El microchip

El microchip

En la era tecnológica que vivimos cualquier aparato electrónico, desde los electrodomésticos a las tarjetas de crédito, disponen de un pequeño componente creado hace más de 50 años llamado microchip. El primer microchip, o circuito integrado, fue creado por el físico e ingeniero eléctrico estadounidense Jack St. Clair Kilby mientras trabajaba en Texas Instrument –TI– en 1958. Por aquel entonces Kilby se acababa de incorporar en plantilla para solucionar los problemas de conexión de los componentes electrónicos de la empresa, encargada de desarrollar y comercializar semiconductores y tecnología para ordenadores.

A los pocos meses se propuso cambiar algunas cosas y descubrió que todos los componentes podían fabricarse con el mismo material semiconductivo empleado en aquel momento, el Germanio, y así crear un circuito completo. Entonces concibió el primer circuito electrónico cuyos componentes activos y pasivos estuviesen dispuestos en un mismo material semiconductor, ocupando la mitad de espacio de un clip sujetapapeles. Su invento que medía 11,5 milímetros dio lugar al primer circuito integrado –CI– o también llamado microchip, revolucionando así el mercado electrónico hasta nuestros días.

El nuevo invento, creado por Kilby y desarrollado por Texas Instruments el 12 de septiembre de 1958, estaba constituido por una pastilla cuadrada de germanio, un elemento químico metálico y cristalino, que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. A diferencia de los circuitos convencionales, en el circuito integrado todos sus componentes son impresos como una sola pieza por fotolitografía, abaratando así los costes de manufactura y su mantenimiento.

Tras el éxito de las primeras pruebas y el desarrollo de las primeras unidades, el invento de Jack Kilby dinamizó la producción de los primeros microprocesadores y sentó las bases técnicas y conceptuales del campo de la microelectrónica. Posteriormente, en el año 2000, fue galardonado con el Premio Nobel de Físicapor la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información, siendo reconocido –junto con Robert Noyce– como el inventor del circuito integrado o microchip.

Desde entonces el mundo de las telecomunicaciones, la electrónica o incluso labiología y la medicina basan su tecnología en el poder de los microchips con el fin de mejorar la calidad y eficacia de los dispositivos y aparatos electrónicos. Con la desarrollo de la nanotecnología los microchips han ido evolucionando pasando de los chips de finales de la década de los sesenta con cientos de transistores integrados, hasta los chips desarrollados actualmente con capacidad para integrar más de dos mil millones de transistores microscópicos. Los circuitos integrados más complejos son los llamados microprocesadores, que son implementados en dispositivos móviles, ordenadores e incluso electrodomésticos. Pero también encontramos otra familia de circuitos integrados igualmente importantes para la tecnología de la información como los chips de memorias digitales.

Básicamente existen tres tipos de circuitos integrados, aunque el circuito monolítico es el tipo más común ya que se pueden utilizar como reguladores de voltaje, receptores de AM, conmutadores, amplificadores, circuitos de televisión y de ordenadores. Generalmente están fabricados en un solo monocristal de sicilio, aunque también los podemos encontrar fabricados en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. Existen también circuitos monolíticos híbridos de capa fina capaces de contener componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica.

Por otro lado, también existen los circuitos monolíticos de capa gruesa integrados por circuitos monolíticos sin cápsula, transistores, diodos…, sobre un soporte dieléctrico interconectados con pistas conductoras, donde las resistencias se implementan por serigrafía, ajustándolas por cortes con láser. Posteriormente son protegidos con una resina epoxi que protege el circuito o bien se encapsula mediante cápsulas plásticas o metálicas, dependiendo de la disipación de potencia necesaria.

Atendiendo al número de componentes que lo integran los circuitos integrados pueden clasificarse según una escala que va desde el más pequeño SSI –Small Scale Integration– inferior a 12 hasta el más grande ULSI –Ultra Large Scale Integration– superior a 100.000 componentes, pasando por escalas intermedias como el Medium Scale Integration MSI, el Large Scale Integration LSI y el Very Large Scale Integration VLSI.

Los circuitos integrados también pueden ser analógicos o bien circuitos integrados digitales. En el primer caso ven desde simples transistores encapsulados juntos sin unión entre ellos, hasta otros más completos como osciladores, amplificadores o receptores de radio. En cuanto a los segundos, encontramos circuitos integrados desde los más básicos –Y, O, NO– hasta los microprocesadores más complejos.

Por lo general, la complejidad de la fabricación de los circuitos integrales actuales se reduce a la necesidad de integrar miles de componentes en un reducido espacio llegando incluso a utilizar tecnología nanométrica para su fabricación. Este aspecto supone un avance importante con respecto a los circuitos integrados iniciales, ya que permiten grandes simplificaciones y un abaratamiento considerable de los costes de manufactura por su rápido montaje. En cambio, existen ciertos límites físicos y económicos a tener en cuenta pero que gracias a los últimos avances tecnológicos se van solventando, como por ejemplo, el caso del prototipo de memoria ultrarrápida y de alta capacidad MeRAM del que ya hablamos anteriormente en el blog.

Disipación de potencia

Una de las limitaciones principales es el caso de la disipación de potencia. Es decir, a medida que el volumen de componentes integrados aumenta, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia también lo hacen de forma directamente proporcional, calentando el sustrato e interfiriendo en el comportamiento del dispositivo hasta incluso degradarse por efecto del empalamiento térmico. Por tanto, es necesario incorporar protecciones térmicas como en el caso de los reguladores de tensión o los amplificadores de audio. Sin embargo, los que más energía disipan son los circuitos de potencia, por eso su cápsula contiene elementos metálicos en contacto con la parte inferior del chip a modo de conducto térmico, con el fin de transferir el calor del chip al disipador o al propio ambiente.

El caso de los circuitos digitales, la reducción de la tensión de alimentación y el uso de tecnologías de bajo consumo como CMOS, resuelve el problema de la disipación. Aunque el problema persiste con circuitos con mayor densidad de integración y velocidades elevadas.

Densidad de integración

Cuando el chip integra un gran número de componentes, durante el proceso de fabricación de los circuitos integrados se acumulan defectos que impiden que cierto número de componentes no funcionen correctamente, y por tanto, disminuyan la proporción de chips funcionales. El caso de los circuitos de memorias, donde existen millones de transistores, ilustra bien esta limitación.

Límites en los componentes

En el caso de los condensadores sólo son posibles con valores muy reducidos a costa de ocupar gran parte de la superficie del chip. Con las resistencias ocurre lo mismo, es decir, necesitan gran cantidad de la superficie del chip por eso en tecnologías MOS se prescinde de este tipo de componentes.

El microchip es considerado como el motor de la era informática y tecnológica actual y por eso, Internet y la revolución digital que estamos experimentando en los últimos años no hubiera sido posible sin este gran invento.