Circuitos Integrados (CIs): Chips Compactos e Poderosos Impulsionando a Eletrônica Moderna

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Introdução

Um circuito integrado, comumente referido como CI, é um arranjo microscópico de circuitos e componentes eletrônicos que foi difundido ou implantado na superfície de um único cristal, ou chip, de material semicondutor como silício. É chamado de circuito integrado porque os componentes, circuitos e material base são todos feitos juntos, ou integrados, a partir de uma única peça de silício, ao contrário de um circuito discreto no qual os componentes são feitos separadamente de materiais diferentes e montados posteriormente. CIs variam em complexidade desde módulos lógicos simples e amplificadores até microcomputadores completos contendo milhões de elementos.

O impacto dos circuitos integrados em nossas vidas tem sido enorme. CIs tornaram-se os componentes principais de quase todos os dispositivos eletrônicos. Estes circuitos miniatura demonstraram baixo custo, alta confiabilidade, baixos requisitos de energia e altas velocidades de processamento comparados aos tubos de vácuo e transistores que os precederam. Microcomputadores de circuito integrado são agora usados como controladores em equipamentos como ferramentas de máquina, sistemas operacionais de veículos e outras aplicações onde controles hidráulicos, pneumáticos ou mecânicos eram usados anteriormente. Como microcomputadores de CI são menores e mais versáteis que mecanismos de controle anteriores, permitem que o equipamento responda a uma gama mais ampla de entradas e produza uma gama mais ampla de saídas. Eles também podem ser reprogramados sem necessidade de redesenhar o circuito de controle. Microcomputadores de CI são tão baratos que são encontrados até em brinquedos eletrônicos infantis.

Os primeiros circuitos integrados foram criados no final dos anos 1950 em resposta a uma demanda militar por eletrônicos miniaturizados para sistemas de controle de mísseis. Na época, transistores e placas de circuito impresso eram a tecnologia eletrônica de ponta. Embora transistores tornassem muitas novas aplicações eletrônicas possíveis, engenheiros ainda eram incapazes de fazer um pacote pequeno o suficiente para o grande número de componentes e circuitos necessários em dispositivos complexos como sistemas de controle sofisticados e calculadoras programáveis de mão. Várias empresas competiam para produzir um avanço em eletrônica miniaturizada, e seus esforços de desenvolvimento estavam tão próximos que há dúvida sobre qual empresa realmente produziu o primeiro CI. De fato, quando o circuito integrado foi finalmente patenteado em 1959, a patente foi concedida conjuntamente a dois indivíduos trabalhando separadamente em duas empresas diferentes.

Após a invenção do CI em 1959, o número de componentes e circuitos que podiam ser incorporados em um único chip dobrava a cada ano por vários anos. Os primeiros circuitos integrados continham apenas até uma dúzia de componentes. O processo que produziu esses CIs iniciais era conhecido como integração em pequena escala, ou SSI. Em meados dos anos 1960, integração em média escala, MSI, produziu CIs com centenas de componentes. Isso foi seguido por técnicas de integração em grande escala, ou LSI, que produziram CIs com milhares de componentes e tornaram os primeiros microcomputadores possíveis.

O primeiro chip de microcomputador, frequentemente chamado de microprocessador, foi desenvolvido pela Intel Corporation em 1969. Entrou em produção comercial em 1971 como o Intel 4004. A Intel introduziu seu chip 8088 em 1979, seguido pelo Intel 80286, 80386 e 80486. No final dos anos 1980 e início dos 1990, as designações 286, 386 e 486 eram bem conhecidas pelos usuários de computadores como refletindo níveis crescentes de poder e velocidade de computação. O chip Pentium da Intel é o mais recente desta série e reflete um nível ainda mais alto.

Como os Componentes de Circuito Integrado São Formados

Em um circuito integrado, componentes eletrônicos como resistores, capacitores, diodos e transistores são formados diretamente na superfície de um cristal de silício. O processo de fabricação de um circuito integrado fará mais sentido se primeiro entender alguns princípios básicos de como esses componentes são formados.

Muito antes do primeiro CI ser desenvolvido, sabia-se que componentes eletrônicos comuns podiam ser feitos de silício. A questão era como fazê-los, e os circuitos de conexão, a partir da mesma peça de silício? A solução foi alterar, ou dopar, a composição química de minúsculas áreas na superfície do cristal de silício adicionando outros produtos químicos, chamados dopantes. Alguns dopantes ligam-se ao silício para produzir regiões onde os átomos dopantes têm um elétron que podem ceder. Estas são chamadas regiões N. Outros dopantes ligam-se ao silício para produzir regiões onde os átomos dopantes têm espaço para aceitar um elétron. Estas são chamadas regiões P. Quando uma região P toca uma região N, a fronteira entre elas é referida como junção PN. Esta fronteira tem apenas 0,000004 polegadas (0,0001 cm) de largura, mas é crucial para a operação de componentes de circuito integrado.

Dentro de uma junção PN, os átomos das duas regiões ligam-se de tal maneira a criar uma terceira região, chamada região de depleção, na qual os átomos dopantes P capturam todos os elétrons extras dos dopantes N, esgotando-os. Um dos fenômenos resultantes é que uma tensão positiva aplicada à região P pode causar uma corrente elétrica a fluir através da junção para a região N, mas uma tensão positiva similar aplicada à região N resultará em pouca ou nenhuma corrente fluindo de volta para a região P. Esta capacidade de uma junção PN de conduzir ou isolar dependendo de qual lado a tensão é aplicada pode ser usada para formar componentes de circuito integrado que direcionam e controlam fluxos de corrente da mesma maneira que diodos e transistores. Um diodo, por exemplo, é simplesmente uma única junção PN. Alterando a quantidade e tipos de dopantes e mudando as formas e posicionamentos relativos das regiões P e N, componentes de circuito integrado que emulam as funções de resistores e capacitores também podem ser formados.

Design

Alguns circuitos integrados podem ser considerados itens padrão, prontos para uso. Uma vez projetados, não há mais trabalho de design necessário. Exemplos de CIs padrão incluiriam reguladores de tensão, amplificadores, chaves analógicas e conversores analógico-para-digital ou digital-para-analógico. Estes CIs são geralmente vendidos a outras empresas que os incorporam em placas de circuito impresso para vários produtos eletrônicos.

Outros circuitos integrados são únicos e requerem extenso trabalho de design. Um exemplo seria um novo microprocessador para computadores. Este trabalho de design pode exigir pesquisa e desenvolvimento de novos materiais e novas técnicas de fabricação para atingir o design final.

Matérias-Primas

Silício puro é a base para a maioria dos circuitos integrados. Fornece a base, ou substrato para todo o chip e é quimicamente dopado para fornecer as regiões N e P que compõem os componentes do circuito integrado. O silício deve ser tão puro que apenas um em cada dez bilhões de átomos pode ser uma impureza. Isso seria o equivalente a um grão de açúcar em dez baldes de areia. Dióxido de silício é usado como isolante e como material dielétrico em capacitores de CI.

Dopantes típicos do tipo N incluem fósforo e arsênio. Boro e gálio são dopantes típicos do tipo P. Alumínio é comumente usado como conector entre os vários componentes do CI. Os finos fios de ligação do chip do circuito integrado ao seu pacote de montagem podem ser de alumínio ou ouro. O próprio pacote de montagem pode ser feito de materiais cerâmicos ou plásticos.

Processo de Fabricação

Centenas de circuitos integrados são feitos simultaneamente em uma única fatia fina de silício e então cortados em chips individuais de CI. O processo de fabricação ocorre em um ambiente rigidamente controlado conhecido como sala limpa, onde o ar é filtrado para remover partículas estranhas. Os poucos operadores de equipamento na sala usam roupas livres de fiapos, luvas e coberturas para cabeça e pés. Como alguns componentes de CI são sensíveis a certas frequências de luz, até as fontes de luz são filtradas. Embora processos de fabricação possam variar dependendo do circuito integrado sendo feito, o seguinte processo é típico.

Preparação da Wafer de Silício

• 1 Um lingote cilíndrico de silício com cerca de 1,5 a 4,0 polegadas (3,8 a 10,2 cm) de diâmetro é mantido verticalmente dentro de uma câmara de vácuo com uma bobina de aquecimento de alta temperatura circundando-o. Começando no topo do cilindro, o silício é aquecido até seu ponto de fusão de cerca de 2550 °F (1400 °C). Para evitar contaminação, a região aquecida é contida apenas pela tensão superficial do silício fundido. À medida que a região derrete, quaisquer impurezas no silício tornam-se móveis. A bobina de aquecimento é movida lentamente ao longo do comprimento do cilindro, e as impurezas são carregadas junto com a região fundida. Quando a bobina atinge o fundo, quase todas as impurezas foram varridas e concentradas lá. O fundo é então fatiado, deixando um lingote cilíndrico de silício purificado.
• 2 Uma wafer fina e redonda de silício é cortada do lingote usando uma máquina de corte precisa chamada fatiadora de wafer. Cada fatia tem cerca de 0,01 a 0,025 polegadas (0,004 a 0,01 cm) de espessura. A superfície na qual os circuitos integrados serão formados é polida.
• 3 As superfícies da wafer são revestidas com uma camada de dióxido de silício para formar uma base isolante e prevenir qualquer oxidação do silício que causaria impurezas. O dióxido de silício é formado submetendo a wafer a vapor superaquecido a cerca de 1830 °F (1000 °C) sob várias atmosferas de pressão para permitir que o oxigênio no vapor de água reaja com o silício. Controlar a temperatura e duração da exposição controla a espessura da camada de dióxido de silício.

Mascaramento

• 4 O design complexo e interconectado dos circuitos e componentes é preparado em processo semelhante ao usado para fazer placas de circuito impresso. Para CIs, no entanto, as dimensões são muito menores e há muitas camadas superpostas umas sobre as outras. O design de cada camada é preparado em uma máquina de desenho assistido por computador, e a imagem é transformada em uma máscara que será opticamente reduzida e transferida para a superfície da wafer. A máscara é opaca em certas áreas e transparente em outras. Contém as imagens para todos os vários centenas de circuitos integrados a serem formados na wafer.
• 5 Uma gota de material fotorresistente é colocada no centro da wafer de silício, e a wafer é girada rapidamente para distribuir o fotorresistente sobre toda a superfície. O fotorresistente é então assado para remover o solvente.
• 6 A wafer revestida é então colocada sob a máscara da primeira camada e irradiada com luz. Como os espaços entre circuitos e componentes são tão pequenos, luz ultravioleta com comprimento de onda muito curto é usada para passar pelas minúsculas áreas transparentes da máscara. Feixes de elétrons ou raios-X também são às vezes usados para irradiar o fotorresistente.
• 7 A máscara é removida e porções do fotorresistente são dissolvidas. Se um fotorresistente positivo foi usado, então as áreas que foram irradiadas serão dissolvidas. Se um fotorresistente negativo foi usado, então as áreas que foram irradiadas permanecerão. As áreas descobertas são então quimicamente gravadas para abrir uma camada ou submetidas a doping químico para criar uma camada de regiões P ou N.

Doping — Difusão Atômica

• 8 Um método de adicionar dopantes para criar uma camada de regiões P ou N é difusão atômica. Neste método, um lote de wafers é colocado em um forno feito de um tubo de quartzo circundado por um elemento de aquecimento. Os wafers são aquecidos a uma temperatura de operação de cerca de 1500-2200 °F (816-1205 °C), e o químico dopante é transportado em um gás inerte. À medida que o dopante e gás passam sobre os wafers, o dopante é depositado nas superfícies quentes deixadas expostas pelo processo de mascaramento. Este método é bom para dopar áreas relativamente grandes, mas não é preciso para áreas menores. Também há problemas com o uso repetido de altas temperaturas à medida que camadas sucessivas são adicionadas.

Doping — Implantação Iônica

• 9 O segundo método para adicionar dopantes é implantação iônica. Neste método, um gás dopante, como fosfina ou tricloreto de boro, é ionizado para fornecer um feixe de íons dopantes de alta energia que são disparados em regiões específicas da wafer. Os íons penetram na wafer e permanecem implantados. A profundidade de penetração pode ser controlada alterando a energia do feixe, e a quantidade de dopante pode ser controlada alterando a corrente do feixe e tempo de exposição. Esquematicamente, todo o processo se assemelha a disparar um feixe em um tubo de raios catódicos curvo. Este método é tão preciso que não requer mascaramento — apenas aponta e dispara o dopante onde é necessário. No entanto, é muito mais lento que o processo de difusão atômica.

Criação de Camadas Sucessivas

• 10 O processo de mascaramento e gravação ou doping é repetido para cada camada sucessiva dependendo do processo de doping usado até que todos os chips de circuito integrado estejam completos. Às vezes, uma camada de dióxido de silício é depositada para fornecer um isolante entre camadas ou componentes. Isso é feito através de um processo conhecido como deposição química de vapor, no qual a superfície da wafer é aquecida a cerca de 752 °F (400 °C), e uma reação entre os gases silano e oxigênio deposita uma camada de dióxido de silício. Uma camada final de dióxido de silício sela a superfície, uma gravação final abre pontos de contato, e uma camada de alumínio é depositada para fazer os pads de contato. Neste ponto, os CIs individuais são testados para função elétrica.

Criação de CIs Individuais

• 11 A wafer fina é como um pedaço de vidro. As centenas de chips individuais são separados por riscar um padrão cruzado de linhas com um cortador de diamante fino e então colocar a wafer sob tensão para causar a separação de cada chip. Aqueles CIs que falharam no teste elétrico são descartados. Inspeção sob microscópio revela outros CIs que foram danificados pelo processo de separação, e estes também são descartados.
• 12 Os bons CIs são individualmente conectados em seus pacotes de montagem e os finos fios de ligação são conectados por ligação ultrasônica ou termocompressão. O pacote de montagem é marcado com números de peça identificadores e outras informações.
• 13 Os circuitos integrados completos são selados em sacos plásticos antiestáticos para serem armazenados ou enviados ao usuário final.

Controle de Qualidade

Apesar do ambiente controlado e uso de ferramentas de precisão, um alto número de chips de circuito integrado é rejeitado. Embora a porcentagem de chips rejeitados tenha caído constantemente ao longo dos anos, a tarefa de fazer uma rede entrelaçada de circuitos e componentes microscópicos ainda é difícil, e uma certa quantidade de rejeitos é inevitável.

Materiais Perigosos e Reciclagem

Os dopantes gálio e arsênio, entre outros, são substâncias tóxicas e seu armazenamento, uso e descarte devem ser rigidamente controlados.

Como chips de circuito integrado são tão versáteis, uma indústria significativa de reciclagem surgiu. Muitos CIs e outros componentes eletrônicos são removidos de equipamentos obsoletos, testados e revendidos para uso em outros dispositivos.

O Futuro

É difícil dizer com certeza o que o futuro reserva para o circuito integrado. Mudanças na tecnologia desde a invenção do dispositivo foram rápidas, mas evolutivas. Muitas mudanças foram feitas na arquitetura, ou layout de circuito, em um chip, mas o circuito integrado ainda permanece um design baseado em silício.

O próximo grande salto no avanço de dispositivos eletrônicos, se tal salto vier, pode envolver uma tecnologia de circuito totalmente nova. Dispositivos melhores que o melhor microprocessador sempre foram conhecidos como possíveis. O cérebro humano, por exemplo, processa informação muito mais eficientemente que qualquer computador, e alguns futuristas especularam que a próxima geração de circuitos processadores será biológica, em vez de mineral. Neste ponto, tais assuntos são matéria de ficção. Não há sinais imediatos de que o circuito integrado esteja em perigo de extinção.