Circuitos integrados: revolución del siglo XX

La historia de los circuitos integrados comienza en 1947 en los Laboratorios Bell con la invención que es la base de la sociedad moderna: el transistor. Este minúsculo dispositivo revolucionó la electrónica y las comunicaciones al sustituir a las válvulas de vacío.

Con el transistor da comienzo la era de la microelectrónica, con componentes y equipos cada vez más pequeños, más rápidos y mucho más baratos. En menos de 2 años después de la divulgación del transistor ya había en el mercado radios portátiles transistorizados hechos en pastillas de silicio.

Esa era la señal de lo que vendría en 1959: la creación del primer circuito integrado hecho en una única pastilla de silicio con algunas docenas de componentes.

Los circuitos integrados son combinaciones de circuitos miniaturizados impresos por fotolitografía sobre un mismo soporte o chip semiconductor. Son protegidos por un encapsulamiento plástico, que también ayuda en la disipación del calor, y contienen conductores metálicos que permiten su conexión con el circuito impreso.

Generalmente poseen una función bien definida como: amplificador, oscilador, regulador, controlador, operador lógico y matemático, memoria, etc. Los circuitos integrados más complejos y avanzados son los microprocesadores. El primero se inventó en 1970 por Intel, y a partir de este punto la microelectrónica no ha dejado de avanzar.

Tipos de circuitos integrados​

Una de las maneras de clasificar un circuito integrado es por el número de componentes y el nivel de integración: desde el SSI (Small Scale Integration), que son chips con menos de 13 bloques básicos como flip-flops, por ejemplo, hasta el VLSI (Very Large Scale Integration) que puede utilizar más de 1000 bloques básicos para implementar su función. Los microcontroladores son un ejemplo de VLSI.

En cuanto a las funciones integradas tenemos dos divisiones elementales: circuitos analógicos y digitales.

  • Los circuitos analógicos procesan señales analógicas, que son las señales variantes en el tiempo. Va desde un conjunto de transistores encapsulados hasta los más complejos como amplificadores, osciladores y receptores.
  • Los circuitos digitales son los que procesan señales que representan datos digitales binarios. Puede ser desde puertas lógicas hasta microprocesadores.

Desde el punto de vista de sus características de fabricación, tenemos tres clasificaciones posibles: Monolítico, Híbrido de capa fina y Híbrido de capa gruesa.

  • Los monolíticos son los más comunes y son hechos en un solo monocristal, lo más comercial es el de silicio. Algunos componentes indispensables al proyecto no presentan propiedades estables cuando fabricados monolíticamente. En casos así tenemos que construirlos en tecnología hibrida de capa fina donde añadimos estos componentes específicos al principal que es monolítico.
  • Los híbridos de capa gruesa integra una serie de componentes pasivos con componentes discretos microencapsulados. Mientras en el monolítico los elementos son inseparables por su forma de construcción en los de capa gruesa es posible añadirlos. Son muy usados para circuitos personalizados ya que en los estándares el monolítico es el método más sencillo. El soporte de los híbridos son los conductores, dieléctricos y elementos integrados monolíticamente en el substrato. En su fabricación usan la serigrafía y cortes por láser.
  • Así como todos los componentes electrónicos los circuitos integrados también están disponibles en varios formatos y encapsulamiento que define la manera como será conectada en la placa. Hay dos tipos de tecnología para encapsulamiento en el mercado: Through Hole e SMD (Surface Mount Device). Con la tecnología Thru Hole tenemos que cruzar la placa en que va el circuito. Ya con la SMT los circuitos son conectados en la superficie de la placa, sin cruzarla.

Lo encapsulamiento DIP (Dual in line package) de tecnología Through Hole fue por muchos años lo tipo más utilizado en la industria. Pero con el tiempo he venido la necesidad de circuitos más compactos y entonces los encapsulamientos SMT ganaran el mercado. Un SOP (Small outline package) llegan a ser 4 veces más pequeños que los DIPs.

¿Cómo se fabrican?​

El bajo coste de fabricación de los CI’s he sido lo que permitió que microprocesadores y microcontroladores sustituiste casi todos los procesos electromecánicos, gran parte de los sistemas de control y que esté en todo lo que involucre electrónica, de ordenadores a coches. En 2006 la cantidad de transistores fabricados había superado la producción de granos de arroz en el mundo y por menor precio.

Actualmente el silicio es el material semiconductor más utilizado para fabricación de chip por sus propiedades químicas. Se puede producir más de cien chips en un único wafer.

Wafer es el nombre dado a las pastillas en forma de disco que se corta de las barras cilíndricas de silicio con 99.99999% de pureza. El proceso de sintetización del silicio con esta ordene de pureza es compleja y exige un rigoroso control de calidad.

Después de listas las pastillas pasarán por algunas etapas de caracterización: la deposición, el patterning, la remoción y la modificación de las propiedades eléctricas.

En la deposición se crea capas transfiriendo materiales sobre las pastillas. Hay varias tecnologías disponibles para hacer esta deposición, la más reciente es la ALD (atomic layer deposition). El patterning es la etapa de configuración e modelaje del circuito a través de la fotolitografía que transfiere un patrón desde una fotomáscara a la pastilla. La etapa de modificación de las propiedades eléctricas es la conocida dopaje que nos permite crear los diodos.

Durante la fabricación estas etapas son repetidas y alternadas. El video abajo dejará claro todo el proceso.

Nuevos desafíos

Posiblemente alguna vez ya ha visto la ley de Moore que dice que la cantidad de transistores en un chip doblaría a cada 18-24 meses. Pero con las limitaciones de la tecnología y conocimiento actual la miniaturización de los circuitos integrados está cerca de su máximo. El último paso de este camino se espera dar con el lanzamiento del procesador de 10 nanómetros de Intel que es límite que creemos ser capaces de miniaturizar un chip con las técnicas de fabricación actuales.

Lo que busca ahora los pesquisidores son alternativas para mejorar el desempeño dentro de los límites de tamaño permitidos por la ciencia hoy. Hacer uso intenso de métodos de paralelismo, procesadores dedicados o investir en otros materiales conductores como, por ejemplo, el grafeno. El uso de grafeno en los circuitos aumentaría la velocidad y por consecuencia el rendimiento de los mismo. O investir en otras técnicas como del ordenador cuántico. Pero tanto el grafeno como el ordenador cuántico están lejos de ser una solución rápida frente as constantes demandas del mercado tecnológico.

Los biosensores e implantes con ayuda de nanochips, la nanomedicina en general, que hace pocos años era algo futurista ya es una realidad y cuanto menores y más complejos más útiles serán. Incluso permitiendo aplicaciones aún no estudiadas.

Las expectativas son altas para los nanorobots. Lo proyectado es que puedan flotar por los vasos sanguíneos y ser pequeños lo suficientes para no ser detectados por el sistema de defensa del organismo. Y además de detectar algunos problemas, cosa que ya hace, podría reparar tejidos, auxiliar en la terapia de enfermedades genéticas y ser la cura para el cáncer o la Sida caso consigan interaccionar con las células sanguíneas.

Los circuitos integrados han evolucionado mucho en poco tiempo, pero aún hay un mundo a ser desbravado. ¿Qué te parece hacer parte del próximo gran paso?

About the Author Jessica Maciel

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