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MICROELECTRÒNICA
TRABAJO COLABORATIVO 1
ANTONIO VALDELAMAR.
ALFREDO TOCUA BLANCO
Grupo: 299008_23
TUTOR:
NESTOR JAVIER RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA-UNAD
MARZO DE 2014
INTRODUCCIÓN
Este trabajo presenta en su primer contenido el desarrollo del ensayo en el cual
se integraron los aportes de cada una de las participantes en el foro, tomando
como base la bibliográfica y video sugerido en la guía del tutor.
La segunda parte muestra la utilidad del programa microwind para desarrollar
prácticas de compuertas y lenguaje de programación.
Este trabajo nos permitió realizar la transferencia de los contenidos de la
unidad uno y conocer como se componen los elementos que a diario utilizamos
en nuestra vida cotidiana, además de integrar el uso de herramientas software
que permiten el manejo de simuladores para alcanzar los objetivos propuestos.
OBJETIVOS
La familiarización con las herramientas software que permiten la
simulación de circuitos de compuertas.
El trabajo colaborativo que permite la integración de conceptos para
transferir el aprendizaje en los contenidos sugeridos en la guía.
El desarrollo y articulación de los ensayos a través de la síntesis de los
contenidos cargados en el foro.
1. ASPECTO IMPORTANTES
FABRICACIÒN DE CIRCUÌTOS INTEGRADOS
Cada vez más pequeño— Cada vez más rápido, este es el principio de
operación de los Circuitos Integrados, desde que en 1958 cuando el ingeniero
Jack Kilby desarrollo la primera integración de seis transistores en una
pequeña capsula, hemos visto el avance significativo que ha tenido la
integración de componentes a grandes escalas de millones de elementos por
Chip.
Los circuitos Integrados están formados por muchos componentes activos y
pasivos reunidos en una capsula para realizar funciones específicas y
complejas. Los Chips que se componen de silicio que es un elemento de la
tabla periódica, tan sencillo en su presentación natural y a la vez tan complejo
debido a la forma en la cual el hombre la ha usado en el desarrollo tecnológico
necesaria para aumentar la calidad de vida de la humanidad, brindando
comodidades y mejoramiento en procesos industriales facilitando a las
personas el día a día. El Silicio es un material de muy bajo costo, es casi arena
y su valor es muy bajo, es el segundo elemento más abundante en la corteza
terrestre (27,7% en peso) después del oxígeno, pero en sí su proceso de
manufactura es bastante costoso para la fabricación de los
microprocesadores, la automatización de las plantas y su mantenimiento.
El Silicio lleva todo un proceso para dotarlo de las condiciones necesarias
para convertirlo en semiconductor, esto ha permitido el desarrollo de
tecnologías en todos los campos de la vida. Las máquinas fueron adquiriendo
tamaños muchos más manejables hasta llegar a lo que hoy en día conocemos
como la tecnología portátil, que va desde un aparato celular hasta complejos
equipos de cómputo para desarrollar actividades y poseer conectividad desde
cualquier lugar del mundo gracias a la integración de componentes en un Chip.
La fabricación de un Circuito Integrado comienza con el desarrollo de un diseño
a cargo de un gran número de expertos ingenieros a través de un programa
asistido por computador, donde se genera un plano de acuerdo a los
requerimientos específicos y las tareas que debe cumplir el Chip, este proceso
computarizado pasa por el simulador, donde se verifican todas las variables de
operación del circuito, estas deben ser evaluadas por el equipo técnico para
realizar los ajustes necesarios.
Este proceso es un tanto artístico ya que hay un gran componente intelectual e
imaginativo, cuando pensamos que las tareas que realizamos diariamente y
que hacen fácil nuestro vivir y que detrás de ellas hay cientos de elementos
que gracias a la integración a gran escala nos permiten contar con dispositivos
tan manejables y portables, yo diría que si hay arte detrás de todo esto.
Luego de pasar por todo este proceso se pasa a los trazadores gráficos donde
dibujan el Layout y vemos las reales dimensiones de los componentes e
integración del circuito.
Dado que el proceso de ensamble de los chips es muy delicado y de alta
precisión las láminas de silicio tiene un tratamiento especial, bajo las prácticas
de manufactura más estrictas, el ambiente tiene que estar libre de material
particulado, evitando así que un dispositivo salga defectuoso; por ello el
proceso de ensamble se encuentra automatizado donde unas máquinas
especiales mueven las láminas de silicio durante todo el proceso de
fotolitografía donde por medio de un proceso químico se imprime una fotografía
por así decirlo del diseño tan miniaturizado del plano del chip, para la
producción masiva.
Llevado por un proceso de manufacturación en compañías especializadas en
todo el mundo, que se dedican a la investigación para poner a disposición de
los mercados cada día Chip más poderosos y eficientes, vemos que la
tecnología parece no tener límites y nosotros debemos empezar a convivir en
realidades que jamás nos hubiéramos imaginados, así como tampoco lo pudo
imaginar quien percibió le idea de integración de elementos en un solo circuito
por primera vez.
La realidad es que si analizamos las ventajas y desventajas de estos
dispositivos nos daremos cuenta que estos son hoy en día una necesidad más
del hombre. Ya nada funciona sin un circuito integrado y lo más interesante es
que en su mayoría son irremplazables, por el simple hecho de cómo están
instalados y su nivel de producción.
En nuestro mundo que cada día está en avance y corre a mil por hora es más
común toparnos con una tecnología y con una fiebre tecnológica alta, las
personas se enfrenta a retos cada momento de sus vidas y si miran como
evoluciona se darán cuenta que la miniaturización se está tomando el mundo.
A caso las personas se preguntan cómo llegan las cosas tecnológicas a sus
manos y que proceso experimentan para llegar a ser lo que son…??? Es un
interrogante grande pues muchos solo piensan en tener lo último en
“Guaracha” o tecnología en sus manos, como por ejemplo los celulares que
cada día son más avanzados por causa de la miniaturización.
El video me pareció súper interesante ya lo había visto en alguna ocasión pero
no le había puesto mucha atención pero de verdad es bien chévere que
nosotros como estudiantes estemos más metidos en temas que nos brindan
mucha facilidad de entendimiento de ciertos procesos con afines de nuestra
carrera.
A continuación quiero que recordemos un poco de conceptos
Circuito integrado
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una
pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados
de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante
fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o
cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer
conexión entre la pastilla y un circuito impreso.
El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos
experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar
algunas de las funciones de las válvulas de vacío.
La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños
chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío
(válvulas) y en la fabricación de circuitos electrónicos utilizando componentes
discretos.
La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y
la facilidad de agregarles complejidad, llevó a su estandarización,
reemplazando diseños que utilizaban transistores discretos, y que pronto
dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío.
Son tres las ventajas más importantes que tienen los circuitos integrados sobre
los circuitos electrónicos construidos con componentes discretos: su menor
costo; su mayor eficiencia energética y su reducido tamaño. El bajo costo es
debido a que los CI son fabricados siendo impresos como una sola pieza por
fotolitografía a partir de una oblea, generalmente de silicio, permitiendo la
producción en cadena de grandes cantidades, con una muy baja tasa de
defectos. La elevada eficiencia se debe a que, dada la miniaturización de todos
sus componentes, el consumo de energía es considerablemente menor, a
iguales condiciones de funcionamiento que un homólogo fabricado con
componentes discretos. Finalmente, el más notable atributo, es su reducido
tamaño en relación a los circuitos discretos; para ilustrar esto: un circuito
integrado puede contener desde miles hasta varios millones de transistores en
unos pocos centímetros cuadrados.
Fabricación de circuitos integrados: es un proceso complejo y en el que
intervienen numerosas etapas. Cada fabricante de circuitos integrados tiene
sus propias técnicas que guardan como secreto de empresa, aunque las
técnicas son parecidas, en este video que nos mostró la cadena de
DISCOVERY CHANNEL muestra con de ser un montón de arena y piezas
llega a ser transformado en una lámina de silicio y estas laminas terminadas
llevan hasta 1.000 microchips diferentes y más de 4 billones de componentes
de circuitos, luego se recorta para darle vida y forma a lo que conocemos como
un microchip.
Los dispositivos integrados pueden ser tanto analógicos como digitales, aunque
todos tienen como base un material semiconductor, normalmente el silicio.
Para entender de una mejor manera el video ya que este es bastante y claro
quiero presentar lo pasa para su fabricación
Pasos Generales de Fabricación de un Circuito Integrado formado por
Silicio como componente activo
Los pasos de fabricación básica se pueden realizar muchas veces, en
diferentes combinaciones y en diferentes condiciones de procedimiento durante
un turno de fabricación completo.
Preparación de la oblea
El material inicial para los circuitos integrados modernos es el Silicio de muy
alta pureza, donde adquiere la forma de un cilindro sólido de color gris acero de
10 a 30 cm de diámetro y puede ser de 1m a 2m de longitud. Este cristal se
rebana para producir obleas circulares de 400um a 600um de espesor, (1um es
igual a 1x10-6 metros). Después, se alisa la pieza hasta obtener un acabado de
espejo, a partir de técnicas de pulimento químicas y mecánicas. Las
propiedades eléctricas y mecánicas de la oblea dependen de la orientación de
los planos cristalinos, concentración e impurezas existentes. Para aumentar la
resistividad eléctrica del semiconductor, se necesita alterar las propiedades
eléctricas del Silicio a partir de un proceso conocido como dopaje. Una oblea
de silicio tipo n excesivamente impurificado (baja resistividad) sería designada
como material n+, mientras que una región levemente impurificada se
designaría n-.
Oxidación
Se refiere al proceso químico de reacción del Silicio con el Oxígeno para formar
Dióxido de Silicio (SiO2). Para acelerar dicha reacción se necesitan de hornos
ultra limpios especiales de alta temperatura. El Oxígeno que se utiliza en la
reacción se introduce como un gas de alta pureza (proceso de “oxidación
seca”) o como vapor (“oxidación húmeda”). La Oxidación húmeda tiene una
mayor tasa de crecimiento, aunque la oxidación seca produce mejores
características eléctricas. Su constante dieléctrica es 3.9 y se le puede utilizar
para fabricar excelentes condensadores. El Dióxido de Silicio es una película
delgada, transparente y su superficie es altamente reflejante. Si se ilumina con
luz blanca una oblea oxidada la interferencia constructiva y destructiva hará
que ciertos colores se reflejen y con base en el color de la superficie de la
oblea se puede deducir el espesor de la capa de Óxido.
Difusión
Es el proceso mediante el cual los átomos se mueven de una región de alta
concentración a una de baja a través del cristal semiconductor. En el proceso
de manufactura la difusión es un método mediante el cual se introducen
átomos de impurezas en el Silicio para cambiar su resistividad; por lo tanto,
para acelerar el proceso de difusión de impurezas se realiza a altas
temperaturas (1000 a 1200 °C), esto para obtener el perfil de dopaje deseado.
Las impurezas más comunes utilizadas como contaminantes son el Boro (tipo
p), el Fósforo (tipo n) y el Arsénico (tipo n). Si la concentración de la impureza
es excesivamente fuerte, la capa difundida también puede utilizarse como
conductor.
Implantación de iones
Es otro método que se utiliza para introducir átomos de impurezas en el cristal
semiconductor. Un implantador de iones produce iones del contaminante
deseado, los acelera mediante un campo eléctrico y les permite chocar contra
la superficie del semiconductor. La cantidad de iones que se implantan puede
controlarse al variar la corriente del haz (flujo de iones). Este proceso se utiliza
normalmente cuando el control preciso del perfil del dopaje es esencial para la
operación del dispositivo.
Deposición por medio de vapor químico
Es un proceso mediante el cual gases o vapores se hacen reaccionar
químicamente, lo cual conduce a la formación de sólidos en un sustrato. Las
propiedades de la capa de óxido que se deposita por medio de vapor químico
no son tan buenas como las de un óxido térmicamente formado, pero es
suficiente para que actúe como aislante térmico. La ventaja de una capa
depositada por vapor químico es que el óxido se deposita con rapidez y a una
baja temperatura (menos de 500°C).
Metalización
Su propósito es interconectar los diversos componentes (transistores,
condensadores, etc.) para formar el circuito integrado que se desea, implica la
deposición inicial de un metal sobre la superficie del Silicio. El espesor de la
película del metal puede ser controlado por la duración de la deposición
electrónica, que normalmente es de 1 a 2 minutos.
Fotolitografía
Esta técnica es utilizada para definir la geometría de la superficie de los
diversos componentes de un circuito integrado. Para lograr la fotolitografía,
primeramente se debe recubrir la oblea con una capa fotosensible llamada
sustancia fotoendurecible que utiliza una técnica llamada “de giro”; después de
esto se utilizará una placa fotográfica con patrones dibujados para exponer de
forma selectiva la capa fotosensible a la iluminación ultravioleta. Las áreas
opuestas se ablandarán y podrán ser removidas con un químico, y de esta
manera, producir con precisión geometrías de superficies muy finas. La capa
fotosensible puede utilizarse para proteger por debajo los materiales contra el
ataque químico en húmedo o contra el ataque químico de iones reactivos. Este
requerimiento impone restricciones mecánicas y ópticas muy críticas en el
equipo de fotolitografía.
Empacado
Una oblea de Silicio puede contener varios cientos de circuitos o chips
terminados, cada chip puede contener de 10 a 108 o más transistores en un
área rectangular, típicamente entre 1 mm y 10 mm por lado. Después de haber
probado los circuitos eléctricamente se separan unos de otros (rebanándolos) y
los buenos (“pastillas”) se montan en cápsulas (“soportes”). Normalmente se
utilizan alambres de oro para conectar las terminales del paquete al patrón de
metalización en la pastilla; por último, se sella el paquete con plástico o resina
epóxica al vacío o en una atmósfera inerte.
El video muestra las diferentes empresas líderes en la fabricación de
microchips es de las láminas de silicio, aquí escribo un aporte de una de ellas
la Texas Instruments donde son 1.500 pasos para la construcción de principio
a fin.
Texas Instruments, más conocida en la industria electrónica como TI, es una
empresa norteamericana con sede en Dallas (Texas, EE. UU.) Que desarrolla y
comercializa semiconductores y tecnología para ordenadores. TI es el tercer
mayor fabricante de semiconductores del mundo tras Intel y Samsung y es el
mayor suministrador de circuitos integrados para teléfonos móviles. Igualmente,
es el mayor productor de procesadores digitales de señal y semiconductores
analógicos. Otras áreas de actividad incluyen circuitos integrados para módem
de banda ancha, periféricos para ordenadores, dispositivos digitales de
consumo y RFID.
Fragmentos de poemas de William Blake
“Para ver el mundo en un grano de arena, Y el Cielo en una flor silvestre,
Abarca el infinito en la palma de tu mano Y la eternidad en una hora.
Aquel que se liga a una alegría Hace esfumar el fluir de la vida;
Aquél quien besa la joya cuando esta cruza su camino Vive en el amanecer de
la eternidad.”
En el video hace referencia a este aparte de este poema de William Blake
donde dice “Un mundo en un grano de arena”, ya que esto hace notar que la
miniaturización se está tomando el mundo con cosas más pequeñas, el video
en realidad es muy interesante ya que nos muestra paso por paso la
fabricación de microchips, su proceso varía desde el comienzo ya que cada vez
que pasa por cierta etapa cambia su forma, así como se dice al principio de
este escrito la tecnología tiene a este mundo cada vez tomada.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
CONCLUSIONES
Este trabajo nos permitió realizar la práctica de la herramienta software de
microwind, para crear la simulación de la compuerta lógica NOR, además de la
consolidación y síntesis del ensayo con los aportes del foro.
Hemos realizado la transferencia de los contenidos de la unidad uno a través
del aprendizaje colaborativo y la integración de las herramientas software
sugerida.
BIBLIOGRAFIA
ROBAYO. Faiber. Microelectrónica. Módulo, UNAD. Bogotá, Julio 2009.
http://wordpress.com/2011/06/29/simulador-de-microwin-y-manual/, tomado el
22 e abril de 2012.
http://www.mitecnologico.com/Main/CompuertasLogicas, tomado el 24 de abril
de 2012.
http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado
http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_de_circuitos_integrados
http://es.wikipedia.org/wiki/Texas_Instruments