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Circuito integrado

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Circuito integrado de Atmel Diopsis 740 Blocos de memória System on Chip mostrando, lógica e de entrada / saída de almofadas ao redor da periferia

Na eletrônica , um circuito integrado (também conhecida como IC, microcircuito, microchip, chip de silício, ou chip) é um miniaturizado circuito electrónico (que consiste principalmente de dispositivos semicondutores , bem como componentes passivos) que tem sido fabricados na superfície de um substrato fino de semicondutor materiais. Os circuitos integrados são usados em equipamentos eletrônicos quase todos em uso hoje e revolucionaram o mundo da eletrônica.

A híbrido de circuito integrado é um circuito electrónico miniaturizados construídos de dispositivos semicondutores individuais, bem como componentes passivos, ligados a uma placa de circuito ou substrato.

Este artigo é sobre circuitos integrados monolíticos.

Introdução

Circuitos integrados foram possíveis por descobertas experimentais que mostraram que dispositivos semicondutores poderiam desempenhar as funções de tubos de vácuo, e por avanços tecnológicos meados do século 20-in fabricação de dispositivos semicondutores. A integração de um grande número de pequenas transistores em um pequeno chip foi um enorme avanço em relação à montagem manual de circuitos com discreta componentes eletrônicos. O circuito integrado capacidade de produção em massa, a confiabilidade ea abordagem de blocos de construção para o projeto de circuito assegurada a rápida adoção de ICs padronizados em vez de projetos usando transistores discretos.

Existem duas principais vantagens de ICs mais de circuitos discretos: custo e desempenho. O custo é baixo porque os chips, com todos os seus componentes, são impressos como uma unidade por fotolitografia e não construído um transistor de cada vez. O desempenho é alta, já que os componentes mudar rapidamente e consomem pouca energia, porque os componentes são pequenos e próximos. A partir de 2006, as áreas de chips variar de algumas quadrado mm a cerca de 350 mm², com até 1 milhão transistores por mm².

Invenção

O nascimento do IC

O circuito integrado foi concebido por um cientista de radar, Geoffrey WA Dummer (1909-2002), trabalhando para o Real Radar Estabelecimento da britânica Ministério da Defesa, e publicado no Simpósio de Progresso em componentes eletrônicos de qualidade em Washington, DC em 07 maio 1952 . Ele deu muitos simpósios publicamente para propagar suas idéias.

Dummer, sem sucesso, tentou construir um tal circuito em 1956.

O circuito integrado foi independente co-inventado por Jack Kilby de Texas Instruments e Robert Noyce de Fairchild Semiconductor torno do mesmo tempo. Kilby registrou suas idéias iniciais para o circuito integrado em julho de 1958 e com sucesso demonstrado o primeiro circuito integrado de trabalho em 12 de setembro de 1958. Kilby ganhou o Prêmio Nobel de Física 2000 por sua parte da invenção do circuito integrado. Robert Noyce também veio com sua própria idéia de circuito integrado, meio ano depois de Kilby. Chip da Noyce tinha resolvido muitos problemas práticos que o microchip desenvolvido por Kilby não tinha. Chip da Noyce, feita em Fairchild, foi feita de silício , enquanto que o chip da Kilby foi feito de germânio .

Desenvolvimentos iniciais do circuito integrado voltar a 1949, quando o engenheiro alemão Werner Jacobi ( Siemens AG) registrou uma patente para um dispositivo amplificador semicondutor de circuito integrado como mostra cinco transistores em um substrato comum dispostos em uma 3-stage amplificador arranjo. Jacobi divulga pequeno e barato aparelhos auditivos aplicações industriais como típicas de sua patente. Não tem sido relatada uma utilização comercial da sua patente.


Uma ideia precursor para o IC era criar pequenos quadrados cerâmicos (wafers), cada um contendo um único componente miniaturizado. Componentes poderia, então, ser integrado e ligado em uma rede compacta bidimensional ou tridimensional. Esta idéia, que parecia muito promissor em 1957, foi proposto para o Exército dos EUA por Jack Kilby, e levou ao Programa micromódulos de curta duração (semelhante ao 1951 de Projeto Tinkertoy). No entanto, como o projeto foi ganhando força, Kilby surgiu com um novo design revolucionário: o IC.

O referido Noyce creditada Kurt Lehovec de Sprague elétrica para o princípio da isolamento junção pn causada pela acção de uma junção pn enviesada (o díodo), como um conceito chave por trás da IC.

Veja: Outras variações de tubos de vácuo para conceitos precursores, como o Loewe 3NF.

Gerações

SSI, MSI, LSI

Os primeiros circuitos integrados continha apenas alguns transistores. Chamado de "Pequena Escala Integração" (SSI), eles usaram circuitos que contêm transistores de numeração na casa das dezenas.

Circuitos SSI foram cruciais para projetos aeroespaciais primeiros, e vice-versa. Tanto o Míssil Minuteman e Programa Apollo necessários computadores digitais leves para os seus sistemas de orientação por inércia; o Apollo computador de orientação conduzido e motivado a tecnologia de circuito integrado, enquanto o míssil Minuteman forçou-lo em produção em massa.

Estes programas comprado quase todos os circuitos integrados disponíveis a partir de 1960 até 1963, e quase sozinho desde que a demanda que financiou as melhorias de produção para obter os custos de produção desde R $ 1000 / circuito (em 1960 dólares) para apenas US $ 25 / circuito (em 1963 dólares) . Eles começaram a aparecer em produtos de consumo na virada da década, uma aplicação típica sendo FM inter-operadora de processamento de som em televisão receptores.

O próximo passo no desenvolvimento de circuitos integrados, tomada no final de 1960, introduziu dispositivos que continham centenas de transistores em cada chip, chamado de "Medium-Scale Integration" (MSI).

Eles eram atraentes economicamente porque enquanto eles custam pouco mais para produzir do que os dispositivos SSI, que permitiu que os sistemas mais complexos para ser produzido usando placas menores de circuito, menos trabalho de montagem (por causa do menor número de componentes separados), e uma série de outras vantagens.

Maior desenvolvimento, impulsionado pelos mesmos fatores econômicos, levou a "Large-Scale Integration" (LSI) em meados de 1970, com dezenas de milhares de transistores por chip.

Circuitos integrados, tais como RAMs 1K-bit, chips de calculadora, e os primeiros microprocessadores, que começaram a ser fabricados em quantidades moderadas no início de 1970, tinha sob 4.000 transistores. Verdadeiros circuitos LSI, aproximando-se 10.000 transistores, começou a ser produzido em torno de 1974, para o computador principal memórias e microprocessadores de segunda geração.

VLSI

Camadas de interconexão superiores sobre um Intel 80486DX2 microprocessador matriz.

O passo final no processo de desenvolvimento, começando na década de 1980 e continuando até o presente, foi "Very Large Scale Integration-» ( VLSI). Isso poderia ser dito para começar com centenas de milhares de transistores no início de 1980, e continua para além de vários bilhões de transistores a partir de 2007.

Não houve avanço único que permitiu que este aumento de complexidade, embora muitos fatores ajudaram. Manufacturing mudou-se para regras menores e fábricas mais limpas, permitindo-lhes produzir chips com mais transistores com rendimento adequado, conforme resumido pelo International Technology Roadmap para Semiconductors (ITRS). Ferramentas de design melhorou o suficiente para torná-lo prático para terminar estes projetos em um tempo razoável. O mais eficiente da energia CMOS substituído NMOS e PMOS, evitando um aumento proibitivo no consumo de energia. Textos melhores, tais como o livro didático marco por Mead e Conway ajudou escolas educar mais designers ...

Em 1986, o primeiro megabit Chips de memória RAM foram introduzidas, que continham mais de um milhão de transistores. Microprocessadores passou a marca de um milhão transistor em 1989 ea marca de um bilhão transistor em 2005. A tendência continua em grande parte sem esmorecer, com batatas fritas introduzidas em 2007 contendo dezenas de bilhões de transistores de memória.

ULSI, WSI, SOC, 3D-IC

Para refletir ainda mais o crescimento da complexidade, o termo ULSI que significa "Ultra-Large Scale Integration" foi proposto para chips de complexidade de mais de 1 milhão de transistores.

Integração Wafer-escala (WSI) é um sistema de construção de muito grandes circuitos integrados que usa todo um wafer de silício para produzir um único "super-chip". Através de uma combinação de grande dimensão e embalagem reduzida, WSI poderia levar a custos reduzidos drasticamente para alguns sistemas, nomeadamente supercomputadores massivamente paralelos. O nome é retirado o termo Very-integração em grande escala, o estado atual da arte quando WSI estava sendo desenvolvido.

System-on-a-Chip (SoC ou SOC) é um circuito integrado, no qual todos os componentes necessários para um computador ou outro sistema são incluídos num único chip. A concepção de um tal dispositivo pode ser complexo e dispendioso, e a construção de componentes distintos sobre uma única placa de silício pode comprometer a eficiência de alguns elementos. No entanto, estas desvantagens são compensadas por menores custos de fabricação e montagem e por um orçamento de energia bastante reduzido: porque os sinais entre os componentes são mantidos on-die, é necessária muito menos energia (ver Packaging, acima).

Três Circuito Integrado dimensional (3D-IC) tem duas ou mais camadas de componentes electrónicos activos que são integrados verticalmente e horizontalmente para dentro de um único circuito. A comunicação entre camadas utiliza sinalização no chip, de modo que o consumo de energia é muito mais baixa do que em circuitos separados equivalentes. O uso criterioso de fios verticais curtos podem reduzir substancialmente comprimento de arame para uma operação mais rápida.

Avanços em circuitos integrados

Entre os circuitos integrados mais avançados são a microprocessadores ou "núcleos", que controlam tudo, desde computadores a telefones celulares para o digital fornos de microondas. Digital chips de memória e ASICs são exemplos de outras famílias de circuitos integrados que são importantes para a moderna sociedade da informação. Enquanto que o custo de projetar e desenvolver um circuito integrado complexo é bastante elevada, quando espalhados por todo tipicamente milhões de unidades de produção o custo IC individual sejam minimizados. O desempenho dos ICs é alto porque o pequeno tamanho permite traços curtos, que por sua vez permite baixo lógica de energia (como CMOS) a ser utilizado a velocidades de comutação rápida.

CIs foram consistentemente migrado para tamanhos mais pequenos apresentam ao longo dos anos, permitindo mais circuitos para ser embalado em cada chip. Este aumento da capacidade por unidade de área pode ser usada para diminuir o custo e / ou aumentar a funcionalidade ver- lei de Moore , que, na sua interpretação moderno, estipula que o número de transistores num circuito integrado dobra de dois em dois anos. Em geral, como o tamanho do recurso encolhe, quase tudo melhora-o custo por unidade eo consumo de energia de comutação ir para baixo, ea velocidade aumenta. No entanto, com ICs dispositivos à escala nanométrica não estão sem os seus problemas, diretor entre as quais a corrente de fuga (ver vazamento sublimiar para uma discussão deste), embora estes problemas não são insuperáveis e provavelmente será resolvido ou pelo menos melhorada pela introdução de high-k dielétricos. Uma vez que estes ganhos de velocidade e consumo de energia são evidentes para o usuário final, existe uma forte concorrência entre os fabricantes de usar geometrias mais finas. Este processo, e os progressos esperados durante os próximos anos, é bem descrita pelo International Technology Roadmap para Semiconductors (ITRS).

Popularidade de ICs

Apenas meio século depois de seu desenvolvimento foi iniciado, circuitos integrados tornaram-se onipresentes. computadores , telefones celulares e outros digital aparelhos são agora partes inextricáveis da estrutura das sociedades modernas. Isto é, moderno computação, comunicações , fabricação e transporte sistemas, incluindo a Internet , tudo depende da existência de circuitos integrados. Na verdade, muitos estudiosos acreditam que o sobre pelo trouxe-revolução digital microchip revolução foi um dos acontecimentos mais significativos na história da humanidade .

Classificação

A CMOS IC 4000 em um DIP

Os circuitos integrados podem ser classificados em analógica, digital e sinal misto (analógico e digital no mesmo chip).

Circuitos integrados digitais podem conter qualquer coisa de alguns milhares a milhões de portas lógicas, chinelos, multiplexadores, e outros circuitos de alguns milímetros quadrados. O pequeno tamanho destes circuitos permite alta velocidade, baixa dissipação de energia e custo de produção reduzido em comparação com a integração em nível de placa. Esses ICs digitais, tipicamente microprocessadores, DSPs e microcontroladores de trabalho usando matemática binária para processar "um" e os sinais de "zero".

ICs analógicos, tais como sensores, circuitos de gerenciamento de energia e amplificadores operacionais, trabalhar pelo processamento de sinais contínuos. Eles executar funções como a amplificação , filtragem ativa, desmodulação, mistura, etc. Analog ICs aliviar o fardo sobre os designers de circuito por ter circuitos analógicos habilmente projetado disponível em vez de projetar um circuito analógico difícil a partir do zero.

ICs também pode combinar circuitos analógicos e digitais em um único chip para criar funções, tais como Conversores A / D e Conversores D / A. Tais circuitos oferecem menor tamanho e menor custo, mas deve cuidadosamente responsáveis por interferência de sinal.

Fabricação

Fabricação

Renderização de uma pequena célula padrão com três camadas de metal ( dieléctrica foi removido). As estruturas cor de areia são de metal de interconexão, com os pilares verticais sendo contactos, tipicamente conecta de tungstênio. As estruturas avermelhados são portões de polissilício, e o sólido na parte inferior é o maior de silício cristalino.

Os semicondutores da tabela periódica dos elementos químicos foram identificados como os materiais mais prováveis para um estado sólido tubo de vácuo por pesquisadores como William Shockley em Bell Laboratories começando na década de 1930. Começando com óxido de cobre, procedendo à germânio , em seguida, silício , os materiais foram estudados sistematicamente em 1940 e 1950. Hoje, silício monocristais são a principal substrato utilizado para circuitos integrados (CIs), embora alguns compostos III-V da tabela periódica, tais como arseneto de gálio são usados para aplicações especializadas como LEDs, lasers , As células solares e os circuitos integrados de maior velocidade. Levou décadas para aperfeiçoar métodos de criação de cristais sem defeitos no estrutura cristalina do material semicondutor.

Semiconductor CIs são fabricados em um processo de camada que inclui essas etapas-chave do processo:

  • Imagem
  • Deposição
  • Gravura a água forte

Os principais passos do processo são complementadas por medidas de doping, de limpeza e de polarização.

Mono-cristal de silício wafers (ou para aplicações especiais, silício sobre safira ou bolachas de arsenieto de gálio) são utilizados como o substrato. Fotolitografia é usado para marcar diferentes áreas do substrato a ser dopado ou ter de polissilício, isoladores ou de metal (tipicamente de alumínio faixas depositadas sobre eles).

  • Os circuitos integrados são compostas por várias camadas sobrepostas, cada uma definida por fotolitografia, e normalmente exibidas com cores diferentes. Algumas camadas marcar onde vários contaminantes são difundidos para o substrato (chamadas camadas de difusão), alguns definem onde são implantados os iões adicionais (camadas de implante), alguns definem os condutores (camadas de polissilício ou de metal), e alguns definem as ligações entre as camadas condutoras ( via ou camadas de contato). Todos os componentes são construídos a partir de uma combinação específica de estas camadas.
  • Em uma auto-Alinhados Processo CMOS, um transistor é formado onde a camada de portão (polissilício ou metal) atravessa uma camada de difusão.
  • Estruturas resistivas, listras sinuosos de comprimentos diferentes, formam as cargas sobre o circuito. A relação entre o comprimento da estrutura resistiva à sua largura, combinada com a sua resistividade folha determina a resistência.
  • Estruturas capacitivos, em forma muito semelhante às placas condutoras paralelas de um condensador eléctrico tradicional, são formados de acordo com a área das "placas", com material isolante entre as placas. Devido a limitações de tamanho, apenas muito pequenas capacitâncias pode ser criado sobre uma IC.
  • Mais raramente, estruturas indutivas pode ser construído como pequenas bobinas on-chip, ou simuladas por gyrators.

Uma vez que um dispositivo CMOS só chama actual sobre a transição entre lógica estados, dispositivos CMOS consomem muito menos energia do que dispositivos bipolares.

A memória de acesso aleatório é o tipo mais comum de circuito integrado; os dispositivos de maior densidade são, assim, as memórias; mas mesmo um microprocessador terá de memória na pastilha. (Veja a estrutura matriz regular na parte inferior da primeira imagem.) Embora as estruturas são intrincado - com larguras que foram encolhimento durante décadas - as camadas permanecem muito mais finas do que as larguras de dispositivo. As camadas de material são fabricadas tanto como um processo fotográfico, embora luz ondas na espectro visível não pode ser usado para "expor" uma camada de material, uma vez que seria grande demais para as características. Assim fótons de frequências mais altas (tipicamente ultravioletas ) são utilizados para criar os padrões para cada camada. Como cada recurso é tão pequeno, microscópios eletrônicos são ferramentas essenciais para uma processo engenheiro que possa estar depuração de um processo de fabricação.

Cada dispositivo é testado antes da embalagem usando equipamento de teste automatizado (ATE), num processo conhecido como testes de wafer, wafer ou sondagem. A bolacha é então cortada em blocos rectangulares, cada um dos quais é chamado de uma fieira. Cada bom morrer (dados plurais, morre, ou morrer) é então ligado em um pacote usando alumínio (ou ouro ) fios que são soldadas para almofadas, normalmente encontrada em torno da borda da matriz. Depois de embalagens, os dispositivos de passar por testes finais na mesma ou similar ATE usado durante wafer sondagem. Custo do teste pode ser responsável por mais de 25% do custo de fabricação de produtos de menor custo, mas pode ser insignificante em baixo produzindo, maior, e / ou dispositivos de custo mais elevado.

A partir de 2005, uma instalação de fabricação (comumente conhecido como um semicondutor fab) custa mais de um bilhão de dólares para construir, porque grande parte da operação é automatizada. Os processos mais avançados empregam as seguintes técnicas:

  • As bolachas são até 300 mm de diâmetro (mais largo que um prato de jantar comum).
  • Use de 65 nanômetros ou menor processo de fabricação de chips. Intel , IBM , NEC, e AMD está usando 45 nanômetros para suas CPU batatas fritas, e AMD NEC e começaram a usar um processo de 65 nanômetros. IBM e AMD são no desenvolvimento de um processo de 45 nm, utilizando litografia de imersão.
  • Interconexões de cobre onde a fiação de cobre substitui alumínio para interconexões.
  • Baixa-K isoladores dieléctrico.
  • Silício em isolante (SOI)
  • Silício expandido em um processo utilizado pela IBM conhecido como silício expandido diretamente sobre isolante (SSDOI)

Acondicionamento

Os primeiros circuitos integrados foram embalados em embalagens planas de cerâmica, que continuaram a ser usado pelos militares para a sua fiabilidade e tamanho pequeno para muitos anos. Embalagem circuito comercial rapidamente mudou-se para o duplo pacote em linha (DIP), primeiro em cerâmica e depois em plástico. Na década de 1980 contagens pino de circuitos VLSI excedeu o limite prático para embalagem DIP, levando a pin grid array (PGA) e transportador de chip leadless (LCC) pacotes. Montagem de superfície de embalagem apareceu no início de 1980 e tornou-se popular na década de 1980, usando afinação de chumbo mais fino com leads formados ou como asa de gaivota ou J-lead, como exemplificado por small-outline circuito integrado - um veículo que ocupa uma área de cerca de 30 - 50% menos do que um equivalente DIP, com uma espessura típica que é 70% menos. Este pacote tem "asa de gaivota" leva salientes dos dois lados compridos e um espaçamento de chumbo de 0,050 polegadas.

Pequeno-outline circuito integrado (SOIC) e PLCC pacotes. No final de 1990, PQFP e Pacotes de TSOP tornou-se o mais comum para dispositivos de alta contagem de pinos, porém pacotes PGA ainda são muitas vezes utilizados para high-end microprocessadores. Intel e AMD estão actualmente a transição de pacotes PGA em microprocessadores high-end para Land Grid Array (LGA) pacotes.

Ball Grid Array (BGA) pacotes que já existiam desde a década de 1970. Flip-chip pacotes Ball Grid Array, que permitem a contagem de pinos muito maior do que outros tipos de pacotes, foram desenvolvidos na década de 1990. Em um pacote FCBGA o molde é montado de cabeça para baixo (invertida) e liga-se as bolas de pacotes através de um substrato de embalagem que é semelhante a uma placa de circuito impresso em vez de fios. Pacotes FCBGA permitir que um conjunto de sinais de entrada-saída (chamado ?rea-I / O) para ser distribuído por toda a matriz, em vez de estar confinado para a periferia da matriz.

Traços para fora da matriz, através da embalagem, e para dentro do placa de circuito impresso têm muito diferentes propriedades elétricas, em comparação com sinais on-chip. Eles exigem técnicas de design especial e precisam de energia elétrica muito mais do que sinais confinados ao próprio chip.

Quando várias matrizes são colocadas em um pacote, ele é chamado SIP, por Em Sistema Package. Quando várias matrizes são combinados em um pequeno substrato, muitas vezes, de cerâmica, ele é chamado de MCM, ou Módulo Multi-Chip. A fronteira entre um grande MCM e uma pequena placa de circuito impresso é por vezes confuso.

Outros desenvolvimentos

Na década de 1980 circuitos integrados programáveis foram desenvolvidos. Estes dispositivos contêm circuitos cuja função lógica e conectividade pode ser programado pelo utilizador, em vez de ser fixada pelo fabricante de circuitos integrados. Isto permite que um único chip para ser programado para implementar diferentes funções LSI-tipo, tais como portas lógicas, somadores, e registradores. Dispositivos atuais nomeados FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) agora pode implementar dezenas de milhares de circuitos LSI em paralelo e operar até 550 MHz.

As técnicas aperfeiçoadas pela indústria de circuitos integrados ao longo das últimas três décadas têm sido usados para criar máquinas microscópicas, conhecidas como MEMS. Estes dispositivos são usados em uma variedade de aplicações comerciais e militares. Exemplos incluem aplicações comerciais DLP projetores, impressoras jato de tinta, e acelerômetros usado para implantar automóvel airbags.

No passado, os rádios não poderão ser fabricados nos mesmos processos de baixo custo como microprocessadores. Mas desde 1998, um grande número de chips de rádio têm sido desenvolvidas utilizando processos de CMOS. Exemplos incluem DECT telefone sem fio da Intel, ou 802.11 cartão de Atheros.

Os desenvolvimentos futuros parecem seguir o paradigma multi-microprocessador, já utilizado pelos processadores dual-core Intel e AMD. Intel apresentou recentemente um protótipo, chips "não para venda comercial" que tem um escalonamento 80 microprocessadores. Cada núcleo é capaz de lidar com a sua própria tarefa de forma independente dos outros. Isto é, em resposta ao limite calor versus velocidade que está prestes a ser atingido utilizando a tecnologia existente transistor. Este projeto fornece um novo desafio para a programação de chip. X10 é a nova linguagem de programação de código aberto projetado para ajudar com esta tarefa.

Grafittis Silicon

Desde que foram criados ICs, alguns designers de chips têm usado a área da superfície de silício para imagens ou palavras sub-reptícias, não-funcionais. Estas são por vezes referidos como Chip Art, Silicon Arte, Graffiti Silicon ou Silicon Doodling. Para uma visão geral desta prática, consulte o artigo A Arte Secreta de Chip Graffiti, a partir do espectro e da revista IEEE Zoo de silício.

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