Circuito integrado

Un circuito integrado o circuito integrado monolítico (también conocido como IC, chip o microchip)) es un conjunto de circuitos electrónicos en una pequeña pieza plana (o "chip") de material semiconductor, generalmente silicio. Un gran número de diminutos MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) se integran en un pequeño chip. Esto da como resultado circuitos que son órdenes de magnitud más pequeños, más rápidos y menos costosos que los construidos con componentes electrónicos discretos. La capacidad de producción en masa, la confiabilidad y el enfoque de bloques de construcción del IC para el diseño de circuitos integrados han asegurado la rápida adopción de IC estandarizados en lugar de diseños que utilizan transistores discretos. Los circuitos integrados ahora se utilizan 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 inseparables de la estructura de las sociedades modernas,

La integración a muy gran escala se hizo práctica gracias a los avances tecnológicos en la fabricación de dispositivos semiconductores de óxido de metal y silicio (MOS). 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 ajustan cada vez más transistores MOS en chips del mismo tamaño: un chip moderno puede tener muchos miles de millones de transistores MOS en un mismo tamaño. área del tamaño de una uña humana. Estos avances, siguiendo aproximadamente la ley de Moore, hacen que los chips de computadora de hoy en día posean 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 dos ventajas principales sobre los circuitos discretos: costo y rendimiento. El costo es bajo 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 de diseñarlos y fabricar las fotomáscaras requeridas. Este alto costo inicial significa que los circuitos integrados solo son comercialmente viables cuando se prevén grandes volúmenes de producción.

Terminología

Un circuito integrado se define como:

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 a los efectos de la construcción y el comercio.

Los circuitos que cumplen con esta definición se pueden construir utilizando muchas tecnologías diferentes, incluidos transistores de película delgada, tecnologías de película gruesa o circuitos integrados híbridos. Sin embargo, en el uso general, el circuito integrado ha llegado a referirse a la construcción de circuito de una sola pieza originalmente conocida como circuito integrado monolítico, a menudo construido en una sola pieza de silicio.

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 la década de 1920. 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 recaudaba según la cantidad de soportes de tubo que tenía un receptor de radio. Permitió que los receptores de radio tuvieran un solo soporte de tubo.

Los primeros conceptos de un circuito integrado se remontan a 1949, cuando el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) presentó una patente para un dispositivo amplificador de semiconductores similar a un circuito integrado que mostraba cinco transistores en un sustrato común en una disposición de amplificador de tres etapas. Jacobi reveló 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 Establecimiento Real de Radar 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. 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 donde varios transistores podían compartir un área activa común, pero no había aislamiento eléctrico para separarlos entre sí.

El chip de circuito integrado monolítico fue posible gracias a las invenciones del proceso planar de Jean Hoerni y el aislamiento de unión p-n de Kurt Lehovec. El invento 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 el trabajo de Chih-Tang Sah sobre difusión. enmascarado por el óxido.

Primeros circuitos integrados

Una idea precursora del IC fue crear pequeños sustratos cerámicos (los llamados micromódulos), cada uno con un solo componente miniaturizado. Luego, los componentes podrían integrarse y cablearse en una cuadrícula compacta bidimensional o tridimensional. Esta idea, que parecía muy prometedora en 1957, fue propuesta al Ejército de los EE. UU. por Jack Kilby y condujo al programa de micromódulos de corta duración (similar al Proyecto Tinkertoy de 1951). Sin embargo, a medida que el proyecto ganaba impulso, a Kilby se le ocurrió un diseño nuevo y revolucionario: el IC.

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. En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como " un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". El primer cliente del nuevo invento fue la Fuerza Aérea de EE. UU. Kilby ganó el Premio Nobel de física en 2000 por su participación en la invención del circuito integrado. Sin embargo, la invención de Kilby fue un circuito integrado híbrido (IC híbrido), en lugar de un chip de circuito integrado monolítico (IC monolítico).El circuito integrado de Kilby tenía conexiones de cables externas, lo que dificultaba su producción en masa.

Medio año después de Kilby, Robert Noyce de Fairchild Semiconductor inventó el primer chip IC monolítico verdadero. Era una nueva variedad de circuito integrado, más práctica que la implementación de Kilby. El diseño de Noyce estaba hecho de silicio, mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio. El circuito integrado monolítico de Noyce colocó todos los componentes en un chip de silicio y los conectó con líneas de cobre. El circuito integrado monolítico de Noyce se fabricó utilizando el proceso planar, desarrollado a principios de 1959 por su colega Jean Hoerni. Los chips IC modernos se basan en el IC monolítico de Noyce, en lugar del IC híbrido de Kilby.

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

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 hasta principios de la de 1980.

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

Circuitos integrados MOS

Casi todos los chips IC modernos son circuitos integrados de metal-óxido-semiconductor (MOS), construidos a partir de MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-óxido-silicio). El MOSFET (también conocido como transistor MOS), que fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, hizo posible construir circuitos integrados de alta densidad. 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. Dawon Kahng señaló su ventaja para los circuitos integrados en 1961. La lista de hitos de IEEE incluye el primer circuito integrado de Kilby en 1958,El proceso planar de Hoerni y el IC planar de Noyce en 1959, y el MOSFET de Atalla y Kahng en 1959.

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. General Microelectronics introdujo más tarde el primer circuito integrado MOS comercial en 1964, un registro de desplazamiento de 120 transistores desarrollado por Robert Norman. Para 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.

Tras el desarrollo del MOSFET de puerta autoalineada (puerta de silicio) por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967, la primera tecnología MOS IC de puerta de silicio con puertas autoalineadas, la base de todos los CMOS modernos circuitos integrados, fue desarrollado en Fairchild Semiconductor por Federico Faggin en 1968. La aplicación de chips MOS LSI a la informática fue la base para los primeros microprocesadores, cuando 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. 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.

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

Los avances en la tecnología IC, principalmente características más pequeñas y chips más grandes, han permitido que la cantidad 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 luego cambió el reclamo a cada dos años en 1975. Esta mayor capacidad se ha utilizado para disminuir los costos y aumentar la funcionalidad. En general, a medida que se reduce el tamaño de la función, casi todos los aspectos del funcionamiento de un IC mejoran. El costo por transistor y el consumo de potencia 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).Debido a que las ganancias en velocidad, capacidad y consumo de energía son evidentes para el usuario final, existe una competencia feroz entre los fabricantes para utilizar geometrías más finas. A lo largo de los años, los tamaños de los transistores han disminuido de decenas de micras a principios de la década de 1970 a 10 nanómetros en 2017, 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 van desde unos pocos milímetros cuadrados hasta alrededor de 600 mm, con hasta 25 millones de transistores por mm.

La reducción esperada de los tamaños de las características y el progreso necesario en áreas relacionadas fue pronosticado durante muchos años por la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS). El ITRS final se emitió en 2016 y está siendo reemplazado por la Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas.

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 costo. Estas tecnologías incluyen dispositivos mecánicos, ópticos y sensores.

• Los dispositivos de carga acoplada y los sensores de píxeles activos estrechamente relacionados son chips que son sensibles a la luz. Han reemplazado en gran medida a la película fotográfica en aplicaciones científicas, médicas y de consumo. Miles de millones de estos dispositivos ahora se producen cada año para aplicaciones como teléfonos celulares, tabletas y cámaras digitales. Este subcampo de circuitos integrados ganó el Premio Nobel en 2009.
• Los dispositivos mecánicos muy pequeños impulsados ​​por electricidad pueden integrarse en chips, una tecnología conocida como sistemas microelectromecánicos. Estos dispositivos se desarrollaron a fines de la década de 1980 y se utilizan en una variedad de aplicaciones comerciales y militares. Los ejemplos incluyen proyectores DLP, impresoras de inyección de tinta y acelerómetros y giroscopios MEMS utilizados para desplegar las bolsas de aire de los 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. También se están desarrollando circuitos fotónicos integrados que usan luz, utilizando el campo emergente de la física conocido como fotónica.
• También se están desarrollando circuitos integrados para aplicaciones de sensores en implantes médicos u otros dispositivos bioelectrónicos. Deben aplicarse técnicas de sellado especiales en dichos entornos biogénicos para evitar la corrosión o la biodegradación de los materiales semiconductores expuestos.

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 plano. Los investigadores han producido prototipos de varias alternativas prometedoras, como:

• varios enfoques para apilar varias capas de transistores para hacer un circuito integrado tridimensional (3DIC), como la vía de silicio pasante, "3D monolítico", unión de cables apilados y otras metodologías.
• transistores construidos a partir de otros materiales: transistores de grafeno, transistores de molibdenita, transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono, transistores de nitruro de galio, dispositivos electrónicos de nanocables similares a transistores, transistores de efecto de campo orgánico, etc.
• fabricar transistores sobre toda la superficie de una pequeña esfera de silicio.
• modificaciones al sustrato, generalmente para hacer "transistores flexibles" para una pantalla flexible u otros dispositivos electrónicos flexibles, lo que posiblemente conduzca a una computadora enrollable.

A medida que se hace más difícil fabricar transistores cada vez más pequeños, las empresas utilizan módulos de varios chips, circuitos integrados tridimensionales, paquete sobre paquete, memoria de gran ancho de banda y vías de silicio con apilamiento de troqueles para aumentar el rendimiento y reducir el tamaño, sin tener que reducir el tamaño de los transistores. Tales técnicas se conocen colectivamente como empaque avanzado. El empaque avanzado se divide principalmente en empaques 2.5D y 3D. 2.5D describe enfoques como módulos de varios 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 involucran 2 o más troqueles en un solo paquete. Alternativamente, enfoques como 3D NAND apilan múltiples capas en un solo troquel.

Diseño

El costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, normalmente en varias decenas de millones de dólares. Por lo tanto, solo tiene sentido desde el punto de vista económico producir productos de circuitos integrados con un alto volumen de producción, por lo que los costos de ingeniería no recurrentes (NRE) se distribuyen 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. Electronic Design Automation (EDA), también conocido como Electronic Computer-Aided Design (ECAD), es una categoría de herramientas de software para diseñar sistemas electrónicos, incluidos los circuitos integrados. Las herramientas funcionan juntas en un flujo de diseño que los ingenieros utilizan para diseñar y analizar chips semiconductores completos.

Tipos

Los circuitos integrados se pueden clasificar ampliamente en señales analógicas, digitales y mixtas, que consisten en señalización analógica y digital en el mismo IC.

Los circuitos integrados digitales pueden contener miles de millones 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".

Entre los circuitos integrados más avanzados se encuentran los microprocesadores o " núcleos ", utilizados en computadoras personales, teléfonos celulares, hornos de microondas, etc. Se pueden integrar varios núcleos 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 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 de diversas formas: dispositivos que se pueden programar solo una vez, dispositivos que se pueden borrar y luego reprogramar con luz ultravioleta, dispositivos que se pueden (re)programar con memoria flash y matrices de puertas programables en campo (FPGA) 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 a frecuencias de hasta 1 GHz.

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. Dichos circuitos de señal mixta ofrecen un tamaño más pequeño y un costo más bajo, pero deben tener en cuenta la interferencia de la señal. Antes de fines 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 compañías.

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

• Los circuitos integrados digitales se clasifican como circuitos integrados lógicos (como microprocesadores y microcontroladores), chips de memoria (como memoria MOS y memoria de puerta flotante), circuitos integrados de interfaz (cambiadores de nivel, serializador/deserializador, etc.), circuitos integrados de administración de energía y dispositivos programables..
• Los circuitos integrados analógicos se clasifican como circuitos integrados lineales y circuitos de RF (circuitos de radiofrecuencia).
• Los circuitos integrados de señal mixta se clasifican como circuitos integrados de adquisición de datos (incluidos convertidores A/D, convertidores D/A, potenciómetros digitales), circuitos integrados de reloj/temporización, circuitos de condensadores conmutados (SC) y circuitos RF CMOS.
• Los circuitos integrados tridimensionales (IC 3D) se clasifican en IC de vía de silicio pasante (TSV) y IC de conexión Cu-Cu.

Fabricación

Fabricación

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. Comenzando con el óxido de cobre, pasando por el germanio y luego el silicio, los materiales se estudiaron sistemáticamente en las décadas de 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 circuitos integrados de alta velocidad. Llevó décadas perfeccionar los métodos para crear cristales con defectos mínimos en la estructura cristalina de los materiales semiconductores.

Los circuitos integrados de semiconductores se fabrican en un proceso plano que incluye tres pasos clave del proceso: fotolitografía, deposición (como la deposición de vapor químico) y grabado. Los principales pasos del proceso se complementan con el dopaje y la limpieza. En cambio, los circuitos integrados más recientes o de alto rendimiento pueden usar transistores FinFET o GAAFET de puertas múltiples en lugar de planos, comenzando en el nodo de 22 nm (Intel) o nodos de 16/14 nm.

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 áreas del sustrato a dopar o para depositar pistas de polisilicio, aislantes o metal (típicamente aluminio o cobre). Los dopantes son impurezas introducidas intencionalmente en un semiconductor para modular sus propiedades electrónicas. El dopaje es el proceso de agregar dopantes a un material semiconductor.

• Los circuitos integrados se componen de muchas capas superpuestas, cada una definida por fotolitografía, y normalmente se muestran en diferentes colores. Algunas capas marcan dónde se difunden varios 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 dopado o metal) y algunas definen las conexiones entre las capas conductoras. (vía o capas de contacto). Todos los componentes están construidos a partir de una combinación específica de estas capas.
• En un proceso CMOS autoalineado, se forma un transistor dondequiera que la capa de puerta (polisilicio o metal) cruce una capa de difusión.
• Las estructuras capacitivas, en forma muy parecida a las placas conductoras paralelas de un condensador eléctrico tradicional, se forman según el área de las "placas", con material aislante entre las placas. Los condensadores de una amplia gama de tamaños son comunes en los circuitos integrados.
• A veces se utilizan rayas serpenteantes de diferentes longitudes para formar resistencias en el 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 la resistividad de su lámina, determina la resistencia.
• Más raramente, las estructuras inductivas pueden construirse como pequeñas bobinas en un 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 de transistores de unión bipolar.

Una memoria de acceso aleatorio es el tipo más común de circuito integrado; los dispositivos de mayor densidad son, por 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.) Aunque las estructuras son complejas, 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 usar para "exponer" una capa de material, ya que serían demasiado grandes para las características. Por lo tanto, se utilizan fotones de frecuencias más altas (típicamente 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 con 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 denomina dado. Cada troquel en buen estado (dados en plural, troqueles o troqueles) se conecta luego a un paquete utilizando cables de enlace de aluminio (u oro) que se unen termosónicamente a las almohadillas, generalmente se encuentra alrededor del borde del dado. El enlace termosónico fue introducido 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 se someten a pruebas finales en el mismo ATE o uno similar utilizado durante el sondeo de obleas. También se puede utilizar la tomografía computarizada industrial. El costo de prueba puede representar más del 25% del costo de fabricación en productos de bajo costo, pero puede ser insignificante en dispositivos de bajo rendimiento, más grandes o de mayor costo.

A partir de 2016, una instalación de fabricación (comúnmente conocida como fábrica de semiconductores) puede costar más de US $ 8 mil millones para construir. El costo de una instalación de fabricación aumenta con el tiempo debido a la mayor complejidad de los nuevos productos; esto se conoce como la ley de Rock. Tal instalación cuenta con:

• Las obleas de hasta 300 mm de diámetro (más anchas que un plato común).
• A partir de 2016, transistores de 14 nm.
• Interconexiones de cobre donde el cableado de cobre reemplaza al aluminio para las interconexiones.
• Aisladores dieléctricos de bajo κ.
• Silicio sobre aislante (SOI).
• Silicio filtrado en un proceso utilizado por IBM conocido como Silicio filtrado directamente sobre aislador (SSDOI).
• Dispositivos multipuerta como transistores tri-puerta.

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 puras como TSMC. Estas fundiciones pueden ofrecer servicios de diseño de circuitos integrados.

Embalaje

Los primeros circuitos integrados se empaquetaron en paquetes planos de cerámica, que continuaron siendo utilizados por los militares por su confiabilidad y tamaño pequeño durante muchos años. El empaque de circuito comercial rápidamente pasó al empaque dual en línea (DIP), primero en cerámica y luego en plástico, que comúnmente es cresol-formaldehído-novolaca. En la década de 1980, el conteo de pines de los circuitos VLSI superó el límite práctico para el empaque DIP, lo que llevó a paquetes de matriz de rejilla de pines (PGA) y portadores de chips sin cables (LCC). El empaque de montaje en superficie apareció a principios de la década de 1980 y se hizo popular a fines de la década de 1980, utilizando un paso de plomo más fino con cables formados como ala de gaviota o plomo en 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 % menor que un DIP equivalente y, por lo general, es un 70 % más delgado. Este paquete tiene "

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

Los paquetes de matriz de rejilla de bolas (BGA) existen desde la década de 1970. Los paquetes Flip-chip Ball Grid Array, que permiten un recuento de pines mucho mayor que otros tipos de paquetes, se desarrollaron en la década de 1990. En un paquete FCBGA, la matriz se monta al revés (volteada) y se conecta a las bolas del paquete a través de un sustrato de paquete que es similar a una placa de circuito impreso en lugar de cables. Los paquetes FCBGA permiten que una matriz de señales de entrada y salida (llamadas E/S de área) se distribuya por todo el troquel en lugar de limitarse a la periferia del troquel. 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 hizo la transición de PGA a arreglo de red terrestre (LGA) y BGA a partir de 2004, con el último zócalo PGA lanzado en 2014 para plataformas móviles. A partir de 2018, AMD usa paquetes PGA en procesadores de escritorio convencionales, paquetes BGA en procesadores móviles y microprocesadores de servidor y escritorio de gama alta usan paquetes LGA.

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 (caminos) en el paquete, a través de los cables que conectan el paquete con las pistas conductoras en 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 aquellos que viajan a diferentes partes del mismo dado. Como resultado, requieren técnicas de diseño especiales para garantizar que las señales no se corrompan y requieren mucha más energía eléctrica que las señales confinadas al troquel mismo.

Cuando se colocan varios troqueles en un paquete, el resultado es un sistema en paquete, abreviado SiP. Un módulo de chips múltiples (MCM) se crea mediante la combinación de múltiples matrices en un sustrato pequeño, a menudo hecho de cerámica. La distinción entre un MCM grande y una pequeña placa de circuito impreso 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 solo tienen un número que se usa en la tabla de búsqueda del fabricante para encontrar las características del circuito integrado.

La fecha de fabricación se suele representar como un año de dos dígitos seguido de un código de semana de dos dígitos, de modo que una pieza con 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 preparando fotomáscaras para su producción a partir de las fotografías obtenidas es motivo de la introducción de legislación para la protección de los esquemas de trazado. La Ley de protección de chips de semiconductores de EE. UU. de 1984 estableció la protección de la propiedad intelectual para las fotomáscaras utilizadas para producir circuitos integrados.

Una conferencia diplomática celebrada en Washington, DC en 1989 adoptó un Tratado sobre la propiedad intelectual con respecto a los circuitos integrados, también llamado Tratado de Washington o Tratado IPIC. El tratado no está actualmente en vigor, pero se integró parcialmente en el acuerdo TRIPS.

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.

Se han adoptado leyes nacionales que protegen los diseños de diseño de circuitos integrados en varios países, incluidos Japón, la CE, el Reino Unido, Australia y Corea. El Reino Unido promulgó la Ley de derechos de autor, diseños y patentes de 1988, c. 48, § 213, después de que inicialmente tomó la posición de que su ley de derechos de autor protegía completamente las topografías de chips. Ver British Leyland Motor Corp. v. Armstrong Patents Co.

Las críticas a la inadecuación del enfoque de derechos de autor del Reino Unido según lo percibido por la industria de chips de EE. UU. se resumen en otros desarrollos de derechos de chips.

Australia aprobó la Ley de diseño de circuitos de 1989 como una forma sui generis de protección de chips. Corea aprobó la Ley sobre el Diseño de Trazado de Circuitos Integrados de Semiconductores en 1992.

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 fueron 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, 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.

Acrónimo	Nombre	Año	Recuento de transistores	Número de puertas lógicas
SSI	integración a pequeña escala	1964	1 a 10	1 a 12
MSI	integración a mediana escala	1968	10 a 500	13 a 99
LSI	integración a gran escala	1971	500 a 20 000	100 a 9999
VLSI	integración a muy gran escala	1980	20 000 a 1 000 000	10 000 a 99 999
ULSI	integración a gran escala	1984	1 000 000 y más	100 000 y más

Integración a pequeña escala (SSI)

Los primeros circuitos integrados contenían solo 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. El número de transistores en un circuito integrado se ha incrementado dramáticamente 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; ese término dio lugar a los términos "integración a pequeña escala" (SSI), "integración a escala media" (MSI), "integración a muy gran escala" (VLSI) e "integración a escala ultragrande" (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 Apolo necesitaban computadoras digitales livianas para sus sistemas de guía inercial. Aunque el Apollo Guidance Computer lideró y motivó la tecnología de circuitos integrados, fue el misil Minuteman el que obligó a que se produjera 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 en 1962 y, en 1968, el gasto del gobierno de los EE. UU. en espacio y defensa todavía representaba el 37% de la producción total de $ 312 millones.

La demanda del gobierno de EE. UU. apoyó el incipiente 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 $ 50,00 en 1962 a $ 2,33 en 1968. Los circuitos integrados comenzaron a aparecer en los 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 chips de integración a pequeña escala (SSI). Siguiendo la propuesta de Mohamed M. Atalla del chip de circuito integrado MOS en 1960, 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. La primera aplicación práctica de los chips MOS SSI fue para los satélites de la NASA.

Integración a 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. Para 1964, los chips MOS habían alcanzado una mayor densidad de transistores y menores costos de fabricación que los chips bipolares.

En 1964, Frank Wanlass demostró un registro de desplazamiento de 16 bits de un solo chip que diseñó, con los increíbles 120 transistores MOS en un solo chip. El mismo año, General Microelectronics presentó el primer chip de circuito integrado MOS comercial, que constaba de 120 transistores MOS de canal p. Era un registro de desplazamiento de 20 bits, desarrollado por Robert Norman y Frank Wanlass. 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.

Integración a gran escala (LSI)

El desarrollo posterior, impulsado por la misma tecnología de escalado 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.

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 principalmente a mano, a menudo con cinta Rubylith o similar. 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, inspeccionaban y verificaban la corrección e 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 la década de 1970, tenían menos de 4000 transistores. Los verdaderos circuitos LSI, que se acercan a los 10.000 transistores, comenzaron a producirse alrededor de 1974, para memorias principales de computadora y microprocesadores de segunda generación.

Integración a muy gran escala (VLSI)

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 2016, la cantidad de transistores continúa creciendo más allá de los diez mil millones de transistores por chip.

Se requirieron múltiples desarrollos para lograr esta mayor densidad. Los fabricantes adoptaron reglas de diseño de MOSFET más pequeños e instalaciones de fabricación más limpias. La ruta 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). Herramientas de diseño electrónico mejoradas, lo que hace que sea práctico terminar los diseños en un tiempo razonable. El CMOS de mayor eficiencia energética reemplazó a NMOS y PMOS, evitando 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 usan herramientas EDA para realizar la mayoría del trabajo de verificación funcional.

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. La tendencia continúa en gran medida sin cesar, con chips introducidos en 2007 que contienen decenas de miles de millones de transistores de memoria.

ULSI, WSI, SoC y 3D-IC

Para reflejar un mayor crecimiento de la complejidad, se propuso el término ULSI que significa "integración a gran escala" para chips de más de 1 millón de transistores.

La integración a escala de oblea (WSI) es un medio para construir circuitos integrados muy grandes que utiliza una oblea de silicio completa para producir un solo "superchip". A través de una combinación de tamaño grande y empaque reducido, WSI podría conducir a costos drásticamente reducidos para algunos sistemas, en particular supercomputadoras paralelas masivas. El nombre se toma del término Integración a muy gran escala, el estado actual del arte cuando se estaba desarrollando WSI.

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 dado, el costo de la licencia y el desarrollo de una máquina de un solo dado aún superan a los dispositivos separados. Con las licencias apropiadas, 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 la matriz, se requiere mucha menos energía (ver Empaquetado).Además, las fuentes y los 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 las redes de comunicación digital en oposición 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 en matriz, 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 una operación más rápida.

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 común agregar el logotipo del fabricante. Desde que se crearon los circuitos integrados, algunos diseñadores de chips han utilizado el área de la superficie de silicio para imágenes o palabras subrepticias y no funcionales. Estos a veces se denominan chip art, silicon art, silicon graffiti o silicon doodling.

IC y familias de IC

• El temporizador IC 555
• El amplificador operacional
• Circuitos integrados de la serie 7400
• Circuitos integrados de la serie 4000, la contraparte CMOS de la serie 7400 (ver también: serie 74HC00)
• Intel 4004, generalmente considerado como el primer microprocesador comercialmente disponible, que condujo a la famosa CPU 8080 y luego a las IBM PC 8088, 80286, 486, etc.
• Los microprocesadores MOS Technology 6502 y Zilog Z80, utilizados en muchas computadoras domésticas de principios de la década de 1980
• La serie Motorola 6800 de chips relacionados con la computadora, que conduce a las series 68000 y 88000 (utilizadas en algunas computadoras Apple y en la serie Commodore Amiga de la década de 1980)
• La serie LM de circuitos integrados analógicos