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Circuitos integrados

Un circuito integrado (CI) es un chip semiconductor que lleva muchos componentes pequeños como condensadores, diodos, transistores y resistencias.Estos pequeños componentes se utilizan para calcular y almacenar datos con la ayuda de tecnología digital o analógica.Puedes pensar en un IC como un pequeño chip que puede usarse como un circuito completo y confiable.Un circuito integrado podría ser un contador, un oscilador, un amplificador, una puerta lógica, un temporizador, una memoria de computadora o incluso un microprocesador.

Un circuito integrado se considera un componente fundamental de todos los dispositivos electrónicos actuales.Su nombre sugiere un sistema de múltiples componentes interconectados integrados en un material semiconductor delgado fabricado con silicio.

Historia de los circuitos integrados 

La tecnología detrás de los circuitos integrados fue introducida inicialmente en 1950 por Robert Noyce y Jack Kilby en los Estados Unidos de América.La Fuerza Aérea de Estados Unidos fue el primer consumidor de este nuevo invento.Jack Kilby también ganó el Premio Nobel de Física en 2000 por su invención de los circuitos integrados miniaturizados.

Un año y medio después de la introducción del diseño de Kilby, Robert Noyce presentó su propia versión del circuito integrado.Su modelo resolvió varios problemas prácticos del dispositivo de Kilby.Noyce también utilizó silicio para su modelo, mientras que Jack Kilby utilizó germanio. 

Robert Noyce y Jack Kilby obtuvieron patentes estadounidenses por su contribución a los circuitos integrados.Lucharon con problemas legales durante varios años.Finalmente, tanto las empresas de Noyce como las de Kilby decidieron otorgar licencias cruzadas sobre sus inventos e introducirlos en un enorme mercado global.

Tipos de circuitos integrados

Hay dos tipos de circuitos integrados.Estos son:

1. Circuitos integrados analógicos

Los circuitos integrados analógicos tienen una salida que cambia constantemente, según la señal que reciben.En teoría, estos circuitos integrados pueden alcanzar un número ilimitado de estados.En este tipo de IC, el nivel de salida del movimiento es una función lineal del nivel de entrada de la señal.

Los circuitos integrados lineales pueden funcionar como amplificadores de radiofrecuencia (RF) y audiofrecuencia (AF).El amplificador operacional (op-amp) es el dispositivo que normalmente se utiliza aquí.Además, un sensor de temperatura es otra aplicación común.Los circuitos integrados lineales pueden encender y apagar varios dispositivos una vez que la señal alcanza un cierto valor.Puede encontrar esta tecnología en hornos, calentadores y aires acondicionados. 

2. Circuitos integrados digitales 

Estos son diferentes de los circuitos integrados analógicos.No operan en un rango constante de niveles de señal.En cambio, operan en unos pocos niveles preestablecidos.Los circuitos integrados digitales funcionan fundamentalmente con la ayuda de puertas lógicas.Las puertas lógicas utilizan datos binarios.Las señales en datos binarios tienen solo dos niveles conocidos como bajo (0 lógico) y alto (1 lógico).

Los circuitos integrados digitales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones como computadoras, módems, etc.

¿Por qué son populares los circuitos integrados?

A pesar de que se inventaron hace casi 30 años, los circuitos integrados todavía se utilizan en numerosas aplicaciones.Analicemos algunos de los elementos responsables de su popularidad: 

1.Escalabilidad 

Hace unos años, los ingresos de la industria de los semiconductores alcanzaron la increíble cifra de 350 mil millones de dólares.Intel fue el mayor contribuyente aquí.También había otros actores, y la mayoría de ellos pertenecían al mercado digital.Si observa los números, verá que el 80 por ciento de las ventas generadas por la industria de los semiconductores provinieron de este mercado.

Los circuitos integrados han desempeñado un papel importante en este éxito.Verá, los investigadores de la industria de los semiconductores analizaron el circuito integrado, sus aplicaciones y sus especificaciones y lo ampliaron.

El primer circuito integrado jamás inventado tenía solo unos pocos transistores: 5 para ser específicos.Y ahora hemos visto el Xeon de 18 núcleos de Intel con un total de 5.500 millones de transistores.Además, el controlador de almacenamiento de IBM tenía 7.100 millones de transistores con 480 MB de caché L4 en 2015.

Esta escalabilidad ha jugado un papel importante en la popularidad predominante de los circuitos integrados.

2. Costo

Ha habido varios debates sobre el costo de un CI.A lo largo de los años, también ha habido una idea errónea sobre el precio real de un circuito integrado.La razón detrás de esto es que los circuitos integrados ya no son un concepto simple.La tecnología avanza a una velocidad tremendamente rápida y los diseñadores de chips deben seguir ese ritmo al calcular el costo de los circuitos integrados.

Hace unos años, el cálculo del coste de un circuito integrado solía basarse en la matriz de silicio.En aquel momento, la estimación del coste de un chip podía determinarse fácilmente según el tamaño del troquel.Si bien el silicio sigue siendo un elemento principal en sus cálculos, los expertos también deben considerar otros componentes al calcular el costo del circuito integrado.

Hasta ahora, los expertos han deducido una ecuación bastante sencilla para determinar el coste final de un CI:

Costo final del IC = Costo del paquete + Costo de la prueba + Costo del troquel + Costo de envío

Esta ecuación considera todos los elementos necesarios que juegan un papel muy importante en la fabricación del chip.Además de eso, puede haber otros factores que podrían considerarse.Lo más importante a tener en cuenta al estimar los costos de circuitos integrados es que el precio puede variar durante el proceso de producción por múltiples razones.

Además, cualquier decisión técnica que se tome durante el proceso de fabricación puede tener un impacto significativo en el coste del proyecto.

3. Fiabilidad

La producción de circuitos integrados es una tarea muy delicada ya que requiere que todos los sistemas funcionen continuamente durante millones de ciclos.Los campos electromagnéticos externos, las temperaturas extremas y otras condiciones operativas desempeñan un papel importante en el funcionamiento de los circuitos integrados.

Sin embargo, la mayoría de estos problemas se eliminan con el uso de pruebas de alto estrés correctamente controladas.No proporciona nuevos mecanismos de falla, aumentando la confiabilidad de los circuitos integrados.También podemos determinar la distribución de fallas en un tiempo relativamente corto mediante el uso de tensiones más altas.

Todos estos aspectos ayudan a garantizar que un circuito integrado pueda funcionar correctamente.

Además, a continuación se presentan algunas características para determinar el comportamiento de los circuitos integrados:

Temperatura

La temperatura puede variar drásticamente, lo que dificulta extremadamente la producción de CI.

Voltaje.

Los dispositivos funcionan a una tensión nominal que puede variar ligeramente.

Proceso

Las variaciones de proceso más importantes utilizadas para los dispositivos son el voltaje umbral y la longitud del canal.La variación del proceso se clasifica como:

• mucho a mucho
• Oblea a oblea
• Morir para morir

Paquetes de circuitos integrados

El paquete envuelve la matriz de un circuito integrado, lo que nos facilita la conexión a él.Cada conexión externa del troquel está unida con un pequeño trozo de alambre dorado a un pasador del paquete.Los pines son terminales extruidos de color plateado.Pasan por el circuito para conectarse con otras partes del chip.Estos son muy esenciales ya que recorren el circuito y se conectan a los cables y al resto de los componentes de un circuito.

Hay varios tipos diferentes de paquetes que se pueden utilizar aquí.Todos ellos tienen tipos de montaje, dimensiones y número de pines únicos.Echemos un vistazo a cómo funciona esto.

Conteo de pines

Todos los circuitos integrados están polarizados y cada pin es diferente tanto en términos de función como de ubicación.Esto significa que el paquete debe indicar y separar todos los pines entre sí.La mayoría de los circuitos integrados utilizan un punto o una muesca para mostrar el primer pin.

Una vez que identifique la ubicación del primer pin, el resto de los números de pin aumentan en secuencia a medida que avanza en el sentido contrario a las agujas del reloj por el circuito.

Montaje

El montaje es una de las características únicas de un tipo de paquete.Todos los paquetes se pueden clasificar según una de dos categorías de montaje: montaje en superficie (SMD o SMT) o orificio pasante (PTH).Es mucho más fácil trabajar con paquetes de orificios pasantes ya que son más grandes.Están diseñados para fijarse en un lado de un circuito y soldarse al otro.

Los paquetes de montaje en superficie vienen en diferentes tamaños, desde pequeños hasta minúsculos.Se fijan en un lateral de la caja y se sueldan a la superficie.Los pines de este paquete son perpendiculares al chip, exprimidos hacia un lado o, a veces, están colocados en una matriz en la base del chip.Los circuitos integrados en forma de montaje en superficie también requieren herramientas especiales para su montaje.

Doble en línea

El paquete dual en línea (DIP) es uno de los paquetes más comunes.Este es un tipo de paquete de circuitos integrados de orificio pasante.Estos pequeños chips contienen dos filas paralelas de pines que se extienden verticalmente desde una carcasa rectangular de plástico negro.

Los pines tienen un espacio de aproximadamente 2,54 mm entre ellos, un estándar perfecto para encajar en placas de pruebas y algunas otras placas de prototipos.Dependiendo del número de pines, las dimensiones generales del paquete DIP pueden variar de 4 a 64.

La región entre cada fila de pines está espaciada para permitir que los circuitos integrados DIP se superpongan a la región central de una placa de pruebas.Esto asegura que los pines tengan su propia fila y no se cortocircuiten.

Contorno pequeño

Los paquetes de circuitos integrados de contorno pequeño o SOIC son similares a un montaje en superficie.Se compone doblando todos los pasadores de un DIP y encogiéndolos.Puedes armar estos paquetes con mano firme e incluso con los ojos cerrados. ¡Es así de fácil!

Piso cuádruple

Los paquetes Quad Flat separan los pasadores en las cuatro direcciones.El número total de pines en un IC plano cuádruple puede variar desde ocho pines en un lado (32 en total) hasta setenta pines en un lado (300+ en total).Estos pines tienen un espacio de alrededor de 0,4 mm a 1 mm entre ellos.Las variantes más pequeñas del paquete plano cuádruple constan de paquetes de perfil bajo (LQFP), delgados (TQFP) y muy delgados (VQFP).

Matrices de rejilla de bolas

Ball Grid Arrays o BGA son los paquetes de circuitos integrados más avanzados que existen.Se trata de paquetes pequeños, increíblemente complicados, en los que se colocan pequeñas bolas de soldadura en una rejilla bidimensional en la base del circuito integrado.¡A veces los expertos colocan las bolas de soldadura directamente en el troquel!

Los paquetes Ball Grid Arrays se utilizan a menudo para microprocesadores avanzados, como Raspberry Pi o pcDuino.