Catto / Mapa de Temas · Tecnología Electrónica 5to nivel
Tecnología Electrónica · 120 h · Contenido 9 de 9

Tecnología microelectrónica

Cuadruplicar el área de un chip, de 100 a 400 mm², multiplica su costo por seis: entran cuatro veces menos en la oblea y, además, sale bien una proporción menor.

Oblea Fotolitografía Proceso CMOS Encapsulado Rendimiento

01Del silicio a la oblea

Un circuito integrado se fabrica sobre una oblea de silicio monocristalino, cortada de un lingote que se hace crecer desde el silicio fundido por el método de Czochralski. Las obleas actuales tienen 200 o 300 mm de diámetro y menos de un milímetro de espesor, y se pulen hasta que la superficie es plana a escala atómica. Todo el proceso ocurre en salas limpias, porque una partícula del tamaño de un transistor basta para arruinar un chip. En cada oblea se fabrican a la vez cientos o miles de chips iguales.

02Los procesos

ProcesoQué hace
FotolitografíaTransfiere el dibujo de una máscara a una resina fotosensible, con luz ultravioleta profunda de 193 nm o extrema de 13,5 nm
OxidaciónCrece dióxido de silicio sobre la oblea, aislante de compuerta y de separación
Implantación iónica y difusiónIntroducen dopantes en zonas definidas para formar regiones n y p
Deposición (CVD, PVD)Agrega capas de polisilicio, dieléctricos y metales
GrabadoQuita material donde la resina no protege; en seco, con plasma, para paredes verticales
Pulido químico-mecánico (CMP)Aplana cada capa para poder apilar la siguiente

Un proceso CMOS repite esos pasos decenas de veces: forma los pozos n y p, aísla los transistores con trincheras de óxido, crece el óxido de compuerta y define las compuertas, implanta fuente y drenador, y después construye encima de ocho a más de diez capas de interconexión de cobre separadas por dieléctricos. La primera parte, que hace los transistores, es el front end; la de las interconexiones, el back end. Además de CMOS hay procesos bipolares, BiCMOS, de silicio sobre aislante (SOI) y de semiconductores compuestos como el arseniuro de galio y el nitruro de galio. El diseño de circuitos para estos procesos se vio en diseño de circuitos integrados analógicos.

03Ensayo, corte y encapsulado

Terminada la oblea, cada chip se prueba con una punta de contactos y se marcan los defectuosos. Después la oblea se corta y los chips buenos se encapsulan: se pegan a un marco o sustrato y se conectan con hilos de oro o cobre (wire bonding) o dados vuelta sobre esferas de soldadura (flip chip). Los encapsulados evolucionaron de la inserción a la superficie y a la máxima densidad:

EncapsuladoCaracterísticas
DIPInserción, terminales cada 2,54 mm
SOIC, TSSOPMontaje superficial con terminales en dos lados
QFPTerminales en los cuatro lados; muchos pines, pero frágiles
QFNSin terminales salientes, con una isla térmica debajo
BGAMatriz de esferas de soldadura en toda la cara inferior
CSP y encapsulado a nivel de obleaDel tamaño del propio chip

04El rendimiento de fabricación

Los defectos se reparten al azar sobre la oblea con una densidad \( D \) por unidad de área. Un chip de área \( A \) sale bien si no tiene ningún defecto; con una distribución de Poisson, y con el modelo de Murphy, que supone una densidad variable y se ajusta mejor a los datos:

\[ Y_{Poisson} = e^{-DA} \] \[ Y_{Murphy} = \left(\frac{1 - e^{-DA}}{DA}\right)^2 \] El número de chips que entran en una oblea de diámetro \( d \) se aproxima por \( \pi (d/2)^2 / A - \pi d / \sqrt{2A} \): el segundo término descuenta los chips incompletos del borde. El costo de cada chip bueno es el de la oblea dividido por los chips buenos, y crece mucho más rápido que el área.
Laboratorio · chips buenos por oblea

El rendimiento según el área del chip, con el modelo de Poisson (azul) y el de Murphy (verde), para la densidad de defectos elegida. El panel calcula los chips por oblea, los buenos y el costo de cada chip bueno con el modelo de Murphy.

Por eso los chips grandes se dividen en varios más chicos, los chiplets, que se prueban por separado y se montan juntos en un mismo encapsulado.

05En el laboratorio

Actividad 1 · Anatomía de un chip

Observar con un microscopio un circuito integrado abierto: identificar las islas de conexión, los hilos y los bloques del chip.

Actividad 2 · Hojas de datos de encapsulados

Comparar la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente de un mismo circuito en SOIC, QFN con isla térmica y BGA.

Actividad 3 · Costo

Con el laboratorio de esta página, estimar cuánto conviene partir un chip de 400 mm² en cuatro de 100 mm².

06Errores frecuentes

  • Pensar que el costo del chip crece con el área. Crece más rápido, porque cae el rendimiento.
  • Olvidar el borde de la oblea. Los chips grandes desperdician más superficie en el perímetro.
  • Confundir el nodo tecnológico con una medida física. Hoy el nombre del nodo ya no coincide con ninguna dimensión del transistor.
  • Elegir el encapsulado solo por el tamaño. Decide la disipación, la inductancia de los terminales y la posibilidad de inspeccionar las juntas.

07Autoevaluación

¿Cuántos chips de 100 mm² entran en una oblea de 300 mm?

Unos 640.

Con 0,1 defectos por cm², ¿qué rendimiento da el modelo de Poisson para ese chip?

\( e^{-0{,}1} \approx 0{,}905 \).

¿Para qué sirve el pulido químico-mecánico?

Para aplanar cada capa y poder apilar la siguiente con precisión litográfica.

¿Qué ventaja tiene un BGA frente a un QFP?

Muchos más terminales en menos superficie, conexiones cortas y mejor disipación; a cambio, las juntas solo se inspeccionan con rayos X.

08Para ampliar

  • Richard C. Jaeger. Introduction to Microelectronic Fabrication. 2.ª ed., Prentice Hall, 2002. Los procesos de fabricación explicados paso a paso.
  • Stephen A. Campbell. Fabrication Engineering at the Micro- and Nanoscale. 4.ª ed., Oxford University Press, 2013. La física y la ingeniería de cada paso del proceso.
  • Peter Van Zant. Microchip Fabrication. 6.ª ed., McGraw-Hill, 2014. Una visión práctica de la industria, con el rendimiento y los costos.
Desarrollo del contenido «Tecnología microelectrónica» de Tecnología Electrónica (quinto nivel), según el diseño curricular de Ingeniería Electrónica, Plan 2023 — Ordenanza N° 1849 del Consejo Superior de la UTN. Volver al Mapa de Temas · catto.ar