CIRCUITOS
INTEGRADOS
Antecedentes
O circuito integrado é um conjunto de circuitos eletrônicos sobre uma pequena peça plana de material semicondutor, normalmente de silício. Também é conhecido como chip ou microchip.
O circuito integrado é o resultado da integração de um grande número de pequenos transistores em circuitos menores. Isto possibilita que sejam mais baratos e mais rápidos do que aqueles construídos de componentes eletrônicos discretos.
A capacidade de produção em massa dos chips aumentou a confiabilidade e abordagem do bloco de construção para o design dos circuitos. Desta forma o circuito integrado foi rapidamente adotado no lugar dos transistores. Eles revolucionaram o mundo da eletrônica e agora são utilizados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos. Computadores, celulares e eletrodomésticos digitais são agora partes da estrutura possibilitada pelo pequeno tamanho e baixo custo dos circuitos integrados.
Invenção dos Circuitos Integrados
Não há consenso sobre quem inventou o circuito integrado.
A imprensa americana da década de 1960, nomeou quatro pessoas; Kilby, Lehovec, Noyce e Hoermy. Na década de 1970 a lista foi encurtada para Kilby e Noyce e depois para Kilby.
Na década de 2000 alguns historiadores reintegraram a ideia de múltiplos inventores do circuito integrado, revisando a contribuição de Kilby.
A Ideia da Integração
Os primeiros desenvolvimentos remontam a 1949, Werner Jacobi apresentou uma patente para um dispositivo de amplificação semicondutora de circuito integrado. Esse chip mostrava cinco transistores em um substrato comum num conjunto amplificador de três estágios com dois transistores funcionando de cabeça para baixo como conversor de impedância.
Jacobi acreditava que aparelhos auditivos pequenos e baratos seria um exemplo para aplicações industriais de sua patente. No entanto, não existem relatos de um uso comercial imediato de sua patente.
A ideia do circuito integrado surgiu com Geoffrey Dummer um cientista que trabalhava para Royal Radar Establishment do ministério de defesa britânico. Em 7 de maio de 1952, Dummer apresentou a ideia ao público no simpósio sobre o progresso eletrônico de qualidade em Washington, DC. Em 1956, ele tentou construir esse circuito, mas não obteve sucesso.
Com o advento do transistor e o trabalho em semicondutores, se tornou possível imaginar equipamentos eletrônicos em um bloco sólido sem fios de conexão. Dummer ficou famoso mais tarde como “o profeta dos circuitos integrados”, mas não como seu inventor.
Em 1953, Harwick Johnson arquivou um pedido de patente para um método de formatação de vários componentes eletrônicos, em um único chip. Johnson descreveu três maneiras de produzir um oscilador integrado de um transistor.
Todos usavam uma tira estreita de um semicondutor com um transistor bipolar em uma extremidade e diferiam nos métodos de produção do transistor. A tira atuou como uma série de resistências; os capacitores agrupados foram formados por fusão, enquanto as junções pn inversas atuavam como capacitores distribuídos. Johnson não ofereceu um procedimento tecnológico e não se sabe se ele produziu o dispositivo.
Eletrônica Funcional
As principais empresas de eletrônicos dos Estados Unidos buscaram solução para a “Tirania dos Números” no desenvolvimento de componentes discretos que implementavam uma determinada função com um número mínimo de elementos passivos anexados.
Durante a era do tubo de vácuo, essa abordagem permitiu reduzir o custo de um circuito integrado em detrimento da sua frequência de operação.
Em 1952, Jowel James Ebers desenvolveu um protótipo de análogo de estado sólido do tiratron; um transistor de quatro camadas ou um tiristor.
William Shockley simplificou seu design para um diodo de quatro camadas de dois terminais e tentou sua produção industrial. Shockley esperava que o novo dispositivo substituísse o relé polarizado na troca telefônica. No entanto, a confiabilidade dos diodos Shockley era inaceitavelmente baixa e sua empresa entrou em declínio.
Ian Munro Ross e David D’Azaro experimentaram células de memória baseadas em tiristores. Joe Logue e Rick Bill construíram contadores usando transistor monojunção. Torkel Wallmark e Harwick Johnson usaram tanto os tiristores quanto os transistores de efeito de campo.
Tecnologia de Silício
Em meados da década de 1950, o germânio foi substituído por silício que poderia operar em temperaturas mais elevadas. Em 1954, Gordon kidd produziu o primeiro transistor de silício, que se tornou comercial em 1955. Uma publicação de Fuller e Dittsenberger de 1954, sobre um estudo fundamental de difusão em silício; levou Shockley a sugerir o uso dessa tecnologia para formar junções pn com um dado perfil da concentração de impurezas.
No inicio de 1955, Carl Frosch desenvolveu a oxidação úmida do silício. Nos próximos dois anos Frosch, Moll, Fuller e Holonyac trouxeram a produção em massa. Esta descoberta acidental revelou a segunda vantagem do silício sobre o germânio; ao contrario dos dióxidos de germânio a sílica úmida é um isolante elétrico fisicamente forte e inerte quimicamente.
Jean Hoerni propôs pela primeira vez uma tecnologia planar de transistores bipolares em dezembro de 1957. Neste processo, todas as junções pn foram cobertas por uma camada protetora, o que melhorou significativamente a confiabilidade.
No entanto, a proposta foi considerada tecnicamente impossível na época. Uma sugestão de Frosch para difusão do fósforo e a solução de um erro nas camadas de óxido apontado por um colega de Hoerni o levaram a fazer o primeiro protótipo de um transistor planar até 12 de março de 1959.
O processo planar tornou-se a principal tecnologia de produção de transistores e circuitos integrados monolíticos em meados da década de 1960.
Os Três Problemas da Microeletrônica
A criação do circuito integrado foi dificultando por três problemas que foram formulados pela wallmark em 1968:
Integração: Em 1958, não havia como formar muitos componentes eletrônicos diferentes em um cristal semicondutor.
Isolamento: Não havia tecnologia para isolar eletricamente componentes em um cristal semicondutor.
Conexão: Não havia nenhuma maneira efetiva de criar conexões elétricas entre os componentes de um circuito integrado, a não ser usando fios de ouro o que era extremamente demorado.
Três empresas diferentes possuíam as principais patentes para cada um desses problemas.
Integração de Jack Kilby
A ideia precursora para o circuito integrado era criar pequenos quadrados cerâmicos, cada um contendo um único componente miniaturizado. Desta forma os componentes poderiam ser integrados e conectados em um grande compacto bidimensional ou tridimensional.
A ideia parecia muito promissora em 1957 e Jack Kilby a propôs ao exercito dos Estados Unidos. No entanto, à medida que o projeto estava tomando forma, Kilby surgiu com um novo design: o chip.
Kilby gravou suas ideias iniciais sobre o circuito integrado em julho de 1958. Demonstrando com sucesso o primeiro exemplo integrado em 12 de setembro de 1958. O primeiro cliente foi a força aérea dos Estados Unidos. Jack Kilby ganhou o prêmio Nobel de física em 2.000 por sua parte na invenção do circuito integrado.
Meio ano depois, Robert Noyce desenvolveu uma variedade de circuitos integrados mais práticos que a implementação de Kilby. O design de Noyce foi feito em silício e o de Kilby era de germânio. Noyce creditou Kurt Lehovec pelo princípio do isolamento de junção p-n.
Tentativas de Comercialização
Em 1958, a Texas Instruments introduziu a ideia ainda não patenteada de Kilby para clientes militares. Enquanto a maioria das divisões o rejeitou como inapropriado aos conceitos existentes, a força aérea dos Estados Unidos decidiu que a tecnologia cumpria seu programa de eletrônica molecular e ordenou a produção de protótipos que Kilby chamou de “blocos eletrônicos funcionais”.
A força aérea recebeu o primeiro dispositivo analógico, um receptor de rádio criado no programa de eletrônica molecular em 1961. Tina menos de 12 componentes, usava circuitos integrados caros e uma alta porcentagem de dispositivos com falha. Surgiu a opinião de que circuitos integrados, só se justificariam ao setor aeroespacial. A indústria aeroespacial os rejeitou pela baixa dureza de radiação de seus transistores.
Anunciado pela Texas Instruments em abril de 1960, o multivator # 502 surgiu como o primeiro circuito integrado do mundo disponível no mercado. A empresa assegurou que venderia seu produto mais barato que seus concorrentes. Entretanto quando as vendas começaram no verão de 1961, o preço foi maior que o anunciado.
Soluções Para o Isolamento por Junção PN
Lehovec encontrou uma solução simples para o problema de isolamento que usava a junção pn ao voltar de uma palestra de Wallmark na final de 1958. Ele testou sua ideia usando as tecnologias de fazer transistores que estavam disponíveis na Sprague. O gerenciamento da Sprague não mostrou nenhum interesse na invenção de Lehovec. No entanto, em 22 de abril de 1959, ele arquivou um pedido de patente as suas custas e depois deixou os Estados Unidos por dois anos.
Em janeiro de 1959, Jean Hoerni apresentou sua ultima versão do processo planar para Robert Noyce e um advogado de patentes John Rallza na Fairchild Semiconductor. Seis dias depois os gerentes da Fairchild se encontraram com Edward Keonjian, o desenvolvedor do computador de bordo para o foguete “Atlas” para discutir o desenvolvimento conjunto de circuitos integrados digitais híbridos para o seu computador.
Esses eventos provavelmente levaram Robert Noyce a retornar à ideia de integração. Em 23 de janeiro de 1959, Noyce documentou sua visão do circuito Integrado plano; essencialmente reinventado as ideias de Kilby e Lehovec na base do processo planal de Hoerni.
Invenção da Metalização
No inicio de 1959, Noyce resolveu outro problema importante, o das interconexões que impediram a produção em massa dos circuitos integrados. De acordo com a patente, a invenção consistiu em preservar a camada de óxido que separava a camada de metalização do chip (com exceção das áreas da janela de contato) e de depositar a camada metálica de modo a ficar firmemente presa ao óxido.
O método de deposição ainda não era conhecido e as propostas de Noyce incluíam deposição de alumínio a vácuo através de uma mascara e deposição de uma camada continua, seguida de fotolitografia e gravura do excesso de metal. De acordo com Saxena a patente da Noyce, mesmo com todas as suas desvantagens, reflete com precisão os fundamentos das modernas tecnologias do circuito integrado.
Os Primeiros Circuitos Integrados Semicondutores
Em agosto de 1959, noyce formou no Fairchild um grupo para desenvolver circuitos integrados. Em maio de 1960, este grupo, liderado por Jay Last, produziu o primeiro circuito integrado planar. Este protótipo não era monolítico.
Em agosto de 1960, começou a trabalhar no segundo protótipo, usnado o isolamento pela junção pn sugerida por Noyce. Robert Norman desenvolveu um circuito de gatilho em quatro transistores e cinco resistores. Enquanto Isy Haas e Lionel Kattner desenvolveram o processo de difusão de boro para formar as regiões isolantes. O dispositivo operacional foi testado em 27 de setembro de 1960, o primeiro circuito integrado planar a monolítico.
A Fairchild Semiconductor não percebeu a importância desse trabalho. O vice-presidente de marketing acreditava que estava desperdiçando os recursos da empresa e que o projeto devia ser encerrado. Em janeiro de 1961, Last, Hoerni e seus colegas os oito traidores, deixaram a Fairchild para estabelecer um concorrente direto, a empresa Signetics.
Apesar da partida de seus principais cientistas e engenheiros, em março a Fairchild anunciou sua primeira serie comercial de circuitos integrados, chamada Micrologic e passou um ano criando uma família de chips de lógica. Os circuitos integrados para os computadores de bordo da nave espacial Apolo foram projetados pela Fairchild.
Cada um desses computadores continha cerca de 5.000 circuitos integrados de lógica padrão. Durante a fabricação o preço caiu de US$ 1.000 para US$ 20-30. Dessa forma a NASA e o Pentágono prepararam o terreno para o mercado não militar do circuito integrado.
Tipos
Os circuitos integrados podem ser classificados como analógicos, digitais e sinais mistos.
Os circuitos integrados digitais podem conter em qualquer lugar de um a bilhões de portões lógicos, multiplexadores e outros circuitos em alguns milímetros quadrados. O pequeno tamanho desses circuitos permite alta velocidade, baixa dissipação de energia e redução do custo de fabricação em comparação com a integração no nível da placa.
Entre os circuitos integrados mais avançados encontram-se os microprocessadores ou núcleos, que controlam tudo; desde computadores e celulares até fornos de microondas digitais.
Os circuitos integrados analógicos como sensores e circuitos de gerenciamento de energia, funcionam processando sinais contínuos. Executam funções como amplificação, filtragem ativa, desmodulação e mixagem. Eles aliviam o fardo para os designers de circuitos; pois possuem circuitos analógicos habilmente projetados disponíveis, não sendo necessário projetar um circuito analógico difícil do zero.
O circuito integrado também pode combinar circuitos analógicos e digitais em um único chip para criar funções como conversores A/D e conversores D/A.
Fabricação
Os semicondutores da tabela periódica dos elementos químicos foram identificados como os materiais mais prováveis para um tubo de vácuo de estado sólido. Materiais como óxido de cobre, germânio e silício foram estudados sistematicamente nas décadas de 1940, 1950 e 1960.
Atualmente o silício monocristalino é o principal substrato utilizado em circuito integrado; apesar de outros compostos da tabela periódica também serem usados para aplicações especializadas.
Os circuitos integrados de semicondutores são fabricados em um processo plano que inclui três etapas. As três principais etapas deste processo são: imagem, deposição e gravura, complementadas por doping de limpeza.
As pastilhas de silício monocristalino são utilizadas como substrato. A fotolitografia é usada para marcar diferentes áreas do substrato a serem dopadas ou ter pistas de polissilício, isoladores de metais depositados sobre eles.
Um circuito integrado é composto por muitas camadas sobrepostas, cada uma definida por fotolitografia, e normalmente apresentada em cores diferentes. Algumas camadas marcam onde vários dopantes são difundidos no substrato, alguns definem onde os íons adicionais são implantados, alguns definem os condutores e alguns definem as conexões entre as camadas condutoras. Todos os componentes são construídos a partir de uma combinação especifica dessas camadas.
O Tipo Mais Comum e o Teste
O tipo mais comum de circuito integrado é a memória de acesso aleatório são os dispositivos de maior densidade; mas mesmo um microprocessador terá memória no chip. Apesar das estruturas serem intrincadas as camadas permanecem muito mais finas do que as larguras do dispositivo.
As camadas do material são fabricadas como um processo fotográfico, embora as ondas de luz no espectro visível não possam ser usadas para expor uma camada de material, pois elas seriam muito grandes para os recursos.
Assim os fótons de frequências mais altas são usados para criar padrões para cada camada. Como cada característica é muito pequena, os microscópios eletrônicos são ferramentas essenciais para os engenheiros de processos, que depuram um processo de fabricação.
Cada dispositivo é testado antes da embalagem usando equipamento de teste automatizado em um processo conhecido como teste de bolacha ou sondagem de bolacha. A bolacha é cortada em blocos retangulares que são chamados de dados.
Cada dado bom é conectado a uma embalagem usando fios de alumínio ou ouro termicamente ligados a almofadas, geralmente encontradas ao redor da borda do dado.
A ligação termossônica que forneceu um meio confiável de formar essas conexões elétricas vitais para o mundo exterior foi introduzida pela A. Coucoulas. Após a embalagem os dispositivos passam por testes finais no mesmo ou similar, usado durante a sondagem de bolacha. O custo do teste pode representar mais de 25% do custo de fabricação em produtos de menor custo; mas pode ser insignificante em dispositivos de baixo rendimento, maiores ou de alto custo.
Algumas Embalagens
Os primeiros circuitos integrados foram embalados em embalagens plásticas cerâmicas que continuaram a ser usadas pelos militares por sua confiabilidade e tamanho pequeno por muitos anos. As embalagens dos circuitos comerciais passaram rapidamente para o pacote duplo em linha, (DIP) primeiro em cerâmica depois em plástico.
Na década de 1980, as contagens de pinos dos circuitos de integração em larga escala ultrapassaram o limite prático para a DIP, levando a pacotes de matriz de pinos (PGA) e de suporte sem fio sem jejum (LCC).
Na década de 1990, os pacotes de quad flat quad (FQFP) e pacote de pequenas dimensões (TSOP) tornaram-se mais comuns para os dispositivos de contagem de pinos altos. Embora os pacotes de PGA ainda sejam frequentemente usados para microprocessadores high-end.
Gerações do Circuito Integrado
Inicialmente com os circuitos integrados simples, a grande escala da tecnologia limitava cada chip a apenas alguns transistores. O baixo grau de integração significava que o processo de design era relativamente simples. Os rendimentos de fabricação também foram bastante abaixo dos padrões atuais.
Os primeiros circuitos integrados foram os (SSI) de integração em pequena escala. Surgiram em 1964, tinham de 1 a 10 transistores e de 1 a 12 portas lógicas. Os circuitos SSI foram cruciais para os primeiros projetos aeroespaciais.
O próximo passo no desenvolvimento de circuitos integrados realizou-se em 1968, (MSI) integração de médio porte. Tinham de 10 a 500 transistores e de 13 a 99 portas lógicas.
O desenvolvimento adicional impulsionado pelos mesmos fatores econômicos levou a integração em larga escala (LSI) em 1971. Tinham de 500 a 20.000 transistores e de 100 a 9.999 portas lógicas.
O passo final no processo de desenvolvimento surgiu na década de 1980 e continua até o presente com a integração em larga escala (VLSI). Tinham de 20.000 a 1.000.000 de transistores e de 10.000 a 99.999 portas lógicas.
Para refletir um maior crescimento da complexidade o termo ULSI, que significa integração de grande escala foi proposto para chips com mais de 1.000.000 transistores e mais de 100.000 portas lógicas.
A integração com Wafer-Scale (WSI) é um meio de construir circuitos integrados muito grandes. Eles usam uma bolacha de silício inteira para produzir um único “super-chip”.
Um sistema em um chip (SOC) é um circuito integrado no qual todos os componentes necessários para um computador ou outro sistema estão incluídos em um único chip.
Um circuito integrado tridimensional (3D-IC). Possui duas ou mais camadas de componentes eletrônicos ativos que estão integrados vertical e horizontalmente em um único circuito.
Nanotecnologia
Atualmente a eletrônica esta entrando na era da nanotecnologia. Os componentes eletrônicos se comportam de maneiras diferentes do que na eletrônica convencional e microeletrônica. Nestes a passagem de corrente elétrica praticamente não altera o seu estado de funcionamento.
Nos nanocomponentes a alteração de seu estado em função da passagem de corrente deve ser controlada, pois existe uma sensibilidade maior as variações de temperatura e principalmente as variações dimensionais. Essas causam alterações nas medidas físicas do componente de tal forma, que podem vir a danificá-lo.
Importância da Integração
Está no baixo custo e alto desempenho, além do tamanho reduzido dos circuitos aliado a alta confiabilidade e estabilidade de funcionamento. Como os componentes são formados ao invés de montados, a resistência mecânica permitiu montagens cada vez mais robustas a choques e impactos mecânicos, permitindo a concepção de portabilidade de dispositivos eletrônicos.
No circuito integrado completo estão presentes os transistores, condutores de integração, componentes de polarização e as camadas e regiões isolantes ou condutoras obedecendo ao seu projeto de arquitetura.
Na formação do circuito integrado é importante que todos os componentes sejam implantados na região apropriada da pastilha. A isolação precisa ser perfeita quando for o caso. O que é obtido por um processo chamado de difusão, que ocorre entre os componentes formados e as camadas com o material dopado com fósforo e separadas por um material dopado.
Após sucessivas integrações, os componentes ainda são interconectados externamente por uma camada extremamente fina de alumínio, depositada sobre a superfície e isolada por uma camada de dióxido de silício.
Como Funciona
A ideia de um CI é realizar ações mais complexas que não podem ser realizadas por um único componente. O circuito integrado poder realizar diferentes funções, como temporizador, oscilador, amplificador, controlador, entre outras.
A grande variedade de componentes permite que suas funcionalidades divirjam, pois nem todos trabalham da mesma forma.
O desenvolvimento de um circuito integrado é demorado e exige conhecimento avançado. Atualmente não há muitos circuitos integrados que necessitem ser desenhados e projetados. É possível solucionar problemas e atender a quase todas as funções combinando circuitos que já existem.
Apesar dos transistores e demais itens que compõem um circuito integrado ainda estarem disponíveis nas lojas, eles não estão presentes no circuito em si. As empresas que produzem este tipo de peça embutem todos os componentes, que pode chegar a mais de dez mil itens no wafer, colocando o dissipador e a carcaça por cima de todos os elementos.
Atualmente o circuito integrado é muito complexo e de certa forma se assemelha a um processador que é a evolução do CI. De pequenas funções básicas esses componentes passaram a ter grandes responsabilidades.
Em eletrônica, um circuito integrado, microchipe[1], chipe[1] e nanochipe[1] (do inglês, microchip, chip, nanochip), abreviadamente CI, é um circuito eletrônico miniaturizado (composto principalmente por dispositivos semicondutores) sobre um substrato fino de material semicondutor.
Os circuitos integrados são usados em quase todos os equipamentos eletrônicos usados hoje e revolucionaram o mundo da eletrônica.
Um circuito integrado híbrido é um circuito eletrônico miniaturizado constituído de dispositivos semicondutores individuais, bem como componentes passivos, ligados a um substrato ou placa de circuito.
Os circuitos integrados foram possíveis por descobertas experimentais que mostraram que os dispositivos semicondutores poderiam desempenhar as funções de tubos de vácuo, e desde meados do século XX, pelos avanços da tecnologia na fabricação de dispositivos semicondutores. A integração de um grande número de pequenos transistores em um chip pequeno foi uma enorme melhoria sobre o manual de montagem de circuitos com componentes eletrônicos discretos.
A capacidade do circuito integrado de produção em massa, a confiabilidade e a construção de bloco de abordagem para projeto de circuito assegurou a rápida adaptação de circuitos integrados padronizados no lugar de desenhos utilizando transístores pequenos.
Há duas principais vantagens de circuitos integrados sobre circuitos discretos: custo e desempenho. O custo é baixo porque os chips, com todos os seus componentes, são impressos como uma unidade por fotolitografia: um puro cristal de silício, chamada de substrato, que são colocados em uma câmara.
Uma fina camada de dióxido de silício é depositada sobre o substrato, seguida por outra camada química, chamada de fotorresiste. Além disso, muito menos material é usado para construir um circuito como um circuitos integrados do que como um circuito discreto. O desempenho é alto, visto que os componentes alternam rapidamente e consomem pouca energia (em comparação com os seus homólogos discretos) porque os componentes são pequenos e estão próximos. A partir de 2006, as áreas de chips variam de poucos milímetros quadrados para cerca de 350 mm², com até 1 milhão de transístores por mm².
História
A ideia de um circuito integrado foi levantada por Geoffrey WA Dummer (1909-2002), um cientista que trabalhava para o Royal Radar Establishment (do Ministério da Defesa britânico). Dummer publicou a ideia em 7 de maio de 1952 no Symposium on Progress in Quality Electronic Components em Washington, D.C..[2] Ele deu muitas palestras públicas para propagar suas ideias.
O circuito integrado pode ser considerado como sendo inventado por Jack Kilby de Texas Instruments[3] e Robert Noyce, da Fairchild Semiconductor,[4] trabalhando independentemente um do outro. Kilby registrou suas ideias iniciais sobre o circuito integrado em julho de 1958 e demonstrou com sucesso o primeiro circuito integrado em função em 12 de setembro de 1958[3] Em seu pedido de patente de 6 de fevereiro de 1959, Kilby descreveu o seu novo dispositivo como "a body of semiconductor material ... wherein all the components of the electronic circuit are completely integrated."[5]
Kilby ganhou em 2000 o Prêmio Nobel de Física por sua parte na invenção do circuito integrado.[6] Robert Noyce também veio com sua própria ideia de circuito integrado, meio ano depois de Kilby. O chip de Noyce tinha resolvido muitos problemas práticos que o microchip, desenvolvido por Kilby, não tinha. O chip de Noyce, feito em Fairchild, era feito de silício, enquanto o chip de Kilby era feito de germânio.
Marcante evolução do circuito integrado remontam a 1949, quando o engenheiro alemão Werner Jacobi (Siemens AG) entregou uma patente que mostrou o arranjo de cinco transístores em um semicondutor.[7] A utilização comercial de sua patente não foi relatado.
A ideia de precursor da IC foi a criação de pequenos quadrados de cerâmica (pastilhas), cada um contendo um único componente miniaturizado. Esta ideia, que parecia muito promissora em 1957, foi proposta para o Exército dos Estados Unidos por Jack Kilby. No entanto, quando o projeto foi ganhando força, Kilby veio em 1958 com um design novo e revolucionário: o circuito integrado.
Escala de integração e nanotecnologia
Com os componentes de larga escala de integração, (do inglês: Large Scale Integration, LSI), nos anos oitenta, e a integração em muito larga escala, (Very-large-scale integration, VLSI), nos anos noventa, vieram os microprocessadores de alta velocidade de tecnologia MOS, que nada mais são que muitos circuitos integrados numa só mesa epitaxial.
Atualmente a eletrônica está entrando na era da nanotecnologia. Os componentes eletrônicos se comportam de maneiras diferentes do que na eletrônica convencional e microeletrônica, nestes a passagem de corrente elétrica praticamente não altera o seu estado de funcionamento. Nos nanocomponentes, a alteração de seu estado em função da passagem de corrente deve ser controlada, pois existe uma sensibilidade maior às variações de temperatura, e principalmente à variações dimensionais. Estas causam alterações nas medidas físicas do componente de tal forma, que podem vir a danificá-la. Por isso a nanotecnologia é tão sensível sob o ponto de vista de estabilidade de temperatura e pressão.
Fabricação
A importância da integração está no baixo custo e alto desempenho, além do tamanho reduzido dos circuitos aliado à alta confiabilidade e estabilidade de funcionamento. Uma vez que os componentes são formados ao invés de montados, a resistência mecânica destes permitiu montagens cada vez mais robustas a choques e impactos mecânicos, permitindo a concepção de portabilidade dos dispositivos eletrônicos.
No circuito integrado completo ficam presentes os transístores, condutores de interligação, componentes de polarização, e as camadas e regiões isolantes ou condutoras obedecendo ao seu projeto de arquitetura.
No processo de formação do chip, é fundamental que todos os componentes sejam implantados nas regiões apropriadas da pastilha. É necessário que a isolação seja perfeita, quando for o caso.
Isto é obtido por um processo chamado difusão, que se dá entre os componentes formados e as camadas com o material dopado com fósforo, e separadas por um material dopado com boro, e assim por diante. Após sucessivas interconexões, por boro e fósforo, os componentes formados ainda são interconectados externamente por uma camada extremamente fina de alumínio, depositada sobre a superfície e isolada por uma camada de dióxido de silício.
Rotulagem
Dependendo do tamanho os circuitos integrados apresentam informações de identificação incluindo 4 seções comuns: o nome ou logotipo do fabricante, seu número, número do lote e/ou número serial e um código de 4 dígitos identificando a data da fabricação. A data de fabricação é comumente representada por 2 dígitos do ano, seguido por dois dígitos informando a semana. Exemplo do código 8341: O circuito integrado foi fabricado na semana 41 do ano de 1983, ou aproximadamente em outubro de 83.
Desde que os circuitos integrados foram criados, alguns designers de chips tem usado a superfície de silício para códigos, imagens e palavras não funcionais. Eles são algumas vezes referenciados como chip art, silicon art, silicon graffiti ou silicon doodling.
Outros desenvolvimentos
Na década de 80, foi criado o dispositivo lógico programável. Esses dispositivos contêm um circuito com função lógica e conectividade que podem ser programados pelo usuário, ao contrário de ser fixada diretamente pelo fabricante do CI. Isso permite que um único chip possa ser programado para implementar diferentes funções como portas lógicas, somadores e registradores.
Os dispositivos atualmente nomeados Field Programmable Gate Arrays (Arranjo de Portas Programável em Campo) podem agora implementar dezenas ou milhares de circuitos LSI em paralelo e operar acima de 550 MHz. As técnicas aperfeiçoadas pela indústria de circuitos integrados nas últimas três décadas têm sido usadas para criar máquinas microscópicas, conhecidos como sistemas microeletromecânicos (do inglês: microelectromechanical systems, MEMS, ver também: microtecnologia). Esses dispositivos são usados em uma variedade de aplicações comerciais e militares. Exemplo de aplicações comerciais incluem a tecnologia processamento digital de luz em videoprojetores, impressoras de jato de tinta e acelerômetros usados em airbags de automóveis.
Desde 1998, um grande número de chips de rádios tem sido criado usando CMOS possibilitando avanços tecnológicos como o telefone portátil DECT da Intel ou o chipset 802.11 da empresa Atheros.
As futuras criações tendem a seguir o paradigma dos processadores multinúcleo, já utilizados pelos processadores dual-core da Intel e AMD. A Intel recentemente apresentou um protótipo não comercial, que tem 80 microprocessadores. Cada núcleo é capaz de executar uma tarefa independentemente dos outros. Isso foi em resposta do limite calor vs velocidade no uso de transístores existentes. Esse design traz um novo desafio a programação de chips. X10 é uma nova linguagem open-source criada para ajudar nesta tarefa.
Encapsulamento de circuitos integrados
O encapsulamento é o invólucro protetor de um circuito integrado. O invólucro possui terminais de metal denominados pinos ou patas, os quais são resistentes o suficiente para conectar elétrica e mecanicamente o frágil microchip de silício a uma placa de circuito impresso. Esta conexão pode ser feita através de solda ou por força mecânica aplicada por molas ou por um soquete ZIF. A maioria das placas de circuito impresso modernas usa tecnologia de montagem superficial, embora anteriormente fosse comum inserir os pinos em orifícios abertos na placa. Como encapsulamentos menores são mais baratos e ecologicamente mais seguros, a maioria dos encapsulamentos modernos são pequenos demais para instalação manual por seres humanos. Os microprocessadores modernos podem ter mais de 1000 pinos, de modo que a tecnologia de fabricação e instalação do encapsulamento deve ser muito confiável.
DIP - Dual In-Line Package
Dual In-Line Package (‘pacote duplo em linha’, abreviado "DIP" ou "DIL") é um tipo de encapsulamento de circuitos integrados. Suas principais características são o invólucro plástico ou metálico e duas fileiras de pinos em lados opostos do CI, normalmente em seu lado maior. Um exemplo comum é o CI 555. Um dos primeiros tipos de encapsulamento de memórias, popular nas épocas dos computadores XT e 286. Seu encaixe ou mesmo sua colagem através de solda em placas pode ser feita fácil e manualmente.
Ceramic pin grid array
Um Ceramic Pin Grid Array ou CPGA, é um tipo de conector para UCPs onde o "die" do microprocessador é juntado a uma placa de cerâmica condutora de calor a qual é perfurada por uma matriz de pinos os quais fazem as conexões necessárias com o soquete.
Entre as UCPs populares que utilizam CPGA estão os modelos Socket A "clássicos" de Athlon e Duron, da AMD.
OPGA - Organic pin grid array
A Organic Pin Grid Array (OPGA) é um tipo de encapsulamento para CIs e, particularmente para UCPs, onde o die é conectado a uma placa feita de plástico orgânico, a qual é perfurada por uma matriz de pinos que faz as conexões necessárias com o soquete da UCP.
Um tipo popular de UCP a empregar a OPGA é o Athlon XP da AMD .
PGA - Pin grid array
O Pin Grid Array ou PGA é um tipo de encapsulamento usado em circuitos integrados, particularmente microprocessadores.
Num PGA, o circuito integrado (CI) é montado numa placa cerâmica na qual uma face é coberta, ou parcialmente coberta, numa matriz quadrada de pinos de metal. Os pinos podem ser inseridos nos buracos rapidamente numa placa de circuito impresso e soldados no lugar. São quase espaçados com espaçamento de 2,54 mm (um décimo de polegada). Para determinadas quantidades de pinos, este tipo de encapsulamento ocupa menos espaço do que tipos antigos, tais como o dual in-line package (DIP).
Variações do PGA
As versões Plastic Pin Grid Array (PPGA) e o posterior Flip-Chip Pin Grid Array (FCPGA), ambas criadas pela Intel Corporation para suas UCPs Pentium, são frequentemente usadas em placas-mãe com soquetes ZIF (Zero Insertion Force) para proteger os pinos delicados.
BGA - Ball Grid Array
Ball Grid Array (BGA) é um tipo de encapsulamento utilizado em circuitos integrados, como por exemplo, chipsets, memórias e microprocessadores. A conexão entre o circuito integrado e a placa é feita por pequenos pontos de solda na sua parte inferior, que estão em contato direto com o chip de silício, dispensando pinos externos como em outros encapsulamentos.
É um tipo de encapsulamento onde os terminais de contato são do tipo esfera. As medidas mais comuns de esferas utilizadas em chipsets de placas-mãe de PCs ou notebooks são: 0,5, 0,6 e 0,76 milímetros. Tal componente é inserido ou removido de uma placa de circuito impresso utilizando uma ferramenta denominada Estação de Retrabalho Infrared. Após a remoção desse componente, é necessário, para sua reutilização, a colocação de novas esferas através de moldes denominados stencils.
Uma das características do encapsulamento do tipo BGA é a grande quantidade de pinos, na ordem das centenas, possibilitando a criação de circuitos integrados com muitos I/Os. Frequentemente encontrado em FPGAs, chipsets e memórias, uma de suas vantagens é a eliminação dos fios de ouro utilizados para a conexão ao leadframe, reduzindo problemas com capacitância e indutância indesejadas em circuitos que trabalham em altas frequências.
A fabricante VIA Technologies chama o VIA C3 neste formato de "EBGA", onde o "E" vem de "Enhanced".[1]
Avarias
As avarias associadas devem-se quase sempre a problemas de soldaduras frias nos componentes (Processadores de Vídeo GPU, CPU) devido às altas temperaturas que são sujeitos, normalmente causadas pela obstrução ou deficiência do sistema de arrefecimento, salvo rara exceção por avaria dos mesmos ou das placas. Os sintomas das avarias são a falta de imagem, imagem com interferências,barras de ruído ou em xadrez, para além de poder ser impossível ligar o equipamento, onde se encontra a placa BGA.
LGA - Land Grip Array
Land grid array (LGA) é um padrão de soquete para processadores.[1][2] Foi lançado pela Intel juntamente aos processadores Pentium 4 com núcleo Prescott, sendo totalmente diferente dos padrões slot e ZIF: os pinos não ficam no processador, mas no soquete.[2] Também, a pressão do dissipador de calor sobre o processador é, em boa parte, passada à armadura de metal que envolve e protege o processador.[2]
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Wikipédia, Circuito Integrado, disponível neste link.
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Wikipédia, Integrated Circuit, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit>.
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Wikipédia, Invention of the Integrated Circuit, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Invention_of_the_integrated_circuit>.
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Fabio Jordão, Tec Mundo, Como Funciona um Circuito Integrado? [Ilustração], disponível neste link.