Este articulo trata sobre microchips (circuitos integrados). Para otros usos de este termino, vease
Microchip
.
Microchip.
Un
circuito integrado
(
CI
), tambien conocido como
chip
o
microchip
, es una
estructura
de pequenas dimensiones de material
semiconductor
, normalmente
silicio
, de algunos milimetros cuadrados de superficie (
area
), sobre la que se fabrican
circuitos electronicos
generalmente mediante
fotolitografia
y que esta protegida dentro de un
encapsulado
plastico
o de
ceramica
.
[
1
]
El encapsulado posee
conductores metalicos
apropiados para hacer conexion entre el circuito integrado y un
circuito impreso
.
Los CI se hicieron posibles gracias a descubrimientos experimentales que mostraban que artefactos
semiconductores
podian realizar las funciones de los
tubos de vacio
, asi como a los avances cientificos de la fabricacion de semiconductores a mediados del siglo
XX
. La integracion de grandes cantidades de pequenos
transistores
dentro de un pequeno espacio fue un gran avance en la elaboracion manual de circuitos utilizando
componentes electronicos
discretos
. La capacidad de produccion masiva de los circuitos integrados, asi como la fiabilidad y acercamiento a la construccion de un diagrama a bloques en circuitos, aseguraba la rapida adopcion de los circuitos integrados estandarizados en lugar de disenos utilizando transistores discretos.
Los CI tienen dos principales ventajas sobre los circuitos discretos: costo y rendimiento. El bajo costo es debido a los chips; ya que posee todos sus componentes impresos en una unidad de
fotolitografia
en lugar de ser construidos un transistor a la vez. Mas aun, los CI empaquetados usan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto ya que los componentes de los CI cambian rapidamente y consumen poca potencia (comparado sus contrapartes discretas) como resultado de su pequeno tamano y proximidad de todos sus componentes. Desde 2012, el intervalo de area de chips tipicos es desde unos pocos milimetros cuadrados a alrededor de 450 mm², con hasta nueve millones de transistores por mm².
Circuitos integrados de memoria EPROM
con una ventana de cristal de
cuarzo
que posibilita su borrado mediante
radiacion ultravioleta
.
Los circuitos integrados son usados en practicamente todos los equipos electronicos hoy en dia, y han revolucionado el mundo de la
electronica
,
computadoras
,
telefonos moviles
y otros dispositivos electronicos que son parte indispensable de las sociedades modernas, son posibles gracias a los bajos costos de los circuitos integrados.
Historia
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]
Geoffrey Dummer en los anos 1950
El 15 de abril de 1949, el ingeniero aleman Werner Jacobi
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]
(Siemens AG) completa la primera solicitud de
patente
para circuitos integrados con dispositivos amplificadores de
semiconductores
. Jacobi realizo una tipica aplicacion industrial para su patente, la cual no fue registrada.
Mas tarde, la integracion de circuitos fue conceptualizada por el cientifico de radares
Geoffrey Dummer
(1909-2002), que estaba trabajando para la Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Britanico, a finales de la decada de 1940 y principios de la decada de 1950.
Recien empleado por
Texas Instruments
,
Jack S. Kilby
registro sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con exito el primer ejemplo integrado de trabajo el 12 de septiembre de 1958. En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describio su nuevo dispositivo como ≪un cuerpo de material semiconductor [...] en el que todos los componentes del circuito electronico estan completamente integrados≫. Se trataba de un dispositivo de
germanio
que integraba
seis
transistores
en una misma base semiconductora para formar un
oscilador
de rotacion de fase. El primer cliente de la nueva invencion fue la Fuerza Aerea de los Estados Unidos.
En el ano 2000 Kilby fue galardonado con el
Premio Nobel de Fisica
por la enorme contribucion de su invento al desarrollo de la
tecnologia
.
[
3
]
Robert Noyce
desarrollo su propio circuito integrado, que patento unos seis meses despues. Ademas resolvio algunos problemas practicos que poseia el circuito de Kilby, como el de la interconexion de todos los componentes; al simplificar la estructura del chip mediante la adicion de
metal
en una capa final y la eliminacion de algunas de las conexiones, el circuito integrado se hizo mas adecuado para su produccion en masa. Ademas de ser uno de los pioneros del circuito integrado, Robert Noyce tambien fue uno de los cofundadores de
Intel Corporation
, uno de los mayores fabricantes de circuitos integrados del mundo.
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4
]
Los circuitos integrados se encuentran en todos los
aparatos electronicos
modernos, tales como relojes, automoviles, televisores, reproductores MP3, telefonos moviles, computadoras, equipos medicos, etc.
El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los
semiconductores
, particularmente los
transistores
, pueden realizar algunas de las funciones de las
valvulas de vacio
.
La integracion de grandes cantidades de diminutos transistores en pequenos chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los
tubos de vacio
(valvulas) y en la fabricacion de circuitos electronicos utilizando
componentes discretos
.
La capacidad de produccion masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y la facilidad de agregarles complejidad, llevo a su estandarizacion, reemplazando circuitos completos con disenos que utilizaban transistores discretos, y ademas, llevando rapidamente a la obsolescencia a las valvulas o tubos de vacio.
Son tres las ventajas mas importantes que tienen los circuitos integrados sobre los circuitos electronicos construidos con componentes discretos: su menor
costo
; su mayor
eficiencia energetica
y su reducido tamano. El bajo costo se debe a que los CI son fabricados siendo impresos como una sola pieza por
fotolitografia
a partir de una
oblea
, generalmente de
silicio
, permitiendo la produccion en cadena de grandes cantidades, con una muy baja tasa de defectos. La elevada eficiencia se debe a que, dada la miniaturizacion de todos sus componentes, el consumo de energia es considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamiento que un circuito electronico homologo fabricado con componentes discretos. Finalmente, el mas notable atributo, es su reducido tamano en relacion con los circuitos discretos; para ilustrar esto: un circuito integrado puede contener desde miles hasta varios millones de
transistores
en unos pocos milimetros cuadrados.
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5
]
Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido, fundamentalmente, los desarrollos en la fabricacion de dispositivos semiconductores a mediados del siglo
XX
y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podian reemplazar las funciones de las valvulas o tubos de vacio, que se volvieron rapidamente obsoletos al no poder competir con el pequeno tamano, el consumo de energia moderado, los tiempos de conmutacion minimos, la confiabilidad, la capacidad de produccion en masa y la versatilidad de los CI.
[
6
]
Entre los circuitos integrados mas complejos y avanzados se encuentran los
microprocesadores
, que controlan numerosos aparatos, desde
telefonos moviles
y
horno de microondas
hasta
computadoras
. Los
chips
de
memorias
digitales son otra familia de circuitos integrados, de importancia crucial para la moderna sociedad de la informacion. Mientras que el costo de disenar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de produccion, el costo individual de los CI por lo general se reduce al minimo. La eficiencia de los CI es alta debido a que el pequeno tamano de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilizacion de logica de bajo consumo (como es el caso de
CMOS
), y con altas velocidades de conmutacion.
A medida que transcurren los anos, los circuitos integrados van evolucionando: se fabrican en tamanos cada vez mas pequenos, con mejores caracteristicas y prestaciones, mejoran su
eficiencia
y su
eficacia
, y se permite asi que mayor cantidad de elementos sean empaquetados (integrados) en un mismo chip (vease la
ley de Moore
). Al tiempo que el tamano se reduce, otras cualidades tambien mejoran (el costo y el consumo de energia disminuyen, y a la vez aumenta el rendimiento). Aunque estas ganancias son aparentemente para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrias cada vez mas delgadas. Este proceso, y lo esperado para los proximos anos, esta muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors.
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]
Crisis de los microprocesadores
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]
El confinamiento mundial derivado de la
pandemia del COVID-19
en el ano 2020 ha provocado un aumento sin precedentes en la demanda de microprocesadores, lo que ha colapsado la industria mundial. El precio de los microchips ha subido con picos de hasta el 30 por ciento en los ultimos 12 meses. Decenas de fabricas que dependen de los microprocesadores han retrasado su produccion o cerrado temporalmente, incluso en Espana. Esta crisis amenaza a los consumidores y pone en evidencia las debilidades de una tecnologia que podria haber tocado techo. Ademas, supone un punto de inflexion para occidente, que hasta ahora dominaba el mercado tecnologico en materia de desarrollo de microchips.
La industria de los microchips se enfrenta a otro importante obstaculo: la
Ley de Moore
, que segun algunos especialistas estaria empezando a fallar. En 1965 Gordon Moore, cofundador de
Intel
, formulo la ley que lleva su nombre, segun la cual el numero de transistores que puede contener un microchip se duplica cada dos anos. Este postulado ha permitido desarrollar ordenadores cada vez mas potentes y con un menor coste. Sin embargo, a partir de 2010 el ritmo de la innovacion ha empezado a ralentizarse. En 2015 el CEO de Intel, Bryant Krzanich, reconocio que habia una discontinuidad a la hora de miniaturizar los componentes de manera rentable. Para fabricar un microchip de ultima generacion se requiere de una tecnologia muy cara y compleja, la “litografia ultravioleta extrema”.
Popularidad
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]
Solo ha transcurrido medio siglo desde que se inicio su desarrollo y los circuitos integrados se han vuelto casi omnipresentes.
Computadoras
,
telefonos moviles
y otras aplicaciones digitales son ahora parte de las sociedades modernas. La
informatica
, las
comunicaciones
, la
manufactura
y los sistemas de
transporte
, incluyendo
Internet
, todos dependen de la existencia de los circuitos integrados. De hecho, muchos estudiosos piensan que la revolucion digital causada por los circuitos integrados es uno de los sucesos mas significativos de la historia de la humanidad.
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Este articulo o seccion tiene
referencias
, pero necesita mas para complementar su
verificabilidad
.
Busca fuentes:
≪Circuito integrado≫
–
noticias
·
libros
·
academico
·
imagenes
Este aviso fue puesto el 31 de octubre de 2015.
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Existen al menos tres tipos de circuitos integrados:
- Circuitos monoliticos
: estan fabricados en un solo
monocristal
, habitualmente de
silicio
,
[
1
]
pero tambien existen en
germanio
,
arseniuro de galio
, silicio-germanio, etc.
- Circuitos hibridos de capa fina
: son muy similares a los circuitos monoliticos, pero, ademas, contienen componentes dificiles de fabricar con tecnologia monolitica. Muchos
conversores A/D
y
conversores D/A
se fabricaron en tecnologia hibrida hasta que los progresos en la
tecnologia
permitieron fabricar
resistencias
precisas.
Circuitos integrados (CI) de distintos tamanos
- Circuitos hibridos de capa gruesa
: se apartan bastante de los circuitos monoliticos. De hecho suelen contener circuitos monoliticos sin capsula,
transistores
,
diodos
, etc, sobre un sustrato dielectrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por
serigrafia
y se ajustan haciendoles cortes con
laser
. Todo ello se encapsula, en capsulas plasticas o metalicas, dependiendo de la disipacion de energia calorica requerida. En muchos casos, la capsula no esta
moldeada
, sino que simplemente se cubre el circuito con una resina
epoxi
para protegerlo. En el mercado se encuentran circuitos hibridos para aplicaciones en modulos de radio
frecuencia
(RF),
fuentes de alimentacion
, circuitos de
encendido
para
automovil
, etc.
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]
Clasificacion
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]
Atendiendo al nivel de integracion ?numero de componentes? los circuitos integrados se pueden clasificar en:
[
10
]
- SSI
(
Small Scale Integration
) pequeno nivel: de 10 a 100
transistores
- MSI
(
Medium Scale Integration
) medio: 101 a 1000 transistores
- LSI
(
Large Scale Integration
) grande: 1001 a 10 000 transistores
- VLSI
(
Very Large Scale Integration
) muy grande: diez mil uno a cien mil transistores
- ULSI
(
Ultra Large Scale Integration
) ultra grande: 100 001 a
1 000 000
transistores
- GLSI
(
Giga Large Scale Integration
) giga grande: mas de un millon de transistores
En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:
[
11
]
- Circuitos integrados
analogicos
.
- Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin union entre ellos, hasta circuitos completos y funcionales, como
amplificadores
,
osciladores
o incluso
receptores de radio
completos.
- Circuitos integrados
digitales
.
- Pueden ser desde basicas
puertas logicas
(AND, OR, NOT) hasta los mas complicados
microprocesadores
o
microcontroladores
.
Algunos son disenados y fabricados para cumplir una funcion especifica dentro de un sistema mayor y mas complejo.
En general, la fabricacion de los CI es compleja ya que tienen una alta integracion de componentes en un espacio muy reducido, de forma que llegan a ser microscopicos. Sin embargo, permiten grandes simplificaciones con respecto a los antiguos circuitos, ademas de un montaje mas eficaz y rapido.
Limitaciones de los circuitos integrados
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]
Existen ciertos limites fisicos y economicos al desarrollo de los circuitos integrados. Basicamente, son barreras que se van alejando al mejorar la
tecnologia
, pero no desaparecen. Las principales son:
Disipacion de potencia
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]
Los circuitos electricos disipan potencia. Cuando el numero de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipacion de esta potencia, tambien crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del
dispositivo
. Ademas, en muchos casos es un sistema de
realimentacion positiva
, de modo que cuanto mayor sea la
temperatura
, mas corriente conducen, fenomeno que se suele llamar "
embalamiento termico
" y, que si no se evita, llega a destruir el dispositivo. Los amplificadores de
audio
y los reguladores de tension son proclives a este fenomeno, por lo que suelen incorporar protecciones termicas.
Los circuitos de potencia, evidentemente, son los que mas
energia
deben disipar. Para ello su capsula contiene partes metalicas, en contacto con la parte inferior del chip, que sirven de conducto termico para transferir el calor del chip al disipador o al ambiente. La reduccion de resistividad termica de este conducto, asi como de las nuevas capsulas de compuestos de
silicona
,
[
12
]
permiten mayores disipaciones con capsulas mas pequenas.
Los circuitos digitales resuelven el problema reduciendo la tension de alimentacion y utilizando tecnologias de bajo consumo, como
CMOS
. Aun asi en los circuitos con mas densidad de integracion y elevadas velocidades, la disipacion es uno de los mayores problemas, llegandose a utilizar experimentalmente ciertos tipos de criostatos. Precisamente la alta resistividad termica del
arseniuro de galio
es su
talon de Aquiles
para realizar circuitos digitales con el.
Capacidades y autoinducciones parasitas
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]
Este efecto se refiere principalmente a las conexiones electricas entre el chip, la capsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento. Con pastillas mas pequenas se reduce la capacidad y la autoinduccion de ellas. En los circuitos digitales excitadores de buses,
generadores de reloj
, etc, es importante mantener la
impedancia
de las lineas y, todavia mas, en los circuitos de
radio
y de
microondas
.
Limites en los componentes
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]
Los componentes disponibles para integrar tienen ciertas limitaciones, que difieren de sus contrapartidas discretas.
- Resistores
. Son indeseables por necesitar una gran cantidad de superficie. Por ello solo se usan valores reducidos y en tecnologias
MOS
se eliminan casi totalmente.
- Condensadores
. Solo son posibles valores muy reducidos y a costa de mucha superficie. Como ejemplo, en el amplificador operacional μA741, el condensador de estabilizacion viene a ocupar un cuarto del chip.
- Inductores
. Se usan comunmente en circuitos de radiofrecuencia, siendo hibridos muchas veces. En general no se integran.
Densidad de integracion
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]
Durante el proceso de fabricacion de los circuitos integrados se van acumulando los defectos, de modo que cierto numero de componentes del circuito final no funcionan correctamente. Cuando el chip integra un numero mayor de componentes, estos componentes defectuosos disminuyen la proporcion de chips funcionales. Es por ello que en
circuitos de memorias
, por ejemplo, donde existen millones de transistores, se fabrican mas de los necesarios, de manera que se puede variar la interconexion final para obtener la organizacion especificada.
Vease tambien
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Referencias
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Enlaces externos
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