Introducción a la Tecnología Electrónica

Universidad Antonio de Nebrija
Tecnología Electrónica I
Indice
Indice.................................................................................................................... 2
Introducción a las tecnologías integradas ................................................................. 3
Introducción a la Tecnología
Evolución histórica.................................................................................................. 4
Primera ley de Moore. (1965)............................................................................... 5
Electrónica
Datos reales de la evolución de microprocesadores:............................................... 6
Escala de integración .............................................................................................. 8
Costes de desarrollo. .............................................................................................. 9
Fabricación de circuitos integrados..........................................................................12
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Introducción a las tecnologías integradas
Evolución histórica
El objetivo de la industria electrónica es construir dispositivos cada vez más pequeños,
La tecnología CMOS (Complemetary Metal Oxide Silicon) no es algo nuevo, en realidad
más rápidos y que consuman menos energía.
el principio básico de funcionamiento de los transistores de efecto de campo se propuso
en 1925. Los experimentos con este tipo de transistores llevaron a la invención del
Los circuitos integrados pueden ser:
transistor bipolar, y el transistor de efecto de campo se dejó a un lado hasta la
Componentes discretos. Como son las series 74xx, 54xx,..., puertas AND, OR, NOT,
circuitos combinacionales, biestables, registros,..., cuya funcionalidad aislada resulta de
poca utilidad, por lo que para hacer un circuito es necesario emplear una combinación
de ellos insertados en una placa (circuito impreso). Se suelen llamar componentes
estándar, ya que son fabricados en grandes cantidades y es el cliente el que los integra
en sus circuitos. Existen libros de los fabricantes que indican para cada uno de sus
invención del proceso sobre placa de silicio.
1958. Invención del circuito integrado.
1965. Primera calculadora MOS.
Años 70. Inicio de la tecnología CMOS. Primer simulador eléctrico SPICE.
circuitos estándar la funcionalidad y características físicas del componente.
1971. T. Hoff inventa el microprocesador.
Componentes integrados. Son circuitos con una funcionalidad aislada. Suelen
Años 75-80. Aparecen las puertas lógicas y simuladores lógicos.
llamarse componentes personalizados, precisamente por eso, porque su funcionalidad
sirve exclusivamente para un cliente (o unos pocos). Se fabrican sobre una misma oblea
de silicio y por tanto se encapsula todo el circuito de forma integrada. La misma
funcionalidad se podría hacer con componentes discretos, pero nunca se podrían
alcanzar las mismas prestaciones. Nosotros nos dedicaremos a este tipo de circuitos.
Existen varias familias lógicas de transistores, cada una asociada a un proceso distinto
de fabricación y cada una con unas características distintas, nos centraremos en la
familia CMOS.
Años 85-90. Aparecen los lenguajes de descripción de Hardware.
1988. Se crea el primer circuito integrado con total funcionalidad con el método de
litografía con ultravioleta profundo (deep UV)
1989. Se inventa el proceso de litografía por haz de electrones (electron beam).
1992. Se crea el primer MOSFET operando a más de 100GHz.
1995. Se alcanza 50 Mill de instrucciones por segundo (MIPS) a 2,7V y 70 MIPS a 5 V
en un DSP (Digital signal processor).
1997. Intel Pentium con 7,5 millones de transistores.
1999. Producción de CI’s con norma de 0,08 micras.
2000. Se crea un circuito que imita el funcionamiento de la corteza cerebral.
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Datos reales de la evolución de microprocesadores:
Año de introducción
Número de transistores
4004
1971
2,250
8008
1972
2,500
8080
1974
5,000
8086
1978
29,000
286
1982
120,000
386™ processor
1985
275,000
486™ DX processor
1989
1,180,000
Pentium® processor
1993
3,100,000
Pentium II processor
1997
7,500,000
Pentium III processor
1999
24,000,000
Pentium 4 processor
2000
42,000,000
Primera ley de Moore. (1965).
Gordon Moore se dio cuenta en 1965 de que el número de transistores que contenía un
chip seguía aproximadamente una función exponencial con el tiempo. Esta ley
experimental y no demostrada se ha demostrado cierta hasta hoy.
El límite teórico, sería un transistor cuyo comportamiento viniera definido por un único
electrón en su interior (SET: single electron transistor), en este caso, habría que tener
en cuenta las leyes de la física cuántica. Es un salto cualitativo pero ya existen varios
proyectos de investigación en esta línea, entre ellos IBM que anunció en Agosto de
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2001 la creación de un transistor en una molécula (nanotubes technology), que no será
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aplicable hasta dentro de diez años. ¿Será esta la última barrera a romper?.
Escala de integración
En cualquier caso, la tecnología electrónica viene rompiendo barreras consideradas
Como hemos comentado, los objetivos de la industria electrónica es:
infranqueables desde el principio de su historia, y esa es una característica necesaria
para su evolución y para poder seguir la ley de Moore.
A) Hacer transistores cada vez más pequeños, por tanto más veloces y con menor
consumo. Al ser más pequeños tienen menos efectos capacitivos, por tanto son más
veloces. Al consumir menos disipan menos calor por lo que se pueden integrar más
transistores en un mismo encapsulado.
B) Aumentar la cantidad de componentes en un circuito. Lo que abarata costes y
también aumenta la velocidad, ya que una fuente de efectos capacitivos son las
pistas externas a los circuitos integrados y sobre todo las conexiones (PINS),
además de disminuir la probabilidad de fallo del circuito.
Pero el coste fijo de desarrollo de un circuito integrado con un número muy alto de
puertas es muy alto aunque su coste de fabricación sea pequeño, por lo que hay que
elegir la escala de integración que deseamos en función del producto que queramos
desarrollar (cantidad de unidades vendidas), habrá que tener en cuenta por tanto, lo
que está dispuesto a absorber el mercado.
La escala de integración se mide en puertas equivalentes NAND que contiene. Existen
varias escalas de integración, cada una de ellas con unas siglas identificativas:
A) SSI. Short Scale of Integration. 1-10 puertas equivalentes.
B) MSI. Medium Scale of Integration. 10 – 100 puertas equivalentes
C) LSI. Large Scale of Integration. 100 – 1000 puertas equivalentes.
D) VLSI. Very Large Scale of Integration. 1000 – 10.000 puertas equivalentes.
E) ULSI. Ultra Large Scale of Integration. > 10.000 puertas equivalentes.
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evidente es que es necesario que la demanda también crezca más que linealmente (al
Costes de desarrollo.
menos) para rentabilizar las crecientes inversiones.
Como todas las industrias, la electrónica se ve influenciada por los ciclos económicos,
pero en este caso, esta industria es mucho más sensible que la media.
En los años 2001-02 se tenía un mercado débil, porque se había invertido mucho en
años anteriores en instalaciones y la oferta sobrepasaba a la demanda. Hacia el 2003,
se empezó a invertir porque el mercado daba muestras de fortalecimiento, en el año
2004, la industria electrónica esta en un periodo de crecimiento de mercado y por
tanto, se está invirtiendo intensivamente en nueva capacidad instalada.
Vemos, por tanto, que la coyuntura económica influye mucho en las posibilidades de
Ç
desarrollo de una compañía y del sector, y por tanto, en la creación de nuevas
tecnologías.
En esta industria también se ve la misma pauta durante muchos años, siempre se ha
dicho que se llegaba al límite de la escala de integración y de la velocidad, pero poco
después aparecía una nueva tecnología y continuaba la evolución.
En las siguientes gráficas se ve este fenómeno. Tenemos dos curvas que representan
distintas tecnologías, una antigua y otra nueva, se ve que para unas determinadas
características de funcionamiento del componente la tecnología más moderna ofrece
precios más baratos. Y no solo eso, sino que la tecnología más moderna desplaza el
1975
1997
2003
límite tecnológico a mejores posibilidades para el componente.
Chip complexity (index to 1)
1
10
100
Es necesario remarcar que el imperativo principal va a ser el precio al que se puede
Feature size, µm
2
0,25
0,08
vender el componente, nunca se podrá sobrepasar este límite.
Chip size increase, mm2
30
150
600
En cuanto al número de unidades fabricadas es necesario también hacer una
Wafer diameter, mm
50
200
300
puntualización, existe, para cada tecnología un número mínimo de unidades vendidas a
Facility automation, %
5
60
80
Operational efficiency
1
10
100
Equipment cost
1
10
50
2%
500
50
cierto precio durante varios años para poder rentabilizar la inversión. Si se prevee que
la demanda vaya a disminuir, entonces se ralentizará el proceso de innovación
tecnológica.
También vemos la llamada segunda ley de Moore, según incrementamos el número de
Defect levels, DPM
transistores por chip (para reducir el coste por elemento de los circuitos integrados) se
incrementa exponencialmente el coste de la fábrica en conjunto. La consecuencia
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Incremento de costes:
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a) Aumento de la superficie del chip
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Fabricación de circuitos integrados.
b) Aumento del coste del equipo, al aumentar su complejidad
Disminución de costes:
La fabricación de circuitos integrados se lleva a cabo en un ciclo de pasos que se repite
a) Aumento del diámetro de la oblea de silicio
tanto como 20 veces. Muchos chips se fabrican simultáneamente en una oblea de silicio
a la que se le ha aplicado un recubrimiento sensible a la luz (1). Cada ciclo comienza
b) Aumento de la automatización de las fábricas
con un patrón distinto, que se proyecta repetidamente sobre la oblea (2). En cada lugar
donde cae la imagen, se crea un chip. El recubrimiento fotosensible se quita (3), y las
c) Aumento de la eficiencia de las fábricas
areas expuestas a la luz son limpiadas por gases (4). Estas áreas se “duchan” con iones
d) Disminución de defectos por chip
(son dopadas), creando los transistores (5). Los transistores son conectados por
sucesivos ciclos añadiendo capas de metal y aislante (6).
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Este es el aspecto de la oblea una vez tenemos todos los
circuitos integrados fabricados, antes de cortarlos se chequean
aquellos que tienen error y se marcan, posteriormente se cortan
y se crean las conexiones que lo conectarán con el mundo
exterior una vez encapsulado mediante cables de oro y las
PADS: adaptadores de señal ya que en el interior tenemos pistas
de micras con intensidades muy pequeñas, y en el exterior tenemos pistas de
milímetros e intensidades muy grandes comparativamente
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