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Circuitos integrados: tecnología y empaquetado
- 1. Victoria Gutiérrez y Olga Rodríguez 1102 J.M. Edgar Estrada Circuitos integrados
- 2. Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. El circuito integrado está elaborado con un material semiconductor, sobre el cual se fabrican los circuitos electrónicos a través de la fotolitografía. Estos circuitos, que ocupan unos pocos milímetros, se encuentran protegidos por un encapsulado con conductores metálicos que permiten establecer la conexión entre dicha pastilla de material semiconductor y el circuito impreso.
- 3. DIP Dual in-line package son sus siglas en inglés. Es una forma de encapsulamiento en la construcción de circuitos integrados. Esta forma consiste en un bloque con dos hileras paralelas de pines, la cantidad de éstos depende de cada circuito. Por la posición y espaciamiento entre pines, los circuitos DIP son especialmente prácticos para construir prototipos en tablillas de protoboard. Concretamente, la separación estándar entre dos pines o terminales es de 0.1“ (2.54 mm).
- 4. PGA El pin grid array o PGA es un tipo de empaquetado usado para los circuitos integrados, particularmente microprocesadores. En un PGA, el circuito integrado se monta en una losa de cerámica de la cual una cara se cubre total o parcialmente de un conjunto ordenado de pin es de metal. Luego, los pines se pueden insertar en los agujeros de un circuito impreso y soldados. Casi siempre se espacian 2.54 milímetros entre sí. Para un número dado de pines, este tipo de paquete ocupa menos espacio los tipos más viejos como el Dual in-line package (DIL o DIP). Las variantes del PGA son las versiones plastic pin grid array (PPGA) y posteriormente flip-chip pin grid array (FCPGA) se crearon por Intel Corporation para los microprocesadores Intel Pentium, se usan mucho en tarjetas madres con Zocalos ZIF (Zero Insertion Force) para proteger los delicados pines.
- 5. FLIP CHIP Flip chip es una tecnología de ensamble para circuitos integrados además de una forma de empaque y montaje para chips de silicio. Como método de ensamble, elimina la necesidad de máquinas de soldadura de precisión y permite el ensamblaje de muchas piezas a la vez. Como método de empaque para chips, reduce el tamaño del circuito integrado a la mínima expresión, convirtiéndolo en una pequeña pieza de silicio con diminutas conexiones eléctricas. Convencionalmente se soldaban pequeños alambres a unos puntos de conexión en el perímetro del chip, permitiendo el flujo de corriente entre los pines y los circuitos eléctricos en el silicio. El chip se pegaba con sus componentes activos boca arriba de manera que en algunos circuitos integrados como las memorias UV-EPROM es posible ver el arreglo de componentes de silicio y los alambres que lo conectan. Es una técnica de uso extendido para la construcción de microprocesadores, procesadores gráficos para tarjetas de vídeo, integrados del chipset.
- 6. MONTAJE SUPERFICIAL La tecnología de montaje superficial, más conocida por sus siglas en inglés SMT (Surface Mount Technology) es el método de construcción de dispositivos electrónicos más utilizado actualmente. Se usa tanto para componentes activos como pasivos, y se basa en el montaje de los mismos (SMC, en inglés Surface Mount Component) sobre la superficie del circuito impreso. Tanto los equipos así construidos como los componentes de montaje superficial pueden ser llamados dispositivos de montaje superficial, o por sus siglas en inglés, SMD(Surface Mount Device). Mientras que los componentes de tecnología through hole atraviesan la placa de circuito impreso de un lado a otro, los análogos SMD, que son muchas veces más pequeños, no la atraviesan: las conexiones se realizan mediante contactos planos, una matriz de esferas en la parte inferior del encapsulado, o terminaciones metálicas en los bordes del componente.
- 7. La fabricación de circuitos integrados es el proceso mediante el cual se crean los circuitos integrados presentes hoy día en todos los dispositivos electrónicos. Es un proceso complejo y en el que intervienen numerosas etapas de fotolitografía y procesado químico, durante las cuales los circuitos se generan sobre una oblea hecha de materiales puramente semiconductores. Para ello se emplea mayoritariamente el silicio, aunque también se usan semiconductores compuestos para aplicaciones específicas, como el arseniuro de galio. Los dispositivos integrados pueden ser tanto analógicos como digitales. La fabricación de integrados a gran escala sigue, en la actualidad un procedimiento VLSI (Very Large Scale Integration, Integración en escala muy grande, por sus siglas en inglés) partiendo del Silicio como materia prima. Desarrollos recientes en tecnologías de aleación de Silicio-Germanio (SiGe) y silicio, sometido a esfuerzo, refuerzan aún más la posición de los procesos de fabricación que se basan en este elemento en la industria microelectrónica en los años venideros. Tecnología bipolar Tecnología NMOS Tecnología CMOS Tecnología SOI Tecnología Bicmos Tecnología MESFET
- 9. Una familia lógica es el conjunto de circuitos integrados (CI’s) los cuales pueden ser interconectados entre si sin ningún tipo de Interface o aditamento, es decir, una salida de un CI puede conectarse directamente a la entrada de otro CI de una misma familia. Se dice entonces que son compatibles. Las familias pueden clasificarse en bipolares y MOS. podemos mencionar algunos ejemplos. Familias bipolares: RTL, DTL, TTL, ECL, HTL, IIL. Familias MOS: PMOS, NMOS, CMOS. Los CI’s se pueden clasificar según su nivel de integración o complejidad. En la siguiente tabla se representan las distintas escalas de integración y el numero de puertas que aproximadamente se integran.
- 10. LAS FAMILIAS TTL Dentro de las familias que utilizan como elementos activos los transistores bipolares, el estándar es la lógica de transistor-transistor (TTL) introducida en 1962. La familia original con el correr del tiempo se amplió a un conjunto de familias lógicas que, si bien tienen diferencias en cuanto a velocidad, consumo de energía y costo, son todas compatibles entre sí; es decir que en un mismo sistema digital pueden utilizarse componentes de varias familias TTL sin problemas de interconexión entre ellos. El consumo relativamente alto de los circuitos con transistores bipolares limitó el nivel de integración (cantidad de transistores que pueden integrarse de manera fiable en un mismo chip) y, en consecuencia, la complejidad del circuito. Su nivel de integración es medio (menos de 10000 transistores por chip). COMPUERTA NAND TTL Si en el circuito inversor se reemplaza el transistor Q1 por un transistor multiemisor se puede construir una compuerta NAND de tantas entradas como emisores tenga Q1.
- 12. LA FAMILIA ECL La familia lógica acoplada por emisor (ECL, emitter coupled logic) es una familia lógica basada en tecnología bipolar que fue desarrollada con el objetivo de obtener circuitos más veloces. A fin de disminuir los retardos de conmutación los transistores alternan su estado entre corte y conducción en zona activa. El circuito básico que dio origen a la familia lógica ECL fue propuesto en 1956, y los primeros circuitos integrados construidos con esta tecnología aparecen en el año 1962. Los retardos de propagación de estos circuitos estaban originalmente alrededor de los 6 ns, con la evolución tecnológica se lograron retardos diez veces menores. Los transistores del diferencial conmutan su estado entre conducción en activa y corte de acuerdo a los niveles de tensión de la entrada. El consumo es prácticamente constante sin presentar picos durante las conmutaciones, por lo cual, comparado con la familia TTL, el ruido eléctrico generado es mucho menor. El circuito práctico presenta otra etapa colector común conectada a la salida no inversora del diferencial, de manera de disponer de dos salidas complementarias, o sea el circuito funciona como inversor y como no inversor o “buffer”. La impedancia de salida del circuito en ambas salidas es baja mientras que la entrada presenta una impedancia muy alta por lo que el fan-out de esta familia es muy alto.
- 14. FAMILIAS CON TRANSISTORES CMOS La tecnología existente en la época en que surgieron en el mercado las primeras familias lógicas sólo permitía implementar sobre un sustrato transistores MOS de único tipo, o sea canal N o canal P. Debido a la mayor movilidad de los portadores (electrones) en los dispositivos de canal N se desarrolló una familia lógica de estos dispositivos (familia NMOS). Los circuitos CMOS se implementan con una red de transistores PMOS que conecta la salida a la tensión más alta del circuito a fin de aprovechar su capacidad de conducir sin degradación los niveles altos y una red de transistores NMOS que la conecta a la tensión más baja del circuito aprovechando su capacidad de no degradar los niveles bajos. Los circuitos que implementan otras funciones lógicas se obtienen combinando estas topologías básicas. ALIMENTACION CMOS Los circuitos CMOS tienen un rango amplio de tensiones de alimentación, que en algunos casos llega hasta ±30V. Los límites quedan determinados por las tensiones de ruptura directamente ligadas a las características de la tecnología del aislante (dióxido de silicio) utilizado en la compuerta.