genere | Componente elettronico , circuito elettronico |
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Materiali | Silicio , arseniuro di gallio , drogante ( in ) , alluminio , rame |
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Composto da | Die , pacchetto di circuiti integrati ( in ) |
Datato | 1958 |
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Il circuito integrato ( IC ), chiamato anche chip elettronico , è un componente elettronico , basato su un semiconduttore , che riproduce una o più funzioni elettroniche più o meno complesse, spesso integrando diversi tipi di componenti elettronici di base in un volume ridotto (su una piastrina), rendendo il circuito di facile realizzazione.
Esiste una varietà molto ampia di questi componenti suddivisi in due grandi categorie: analogici e digitali .
Nel 1958 , l'americano Jack Kilby inventò il primo circuito integrato, ponendo così le basi per l' hardware dei computer moderni. Jack Kilby, che era appena entrato in azienda, ha fatto la scoperta mentre i suoi colleghi si stavano godendo una vacanza organizzata da Texas Instruments . All'epoca, Kilby aveva semplicemente collegato tra loro diversi transistor cablandoli a mano. Ci vorranno solo pochi mesi dopo per passare dalla fase di prototipo alla produzione in serie di chip di silicio contenenti diversi transistor. Questi insiemi di transistor interconnessi in circuiti microscopici nello stesso blocco, consentivano la realizzazione di memorie , nonché unità logiche e aritmetiche . Questo concetto rivoluzionario si concentra in un volume incredibilmente piccolo, un massimo di funzioni logiche, a cui l'esterno accede tramite connessioni distribuite alla periferia del circuito. Il brevetto fu finalmente concesso a Texas Instrument nel 1964. Questa scoperta valse a Kilby un premio Nobel per la fisica nel 2000 , mentre quest'ultimo era ancora nel consiglio di amministrazione di Texas Instruments e deteneva più di 60 brevetti a suo nome.
Il programma di missili balistici Minuteman II è stato essenziale per lo sviluppo economico dell'industria dei circuiti integrati. È il primo oggetto prodotto in serie che incorpora un computer progettato da loro (il D-37C di Autonetics), è stato anche l'unico consumatore di questo tipo di computer dal 1962 al 1967. Il computer includeva circuiti prodotti da Texas Instruments di tipo DTL e DL. L'unico altro computer che utilizzava questa tecnologia era quello progettato per controllare le missioni Apollo , un computer che aveva vincoli simili in termini di massa e affidabilità.
I più semplici circuiti integrati analogici possono essere dei semplici transistor incapsulati l'uno accanto all'altro senza collegamento tra di loro, fino ad arrivare ad insiemi complessi che possono combinare tutte le funzioni richieste per il funzionamento di un dispositivo di cui è l'unico componente.
Gli amplificatori operazionali sono rappresentanti di media complessità di questa grande famiglia dove troviamo anche componenti riservati all'elettronica ad alta frequenza e alle telecomunicazioni . Molte applicazioni analogiche sono basate su amplificatori operazionali.
I circuiti integrati digitali più semplici sono le porte logiche ( e , oppure e no ), più complessi sono i microprocessori e più dense sono le memorie . Esistono molti circuiti integrati dedicati ad applicazioni specifiche (o ASIC per circuito integrato Application-specific ), in particolare per l' elaborazione del segnale ( elaborazione di immagini , compressione video , ecc.) parliamo quindi di un processore di segnale digitale (o DSP per Digital Signal Processor ). Un'importante famiglia di circuiti integrati è quella dei componenti logici programmabili ( FPGA , CPLD ). Questi componenti sono portati a sostituire semplici porte logiche a causa della loro elevata densità di integrazione.
I circuiti integrati sono generalmente protetti in un alloggiamento di plastica (a volte in ceramica) rettangolare nero. I circuiti integrati "classici" sono dotati su 2 lati opposti di pin di connessione (detti anche piedini o pin) che consentono di stabilire i collegamenti elettrici con l'esterno del case. Questi componenti sono saldati con stagno, (" saldati " essendo un termine improprio) su un circuito stampato , o inseriti, a scopo di smontaggio, in supporti che sono a loro volta saldati su un circuito stampato. Con la necessità di miniaturizzazione, i pin sono stati ridotti a semplici superfici di connessione direttamente al case, consentendo il montaggio superficiale del circuito stampato (case SMD ).
Sulla custodia possono essere stampati: il logo del produttore, un riferimento che identifica il componente, un codice corrispondente a varianti o revisioni, la data di fabbricazione (4 cifre codificate AASS: anno e settimana). Il progresso dell'integrazione è tale che i circuiti integrati possono diventare molto piccoli. La loro dimensione difficilmente dipende dalla capacità del case di dissipare il calore prodotto dall'effetto Joule e, molto spesso dal numero, dalla dimensione dei pin di uscita del circuito nonché dalla loro spaziatura.
Diversi tipi di pacchetti consentono di adattare il circuito integrato al suo ambiente di destinazione.
Esistono molti altri tipi:
Il die è la parte elementare, di forma rettangolare, riprodotta in modo identico utilizzando un die su un wafer di silicio durante la fabbricazione. Corrisponde ad un circuito integrato che verrà poi tagliato e che verrà chiamato chip prima di essere incapsulato per dare un circuito integrato completo, pronto per essere montato su una scheda.
Il die di un circuito integrato comprende, in forme miniaturizzate, principalmente transistor , diodi , resistori , condensatori , più raramente induttanze , perché più difficili da miniaturizzare.
L' integrazione della bilancia definisce il numero di porte logiche per unità:
Nome | Senso | Anno di pubblicazione | Numero di transistor | Numero di porte logiche per scatola |
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SSI | integrazione su piccola scala | 1964 | da 1 a 10 | da 1 a 12 |
MSI | integrazione di media scala | 1968 | da 10 a 500 | da 13 a 99 |
LSI | integrazione su larga scala | 1971 | da 500 a 20.000 | da 100 a 9.999 |
VLSI | integrazione su larga scala | 1980 | da 20.000 a 1.000.000 | da 10.000 a 99.999 |
ULSI | integrazione ultra larga scala | 1984 | 1.000.000 e oltre | 100.000 e oltre |
Queste distinzioni hanno progressivamente perso la loro utilità con la crescita esponenziale del numero di porte. Oggi diverse centinaia di milioni di transistor (diverse decine di milioni di porte) rappresentano una cifra normale (per un microprocessore o un circuito integrato grafico di fascia alta). Per raggiungere tali livelli di integrazioni, viene utilizzato un flusso di progettazione complesso.
La fabbricazione di un circuito integrato è un processo complesso la cui tendenza è sempre più complicata.
La materia prima di base solitamente utilizzata per fabbricare i circuiti integrati è il silicio , tuttavia talvolta vengono utilizzati altri materiali, come il germanio o l' arseniuro di gallio .
Il silicio è utilizzato sin dalla scoperta del transistor ad effetto nel 1947 dai ricercatori del Bell Laboratory che ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 1956 per questa scoperta.
Il silicio è un semiconduttore nella sua singola forma cristallina . Questo materiale dovrebbe essere puro al 99,99%.
Per prima cosa, si realizza una barra cilindrica di silicio cristallizzandola molto lentamente. Questa barra viene poi tagliata per essere utilizzata sotto forma di wafer spessi da 100 a 800 µm e aventi fino a 300 mm di diametro, chiamati wafer (wafer, in inglese). Un wafer supporterà molti circuiti integrati.
La fotolitografia si riferisce a tutte le operazioni che consentono di delimitare l'estensione laterale di materiali sulla superficie di un substrato semiconduttore, la cui struttura è più o meno bidimensionale perché basata sull'impilamento di strati sulla superficie di un silicio wafer . I pattern diventeranno successivamente le diverse aree attive dei componenti elettronici (esempio: contatto, drain, ecc.) o le giunzioni tra questi componenti. Questo processo è attualmente il più diffuso.
Fasi di produzioneIl numero di fasi nella produzione di circuiti integrati è cresciuto notevolmente negli ultimi 20 anni. Può arrivare a diverse decine per alcune produzioni specializzate. Tuttavia, c'è quasi sempre la stessa serie di passaggi:
I 20 più importanti produttori di circuiti integrati nel 2011 e la loro quota di mercato sono ( fonderie escluse ):
Classifica 2011 |
Classifica 2010 |
Società | Nazionalità / località | Attività di vendita (milioni di $ USD) |
2011/2010 | Quota di mercato |
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1 | 1 | Intel Corporation (1) | stati Uniti | 49 685 | + 23,0% | 15,9% |
2 | 2 | Elettronica Samsung | Corea del Sud | 29.242 | + 3,0% | 9,3% |
3 | 4 | Texas Instruments (2) | stati Uniti | 14 081 | + 8,4% | 4,5% |
4 | 3 | Toshiba Semiconduttori | Giappone | 13 362 | + 2,7% | 4,3% |
5 | 5 | Tecnologia Renesas | Giappone | 11 153 | -6,2% | 3,6% |
6 | 9 | Qualcomm (3) | stati Uniti | 10.080 | + 39,9% | 3,2% |
7 | 7 | STMicroelectronics | Francia Italia | 9.792 | -5,4% | 3,1% |
8 | 6 | Hynix | Corea del Sud | 8 911 | -14,2% | 2,8% |
9 | 8 | Tecnologia Micron | stati Uniti | 7 344 | -17,3% | 2,3% |
10 | 10 | Broadcom | stati Uniti | 7.153 | + 7,0% | 2,3% |
11 | 12 | Micro dispositivi avanzati | stati Uniti | 6.483 | + 2,2% | 2,1% |
12 | 13 | Tecnologie Infineon | Germania | 5.403 | -14,5% | 1,7% |
13 | 14 | Sony | Giappone | 5 153 | -1,4% | 1,6% |
14 | 16 | Semiconduttore a scala libera | stati Uniti | 4.465 | + 2,5% | 1,4% |
15 | 11 | Elpida Memoria | Giappone | 3 854 | -40,2% | 1,2% |
16 | 17 | NXP | Olanda | 3.838 | -4,7% | 1,2% |
17 | 20 | NVIDIA | stati Uniti | 3.672 | + 14,9% | 1,2% |
18 | 18 | Marvell Technology Group | stati Uniti | 3.448 | -4,4% | 1,1% |
19 | 26 | ON Semiconduttore (4) | stati Uniti | 3423 | +49,4% | 1,1% |
20 | 15 | Panasonic Corporation | Giappone | 3 365 | -32,0% | 1,1% |
Top 20 | 203.907 | 3,5% | 65,2% | |||
Tutte le altre società | 108.882 | -1,1% | 34,8% | |||
TOTALE | 312 789 | 1,9% | 100.0% |
Fonte: IHS iSuppli 2011
Appunti:
Le principali società di produzione di circuiti integrati presenti in Francia sono:
Ci vuole una quantità considerevole di materia prima per fabbricare un chip: lo zaino ecologico (che rappresenta la quantità di materia prima necessaria per fabbricare il prodotto) con un chip elettronico di 0,09 g di 20 kg .
“Anche all'interno di aziende che producono prodotti sia analogici che digitali…”