Circuito Integrado: Saiba Como Ele Surgiu Conheça a Sua Importância

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O circuito integrado é um conjunto de circuitos eletrônicos sobre uma pequena peça plana de material semicondutor, normalmente de silício. Também é conhecido como chip ou microchip.

O circuito integrado é o resultado da integração de um grande número de pequenos transistores em circuitos menores. Isto possibilita que sejam mais baratos e mais rápidos do que aqueles construídos de componentes eletrônicos discretos.

A capacidade de produção em massa dos chips aumentou a confiabilidade e abordagem do bloco de construção para o design dos circuitos. Desta forma o circuito integrado foi rapidamente adotado no lugar dos transistores.

Eles revolucionaram o mundo da eletrônica e agora são utilizados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos. Computadores, celulares e eletrodomésticos digitais são agora partes da estrutura possibilitada pelo pequeno tamanho e baixo custo dos circuitos integrados.

Este artigo é sobre circuito integrado continue lendo e saiba mais sobre:

Invenção dos Circuitos Integrados

Os Três Problemas da Microeletrônica

Os Primeiros Circuitos Integrados Semicondutores

Tipos

Fabricação

Como Funciona

Invenção dos Circuitos Integrados

Não há consenso sobre quem inventou o circuito integrado.

A imprensa americana da década de 1960, nomeou quatro pessoas; Kilby, Lehovec, Noyce e Hoermy. Na década de 1970 a lista foi encurtada para Kilby e Noyce e depois para Kilby.

Na década de 2000 alguns historiadores reintegraram a ideia de múltiplos inventores do circuito integrado, revisando a contribuição de Kilby.

A Ideia da Integração

Circuito Integrado Microchips
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Os primeiros desenvolvimentos remontam a 1949, Werner Jacobi apresentou uma patente para um dispositivo de amplificação semicondutora de circuito integrado. Esse chip mostrava cinco transistores em um substrato comum num conjunto amplificador de três estágios com dois transistores funcionando de cabeça para baixo como conversor de impedância.

Jacobi acreditava que aparelhos auditivos pequenos e baratos seria um exemplo para aplicações industriais de sua patente. No entanto, não existem relatos de um uso comercial imediato de sua patente.

A ideia do circuito integrado surgiu com Geoffrey Dummer um cientista que trabalhava para Royal Radar Establishment do ministério de defesa britânico. Em 7 de maio de 1952, Dummer apresentou a ideia ao público no simpósio sobre o progresso eletrônico de qualidade em Washington, DC. Em 1956, ele tentou construir esse circuito, mas não obteve sucesso.

Com o advento do transistor e o trabalho em semicondutores, se tornou possível imaginar equipamentos eletrônicos em um bloco sólido sem fios de conexão. Dummer ficou famoso mais tarde como “o profeta dos circuitos integrados”, mas não como seu inventor.

Em 1953, Harwick Johnson arquivou um pedido de patente para um método de formatação de vários componentes eletrônicos, em um único chip. Johnson descreveu três maneiras de produzir um oscilador integrado de um transistor.

Todos usavam uma tira estreita de um semicondutor com um transistor bipolar em uma extremidade e diferiam nos métodos de produção do transistor. A tira atuou como uma série de resistências; os capacitores agrupados foram formados por fusão, enquanto as junções pn inversas atuavam como capacitores distribuídos.

Johnson não ofereceu um procedimento tecnológico e não se sabe se ele produziu o dispositivo.

Eletrônica Funcional

As principais empresas de eletrônicos dos Estados Unidos buscaram solução para a “Tirania dos Números” no desenvolvimento de componentes discretos que implementavam uma determinada função com um número mínimo de elementos passivos anexados.

Durante a era do tubo de vácuo, essa abordagem permitiu reduzir o custo de um circuito integrado em detrimento da sua frequência de operação.

Em 1952, Jowel James Ebers desenvolveu um protótipo de análogo de estado sólido do tiratron; um transistor de quatro camadas ou um tiristor.

William Shockley simplificou seu design para um diodo de quatro camadas de dois terminais e tentou sua produção industrial. Shockley esperava que o novo dispositivo substituísse o relé polarizado na troca telefônica. No entanto, a confiabilidade dos diodos Shockley era inaceitavelmente baixa e sua empresa entrou em declínio.

Ian Munro Ross e David D’Azaro experimentaram células de memória baseadas em tiristores. Joe Logue e Rick Bill construíram contadores usando transistor monojunção. Torkel Wallmark e Harwick Johnson usaram tanto os tiristores quanto os transistores de efeito de campo.

Tecnologia de Silício

Em meados da década de 1950, o germânio foi substituído por silício que poderia operar em temperaturas mais elevadas. Em 1954, Gordon kidd produziu o primeiro transistor de silício, que se tornou comercial em 1955. Uma publicação de Fuller e Dittsenberger de 1954, sobre um estudo fundamental de difusão em silício; levou Shockley a sugerir o uso dessa tecnologia para formar junções pn com um dado perfil da concentração de impurezas.

No inicio de 1955, Carl Frosch desenvolveu a oxidação úmida do silício. Nos próximos dois anos Frosch, Moll, Fuller e Holonyac trouxeram a produção em massa. Esta descoberta acidental revelou a segunda vantagem do silício sobre o germânio; ao contrario dos dióxidos de germânio a sílica úmida é um isolante elétrico fisicamente forte e inerte quimicamente.

Jean Hoerni propôs pela primeira vez uma tecnologia planar de transistores bipolares em dezembro de 1957. Neste processo, todas as junções pn foram cobertas por uma camada protetora, o que melhorou significativamente a confiabilidade.

No entanto, a proposta foi considerada tecnicamente impossível na época. Uma sugestão de Frosch para difusão do fósforo e a solução de um erro nas camadas de óxido apontado por um colega de Hoerni o levaram a fazer o primeiro protótipo de um transistor planar até 12 de março de 1959.

O processo planar tornou-se a principal tecnologia de produção de transistores e circuitos integrados monolíticos em meados da década de 1960.

Os Três Problemas da Microeletrônica

Circuito Integrado EPROM
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A criação do circuito integrado foi dificultando por três problemas que foram formulados pela wallmark em 1968:

  1. Integração: Em 1958, não havia como formar muitos componentes eletrônicos diferentes em um cristal semicondutor.
  2. Isolamento: Não havia tecnologia para isolar eletricamente componentes em um cristal semicondutor.
  3. Conexão: Não havia nenhuma maneira efetiva de criar conexões elétricas entre os componentes de um circuito integrado, a não ser usando fios de ouro o que era extremamente demorado.

Três empresas diferentes possuíam as principais patentes para cada um desses problemas.

Integração de Jack Kilby

A ideia precursora para o circuito integrado era criar pequenos quadrados cerâmicos, cada um contendo um único componente miniaturizado. Desta forma os componentes poderiam ser integrados e conectados em um grande compacto bidimensional ou tridimensional.

A ideia parecia muito promissora em 1957 e Jack Kilby a propôs ao exercito dos Estados Unidos. No entanto, à medida que o projeto estava tomando forma, Kilby surgiu com um novo design: o chip.

Kilby gravou suas ideias iniciais sobre o circuito integrado em julho de 1958. Demonstrando com sucesso o primeiro exemplo integrado em 12 de setembro de 1958. O primeiro cliente foi a força aérea dos Estados Unidos. Jack Kilby ganhou o prêmio Nobel de física em 2.000 por sua parte na invenção do circuito integrado.

Meio ano depois, Robert Noyce desenvolveu uma variedade de circuitos integrados mais práticos que a implementação de Kilby. O design de Noyce foi feito em silício e o de Kilby era de germânio. Noyce creditou Kurt Lehovec pelo princípio do isolamento de junção p-n.

Tentativas de Comercialização

Em 1958, a Texas Instruments introduziu a ideia ainda não patenteada de Kilby para clientes militares. Enquanto a maioria das divisões o rejeitou como inapropriado aos conceitos existentes, a força aérea dos Estados Unidos decidiu que a tecnologia cumpria seu programa de eletrônica molecular e ordenou a produção de protótipos que Kilby chamou de “blocos eletrônicos funcionais”.

A força aérea recebeu o primeiro dispositivo analógico, um receptor de rádio criado no programa de eletrônica molecular em 1961. Tina menos de 12 componentes, usava circuitos integrados caros e uma alta porcentagem de dispositivos com falha. Surgiu a opinião de que circuitos integrados, só se justificariam ao setor aeroespacial. A indústria aeroespacial os rejeitou pela baixa dureza de radiação de seus transistores.

Anunciado pela Texas Instruments em abril de 1960, o multivator # 502 surgiu como o primeiro circuito integrado do mundo disponível no mercado. A empresa assegurou que venderia seu produto mais barato que seus concorrentes. Entretanto quando as vendas começaram no verão de 1961, o preço foi maior que o anunciado.

Soluções Para o Isolamento por Junção PN

Lehovec encontrou uma solução simples para o problema de isolamento que usava a junção pn ao voltar de uma palestra de Wallmark na final de 1958. Ele testou sua ideia usando as tecnologias de fazer transistores que estavam disponíveis na Sprague. O gerenciamento da Sprague não mostrou nenhum interesse na invenção de Lehovec. No entanto, em 22 de abril de 1959, ele arquivou um pedido de patente as suas custas e depois deixou os Estados Unidos por dois anos.

Em janeiro de 1959, Jean Hoerni apresentou sua ultima versão do processo planar para Robert Noyce e um advogado de patentes John Rallza na Fairchild Semiconductor. Seis dias depois os gerentes da Fairchild se encontraram com Edward Keonjian, o desenvolvedor do computador de bordo para o foguete “Atlas” para discutir o desenvolvimento conjunto de circuitos integrados digitais híbridos para o seu computador.

Esses eventos provavelmente levaram Robert Noyce a retornar à ideia de integração. Em 23 de janeiro de 1959, Noyce documentou sua visão do circuito Integrado plano; essencialmente reinventado as ideias de Kilby e Lehovec na base do processo planal de Hoerni.

Invenção da Metalização

No inicio de 1959, Noyce resolveu outro problema importante, o das interconexões que impediram a produção em massa dos circuitos integrados. De acordo com a patente, a invenção consistiu em preservar a camada de óxido que separava a camada de metalização do chip (com exceção das áreas da janela de contato) e de depositar a camada metálica de modo a ficar firmemente presa ao óxido.

O método de deposição ainda não era conhecido e as propostas de Noyce incluíam deposição de alumínio a vácuo através de uma mascara e deposição de uma camada continua, seguida de fotolitografia e gravura do excesso de metal. De acordo com Saxena a patente da Noyce, mesmo com todas as suas desvantagens, reflete com precisão os fundamentos das modernas tecnologias do circuito integrado.

Os Primeiros Circuitos Integrados Semicondutores

Circuito integrado da espaçonave Apolo
By The original uploader was Grabert at German Wikipedia [Public domain], via Wikimedia Commons
Em agosto de 1959, noyce formou no Fairchild um grupo para desenvolver circuitos integrados. Em maio de 1960, este grupo, liderado por Jay Last, produziu o primeiro circuito integrado planar. Este protótipo não era monolítico.

Em agosto de 1960, começou a trabalhar no segundo protótipo, usnado o isolamento pela junção pn sugerida por Noyce. Robert Norman desenvolveu um circuito de gatilho em quatro transistores e cinco resistores. Enquanto Isy Haas e Lionel Kattner desenvolveram o processo de difusão de boro para formar as regiões isolantes. O dispositivo operacional foi testado em 27 de setembro de 1960, o primeiro circuito integrado planar a monolítico.

A Fairchild Semiconductor não percebeu a importância desse trabalho. O vice-presidente de marketing acreditava que estava desperdiçando os recursos da empresa e que o projeto devia ser encerrado. Em janeiro de 1961, Last, Hoerni e seus colegas os oito traidores, deixaram a Fairchild para estabelecer um concorrente direto, a empresa Signetics.

Apesar da partida de seus principais cientistas e engenheiros, em março a Fairchild anunciou sua primeira serie comercial de circuitos integrados, chamada Micrologic e passou um ano criando uma família de chips de lógica. Os circuitos integrados para os computadores de bordo da nave espacial Apolo foram projetados pela Fairchild.

Cada um desses computadores continha cerca de 5.000 circuitos integrados de lógica padrão. Durante a fabricação o preço caiu de US$ 1.000 para US$ 20-30. Dessa forma a NASA e o Pentágono prepararam o terreno para o mercado não militar do circuito integrado.

Tipos

Circuito Integrado Intel
By Ioan Sameli (https://www.flickr.com/photos/biwook/153056995/) [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons
Os circuitos integrados podem ser classificados como analógicos, digitais e sinais mistos.

Os circuitos integrados digitais podem conter em qualquer lugar de um a bilhões de portões lógicos, multiplexadores e outros circuitos em alguns milímetros quadrados. O pequeno tamanho desses circuitos permite alta velocidade, baixa dissipação de energia e redução do custo de fabricação em comparação com a integração no nível da placa.

Entre os circuitos integrados mais avançados encontram-se os microprocessadores ou núcleos, que controlam tudo; desde computadores e celulares até fornos de microondas digitais.

Os circuitos integrados analógicos como sensores e circuitos de gerenciamento de energia, funcionam processando sinais contínuos. Executam funções como amplificação, filtragem ativa, desmodulação e mixagem. Eles aliviam o fardo para os designers de circuitos; pois possuem circuitos analógicos habilmente projetados disponíveis, não sendo necessário projetar um circuito analógico difícil do zero.

O circuito integrado também pode combinar circuitos analógicos e digitais em um único chip para criar funções como conversores A/D e conversores D/A.

Fabricação

Os semicondutores da tabela periódica dos elementos químicos foram identificados como os materiais mais prováveis para um tubo de vácuo de estado sólido. Materiais como óxido de cobre, germânio e silício foram estudados sistematicamente nas décadas de 1940, 1950 e 1960.

Atualmente o silício monocristalino é o principal substrato utilizado em circuito integrado; apesar de outros compostos da tabela periódica também serem usados para aplicações especializadas.

Os circuitos integrados de semicondutores são fabricados em um processo plano que inclui três etapas. As três principais etapas deste processo são: imagem, deposição e gravura, complementadas por doping de limpeza.

As pastilhas de silício monocristalino são utilizadas como substrato. A fotolitografia é usada para marcar diferentes áreas do substrato a serem dopadas ou ter pistas de polissilício, isoladores de metais depositados sobre eles.

Um circuito integrado é composto por muitas camadas sobrepostas, cada uma definida por fotolitografia, e normalmente apresentada em cores diferentes. Algumas camadas marcam onde vários dopantes são difundidos no substrato, alguns definem onde os íons adicionais são implantados, alguns definem os condutores e alguns definem as conexões entre as camadas condutoras. Todos os componentes são construídos a partir de uma combinação especifica dessas camadas.

O Tipo Mais Comum e o Teste

Circuito Integrado Soviético
By Sergei Frolov,Soviet Calculators Collection,http://www.rk86.com/frolov/ (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
O tipo mais comum de circuito integrado é a memória de acesso aleatório são os dispositivos de maior densidade; mas mesmo um microprocessador terá memória no chip. Apesar das estruturas serem intrincadas as camadas permanecem muito mais finas do que as larguras do dispositivo.

As camadas do material são fabricadas como um processo fotográfico, embora as ondas de luz no espectro visível não possam ser usadas para expor uma camada de material, pois elas seriam muito grandes para os recursos.

Assim os fótons de frequências mais altas são usados para criar padrões para cada camada. Como cada característica é muito pequena, os microscópios eletrônicos são ferramentas essenciais para os engenheiros de processos, que depuram um processo de fabricação.

Cada dispositivo é testado antes da embalagem usando equipamento de teste automatizado em um processo conhecido como teste de bolacha ou sondagem de bolacha. A bolacha é cortada em blocos retangulares que são chamados de dados.

Cada dado bom é conectado a uma embalagem usando fios de alumínio ou ouro termicamente ligados a almofadas, geralmente encontradas ao redor da borda do dado.

A ligação termossônica que forneceu um meio confiável de formar essas conexões elétricas vitais para o mundo exterior foi introduzida pela A. Coucoulas. Após a embalagem os dispositivos passam por testes finais no mesmo ou similar, usado durante a sondagem de bolacha. O custo do teste pode representar mais de 25% do custo de fabricação em produtos de menor custo; mas pode ser insignificante em dispositivos de baixo rendimento, maiores ou de alto custo.

Algumas Embalagens

Os primeiros circuitos integrados foram embalados em embalagens plásticas cerâmicas que continuaram a ser usadas pelos militares por sua confiabilidade e tamanho pequeno por muitos anos. As embalagens dos circuitos comerciais passaram rapidamente para o pacote duplo em linha, (DIP) primeiro em cerâmica depois em plástico.

Na década de 1980, as contagens de pinos dos circuitos de integração em larga escala ultrapassaram o limite prático para a DIP, levando a pacotes de matriz de pinos (PGA) e de suporte sem fio sem jejum (LCC).

Na década de 1990, os pacotes de quad flat quad (FQFP) e pacote de pequenas dimensões (TSOP) tornaram-se mais comuns para os dispositivos de contagem de pinos altos. Embora os pacotes de PGA ainda sejam frequentemente usados para microprocessadores high-end.

Gerações do Circuito Integrado

Inicialmente com os circuitos integrados simples, a grande escala da tecnologia limitava cada chip a apenas alguns transistores. O baixo grau de integração significava que o processo de design era relativamente simples. Os rendimentos de fabricação também foram bastante abaixo dos padrões atuais.

Os primeiros circuitos integrados foram os (SSI) de integração em pequena escala. Surgiram em 1964, tinham de 1 a 10 transistores e de 1 a 12 portas lógicas. Os circuitos SSI foram cruciais para os primeiros projetos aeroespaciais.

O próximo passo no desenvolvimento de circuitos integrados realizou-se em 1968, (MSI) integração de médio porte. Tinham de 10 a 500 transistores e de 13 a 99 portas lógicas.

O desenvolvimento adicional impulsionado pelos mesmos fatores econômicos levou a integração em larga escala (LSI) em 1971. Tinham de 500 a 20.000 transistores e de 100 a 9.999 portas lógicas.

O passo final no processo de desenvolvimento surgiu na década de 1980 e continua até o presente com a integração em larga escala (VLSI). Tinham de 20.000 a 1.000.000 de transistores e de 10.000 a 99.999 portas lógicas.

Para refletir um maior crescimento da complexidade o termo ULSI, que significa integração de grande escala foi proposto para chips com mais de 1.000.000 transistores e mais de 100.000 portas lógicas.

A integração com Wafer-Scale (WSI) é um meio de construir circuitos integrados muito grandes. Eles usam uma bolacha de silício inteira para produzir um único “super-chip”.

Um sistema em um chip (SOC) é um circuito integrado no qual todos os componentes necessários para um computador ou outro sistema estão incluídos em um único chip.

Um circuito integrado tridimensional (3D-IC). Possui duas ou mais camadas de componentes eletrônicos ativos que estão integrados vertical e horizontalmente em um único circuito.

Nanotecnologia

Atualmente a eletrônica esta entrando na era da nanotecnologia. Os componentes eletrônicos se comportam de maneiras diferentes do que na eletrônica convencional e microeletrônica. Nestes a passagem de corrente elétrica praticamente não altera o seu estado de funcionamento.

Nos nanocomponentes a alteração de seu estado em função da passagem de corrente deve ser controlada, pois existe uma sensibilidade maior as variações de temperatura e principalmente as variações dimensionais. Essas causam alterações nas medidas físicas do componente de tal forma, que podem vir a danificá-lo.

Importância da Integração

Circuito Integrado Processador

Está no baixo custo e alto desempenho, além do tamanho reduzido dos circuitos aliado a alta confiabilidade e estabilidade de funcionamento. Como os componentes são formados ao invés de montados, a resistência mecânica permitiu montagens cada vez mais robustas a choques e impactos mecânicos, permitindo a concepção de portabilidade de dispositivos eletrônicos.

No circuito integrado completo estão presentes os transistores, condutores de integração, componentes de polarização e as camadas e regiões isolantes ou condutoras obedecendo ao seu projeto de arquitetura.

Na formação do circuito integrado é importante que todos os componentes sejam implantados na região apropriada da pastilha. A isolação precisa ser perfeita quando for o caso. O que é obtido por um processo chamado de difusão, que ocorre entre os componentes formados e as camadas com o material dopado com fósforo e separadas por um material dopado.

Após sucessivas integrações, os componentes ainda são interconectados externamente por uma camada extremamente fina de alumínio, depositada sobre a superfície e isolada por uma camada de dióxido de silício.

Como Funciona

A ideia de um CI é realizar ações mais complexas que não podem ser realizadas por um único componente. O circuito integrado poder realizar diferentes funções, como temporizador, oscilador, amplificador, controlador, entre outras.

A grande variedade de componentes permite que suas funcionalidades divirjam, pois nem todos trabalham da mesma forma.

O desenvolvimento de um circuito integrado é demorado e exige conhecimento avançado. Atualmente não há muitos circuitos integrados que necessitem ser desenhados e projetados. É possível solucionar problemas e atender a quase todas as funções combinando circuitos que já existem.

Apesar dos transistores e demais itens que compõem um circuito integrado ainda estarem disponíveis nas lojas, eles não estão presentes no circuito em si. As empresas que produzem este tipo de peça embutem todos os componentes, que pode chegar a mais de dez mil itens no wafer, colocando o dissipador e a carcaça por cima de todos os elementos.

Atualmente o circuito integrado é muito complexo e de certa forma se assemelha a um processador que é a evolução do CI. De pequenas funções básicas esses componentes passaram a ter grandes responsabilidades.

Referências:

  1. Wikipédia, Circuito Integrado, disponível neste link.
  2. Wikipédia, Integrated Circuit, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit>.
  3. Wikipédia, Invention of the Integrated Circuit, disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Invention_of_the_integrated_circuit>.
  4. Fabio Jordão, Tec Mundo, Como Funciona um Circuito Integrado? [Ilustração], disponível neste link.

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