Els circuits integrats, xips, microxips, IC (Integrated Circuit) o CI (Circuit Integrat), o com els vulguis trucar, són un tipus de circuits electrònics que han fet possible l'avenç de la tecnologia als nivells actuals. Sense aquest invent, probablement la computació i les telecomunicacions no serien allò que són, i els aparells electrònics i elèctrics serien molt diferents.
Malgrat la seva mida diminuta, i que estan per tot arreu, aquests circuits integrats amaguen grans sorpreses per descobrir. Aquí podreu conèixer molt més d'aquests components electrònics...
Què són els circuits integrats?
Els circuits integrats són pastilles d'un semiconductor encapsulades i que contenen un circuit electrònic gravat. Segons la família lògica a què pertanyin, aquests circuits estaran compostos per diferents components electrònics miniaturitzats. Per exemple, poden ser díodes, transistors, resistències, condensadors, etc.
Gràcies a ells s'ha pogut desenvolupar la electrònica moderna i iniciar una nova era donada la gran integració que permeten. De fet, alguns dels més avançats xips actuals poden integrar fins a milers de milions de transistors en un encuny de tot just uns mil·límetres quadrats.
Història dels xips
Al principi, l'electrònica va començar a fer servir tosques vàlvules de buit similars a les bombetes convencionals. Aquestes vàlvules eren de grans dimensions, molt poc eficients, s'escalfaven força, i es feien malbé fàcilment, per la qual cosa calia substituir les foses perquè els ordinadors i altres equips que les tenien continuessin funcionant.
En 1947 arribaria la invenció del transistor, una peça que substituiria les antigues vàlvules i que també revolucionaria l'electrònica. Gràcies a ell es podia tenir un dispositiu d'estat sòlid, molt més resistent, eficient i ràpid que les vàlvules. Tot i això, alguns van pensar que podien integrar diversos d'aquests elements en una sola pastilla de silici. És així com es van crear els primers circuits integrats de la història.
Amb el temps, l'electrònica d'estat sòlid va anar evolucionant i reduint la mida dels components, així com abaratint costos. A finals dels anys 50, un inventor de Texas Instruments, anomenat Jack Kilby, se li va acudir crear una pastilla semiconductora i uns cablejats que entrellaçaven les diferents parts. Això es va transformar en el primer xip de la història, i arribaria a guanyar el premi Nobel per això.
Gairebé paral·lelament, Robert Noyce, en aquell moment emprat de Fairchild Semiconductor (després un dels fundadors d'Intel), també va desenvolupar un dispositiu similar, però amb grans avantatges sobre el de Kilby. Noyce havia creat la idea que donaria pas als circuits integrats actuals. A aquesta tecnologia se li va anomenar planar, i tenia avantatges sobre la tecnologia taula de Kilby.
Des de llavors, no s'ha cessat en l'evolució i millora daquests components. Els costos han caigut en picat, igual que el consum i la mida, mentre que el rendiment i les prestacions han millorat de forma estratosfèrica. Cap altre sector ha evolucionat tant, i cap altre sector ha tingut un impacte tan gran a la humanitat…
Com es fabriquen?
El procediment de fabricació dels circuits integrats és una cosa extremadament complexa. No obstant això, com s'aprecia al vídeo, es pot resumir en alguns passos més senzills perquè les persones puguin entendre com es fan.
Aquí intentaré resumir els passos de disseny el millor possible, sense aprofundir gaire, ja que donaria per a milers d'articles:
- Es parteix d'una necessitat, una aplicació per a la qual cal crear un circuit electrònic.
- Un equip de disseny sencarrega de esbossar les característiques i especificacions que ha de tenir el xip.
- Després es començarà a dissenyar fent servir portes lògiques i altres elements de memòria, etc., fins a aconseguir un disseny lògic que desenvolupi la funció per a la qual es dissenya aquest xip.
- Després, passarà a una sèrie de passos entre els quals es realitzen proves i simulacions per determinar que funciona correctament a nivell lògic, i fins i tot s'arriben a fabricar xips de prova per veure si ho fan físicament.
- Un cop finalitzada l'etapa de disseny, a partir del layout del circuit dissenyat es creen una sèrie de màscares per a la fabricació. S'hi grava un patró perquè es pugui gravar aquest sobre el silici.
- Aquest patró és usat per la foundry o fàbrica, per anar creant els circuits integrats en una hòstia semiconductora. Aquestes hòsties solen contenir fins a 200 o 300 xips en alguns casos.
Això és quant a l'etapa de disseny, des de el costat de la manufactura, Tenim:
- S'obté el mineral de silici de sorra o de quars.
- Un cop es refina perquè sigui ultra-pur, o EGS (Electronic-Grade Silicon), amb un nivell de puresa superior al silici emprat en altres indústries.
- Aquest EGS arriba en forma de peces a la fosa, on es fon en un gresol i mitjançant un vidre llavor es fa créixer mitjançant mètode Czochralski. Perquè s'entengui fàcilment, és similar a com es fa el cotó de sucre típic de les fires, introdueixes el pal (cristall llavor) i el cotó (silici fos) es va enganxant i augmentant de volum.
- Al final d'aquest pas, el resultat és un lingot, una peça de grans dimensions de vidre monocristal·lí de silici en forma de cilindre. Aquesta barra es talla en hòsties molt primes.
- Aquestes hòsties passen una sèrie de processos per polir la superfície i que quedin impol·lutes per a l'inici de la producció.
- Després, aquestes hòsties aniran passant per diversos processos repetitius per crear-hi els xips. Aquests processos són de tipus fisicoquímic, com la fotolitografia, el gravat o atac, el creixement epitaxial, oxidació, implantació iònica, etc.
- La idea final és crear en el substrat de l'hòstia uns components electrònics, generalment transistors, i després anar agregant capes per interconnectar aquests components per formar portes lògiques a les capa més baixa, després a les següents capes es connecten aquestes portes per formar unitats elementals (sumadors, registres,…), a les següents capes unitats funcionals (memòria, ALU, FPU,…), i finalment s'interconnecten totes per crear el circuit complet, per exemple, una CPU. En un xip avançat hi pot haver fins a 20 capes.
- Després de tots aquests processos, que poden durar uns quants mesos fins que es completa, s'obtindran centenars de circuits iguals per cada oblia. El següent és provar-los i tallar-los, és a dir, dividir-los en pastilles de silici individuals.
- Ara que ja són encunys solts, es procedeix a encapsular (DIP, SOIC, PGA, QFP,…) on es protegeix el xip i es connecten els pads, que són unes pistes conductores a la superfície, amb els pins del circuit integrat.
evidentment, no tots els circuits integrats són iguals. Aquí he parlat d´unitats funcionals i coses més complexes com una CPU, però també hi ha circuits molt senzills com un temporitzador 555 o un CI amb 4 portes lògiques que són extremadament senzills. Només tindran unes desenes de components i s'enllaçaran amb una o poques capes d'interconnexions metàl·liques…
Tipus d'ICs
No només existeix un tipus, sinó diversos tipus de circuits integrats. Els més destacats que podeu trobar són:
- Circuits integrats digitals: són força populars, i emprats en molts aparells moderns, des d'ordinadors, fins a dispositius mòbils, Smart TVs, etc. Es caracteritzen per funcionar en base al sistema digital, és a dir, amb 0 i 1, essent 0 un senyal baix de voltatge i 1 un senyal alt. D'aquesta manera és com codifiquen la informació i operen. Exemples poden ser PLCs, FPGAs, memòries, CPU, GPU, MCU, etc.
- analògics: en comptes d'estar basats en senyals binaris, en aquest cas són senyals continus variables en voltatge. Gràcies a això poden aconseguir tasques com el filtratge, ampliació de senyal, demodulació, modulació, etc. Per descomptat, molts sistemes treballen amb circuits analògics i digitals, fent ús de convertidors d'AD/DA. Es poden dividir en dos grans grups, els circuits integrats lineals i els de radiofreqüència (RF). Exemples podrien ser un xip per a filtratge d'àudio, els amplificadors de so, sistemes d'emissió o recepció per a ones electromagnètiques, sensors, etc.
- Circuits integrats de senyal mixte: com el seu nom indica, són barreja de tots dos. Alguns exemples podrien ser els mateixos convertidors analògic-digital, o digital-analògic, certs xips per a rellotges, temporitzadors, codificadors/decodificadors, etc.
Diferències amb els circuits impresos
Cal no confondre els circuits integrats amb els circuits impresos. Tots dos són coses diferents. Mentre els primers es refereixen als microxips, com has vist, els circuits impresos, o PCB, són un altre tipus de circuits electrònics que estan impresos en plaques més grans.
Els diferències més notables són:
- Circuits impresos: es componen d'una placa que té un patró de traços conductors, com poden ser pistes de coure per enllaçar els diferents components inserits (condensadors, transistors, resistències, microxips,…), soldats mitjançant soldadura d'estany, a més d'un material dielèctric ( substrat) que separa les capes d'interconnexions connectores. També solen tenir forats passants o vies, per als components que no són de muntatge superficial (SMD). D'altra banda, solen disposar d'una llegenda, una sèrie de marques, lletres i números per identificar-ne els components i facilitar-ne el manteniment. Per protegir el coure, que s'oxida fàcilment, solen tenir generalment un tractament superficial. I, a diferència dels circuits integrats, es poden reparar, substituint els components danyats o restaurant les interconnexions.
- Circuits integrats: tenen una mida molt petita, són d'estat sòlid, i tenen un baix cost de producció en massa. A diferència d'un PCB, no poden ser reparats, ja que els seus components i connexions són tan extremadament diminutes que és impossible.
Ni els circuits integrats són substituts dels circuits impresos ni viceversa. Tots dos tenen les seves utilitats i en la majoria dels casos van junts a les aplicacions pràctiques…
Circuits integrats més populars
Finalment, existeixen al mercat multitud de circuits integrats molt populars empleats per a projectes d'electrònica, com els de portes lògiques. Són barats, i es poden aconseguir fàcilment a botigues com Amazon o especialitzades d'electrònica. Per exemple, aquí en tens alguns dels més populars:
- Kit de 75 CIs populars d'Interestellar Electronics
- No s'ha trobat cap producte..
- 10 circuits integrats del popular temporitzador NE555.
- No s'ha trobat cap producte..