido a su pequeño tamaño y proximidad. La principal desventaja de los circuitos integrados es el alto costo inicial de su diseño y el enorme costo de capital de la construcción de la fábrica. Este alto coste inicial significa que los circuitos integrados sólo son comercialmente viables cuando se prevén 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 inseparablemente asociados e interconectados eléctricamente de modo que se considera indivisible para fines de construcción y comercio.

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

Circuito integrado original de Jack Kilby . El primer circuito integrado del mundo. Hecho de germanio con interconexiones de alambre de oro.

Historia

Uno de los primeros intentos de combinar varios componentes en un solo dispositivo (como los circuitos integrados modernos) fue el tubo de vacío Loewe 3NF de los años 20. A diferencia de los circuitos integrados, fue diseñado con el propósito de evadir impuestos , ya que en Alemania los receptores de radio tenían un impuesto que se aplicaba dependiendo de cuántos soportes de tubo tenía un receptor de radio. Permitió que los receptores de radio tuvieran un único soporte para tubos.

Los primeros conceptos de circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi [4] ( Siemens AG ) [5] presentó una patente para un dispositivo amplificador semiconductor similar a un circuito integrado [6] que mostraba cinco transistores sobre un sustrato común en una disposición de amplificador de tres etapas . Jacobi describió 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. [7] Dio muchos simposios públicamente para propagar sus ideas e intentó, sin éxito, construir un circuito de este tipo en 1956. Entre En 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 que los separara entre sí. [4]

El chip de circuito integrado monolítico fue posible gracias a las invenciones del proceso plano de Jean Hoerni y al aislamiento de la unión p-n de Kurt Lehovec . La invención de Hoerni se basó en el trabajo de Mohamed M. Atalla sobre pasivación de superficies, así como en el trabajo de Fuller y Ditzenberger sobre la difusión de impurezas de boro y fósforo en silicio, el trabajo de Carl Frosch y Lincoln Derick sobre protección de superficies y Chih-Tang Sah '. s trabajo sobre el enmascaramiento de la difusión por el óxido. [8]

Los primeros circuitos integrados

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

Una idea precursora del circuito integrado fue crear pequeños sustratos cerámicos (los llamados micromódulos ), [9] cada uno de los cuales contenía un único componente miniaturizado. Luego, los componentes podrían integrarse y conectarse en una red compacta bidimensional o tridimensional. Esta idea, que parecía muy prometedora en 1957, fue propuesta al ejército estadounidense por Jack Kilby [9] y condujo al breve Programa de Micromódulos (similar al Proyecto Tinkertoy de 1951). [9] [10] [11] Sin embargo, a medida que el proyecto ganaba impulso, a Kilby se le ocurrió un diseño nuevo y revolucionario: el CI.

Recién empleado por Texas Instruments , Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo funcional de un circuito integrado el 12 de septiembre de 1958. [12] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, [13] Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [14] El primer cliente del nuevo invento fue la Fuerza Aérea de EE.UU. [15] Kilby ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su participación en la invención del circuito integrado. [dieciséis]

Sin embargo, el invento de Kilby no era un verdadero chip de circuito integrado monolítico, ya que tenía conexiones externas de alambre de oro, lo que habría dificultado su producción en masa. [17] Medio año después de Kilby, Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventó el primer chip IC verdaderamente monolítico. [18] [17] 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 plano , desarrollado a principios de 1959 por su colega Jean Hoerni e incluía el crítico on- Líneas de interconexión de chip de aluminio. Los chips IC modernos se basan en el IC monolítico de Noyce, [18] [17] en lugar del de Kilby.

El Programa Apolo de la NASA fue el mayor consumidor de circuitos integrados entre 1961 y 1965. [19]

circuitos integrados TTL

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. [20]

Docenas de circuitos integrados TTL eran un método estándar de construcción para los procesadores de minicomputadoras y computadoras centrales . 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 , [21] ya sea TTL o la aún más rápida lógica de emisor acoplado (ECL).

circuitos integrados MOS

Casi todos los chips CI modernos son circuitos integrados semiconductores de óxido metálico (MOS), construidos a partir de MOSFET (transistores de efecto de campo de óxido metálico y silicio). [22] El MOSFET (también conocido como transistor MOS), que fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [23] hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad . [24] 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. [25] Su ventaja para los circuitos integrados fue señalada por Dawon Kahng en 1961. [26] La lista de hitos del IEEE incluye el primer circuito integrado de Kilby en 1958, [27] el proceso planar de Hoerni y el IC planar de Noyce en 1959, y el MOSFET de Atalla y Kahng en 1959. [28]

El primer circuito integrado MOS experimental que se fabricó fue un chip de 16 transistores construido por Fred Heiman y Steven Hofstein en RCA en 1962. [29] General Microelectronics introdujo más tarde el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, [30] un circuito de desplazamiento de 120 transistores. registro desarrollado por Robert Norman. [29] 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 finales de la década de 1960. [31]

Tras el desarrollo del MOSFET de puerta autoalineada (puerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, [32] se creó la primera tecnología MOS IC de puerta de silicio con puertas autoalineadas , la base de todos los circuitos integrados CMOS modernos , fue desarrollado en Fairchild Semiconductor por Federico Faggin en 1968. [33] La aplicación de los chips MOS LSI a la informática fue la base de los primeros microprocesadores , cuando los ingenieros comenzaron a reconocer que un procesador de computadora completo podría estar contenido en un chip MOS LSI único. Esto llevó a los inventos del microprocesador y el microcontrolador a principios de los años 1970. [31] A principios de la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados MOS permitió la integración a muy gran escala (VLSI) de más de 10.000 transistores en un solo chip. [34]

Al principio, las computadoras basadas en MOS solo tenían sentido cuando se requería alta densidad, como en las calculadoras aeroespaciales y de bolsillo . Las computadoras construidas completamente a partir de TTL, como el 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 los años 1980. [21]

En 1982, diversos avances en la creación de chips de silicio basados ​​en MOS hicieron que fueran más fáciles de fabricar y colocar en ordenadores [35] como el Commodore 64 . Esto dio lugar a la popularización de las computadoras en Estados Unidos, una tendencia que continúa hasta el día de hoy. [35]

Los avances en la tecnología de circuitos integrados, principalmente características más pequeñas y chips más grandes, han permitido que el número de transistores MOS en un circuito integrado se duplique cada dos años, una tendencia conocida como ley de Moore. Moore originalmente declaró que se duplicaría cada año, pero cambió la afirmación a cada dos años en 1975. [36] Esta mayor capacidad se ha utilizado para disminuir costos y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que el tamaño de la característica se reduce, 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 el escalado de Dennard ( escalado MOSFET ). [37] Debido a que las ganancias en velocidad, capacidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías más finas. A lo largo de los años, el tamaño de los transistores ha disminuido de decenas de micrones a principios de la década de 1970 a 10 nanómetros en 2017 [38] con el correspondiente aumento de un millón de veces en los 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 mm 2 , con hasta 25 millones de transistores por mm 2 . [39]

La esperada reducción del tamaño de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas fueron pronosticados durante muchos años por la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores (ITRS). El ITRS final se publicó en 2016 y está siendo reemplazado por la Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas . [40]

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 pequeño tamaño y bajo coste. Estas tecnologías incluyen dispositivos mecánicos, ópticas y sensores.

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

A medida que se vuelve más difícil fabricar transistores cada vez más pequeños, las empresas están utilizando módulos multichip , circuitos integrados tridimensionales , paquete sobre paquete , memoria de alto ancho de banda y vías 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 embalaje avanzado . [51] El embalaje avanzado se divide principalmente en embalaje 2,5D y 3D. 2.5D describe enfoques como módulos de múltiples chips, mientras que 3D describe enfoques en los que los troqueles se apilan de una forma u otra, como paquete sobre paquete y memoria de gran ancho de banda. Todos los enfoques implican 2 o más matrices en un solo paquete. [52] [53] [54] [55] [56] Alternativamente, enfoques como 3D NAND apilan múltiples capas en un solo troquel.

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. [57] [58] Por lo tanto, sólo tiene sentido económico producir productos de circuitos integrados con un alto volumen de producción, por lo que los costos de ingeniería no recurrentes (NRE) se distribuyen normalmente entre millones de unidades de producción.

Los chips semiconductores modernos tienen miles de millones de componentes y son demasiado complejos para diseñarlos 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), [59] es una categoría de herramientas de software para diseñar sistemas electrónicos , incluidos 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

IC convertidor A a D en un DIP

Los circuitos integrados se pueden clasificar en términos generales en analógicos , [60] digitales [61] y de señal mixta , [62] que consisten en señalización analógica y digital en el mismo CI.

Los circuitos integrados digitales pueden contener miles de millones [39] de puertas lógicas , flip-flops , multiplexores y otros circuitos en unos pocos milímetros cuadrados. El pequeño tamaño de estos circuitos permite alta velocidad, baja disipación de energía y costos de fabricación reducidos en comparación con la integración a nivel de placa. Estos circuitos integrados digitales, normalmente microprocesadores , DSP y microcontroladores , utilizan álgebra booleana para procesar señales "uno" y "cero" .

El troquel 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 computadoras personales, teléfonos celulares, hornos microondas , etc. Se pueden integrar varios núcleos juntos en un solo IC o chip. Los chips de memoria digital y los circuitos integrados de aplicaciones específicas (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 reparadas por el fabricante del circuito integrado. Esto permite programar un chip para realizar diversas funciones de tipo LSI, como puertas lógicas , sumadores y registros . La programabilidad se presenta en varias formas: dispositivos que pueden programarse sólo una vez , dispositivos que pueden borrarse y luego reprogramarse usando luz ultravioleta , dispositivos que pueden (re)programarse usando memoria flash y matrices de puertas programables en campo (FPGA, por sus siglas en inglés) que Se puede programar en cualquier momento, incluso durante el funcionamiento. Los FPGA actuales pueden (a partir de 2016) implementar el equivalente a millones de puertas y operar en frecuencias de hasta 1 GHz . [63]

Los circuitos integrados analógicos, como sensores , circuitos de administración 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 de analógico a digital y convertidores de digital a analógico . Estos circuitos de señal mixta ofrecen un tamaño más pequeño y un costo menor, pero deben tener en cuenta la interferencia de la señal. Antes de finales de la década de 1990, las radios no podían fabricarse con los mismos procesos CMOS de bajo costo que los microprocesadores. Pero desde 1998, los chips de radio se han desarrollado utilizando procesos RF CMOS . Los ejemplos incluyen el teléfono inalámbrico DECT de Intel o los chips 802.11 ( Wi-Fi ) creados por Atheros y otras empresas. [64]

Los distribuidores de componentes electrónicos modernos a menudo subclasifican los circuitos integrados:

Fabricación

Fabricación

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

Los semiconductores de la tabla periódica de elementos químicos fueron identificados como los materiales más probables para un tubo de vacío de estado sólido . Comenzando con el óxido de cobre , pasando por el germanio y luego el silicio , estos materiales fueron estudiados sistemáticamente en las décadas de 1940 y 1950. Hoy en día, el silicio monocristalino es el sustrato principal 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 semiconductores se fabrican en un proceso plano que incluye tres pasos clave: fotolitografía , deposición (como la deposición química de vapor ) y grabado . Los principales pasos del proceso se complementan con el dopado y la limpieza. Los circuitos integrados más recientes o de alto rendimiento pueden utilizar transistores FinFET o GAAFET de puertas múltiples en lugar de planos, comenzando en el nodo de 22 nm (Intel) o los nodos de 16/14 nm. [sesenta y cinco]

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

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

Una memoria de acceso aleatorio es el tipo más común de circuito integrado; los dispositivos de mayor densidad son, pues, memorias; pero incluso un microprocesador tendrá memoria en el chip. (Vea la estructura de matriz regular en la parte inferior de la primera imagen. [¿ Cuál? ] ) Aunque las estructuras son intrincadas, con anchos que se han ido reduciendo durante décadas, las capas siguen siendo mucho más delgadas que los anchos del dispositivo. Las capas de material se fabrican de forma muy parecida a un proceso fotográfico, aunque las ondas de luz del espectro visible no se pueden utilizar para "exponer" una capa de material, ya que serían demasiado grandes para las características. Por 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 de empaquetarlo utilizando un equipo de prueba automatizado (ATE), en un proceso conocido como prueba de oblea o sondaje de oblea. Luego, la oblea se corta en bloques rectangulares, cada uno de los cuales se llama troquel . Cada troquel bueno (plural dados , troqueles o troquel ) se conecta luego a un paquete utilizando cables de unión de aluminio (u oro) que se unen termosónicamente [67] a las almohadillas , que generalmente se encuentran alrededor del borde del troquel. A. Coucoulas introdujo por primera vez los enlaces termosónicos , que proporcionaron un medio confiable para formar estas conexiones eléctricas vitales con el mundo exterior. Después del embalaje, los dispositivos pasan por pruebas finales con el mismo ATE o uno similar utilizado durante el sondeo de las obleas. También se puede utilizar la tomografía computarizada industrial . El costo de las pruebas 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 , la construcción de una instalación de fabricación (comúnmente conocida como fábrica de semiconductores ) puede costar más de 12 mil millones de dólares. [68] El costo de una instalación de fabricación aumenta con el tiempo debido a la mayor complejidad de los nuevos productos; esto se conoce como ley de Rock . Una instalación de este tipo presenta:

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

embalaje

Un chip MSI nMOS soviético fabricado en 1977, parte de un conjunto de calculadora de cuatro chips diseñado en 1970 [69]

Los primeros circuitos integrados estaban empaquetados en paquetes planos de cerámica , que los militares continuaron utilizando por su confiabilidad y pequeño tamaño durante muchos años. El empaque de circuitos comerciales pasó rápidamente al paquete dual en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico, que comúnmente es cresol - formaldehído - novolaca . En la década de 1980, el número de pines de los circuitos VLSI superó el límite práctico para el empaquetado DIP, lo que dio lugar a paquetes de matriz de rejilla de pines (PGA) y portadores de chips sin cables (LCC). Los empaques de montaje en superficie aparecieron a principios de los años 1980 y se hicieron populares a finales de los años 1980, utilizando un paso de conductor más fino con conductores formados como ala de gaviota o J, como lo ejemplifica el paquete de circuito integrado de contorno pequeño (SOIC), un portador que Ocupa un área entre un 30% y un 50% menos que un DIP equivalente y suele ser un 70% más delgado. Este paquete tiene cables en forma de "ala de gaviota" que sobresalen de los dos lados largos y un espacio entre cables de 0,050 pulgadas.

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

Los paquetes Ball Grid Array (BGA) existen desde la década de 1970. Los paquetes Flip-chip Ball Grid Array , que permiten un número de pines mucho mayor que otros tipos de paquetes, se desarrollaron en la década de 1990. En un paquete FCBGA, el troquel se monta boca abajo (invertido) y se conecta a las bolas del paquete a través de un sustrato del paquete que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de mediante cables. Los paquetes FCBGA permiten distribuir una serie de señales de entrada y salida (llamadas Área-I/O) en todo el dado en lugar de limitarse a la periferia del dado. Los dispositivos BGA tienen la ventaja de no necesitar un enchufe dedicado, pero son mucho más difíciles de reemplazar en caso de falla del dispositivo.

Intel pasó de PGA a Land Grid Array (LGA) y BGA a partir de 2004, y el último zócalo PGA se lanzó en 2014 para plataformas móviles. A partir de 2018 , AMD usa paquetes PGA en procesadores de escritorio convencionales, [70] paquetes BGA en procesadores móviles, [71] y los microprocesadores de servidores y de escritorio de alta gama usan paquetes LGA. [72]

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

Cuando se colocan varios troqueles en un paquete, el resultado es un sistema en paquete , abreviado SiP . Un módulo multichip ( MCM ) se crea combinando varios troqueles sobre un pequeño sustrato, a menudo hecho 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, el número de lote de producción de la pieza y el número de serie , y un código de fecha de cuatro dígitos para identificar cuándo se fabricó el chip. Las piezas de tecnología de montaje en superficie extremadamente pequeñas a menudo llevan solo un número utilizado 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 fotografiando cada capa de un circuito integrado y preparar fotomáscaras para su producción a partir de las fotografías obtenidas es un motivo para la introducción de legislación para la protección de los esquemas de trazado. La Ley de Protección de Chips Semiconductores de Estados Unidos de 1984 estableció la protección de la propiedad intelectual para las fotomáscaras utilizadas para producir circuitos integrados. [73]

Una conferencia diplomática celebrada en Washington, DC, en 1989 adoptó un Tratado sobre la Propiedad Intelectual respecto de los Circuitos Integrados, [74] también llamado Tratado de Washington o Tratado IPIC. El tratado actualmente no está en vigor, pero se integró parcialmente en el acuerdo ADPIC . [75]

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

Varios países, entre ellos Japón, [76] la CE , [77] el Reino Unido, Australia y Corea, han adoptado leyes nacionales que protegen los diseños de 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 posición de que su ley de derechos de autor protegía plenamente las topografías de los chips. Véase British Leyland Motor Corp. contra Armstrong Patents Co.

Las críticas a la insuficiencia del enfoque de derechos de autor del Reino Unido tal como lo percibe la industria estadounidense de chips se resumen en otros avances en materia de derechos de chips. [78]

Australia aprobó la Ley de Diseño de Circuitos de 1989 como una forma sui generis de protección de chips. [79] Corea aprobó la Ley relativa al trazado y diseño de circuitos integrados de semiconductores en 1992. [80]

Generaciones

En los primeros días de los circuitos integrados simples, la gran escala de la tecnología limitaba cada chip a sólo unos pocos transistores , y el bajo grado de integración significaba que el proceso de diseño era relativamente simple. Los rendimientos del sector manufacturero también fueron bastante bajos en comparación con los estándares actuales. A medida que avanzaba la tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS), se podían colocar millones y luego miles de millones de transistores MOS en un chip, [81] y los buenos diseños requerían una planificación minuciosa, dando origen 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 dispositivos nuevos que requieren sólo unas pocas puertas. La serie 7400 de chips TTL , por ejemplo, se ha convertido en un estándar de facto y sigue en producción.

Integración a pequeña escala (SSI)

Los primeros circuitos integrados contenían sólo unos pocos transistores. Los primeros circuitos digitales que contenían decenas de transistores proporcionaban algunas puertas lógicas, y los primeros circuitos integrados lineales, como el Plessey SL201 o el Philips TAA320, tenían tan solo dos transistores. Desde entonces, el número de transistores en un circuito integrado ha aumentado espectacularmente. El término "integración a gran escala" (LSI) fue utilizado por primera vez por el científico de IBM Rolf Landauer al describir el concepto teórico; [84] ese término dio lugar a los términos "integración de pequeña escala" (SSI), "integración de mediana escala" (MSI), "integración de muy gran escala" (VLSI) e "integración de ultra gran escala". " (ULSI). Los primeros circuitos integrados fueron SSI.

Los circuitos SSI fueron cruciales para los primeros proyectos aeroespaciales , y los proyectos aeroespaciales ayudaron a inspirar el desarrollo de la tecnología. Tanto el misil Minuteman como el programa Apollo necesitaban computadoras digitales livianas para sus sistemas de guía inercial. Aunque la Computadora de Orientación Apollo lideró y motivó la tecnología de circuitos integrados, [85] fue el misil Minuteman el que obligó a su producción en masa. El programa de misiles Minuteman y varios otros programas de la Armada de los Estados Unidos representaron un 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 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 medio por circuito integrado cayó de 50 dólares en 1962 a 2,33 dólares en 1968. [86] 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 de FM en receptores de televisión.

Los primeros chips MOS de aplicación fueron los chips de integración a pequeña escala (SSI). [87] Siguiendo la propuesta de Mohamed M. Atalla del chip de circuito integrado MOS en 1960, [88] 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. [ 29] La primera aplicación práctica de los chips MOS SSI fue para los satélites de la NASA . [87]

Integración de mediana escala (IMS)

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

La tecnología de escalado MOSFET hizo posible construir chips de alta densidad. [24] En 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares . [31]

En 1964, Frank Wanlass demostró un registro de desplazamiento de 16 bits de un solo chip que diseñó, con la entonces increíble cantidad de 120 transistores MOS en un solo chip. [87] [89] El mismo año, General Microelectronics introdujo el primer chip de circuito integrado MOS comercial , que consta de transistores MOS de 120 canales p . [30] Era un registro de desplazamiento de 20 bits , desarrollado por Robert Norman [29] y Frank Wanlass. [90] [91] Los chips MOS aumentaron aún más en complejidad a un ritmo predicho por la ley de Moore , lo que llevó a chips con cientos de MOSFET en un chip a finales de la década de 1960. [31]

Integración a gran escala (LSI)

Un mayor desarrollo, impulsado por la misma tecnología de escalado de 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. [92]

Las máscaras utilizadas para procesar y fabricar SSI, MSI y los primeros dispositivos LSI y VLSI (como los microprocesadores de principios de la década de 1970) se crearon en su mayoría a mano, a menudo utilizando cinta Rubylith o similar. [93] 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, inspeccionar y verificar la exactitud y integridad de cada máscara.

Los circuitos integrados como las RAM de 1K bits, 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. Alrededor de 1974 comenzaron a producirse verdaderos circuitos LSI, de unos 10.000 transistores, para memorias principales de ordenadores y microprocesadores de segunda generación.

Integración a muy gran escala (VLSI)

Capas de interconexión superiores en un 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 seguirá creciendo más allá de los 5,3 billones de transistores por chip.

Se requirieron múltiples desarrollos para lograr este aumento de densidad. Los fabricantes adoptaron reglas de diseño de MOSFET más pequeñas e instalaciones de fabricación más limpias . El camino hacia las mejoras de procesos se resumió en la Hoja de Ruta Internacional de Tecnología para Semiconductores (ITRS), a la que desde entonces ha sido reemplazada por la Hoja de Ruta Internacional para Dispositivos y Sistemas (IRDS). Se mejoraron las herramientas de diseño electrónico , lo que hizo que fuera práctico terminar los diseños en un tiempo razonable. El CMOS , más eficiente energéticamente, reemplazó a NMOS y PMOS , evitando un aumento prohibitivo en el consumo de energía . La complejidad y densidad de los dispositivos VLSI modernos hicieron que ya no fuera posible comprobar las máscaras o realizar el diseño original a mano. En cambio, los ingenieros utilizan herramientas EDA para realizar la mayor parte del trabajo de verificación funcional . [94]

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 microprocesador superaron la marca del millón de transistores en 1989 y la marca de los mil millones de transistores en 2005. [95] La tendencia continúa prácticamente sin cesar, y los chips introducidos en 2007 contienen decenas de miles de millones de transistores de memoria. [96]

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 1 millón de transistores. [97]

La integración a escala de oblea (WSI) es un medio para construir circuitos integrados de gran tamaño que utiliza una oblea de silicio completa para producir un único "superchip". Mediante una combinación de gran tamaño y empaquetado reducido, WSI podría reducir drásticamente los costos de algunos sistemas, en particular los supercomputadores masivamente paralelos. El nombre proviene del término integración a muy gran escala, el estado actual del arte cuando se estaba desarrollando WSI. [98] [99]

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 si bien se pueden obtener beneficios de rendimiento al integrar todos los componentes necesarios en un solo troquel, el costo de la licencia y el desarrollo de una máquina de un solo troquel aún supera el de tener dispositivos separados. Con las licencias adecuadas, estos inconvenientes se compensan con menores costos de fabricación y ensamblaje y con un presupuesto de energía muy reducido: debido a que las señales entre los componentes se mantienen en el troquel, se requiere mucha menos energía (consulte Embalaje). [100] Además, las fuentes y destinos de la señal 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 redes de comunicación digitales en contraposición a las arquitecturas de bus tradicionales .

Un circuito integrado tridimensional (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 señalización integrada, por lo que el consumo de energía es mucho menor que en circuitos separados equivalentes. El uso sensato de cables verticales cortos puede reducir sustancialmente la longitud total del cable para una operación más rápida. [101]

Etiquetado de silicona y graffiti.

Para permitir la identificación durante la producción, la mayoría de los chips de silicio tendrán un número de serie en una esquina. También es habitual añadir el logo del fabricante. Desde que se crearon los circuitos integrados, algunos diseñadores de chips han utilizado la superficie del silicio para imágenes o palabras subrepticias y no funcionales. A veces se les conoce como chip art , arte de silicio, graffiti de silicio o garabatos de silicio. [ cita necesaria ]

IC y familias de IC

Ver también

Notas

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Otras lecturas

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