Circuitos Integrados Integrated Circuits IC

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Circuitos Integrados (Integrated Circuits - IC)
En un IC se implementa un circuito electrónico
completo (Resistencias, condensadores, diodos,
transistores, etc) realizado sobre el mismo
circuito semiconductor (Substrato).
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DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
ENCAPSULADO D,P Plástico J, N Cerámico M
Metálico
?A 741 I P
FABRICANTE AD Analog Devices ?A
Fairchild CR RCA LM National
Semiconductor MC Motorola NE/SE
Signetics OP Precision Monolithics RC/RH
Raytheon SG Silicon General TL
Texas Instrument
RANGO TEMPERATURA C Comercial 0ºC hasta
70ºC I Industrial -40ºC hasta 85 ºC M
Militar -55ºC hasta 125 ºC
DESIGNADOR Nombre/función del dispositivo 741
Amplificador de propósito general 081
Amplificador entrada FET 311 Comparador rápido
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DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO
Pin número 1
Orden para numerar los pines
Encapsulado típico DIL - 6
DIL Dual In Line SIL Serial In Line
4
Transistor
2 Transistores
42 millones de transistores
2.300 Transistores
1948 Transistor Lab. Bell Schokley, Brattain,
Bardeen
1958 Primer IC Kilby
1971 Primer ?P 4004 INTEL
2001 Pentium IV INTEL
1960 MOSFET
1945 ENIAC 1er Computador válvulas
La evolución del tamaño de los circuitos
integrados ha sido espectacular. Teniendo sus
máximos de capacidad de integración, en el mundo
de la Electrónica Digital (Microprocesadores)
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LOS CIRCUITOS INTEGRADOS PUEDEN LLEGAR A TENER
MUCHÍSIMOS COMPONENTES REALIZADOS SOBRE EL MISMO
CIRCUITO INTEGRADO
Buscando errores sobre un esquema de un Circuito
Integrado
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CIRCUITOS INTEGRADOS UNA AUTENTICA REVOLUCIÓN

• Hoy día podemos considerar a los circuitos
  integrados como componentes electrónicos.
• El diseño de aplicaciones con componentes sueltos
  (o discretos) (diodos, transistores,
  resistencias, condensadores, etc) cada vez está
  mas restringido a aplicaciones muy especiales
  (Electrónica de potencia, muy altas frecuencias,
  etc).
• Hoy día podemos decir que existen una variedad de
  circuitos integrados "casi" específicos para
  nuestra aplicación
• Electrónica Analógica (amplificadores,
  comparadores, multiplicadores, generadores de
  señal, etc)
• Electrónica Digital (microprocesadores,
  conversores A/D y D/A, etc)
• Comunicaciones (Emisores, receptores, etc)
• Electrónica de Potencia (Circuitos de control de
  motores, Drivers, etc)
• Y una multitud de ejemplos mas (solo hay que ver
  las páginas web de los distintos fabricantes
  (MOTOROLA, TEXAS, IR, SGS, NATIONAL, etc).
• ES PRÁCTICAMENTE IMPOSIBLE CONOCER TODOS LOS
  CIRCUITOS INTEGRADOS EXISTENTES EN EL MERCADO.
  DEBEMOS SABER BUSCAR EL NECESARIO PARA NUESTRA
  APLICACIÓN

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NUESTRA LABOR COMO INGENIERO/DISEÑADOR CONSISTIRÁ
EN 1.- Identificación y comprensión del
problema 2.- Selección y búsqueda del Circuito
Integrado mas adecuado 3.- Comprensión del
funcionamiento del integrado. Estudio de sus
hojas características (Datasheet) 4.- Diseño del
interface con el mundo exterior
INTERFACE
MUNDO EXTERIOR
Selección del Circuito Integrado
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
Ejemplo secciones transversales de bipolar y
MOSFET
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Procesos de fabricación de circuitos integrados

• PROCESOS
• Preparación de la oblea
• Fabricación de las máscaras
• Litografía
• Adición de material
• Eliminación de material
• Test de la oblea, separación y encapsulado

1) Preparación de la oblea
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
2) Fabricación de máscaras

• (b) Máscara de dado individual con una copia del
  dado amplificado en x5 o x10

• Máscara completa de una oblea x1, con patrón de
  dado repetido para cada posición

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Procesos de fabricación de circuitos integrados
2) Fabricación de máscaras

• Litografía de proyección óptica de la oblea
  completa

(b) Litografía directa sobre oblea
Cinta PG
Cinta PG
Proyección óptica de la retícula mediante haz de
electrones
Fabricación de máscaras
Retícula x5 o x10
Reducción óptica y repetición de la retícula
sobre la oblea
Litografía
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
3) Litografía
Exposición de máscaras y revelado empleando
resina fotosensible positiva
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
4) Adición de material
Dimensiones típicas
4.1.) Crecimiento epitaxial
Capa epitaxial (epi) 2 a 25 mm

• - Se introducen dopantes B(P) y As(N)
• Proceso LPCVD
• SiCl42H2 - gtSi4HCl
• En torno a 1000-1200ºC

Sustrato 100 a 300 mm
4.2.) Deposición química en fase vapor a baja
presión (LPCVD)

• Usado en
• Polisilicio
• (SiH4 -gtSi2H2)
• Óxido de aislamiento
• (SiH4O2-gtSiO22H2)
• En torno a 400-500ºC

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Procesos de fabricación de circuitos integrados
4) Adición de material

• 4.3.) Oxidación térmica
• Calentamiento a 700-1300ºC
• Usado para realizar el óxido de campo

4.4.) Difusión e implantación iónica

• Implantación iónica
• Aceleración de partículas e implantación 1-2
  micras bajo la superficie
• Proceso de recocido (calentamiento) para
  uniformizar
• Difusión
• Calentamiento en atmósfera de impurezas
• Se generan huecos por el movimiento y
  penetran las impurezas

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Procesos de fabricación de circuitos integrados
4) Adición de material
4.5.) Metalizaciones (interconexiones)

• Formas de interconectar (dos niveles)
• Un nivel de polisilicio Un nivel de metal
• Un nivel de polisiliciuro (polisiliciometal)
  Un nivel de metal
• Dos niveles de metal
• Resistividades
• Polisilicio es aproximadamente 3 veces la del
  metal
• Polisilicio es aproximadamente 10 veces la del
  polisiliciuro

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Procesos de fabricación de circuitos integrados
5) Eliminación de material
5.1) Litografía y grabado
1) Vista transversal de partida
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
5) Eliminación de material
5.2) Atacado húmedo

• Se sumerge en un baño de disolvente
• Limitado a tamaños mayores de 2 micras
• Aparece efecto de ataque lateral
• Para evitarlo se usan materiales anisótropos para
  el atacado

1) Después del atacado
2) Después de eliminar la película
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
5) Eliminación de material
5.3.) Atacado seco
CF4(gas inerte)Si Temperatura -gt SiF4
Una descarga elimina el Si
Sistema de ataque por plasma mediante placas
paralelas
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
6) Test de la oblea, separación y encapsulado
Test con puntas de prueba Se somete a un conjunto
de vectores de test
Cortado
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Procesos de fabricación de circuitos integrados
6) Test de la oblea, separación y encapsulado
Encapsulado hilos de conexión y formatos
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EJEMPLO ILUSTRATIVO DE CIRCUITO INTEGRADO
Es un circuito ficticio con propósito educativo,
que tiene como único objetivo el visualizar de
una forma sencilla los pasos y procesos
físico/químicos que se siguen para obtener un
IC. La explicación esta muy simplificada.
OBJETIVO
PASOS A DAR PARA OBTENER UN IC CON ESTE CIRCUITO
BÁSICO
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PUNTO DE PARTIDA OBLEA DE SILICIO
"DADO" DE UN CIRCUITO INTEGRADO
SE FABRICAN MUCHOS CIRCUITOS INTEGRADOS A LA VEZ
SOBRE LA MISMA OBLEA. Lugar SALA BLANCA.
MICROELECTRÓNICA. PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOS
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Oblea de silicio
DETALLE DE UNO DE LOS DADOS
P
ESPESOR TÍPICO 150 ?
SUBSTRATO SILICIO MONOCRISTALINO TIPO P
P
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CRECIMIENTO EPITAXIAL
N
CAPA EPITAXIAL
25 ?
P
150 ?
CAPA EPITAXIAL
P
25
PROCESOS DE DIFUSIÓN
PELICULA FOTOSENSIBLE
CAPA DE OXIDO (Si O2)
N
P
26
LUZ
N
P
MASCARA 1 ISLAS, ZONA DE COLECTOR
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1º REVELADO PELÌCULA (ELIMINACIÓN DONDE HA DADO
LA LUZ) 2º DECAPADO DE LA CAPA DE OXIDO QUE NO
ESTA PROTEGIDA
N
P
N
28
PROCESO DE DIFUSIÓN CON DOPANTE P (Grupo III In,
Al, Ga, B)
N
ISLA
N
N
P
P
P
P
P
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LIMPIEZA DE LA PELÍCULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN
COMPLETA DE LA SUPERFICIE
N
N
N
P
P
P
P
P
30
NUEVA PELÍCULA FOTOSENSIBLE
N
N
N
P
P
P
P
P
31
LUZ
N
N
N
P
P
P
P
P
MASCARA 2
MÁSCARA 2 ZONAS DE BASE
32
P
P
N
33
PROCESO DE DIFUSIÓN CON DOPANTE P (Grupo III In,
Al, Ga, B)
P
P
P
N
N
N
P
N
34
LIMPIEZA DE LA PELÍCULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN
COMPLETA DE LA SUPERFICIE
P
P
P
N
N
N
P
N
35
NUEVA PELICULA FOTOSENSIBLE
P
P
P
N
N
N
P
N
36
LUZ
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
MASCARA 2
MÁSCARA 3 EMISOR
37
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
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PROCESO DE DIFUSIÓN CON DOPANTE N (Grupo V Sb,
As, Bi)
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
39
LIMPIEZA DE LA PELICULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN
COMPLETA DE LA SUPERFICIE
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
40
LUZ
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
MÁSCARA 4 METALIZACIONES
41
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
42
P
P
N
N
N
P
P
P
P
P
43
P
N
P
N
N
N
P
P
P
P
P
44
N
P
P
N
N
N
P
SUBSTRATO UNIDO AL PUNTO MAS NEGATIVO DEL
CIRCUITO (PARA QUE NO MOLESTE)
P
N
N
P
P
N
N
45
ACABADO FINAL CORTE, ENCAPSULADO Y CONEXIONADO
DETALLE DEL CONEXIONADO
"WIRE-BONDING"
OTROS ENCAPSULADOS
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DETALLE DE UN CIRCUITO REAL
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EJEMPLO TÍPICO DE CIRCUITO INTEGRADO DE PROPÓSITO
GENERAL
DIP-8