FUNDAMENTOS Y FABRICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS IMPORTANCIA DEL CIRCUITO INTEGRADO

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FUNDAMENTOS Y FABRICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

IMPORTANCIA DEL CIRCUITO INTEGRADO

La rapidez con que el transistor, descubierto en 1948, desplazó a la válvula electrónica en las aplicaciones existentes y nuevas, ha sido superada por la del circuito integrado, descubierto entre 1959 y 1960, el cual está desplazando en la actualidad a los circuitos fabricados con componentes discretos (transistores, diodos, resistencias, condensadores, etc.). Dicho desplazamiento está basado en las enormes ventajas que ofrece el CI en todos los órdenes, pues no sólo cambia la estructura de los circuitos, sino que también afecta al nivel y preparación de los técnicos encargados de su manipulación y en algunos conceptos socioeconómicos, no previsibles con el cableado clásico: mano de obra, reducción de volumen y costos, mayor fiabilidad, reducción de stocks, etc.

"Un circuito integrado es un circuito electrónico funcional constituido por un conjunto de transistores, diodos, resistencias y condensadores, fabricados en un mismo proceso, sobre un substrato común Ilamado chip, en su posición natural y dentro de una misma cápsula"

Por lo tanto, un circuito integrado, con dimensiones parecidas a cualquier semiconductor, contiene varios componentes discretos, interconexionados directamente, que responden a una función electrónica definida.

Con el circuito integrado cambia la filosofía sobre el tratamiento y análisis de los equipos electrónicos. Los valores hasta ahora fundamentales, tales como la experiencia, la paciencia y un sexto sentido o habilidad en la manipulación electrónica, se sustituyen por un conocimiento teórico más profundo de los bloques funcionales en sentido general y olvidándose de la insignificancia de cada elemento particular que lo forma, así como usando instrumentos de medida cada vez más complejos y sofisticados.

Por otro lado, el extraordinario desarrollo que en los últimos años ha impulsado a los CI (Circuitos Integrados) tanto en su tecnología de fabricación como en la que se refiere a la investigación de nuevas aplicaciones, ha conseguido introducir en una cápsula de un CI todos los elementos que componen el alma de un computador, o sea, un microprocesador, con lo que se ha puesto en manos del diseñador una potente herramienta como lo es el ordenador y que en breve espacio de tiempo se aplicará a elementos hoy insospechados.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL USO DE CI

El esfuerzo de la industria electrónica en la miniaturización de sus equipos se ha visto compensado ampliamente con el descubrimiento de los CI, en los que se ha conseguido construir miles de componentes dentro de la misma cápsula, cuyas dimensiones son similares a las de un simple transistor. Pero la enorme reducción de volumen no ha sido la única ventaja por la que los CI se han hecho indispensables en muchas industrias de vanguardia (militar, aerospacial, medicina, etc.), sino que las que se reseñan a continuación tienen tanta o mayor importancia:

1º) Reducción de costo: Pues aunque el proyecto y los utilajes necesarios para fabricar un CI son mucho más costosos que los de un elemento clásico, como consecuencia del alto número de unidades que se hacen de cada tipo, el bajo precio del material base y la automatización del proceso; se tiene que algunos modelos de CI resultan de un precio inferior al de un solo transistor.

2º)Aumento considerable de la fiabilidad: Un CI tiene una fiabilidad, en cuanto a funcionamiento y duración, mucho mayor que otro circuito similar implementado con componentes discretos, no sólo porque en este último caso la fiabilidad depende de cada uno de los componentes que lo forman, sino también: a) debido al esmerado estudio que exige el proyecto de un CI, b) a las modernas técnicas de fabricación, c) a la reducción de longitud en las interconexiones, d) a la menor influencia de la temperatura sobre los diversos componentes, por estar todos contenidos en una mínima superficie y afectarles por igual, e) al encapsulado total de los componentes, que aumenta su protección.

3º) La respuesta de un CI es mucho más rápida, pues el paso de la corriente depende de las longitudes de las interconexiones, que son mínimas.

4º)Reducción importante de las capacidades parásitas que existen entre los componentes, a causa de su proximidad.

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Esta característica Ileva aparejada una formación más completa y teórica de los técnicos electrónicos, como el uso de instrumental más complejo.

6º) Reducción de stocks para las reparaciones y montajes.

7º) Eliminación de los posibles errores en el montaje e interconexión de componentes.

Hay que tener en cuenta al emplear los CI que existen ciertas limitaciones e inconvenientes, entre los que se citan:

1. Los valores de las resistencias y condensadores integrados no deben superar ciertos límites, por este motivo, este tipo de componentes suelen quedar en el exterior del CI, aunque, con las mejoras en los procesos de fabricación constantemente se están superando estas limitaciones.

2. Dadas sus dimensiones, la potencia máxima que pueden disipar los CI es reducida. 3. Las grandes dificultades en la construcción de bobinas e inductancias en el CI hacen

que no sean integradas en la mayoría de los casos.

4. No es conveniente, dado el bajo rendimiento, integrar en el mismo chip los dos tipos de transistores: PNP y NPN.

5. En países como el nuestro, en los que se fabrican pocos CI, y están en la fase inicial de producción (la mayoría deben ser importados), es preciso escoger con cuidado los modelos con que se ha de trabajar, procurando que existan diferentes fuentes de suministro.

6. La manipulación de CI exige instrumental y herramientas adecuadas. Así, los soldadores especiales de punta fina, las pinzas extractoras, los desoldadores, los zócalos, las placas específicas de circuito impreso, osciloscopio de doble trazo, multímetro digital, generador de funciones y sondas Iógicas, deben ser, entre otros, los nuevos elementos que han de incorporarse al taller electrónico.

METODOS DE FABRICACIÓN

Al estudiar la Iógica digital se han considerado los elementos Iógicos o puertas como bloques unitarios. Se trató de sus entradas y salidas, pero no se habló para nada de los componentes internos que realizaban la función Iógica. Para comprender la lógica digital no es necesario conocer con detalle cómo se llevan a cabo las funciones digitales, pero a medida que se avanza en el estudio es cada vez más interesante tener en cuenta ciertos aspectos técnicos relacionados con su configuración física interna. A los usuarios de los CI lógicos les es muy útil tener unos conocimientos fundamentales sobre la arquitectura de los componentes que constituyen sus máquinas y dispositivos, para comprenderlos mejor y situarse en un campo más real de sus posibilidades.

La tecnología electrónica ha proporcionado a la Iógica digital los elementos capaces de contener los circuitos que desarrollarán las funciones Iógicas que precisan. Dichos elementos son los "Circuitos Integrados" (CI). Esto supone que todos los transistores, diodos, resistencias y condensadores que forman los circuitos de los elementos lógicos están encapsulados e interconectados en un chip.

Los CI se fabrican por diversos procedimientos similares, usando los mismos procesos y materiales básicos. En principio, de un lingote de cristal de silicio fundido se obtiene una rodaja u oblea. La oblea es pulida e inspeccionada con microscopio y servirá como base o "sustrato" para contener a varios cientos de CI.

La operacionalidad y características de un CI dependen de la interrelación entre las regiones de tipo P y de tipo N existentes en un semiconductor de silicio. Las regiones P ó N se forman por calentamiento de la oblea en un horno cerrado que contiene un producto químico y gaseoso trivalente o pentavalente. La elevada temperatura hace que los átomos del gas se difundan y penetren en la oblea de silicio, cambiando las características eléctricas del mismo. Ordenando la producción de las capas y zonas de material de tipo P y tipo N se crean transistores, diodos, resistencias y condensadores. Por ejemplo, un transistor NPN (mostrado en la figura 4-1 a) está producido por la difusión de una capa N, una capa P y luego otra N, una encima de otra: Los transistores, diodos y demás componentes discretos están conectados entre si por tiras de aluminio, como se muestra en la figura 4-1 b), depositadas en la superficie de la oblea, metalizada previamente.

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Fig. 4-1.- Fases fundamentales en la construcción de un C.I.

FASES DE LA FABRICACION DE UN CI

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2° fase: En un horno de temperatura superior a los 1.000°C y en presencia de Oxígeno, se cubre la superficie con una capa de óxido de silicio de ½ µm de espesor, que tiene por misión proteger las dos zonas existentes hasta el momento y evitar que penetren en ellas los productos de las difusiones que se harán posteriormente.

3° fase: Se recubre toda la superficie oxidada con un barniz fotosensible y sobre él se aplica una máscara, que tiene abiertas unas ventanas u orificios exactamente en el sitio adecuado y de las dimensiones precisas para la ubicación de cada componente. Figura4.4

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4° fase: Para lograr el aislamiento de la zona epitaxial N se produce a través de las ventanas una difusión de impurezas de tipo P, que atraviesa dicha capa epitaxial. Esta profunda difusión de tipo P aísla eléctricamente componentes que interesa, dando lugar a las Ilamadas "casillas de aislamiento". Ver figura 4-6.

El aislamiento de las zonas N con el sustrato P se logra polarizando inversamente dichas uniones.

5° fase: Oxidada nuevamente toda la superficie de trabajo se abren por medio de máscaras otras ventanas por las que se realizará la difusión de las bases de tipo P sobre la capa epitaxial N, las que en la figura4-7 se ha considerado que poseen una profundidad de unos 4 µm.

6° fase: Por medio de una nueva abertura de ventanas con la máscara adecuada, se produce la difusión de los emisores de los transistores, que en el ejemplo que se describe son de tipo N. La superficie tratada ha sido oxidada previamente. También en esta fase, y para evitar el efecto rectificador metal-semiconductor, que se puede producir posteriormente con la adición de la capa metalizada para el interconexionado, se suelen crear zonas N fuertemente impurificadas, que en el ejemplo que se explica sólo se ha representado en la figura 4-8, en una de las tres zonas N aisladas.

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8° fase: Se cortan los cientos de CI o chips que contiene cada lámina base de silicio y, desde ahora, se trabaja con cada uno de ellos por separado, estableciendo en primer término las conexiones que se han de realizar entre los diferentes puntos del CI y las patitas de la cápsula, con hilo de aluminio muy delgado. Finalmente, se encapsula el conjunto.

Aunque existen otros procedimientos y, sobre todo, variantes, en la fabricación de los CI, el que se ha expuesto, por ser el más importante, puede dar al lector una idea de la precisión, complejidad y laboriosidad de la obtención de CI, que se ven muy atenuadas con la automatización de todo el proceso y el empleo de instrumental y maquinaria muy sofisticados. Otras técnicas de fabricación de CI son las de película fina y gruesa, las que usan transistores MOS y las híbridas, que mezclan varias técnicas.

FORMACION DE COMPONENTES ACTIVOS Y PASIVOS EN EL CIRCUITO INTEGRADO

Se acaba de explicar detenidamente la fabricación en el CI de un transistor NPN, que es uno de los componentes más importantes. La de un transistor PNP se logra haciendo que su colector coincida con el mismo sustrato. Los transistores de efecto de campo, de tipo MOS, de los que más adelante se amplían detalles sobre sus características Y constitución, se construyen realizando las difusiones cercanas, surtidor y drenador, entre las que se crea el canal que lo gobierna, el graduador, aislado por óxido de silicio.

Los diodos se forman en los CI basado en transistores NPN, siendo en general su cátodo el emisor del transistor y el ánodo, el colector y la base, unidos ambos entre sí, como se representa en la figura 4-9.

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Un método para la fabricación de resistencias en los CI consiste en controlar la superficie y la penetración de la 2a difusión de impurezas, que constituye la base en el caso de tratarse de un transistor. Ha de tenerse en cuenta que es difícil superar los 50 KΩ, y con tolerancias del orden del ±25%; por otro lado, el valor óhmico de estas resistencias es muy sensible a las variaciones de temperatura.

También se pueden construir dentro del CI, alternando adecuadamente las difusiones, semiconductores tales como tiristores, triacs, transistores unijuntura, etc., siendo frecuente, dada la dificultad e imprecisión, evitar en lo posible la integración de condensadores y, por supuesto, de inductancias.

CIRCUITOS INTEGRADOS BIPOLARES Y MOS

Los circuitos integrados monolíticos, que son aquellos en que todos los componentes discretos se han formado sobre un único cristal, pueden ser de dos tipos básicos: bipolares y MOS. La principal diferencia entre ellos radica en el tipo de transistor que se ha formado sobre el sustrato. Los transistores de unión, bipolares, tipo NPN o PNP, están constituidos por dos capas de material semiconductor de un tipo, separadas físicamente por otra capa de material semiconductor de tipo opuesto. Por ejemplo, en el caso de la figura 4-1 a), la formación del transistor NPN se ha obtenido mediante dos capas de tipo N interconectadas por otra de tipo P. En este tipo de transistores bipolares el flujo de corriente entre el emisor y el colector está controlado por los parámetros que caracterizan la capa central o base. El símbolo, la constitución y la polarización de un transistor bipolar NPN se muestran en la figura 4-10.

Los CI MOS usan un tipo diferente de transistor, Ilamado "transistor de efecto de campo", el MOSFET (Metal-Oxido-Semiconductor).

El transistor MOS consta de dos zonas del mismo tipo de semiconductor (bien sea N o P), interconectadas por un estrecho canal. El paso de corriente a través del canal se controla por el voltaje de un contacto que está aislado por una capa delgada de óxido de silicio.

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Si el sustrato, el graduador y el surtidor se conectan a masa y el drenador a una tensión negativa -VA, el diodo drenador-sustrato queda polarizado inversamente, por lo que sólo podrá circular una débil corriente desde el surtidor al drenador. Si en estas condiciones se va aumentando la tensión negativa del graduador, éste repelerá cada vez más a los electrones del sustrato N que hay entre drenador y surtidor, hasta que Ilega a provocar una falta notable de portadores mayoritarios del sustrato, convirtiéndose dicha zona de influencia en tipo P, con lo que el diodo polarizado antes inversamente (drenador-sustrato) desaparece y la corriente que circula entre surtidor y drenador cada vez es mayor, como se aprecia en la figura 4-12.

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La forma dei canal P que se forma entre surtidor y drenador varia según la tensión del graduador.

El tipo de transistor explicado recibe el nombre de PMOS, o, también, transistor MOS de enriquecimiento y canal P. Así mismo, si en un sustrato de tipo P se realizan dos difusiones N para drenador y surtidor, aunque variarán las polarizaciones, el funcionamiento será el mismo que el descrito, y a este tipo de transistor, cuya constitución queda representada en la figura 4-14, se le asigna el nombre de "transistor MOS de enriquecimiento, de canal N", o también NMOS.

Los símbolos de estos dos tipos de transistores de enriquecimiento, el PMOS y el NMOS, se dibujan en la figura 4-15.

TRANSISTORES MOS DE EMPOBRECIMIENTO

Son similares a los de enriquecimiento, pero disponen en su constitución de un canal entre surtidor y drenador, Incluso en ausencia de polarización de graduador.

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Análogamente, pero con polarizaciones y corrientes opuestas, funciona el transistor MOS del canal N de empobrecimiento. Los símbolos de estos dos tipos de transistores aparecen en la figura 4-17.

Del análisis de la constitución de los transistores MOS se deduce el aislamiento de su sustrato, debida a que la tensión del drenador y la del surtidor provocan la repulsión de portadores del sustrato y crean una zona aislante alrededor del transistor. En el caso de los transistores bipolares hay que aislar cada transistor del sustrato, para que a través de él no exista contacto con los demás componentes formados sobre dicho sustrato.

Los CI MOS se diferencian de los bipolares en que se pueden utilizar como resistencias transistores MOS de muy pequeño tamaño, cortocircuitando la base y el colector (puerta y drenador). La reducción de tamaño que implican los transistores MOS, al no precisar de casillas de aislamiento, da lugar a densidades de integración mucho más altas.

Estos transistores MOS requieren: generalmente el uso de tres tensiones:

a) Una tensión más positiva y que suele ser la de los emisores o fuentes de los MOS, generalmente conectados a masa.

b) Una tensión negativa respecto a la anterior y que polariza los drenadores.

c) Una tensión más negativa que las anteriores y que alimenta las bases de los transistores MOS, que actúan como resistencias.

Normalmente, todos los transistores MOS de un chip son del mismo tipo. No obstante, hay una variante de estos CI, en los cuales se emplean simultáneamente transistores MOS de canal P y de canal N. Estos CI, de reciente desarrollo, se denominan MOS COMPLEMENTARIOS ó CMOS, consumiendo menos potencia que los MOS clásicos y precisando únicamente una sola tensión de alimentación.

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en circuitos altamente repetitivos y con muchos componentes, pero para la implementación de circuitos de tipo medio interesa más la técnica bipolar TTL, puesto que es más rápida y sólo precisa de una tensión de alimentación. Por todas las características comentadas, la mayoría de las familias lógicas estándar usan circuitos bipolares. Sólo la CMOS, como familia independiente, se ha desarrollado y extendido últimamente. Los circuitos MOS normales de canal P o N no se emplean normalmente como elementos simples, tales como puertas o flip-flop, sino como elementos más complejos (microprocesadores, generadores de caracteres, etc.).

Otro inconveniente de los CI MOS procede del cuidado que hay que tener en su manipulación, pues a veces sólo con tocarlos con las manos pueden estropearse, debido a que al aplicar la carga electrostática del cuerpo humano a la rejilla aislada, se puede destruir la capa de aislante entre la base y el canal.

SSI, MSI y LSI

En un principio, el CI sólo podía contener una o dos puertas lógicas, pero el avance de la tecnología de su fabricación ha conseguido en la actualidad que un solo chip contenga muchas cientos e incluso miles de puertas. Para determinar el grado de complejidad y capacidad de un CI se han utilizado diferentes terminologías y parámetros que, aunque no son exactos, su uso se ha extendido preponderantemente, como sucede con el caso de TEXAS INSTRUMENTS, un importante fabricante de CI lógicos TTL, que los clasifica en tres niveles, de acuerdo con la cantidad de puertas que posea cada chip.

1)Pequeña escala de integración (Small Scale Integration). SSI. Cada circuito integrado contiene un máximo de 12 puertas Iógicas.

2)Media escala de integración. MSI.

En este caso, cada CI contiene de 12 a 100 puertas. También se incluyen en este nivel los circuitos típicos de contadores, decodificadores y registros de desplazamiento, que se analizarán más adelante.

3)Alta escala de integración. LSI.

Cada CI contiene más de 100 puertas Iógicas y realiza una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de bits.

Cuando el CI no está constituido por puertas exclusivamente, las diferencias de nivel se refieren a una complejidad equivalente, sobre el número de transistores o de otros componentes del circuito.

CAPSULAS USADAS PARA LOS CI

Hay cuatro tipos básicos de encapsulados:

1)Cápsula cilíndrica: Normalmente es de metal y con una forma cilíndrica similar a los transistores. Su mayor inconveniente es que el número de sus patitas no puede exceder de 10, como sucede en el tipo TO-100, lo que limita bastante sus aplicaciones. En la figura 4-18 se muestra una vista de la base y el perfil del tipo TO-5.

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2)Cápsula plana o "flat-pack": Tiene un volumen muy reducido y suele ser de material cerámico, pero dado que sus patas se hallan colocadas de forma que se las pueda soldar por puntos, por un procedimiento semiautomático, su montaje con Ia técnica habitual es laborioso.

3)Cápsula de doble fila de conexiones "Dual in line, DIP o DIL: Es la más utilizada y sus dos filas de patitas, al ser rígidas, hacen que se pueda insertar en tarjetas de circuito impreso normalizadas. Puede estar hecha con material plástico o cerámico. Son muy usuales las cápsulas de 14 y 16 patitas, de una de las cuales se presentan dos vistas en la figura 4-20.

4) Cápsula de matriz de patitas. Figura 4-21.

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Fig. 4-1.- Fases fundamentales en la construcción de un C.I.  FASES DE LA FABRICACION DE UN CI
Fig. 4-1.- Fases fundamentales en la construcción de un C.I. FASES DE LA FABRICACION DE UN CI p.3
Fig. 4-21.- Fotografía de un encapsulado Flat-pack (izquierda) y otro de matriz de patitas (derecha)
Fig. 4-21.- Fotografía de un encapsulado Flat-pack (izquierda) y otro de matriz de patitas (derecha) p.12

Referencias

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