Circuito integrado: ¿Qué es?, ¿Cómo Funciona?, y Fabricación
Un circuito integrado (CI, chip o microchip) es un pequeño dispositivo electrónico conformado por una gran cantidad de micro transistores, condensadores, diodos y resistencias interconectados que se encuentran grabados sobre una placa/oblea de material semiconductor, normalmente silicio o germanio, mediante el uso de fotolitografía… pero, ¿Qué significa todo esto?
¿Cómo Funciona un Circuito Integrado?
Como se mencionó anteriormente, un circuito integrado es un pequeño dispositivo conformado por microcomponentes grabados en una oblea de silicio. Estos componentes están interconectados mediante una compleja red de vías que comienza en la oblea y termina en los pines de metal alrededor del encapsulado.
Los pines metálicos desempeñan un papel crucial al permitir que las señales eléctricas fluyan a través de los componentes del CI. Esta circulación de señales eléctricas posibilita que el circuito integrado cumpla con la función específica para la cual fue diseñado. Esta función puede ser el envío, recepción o almacenamiento de datos, la amplificación de señales, la ejecución de comandos, etc.
Tipos de Circuitos Integrados
Según su construcción, un circuito integrado puede dividirse en las siguientes categorías:
Circuito Integrado de Memoria
Este tipo de circuito integrado contiene un conjunto de celdas de memoria en un solo chip. Estas celdas son utilizadas para almacenar de manera temporal o permanente bits de datos en un sistema electrónico. Los circuitos integrados de memoria son comúnmente utilizados en memorias DRAM, SRAM, ROM, VRAM, etc.
Circuito Integrado Digital
Un circuito integrado digital es capaz de manejar señales discretas, es decir, este tipo de circuito solo puede operar en niveles de señal específica, como leer datos en binario, es decir, 0s y 1s. Este tipo de circuito está diseñado para utilizar múltiples puertas lógicas, flip-flops, codificadores multiplexores, decodificadores, etc.
Circuito Integrado Analógico
A diferencia de los circuitos integrados digitales, este tipo de circuito es capaz de procesar señales analógicas, es decir, una señal continuamente variable entre cero a voltaje de fuente de alimentación completa. Este tipo de circuitos se utiliza para diseñar amplificadores operacionales, reguladores lineales, osciladores, filtros activos, etc.
Circuito Integrado Mixto
Los circuitos integrados mixtos son capaces de soportar la combinación de señales analógicas y digitales, siendo diseñados para aplicaciones como Ethernet, administración de energía, radio, conversión de analógico a digital, de digital a analógico, etc.
¿Dónde se utiliza un Circuito Integrado?
El circuito integrado es un componente prácticamente omnipresente, siendo utilizado en un montón de dispositivos con distintos fines y tamaños, entre los dispositivos que usan un CI se incluyen:
- Amplificadores de audio
- Decodificadores y codificadores de radiofrecuencia
- Reguladores de voltaje
- Computadores y servidores
- Calculadoras
- Smartphones
- Memorias (RAM, ROM, etc.)
- Dispositivos lógicos
- Microcontroladores
- Microprocesadores
- etc.
¿Cómo se Fabrican un Circuito Integrado?
El proceso de fabricación para los circuitos integrados consta de procedimientos bastante complejos, no obstante, para este artículo intentaremos explicar los procedimientos de la forma menos técnica posible, todo con el fin de evitar confusión.
También es necesario aclarar que, aunque el proceso de fabricación tenga un principio y final cronológico, algunos procesos se pueden realizar varias veces, en diferentes condiciones y combinaciones.
Preparación de Oblea
El primer paso para la fabricación de un circuito integrado es la preparación de la oblea de silicio, que, por lo general, es una placa delgada, redonda y de diámetro variable. En algunos casos, las obleas poseen irregularidades, por lo tanto, se procede a cortar, dar forma y pulir el material semiconductor irregular con el objetivo de ser lo más adecuado posible para su posterior fabricación.
Oxidación
La oxidación es el proceso de agregar oxigeno al silicio, dando como resultado dióxido de silicio (SiO2). Para esta acción, se utilizan hornos esterilizados a altas temperaturas
La oxidación es el proceso de acelerar la reacción del oxígeno con el silicio, lo que daría como resultado dióxido de silicio (SiO2), para esta acción, es necesario utilizar hornos esterilizados por encima de los 1000 grados Celsius. Según la forma de introducir el oxígeno, la oxidación puede ser seca o húmeda, ambas opciones son válidas, aunque con ligeras diferencias.
Difusión
La difusión es el proceso de introducir impurezas en el silicio, desde una región de alta concentración hasta una de baja concentración. Este proceso busca modificar la resistividad del silicio al introducir átomos de impureza a temperaturas que oscilan entre 1000 y 1200 grados Celsius, con el objetivo de lograr el nivel de dopaje deseado.
Implantación Iónica
La implantación de iones es un método alternativo para introducir átomos de impurezas en la oblea de silicio. Este método controla y distribuye de manera precisa los átomos impuros sobre la oblea de silicio, aunque provoca daños en la misma. Todo el proceso se realiza a bajas temperaturas y alta energía mediante un campo de aceleración.
Deposición de Vapor Químico
La deposición química en fase de vapor es un proceso que implica la reacción química de vapores y gases para formar materiales sólidos sobre el sustrato de silicio. Este método presenta una tasa de deposición rápida y actúa como aislante en la superficie de la oblea. Durante este proceso, los precursores gaseosos reaccionan químicamente en la superficie del sustrato para formar capas delgadas de material sólido. La CVD permite la creación de películas uniformes y controladas en términos de espesor y composición.
Metalización
La metalización es el proceso de recubrir una capa metálica sobre una superficie metálica o no metálica. Este proceso busca proteger la superficie de factores ambientales externos, como aire, polvo, agua, etc. Luego del recubrimiento, la metalización es utilizada para grabar el patrón requerido para interconexión de los diversos componentes (transistores, diodos, etc.) que forman el circuito integrado.
Fotolitografía
La fotolitografía juega un papel fundamental en la creación de patrones microscópicos en la superficie de los diferentes componentes de un circuito integrado (CI). En este proceso, la oblea de silicio del CI se recubre con una capa de material fotosensible. Luego, se coloca una máscara que contiene la estructura deseada sobre la oblea. Después de este paso, la oblea se expone a luz ultravioleta para transferir el diseño geométrico de la máscara a la superficie de la oblea.
Una vez formado el patrón geométrico, ciertas áreas de la oblea quedan expuestas. Estas áreas expuestas a la luz ultravioleta provocan la ruptura del material fotosensible, resultando en la descomposición de estas secciones. Posteriormente, durante el proceso de desarrollo, se utiliza un químico para eliminar las áreas debilitadas, dejando únicamente las secciones que conformarán el patrón final.
Empaquetado
Los circuitos integrados son colocados en “paquetes” con el fin de permitir la fácil colocación y manejo al momento de introducirlos en la placa de circuito impreso, además de proporcionar una protección extra contra posibles daños por calor, humedad, corrosión, golpes, etc.
Throug-Hole Technology
Through-Hole Technology o THT es un tipo de tecnología en la cual los pines conductores de los componentes electrónicos se insertan y sueldan en los orificios de la placa de circuito impreso. Este tipo de montaje encuentra numerosas aplicaciones en dispositivos electrónicos donde las limitaciones de espacio y costo no son un factor limitante.
Surface-Mount Technology
Surface-Mount Technology o SMT es un método de montaje en el que los componentes electrónicos se colocan y sueldan directamente en la superficie de la placa de circuito impreso. Todos los componentes que utilizan este método de montaje se denominan dispositivos de montaje superficial o SMD.
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Tipos de Empaquetado de un Circuito Integrado
Dependiendo de la aplicación del circuito, su embalaje puede variar en tamaño, forma y material.
Ball Grid Array (BGA)
El Ball Grid Array o BGA es un tipo de embalaje SMD utilizado en circuitos integrados que emplea un conjunto de esferas metálicas, generalmente estaño, en la parte inferior para la interconexión eléctrica. El tipo de embalaje BGA es comúnmente utilizado para la fijación permanente de microprocesadores en computadoras y dispositivos portátiles.
Algunas de las variantes de BGA incluyen:
- Fine-pitch ball-grid array (FBGA)
- Low-profile ball-grid array (LBGA)
- Thermally-enhanced plastic ball-grid array (TEPBGA)
- Ultra-fine ball-grid array (UFBGA)
- Low-profile fine-pitch ball-grid array (LFBGA)
Chip Carrier
Un Chip Carrier es un tipo de paquete SMD para circuitos integrados. Como su nombre lo indica, el Chip Carrier proporciona una estructura física para el chip y facilita su conexión con la placa de circuito. Debido a su tamaño, el tipo de embalaje suele ser algo limitado, dentro de sus aplicaciones, se encuentran los microcontroladores y memorias Flash NAND.
Algunas de las variantes del Chip Carrier incluyen:
- Bump chip carrier (BCC)
- Ceramic leadless chip carrier (CLCC)
- Leaded chip carrier (LCC)
- Plastic leaded chip carrier (PLCC)
- Dual lead-less chip carrier (DLCC)
Dual in-Line Packages (Throug-Hole Packages)
Un Dual in-Line Packages o DIP es un tipo de embalaje THT, es decir, para que el chip pueda comunicarse con la placa de circuito, es necesario montar el paquete mediante soldadura por orificios o sockets de la PCB. Este tipo de embalaje consta con una carcasa rectangular y dos filas de pines en paralelo. El tipo de embalaje DIP es comúnmente utilizado en proyectos de electrónica casera.
Algunas de las variantes del Dual in-Line Packages incluyen:
- Quad in-line package (QIP)
- Single in-line package (SIP)
- Glass-sealed ceramic DIP (CERDIP)
- Skinny DIP (SKDIP)
- Zig-zag in-line package (ZIP)
Flat Packages
Un Flat Package es un tipo de empaquetado SMD con un perfil más delgado que los paquetes convencionales, caracterizado por dos o cuatro filas de pines en cada borde. La disposición plana de los pines facilita la distribución eficaz del calor, siendo especialmente beneficioso en situaciones donde el enfriamiento es crucial para el rendimiento del dispositivo.
Algunas de las variantes del Flat Packages incluyen:
- Ceramic flat-pack (CFP)
- Ceramic quad flat-pack (CQFP)
- Quad flat package (QFP)
- Low-profile quad flat-package (LQFP)
- Very-thin quad flat-pack (VQFP)
Small Outline Packages
El Small Outline Packages o SOC es un tipo de empaquetado SMD con un perfil mucho más compacto y delgado que un encapsulado convencional. Este tipo de embalaje es utilizado en proyectos donde el espacio sea limitado, a su vez, ayuda a reducir el tamaño de los dispositivos electrónicos.
Algunas de las variantes del SOC incluyen:
- Ceramic small-outline package (CSOP)
- Dual small-outline package (DSOP)
- Mini small-outline package (MSOP)
- Small-outline no-lead package (SON)
- Very-very-thin small-outline no-lead package (WSON)
Pin Grid Arrays
El Pin Grid Arrays es un tipo de embalaje para circuitos integrados, cuya mayor característica es la gran cantidad de pines acomodados en forma de matriz en una de sus caras. Este tipo de embalaje era muy utilizado por procesadores Intel y AMD antiguos.
Algunas de las variantes del PGA incluyen:
- Pin array cartridge (PAC)
- Ceramic pin-grid array (CPGA)
- Flip-chip pin-grid array (FCPGA)
- Organic pin-grid array (OPGA)
Chip-Scale Packages
El Chip-Scale o CSP es un tipo de empaquetado SMT, cuya principal característica es su tamaño aproximado al chip que contiene. La idea del CSP es ser lo más compacto posible, reduciendo el tamaño del empaquetado con el objetivo optimizar el espacio dentro de dispositivos electrónicos.
Algunas de las variantes del CSP incluyen:
- True chip-size package (TSP)
- True die-size package (TDSP)
- Wafer-level chip-scale package (WCSP)
- Power mount CSP (PMCP)
- Fan-out wafer-level packaging (Fan-out WLCSP)
