Circuitos integrados: qué son, diferencias con los impresos y más

circuitos integrados

Los circuitos integrados, chips, microchips, IC (Integrated Circuit) o CI (Circuito Integrado), o como los quieras llamar, son un tipo de circuitos electrónicos que han hecho posible el avance de la tecnología a los niveles actuales. Sin este invento, probablemente la computación y las telecomunicaciones no serían lo que son, y los aparatos electrónicos y eléctricos serían muy diferentes.

Pese a su diminuto tamaño, y que están por todas partes, estos circuitos integrados esconden grandes sorpresas por descubrir. Aquí podrás conocer mucho más de estos componentes electrónicos

¿Qué son los circuitos integrados?

circuitos integrados

Los circuitos integrados son pastillas de un semiconductor encapsuladas y que contienen un circuito electrónico grabado. Según la familia lógica a la que pertenezcan, esos circuitos estarán compuestos por diferentes componentes electrónicos miniaturizados. Por ejemplo, pueden ser diodos, transistores, resistencias, condensadores, etc.

Gracias a ellos se ha podido desarrollar la electrónica moderna e iniciar una nueva era dada la gran integración que permiten. De hecho, algunos de los más avanzados chips actuales pueden integrar hasta miles de millones de transistores en un troquel de apenas unos milímetros cuadrados.

Historia de los chips

En un principio, la electrónica comenzó a usar toscas válvulas de vacío similares a las bombillas convencionales. Éstas válvulas eran de gran tamaño, muy poco eficientes, se calentaban bastante, y se estropeaban fácilmente, por lo que había que sustituir las fundidas para que los ordenadores y otros equipos que las tenían siguieran funcionando.

En 1947 llegaría la invención del transistor, una pieza que sustituiría a las antiguas válvulas y que también revolucionaría la electrónica. Gracias a él se podía tener un dispositivo de estado sólido, mucho más resistente, eficiente, y rápido que las válvulas. Sin embargo, algunos pensaron que podían integrar varios de estos elementos en una sola pastilla de silicio. Así es como se crearon los primeros circuitos integrados de la historia.

Con el tiempo, la electrónica de estado sólido fue evolucionando y reduciendo el tamaño de los componentes, así como abaratando costes. A finales de los años 50, un inventor de Texas Instruments, llamado Jack Kilby, se le ocurrió crear una pastilla semiconductora y unos cableados que entrelazaban las diferentes partes. Esto se transformó en el primer chip de la historia, y llegaría a ganar el Premio Nobel por ello.

Casi paralelamente, Robert Noyce, en aquel momento empleado de Fairchild Semiconductor (luego uno de los fundadores de Intel), también desarrolló un dispositivo similar, pero con grandes ventajas sobre el de Kilby. Noyce había creado la idea que daría paso a los actuales circuitos integrados. A esta tecnología se le llamó planar, y tenía ventajas sobre la tecnología mesa de Kilby.

Desde entonces, no se ha cesado en la evolución y mejora de estos componentes. Los costes han caído en picado, al igual que el consumo y el tamaño, mientras que el rendimiento y prestaciones han mejorado de forma estratosférica. Ningún otro sector ha evolucionado tanto, y ningún otro sector ha tenido un impacto tan grande en la humanidad…

¿Cómo se fabrican?

El procedimiento de fabricación de los circuitos integrados es algo extremadamente complejo. Sin embargo, como se aprecia en el vídeo, se puede resumir en algunos pasos más sencillos para que las personas puedan entender cómo se hacen.

Aquí intentaré resumir los pasos de diseño lo mejor posible, sin profundizar demasiado, ya que daría para miles de artículos:

  1. Se parte de una necesidad, una aplicación para la que se necesite crear un circuito electrónico.
  2. Un equipo de diseño se encarga de esbozar las características y especificaciones que debe tener el chip.
  3. Después se comenzará a diseñar empleando puertas lógicas y otros elementos de memoria, etc., hasta conseguir un diseño lógico que desarrolle la función para la que se diseña este chip.
  4. Tras esto, pasará a una serie de pasos entre los que se realizan pruebas y simulaciones para determinar que funciona correctamente a nivel lógico, e incluso se llegan a fabricar chips de prueba para ver si lo hacen físicamente.
  5. Una vez ha finalizado la etapa de diseño, a partir del layout del circuito diseñado se crean una serie de máscaras para la fabricación. En ellas se graba un patrón para que se pueda grabar éste sobre el silicio.
  6. Este patrón es usado por la foundry o fábrica, para ir creando los circuitos integrados en una oblea semiconductora. Estas obleas suelen contener hasta 200 o 300 chips en algunos casos.

Esto es en cuanto a la etapa de diseño, desde el lado de la manufactura, tenemos:

  1. Se obtiene el mineral de silicio de arena o de cuarzo.
  2. Una vez se refina para que sea ultra-puro, o EGS (Electronic-Grade Silicon), con un nivel de pureza superior al silicio empleado en otras industrias.
  3. Este EGS llega en forma de piezas a la fundición, donde se funde en un crisol y mediante un cristal semilla se hace crecer mediante método Czochralski. Para que se entienda fácilmente, es similar a cómo se hace el algodón de azúcar típico de las ferias, introduces el palo (cristal semilla) y el algodón (silicio fundido) se va pegando y aumentando de volumen.
  4. Al final de ese paso, el resultado es un lingote, una pieza de gran tamaño de cristal monocristalino de silicio en forma de cilindro. Esta barra se corta en obleas muy delgadas.
  5. Dichas obleas pasan una serie de procesos para pulir la superficie y que queden impolutas para el inicio de la producción.
  6. Después, esas obleas irán pasando por varios procesos repetitivos para crear en ellas los chips. Estos procesos son de tipo fisico-químico, como la fotolitografía, el grabado o ataque, el crecimiento epitaxial, oxidación, implantación iónica, etc.
  7. La idea final es crear en el sustrato de la oblea unos componentes electrónicos, generalmente transistores, y luego ir agregando capas para interconectar dichos componentes para formar puertas lógicas en las capa más baja, luego en las siguientes capas se conectan estas puertas para formar unidades elementales (sumadores, registros,…), en las siguientes capas unidades funcionales (memoria, ALU, FPU,…), y por último se interconectan todas para crear el circuito completo, por ejemplo, una CPU. En un chip avanzado puede haber hasta 20 capas.
  8. Tras todos estos procesos, que pueden durar varios meses hasta que se completa, se obtendrán cientos de circuitos iguales por cada oblea. Lo siguiente es probarlos y cortarlos, es decir, dividirlos en pastillas de silicio individuales.
  9. Ahora que ya son troqueles sueltos, se procede a encapsular (DIP, SOIC, PGA, QFP,…) donde se protege el chip y se conectan los pads, que son unas pistas conductoras en la superficie, con los pines del circuito integrado.

Evidentemente, no todos los circuitos integrados son iguales. Aquí he hablado de unidades funcionales y cosas más complejas como una CPU, pero también hay circuitos muy sencillos como un temporizador 555 o un CI con 4 puertas lógicas que son extremadamente sencillos. Tan solo tendrán unas decenas de componentes y se enlazarán con una o pocas capas de interconexiones metálicas…

Tipos de ICs

chip RISC-V

No solo existe un tipo, sino varios tipos de circuitos integrados. Los más destacados que puedes encontrar son:

  • Circuitos integrados digitales: son bastante populares, y empleados en muchos aparatos modernos, desde computadoras, hasta dispositivos móviles, Smart TVs, etc. Se caracterizan por funcionar en base al sistema digital, es decir, con 0 y 1, siendo 0 una señal baja de voltaje y 1 una señal alta. De esta forma es como codifican la información y operan. Ejemplos pueden ser PLCs, FPGAs, memorias, CPU, GPU, MCU, etc.
  • Analógicos: en vez de estar basados en señales binarias, en este caso son señales continuas variables en voltaje. Gracias a ello pueden conseguir tareas como el filtrado, ampliación de señal, demodulación, modulación, etc. Por supuesto, muchos sistemas trabajan con circuitos analógicos y digitales, haciendo uso de conversores de AD/DA. Se pueden dividir en dos grandes grupos, los circuitos integrados lineales y los de radiofrecuencia (RF). Ejemplos podrían ser un chip para filtrado de audio, los amplificadores de sonido, sistemas de emisión o recepción para ondas electromagnéticas, sensores, etc.
  • Circuitos integrados de señal mixta: como su nombre indica, son mezcla de ambos. Algunos ejemplos podrían ser los propios conversores analógico-digital, o digital-analógico, ciertos chips para relojes, temporizadores, codificadors/decodificadores, etc.

Diferencias con los circuitos impresos

PCB circuitos impresos

No hay que confundir los circuitos integrados con los circuitos impresos. Ambos son cosas diferentes. Mientras los primeros se refieren a los microchips, como has visto, los circuitos impresos, o PCB, son otro tipo de circuitos electrónicos que están impresos en placas de mayor tamaño.

Las diferencias más notables son:

  • Circuitos impresos: se componen de una placa que tiene un patrón de trazos conductores, como pueden ser pistas de cobre para enlazar los diferentes componentes insertados (condensadores, transistores, resistencias, microchips,…), soldados mediante soldadura de estaño, además de un material dieléctrico (sustrato) que separa las capas de interconexiones conectoras. También suelen tener agujeros pasantes o vías, para los componentes que no son de montaje superficial (SMD). Por otro lado, suelen disponer de una leyenda, una serie de marcas, letras y números para identificar los componentes y facilitar el mantenimiento. Para proteger el cobre, que se oxida fácilmente, generalmente suelen tener un tratamiento superficial. Y, a diferencia de los circuitos integrados, éstas se pueden reparar, sustituyendo los componentes dañados o restaurando las interconexiones.
  • Circuitos integrados: tienen un tamaño muy pequeño, son de estado sólido, y tienen un bajo coste de producción en masa. A diferencia de un PCB, estos no pueden ser reparados, ya que sus componentes y conexiones son tan extremadamente diminutas que es imposible.

Ni los circuitos integrados son sustitutos de los circuitos impresos ni viceversa. Ambos tienen sus utilidades y en la mayoría de los casos van juntos en las aplicaciones prácticas…

Circuitos integrados más populares

 

microchips, circuitos integrados

Por último, existen en el mercado multitud de circuitos integrados muy populares empleados para proyectos de electrónica, como los de puertas lógicas. Son baratos, y se pueden conseguir fácilmente en tiendas como Amazon o especializadas de electrónica. Por ejemplo, aquí tienes algunos de los más populares:


El contenido del artículo se adhiere a nuestros principios de ética editorial. Para notificar un error pincha aquí.

Sé el primero en comentar

Deja tu comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.

*

*

  1. Responsable de los datos: Miguel Ángel Gatón
  2. Finalidad de los datos: Controlar el SPAM, gestión de comentarios.
  3. Legitimación: Tu consentimiento
  4. Comunicación de los datos: No se comunicarán los datos a terceros salvo por obligación legal.
  5. Almacenamiento de los datos: Base de datos alojada en Occentus Networks (UE)
  6. Derechos: En cualquier momento puedes limitar, recuperar y borrar tu información.

English testTest CatalàTest español