El circuit integrat

Col·laboració de Andrés Abáigar per al capítol Transistors

Un circuit integrat és una pastilla (o “xip”) molt prima en la qual s’hi troben milers o milions de dispositius electrònics interconnectats, principalment transistors o díodes, encara que també components passius com ara resistències o capacitadors. La seva àrea pot ser d’un cm_ o, fins i tot, inferior. Alguns dels circuits integrats més avançats son els microprocessadors que controlen múltiples artefactes: des de computadores fins electrodomèstics, passant pels telèfons mòbils. Una altra família important de circuits integrats està constituïda per les memòries digitals.

Els avenços que van fer possible el circuit integrat han estat, fonamentalment, els desenvolupaments en la fabricació de dispositius semiconductors a mitjans del segle XX i els descobriments experimentals que van mostrar que aquests dispositius podien reemplaçar les funcions de les vàlvules o tubs de buit, que es tornaren ràpidament obsoletes al no poder competir amb l’abaratiment de costos de fabricació i, per tant de venda; la reducció del tamany (miniaturització); el consum d’energia moderat; la millora de la fiabilitat del circuit; els temps mínims de commutació, l’augment en l’automatització dels processos de fabricació i la versatilitat dels circuits integrats.

Tan sols ha passat mig segle des de l’inici del seu desenvolupament i ja s’han tornat omnipresents. Computadores, telèfons mòbils i d’altres aplicacions digitals son ara parts essencials de les societats modernes. La informàtica, les comunicacions, la manufactura i els sistemes de transport, incloent-hi Internet, depenen de l’existència dels circuits integrats. De fet, molts acadèmics creuen que la revolució digital impulsada pels circuits integrats és un dels successos més destacats de la història de la humanitat.

El primer circuit integrat va ser desenvolupat l’any 1958 per l’enginyer Jack Kilby just mesos després d’ésser contractat per la firma Texas Instruments. Es tractava d’un dispositiu de Germani que integrava sis transistors en una mateixa base semiconductora per formar un oscil·lador de rotació de fase. L’any 2000 Kilby fou coguardonat amb el Premi Nobel de Física per la contribució del seu invent al desenvolupament de la tecnologia de la informació.

Inicialment els circuits integrats es classificaven segons les funcions integrades que realitzen (analògics i digitals) i pel nombre d’elements que els formaven (Small, Medium, Large, Very Large i Ultra Large, deixant fora d’aquesta escala als processadors perquè, actualment estan formats per milers de transistors). Actualment, la tecnologia ha permès integrar circuits complexos en un sol xip, donant lloc a una classificació funcional dels circuits integrats segons el seu camp d’aplicació: circuits integrats lineals (dedicats a l’amplificació i tractament de senyals analògics d’alta i baixa freqüència, control de velocitat de motors de corrent continu, etc.), circuits integrats digitals (aquells que treballen en la tecnologia digital o binària, basada en la lògica de dos estats o àlgebra de Boole) i circuits integrats específics (aquells que realitzen funcions que empren tant la tecnologia digital com la tecnologia analògica).

Pel que fa referència a la fabricació dels circuits integrats, aquest procés usa tècniques similars a les de la construcció dels díodes i transistors. En primer lloc, es preparen els cristalls de silici en forma de cilindres, d’uns 7cm_ de superfície. A continuació es tracten els cristalls per tal de netejar-los d’impureses i es tallen en unes làmines molt primes de 150 mm de gruix.

Amb un ordinador s’ha dibuixat la forma que tindrà el circuit en el cristall, aquest dibuix es realitza a un grandària molt superior a la que tindrà en realitat. Després, amb mitjans fotogràfics, es transfereix la forma del circuit al cristall i, a continuació, a través d’un procés físico-químic, aquest queda incorporat al cristall, repetint-se diverses vegades donada la construcció per capes del circuit.

Quan es realitza aquest procés sobre la mateixa llesca de cristall es confeccionen centenars de circuits integrats que després es retallen per disposar d’ells individualment (xips), la mida dels quals s’aproxima a la del cap d’una agulla, de 1250 x 1250 mm.

Quan ja es disposa dels xips aquests s’encapsulen per tal de facilitar la seva manipulació, facilitant les connexions del xip a l’exterior. Aquesta encapsulació varia segons el tipus de funció, el nombre de potes exteriors i les condicions de l’entorn de treball, tot i que la més usual és l’anomenada DIL (Dual In Line) que consisteix en dues rengleres de potes en línia.

Les potes d’un circuit integrat porten a l’exterior les connexions útils pel circuit exterior, cada una de les quals té una funció específica. Cada pota té un número que la identifica tant a l’esquema com en el propi xip. El sistema per numerar aquest tipus d’encapsulat és el mateix independentment del nombre de potes.

Amb el transcurs dels anys, els circuits integrats estan constantment migrant a mides més petites i amb millors característiques, permetent que hi hagi més circuits empaquetats a cada xip. Al mateix temps que la mida es redueix, pràcticament tot millora ja que el cost i el consum d’energia disminueix i la velocitat augmenta (llei de Moore). D’aquesta manera, els circuits integrats evolucionen dia a dia i encara no es veu el dia en que aquest procés pugui aturar-se.

Col·laboració de Andrés Abáigar per al capítol Transistors