Circuito integrato

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
bussola Disambiguazione – "Microchip" rimanda qui. Se stai cercando altri significati, vedi Microchip (disambigua).
Tre circuiti integrati nei rispettivi package DIP plastici con i vari pin uscenti

Il circuito integrato (detto brevemente integrato[1] o IC dall'inglese integrated circuit), anche chiamato familiarmente microchip[2] o chip, è un tipo di componente elettronico che si contraddistingue per contenere uno o più circuiti elettronici miniaturizzati. Il circuito integrato è quindi una tipologia di componente elettronico complesso in quanto contiene più componenti elettronici elementari (transistor, resistori, diodi, ecc.).

Il circuito integrato è adibito, sotto forma di rete logica digitale o analogica, a funzionalità di processamento o elaborazione in output di dati in input espressi sotto forma di segnali elettrici.

L'ideazione del circuito integrato si deve a Werner Jacobi e Geoffrey Dummer. Con l'avvento del circuito integrato nasce la microelettronica.

Descrizione[modifica | modifica sorgente]

Tali sistemi sono i componenti hardware essenziali dei sistemi di elaborazione dati quali ad esempio i computer (es. processore o CPU, i microcontrollori ecc.).

Il circuito elettronico è realizzato su un substrato di materiale semiconduttore (in genere silicio ma anche arseniuro di gallio o altro) chiamato die e può essere costituito da poche unità fino a qualche centinaia di milioni di componenti elettronici elementari (transistor, diodi, condensatori e resistori). Il termine integrato fa riferimento proprio alla presenza di una vasta e spesso alta concentrazione, in funzione della cosiddetta scala di integrazione e in una piccola area, di componenti elettronici di base utili al processing del segnale entrante.

Il costo di fabbricazione di un circuito integrato varia molto poco (o rimane costante) al crescere della sua complessità, per cui è molto più economico sviluppare circuiti complessi, composti di una serie di stadi interni interconnessi fra loro e con l'esterno, che accentrino tutte le funzioni necessarie ad una specifica apparecchiatura. Per questo, l'industria microelettronica offre relativamente pochi tipi di IC generici (general purpose), ma decine di migliaia di IC specializzati (special purpose) ovvero ciascuno progettato per uno scopo specifico.

Il costo di vendita al dettaglio al pubblico è piuttosto contenuto variando a seconda dei tipi tra i 2 e gli 8 , mentre l'incremento nel tempo del numero di componenti elettronici integrati sul chip segue la famosa legge di Moore.

Il primo circuito integrato venne costruito nel 1958 da Jack St. Clair Kilby ed era composto da circa dieci componenti elementari, per il quale vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 2000.

Tipi di circuiti integrati[modifica | modifica sorgente]

Interno di un circuito integrato chiamato die

I circuiti integrati si dividono principalmente in due grandi categorie: analogici e digitali. Esistono tipologie di circuito che non rientrano in queste due: sono funzioni particolari, di uso meno diffuso, come, ad esempio, gli Active Filter o i sample and hold. I produttori le raggruppano in sottocategorie specializzate.

Quelli analogici sono concepiti per elaborare segnali analogici (cioè che possono variare con continuità nel tempo in modo arbitrario), mentre quelli digitali sono creati per trattare con segnali digitali binari, che possono assumere soltanto due valori "legittimi" diversi. Un esempio di IC analogico generico è l'amplificatore operazionale, mentre esempi di IC digitali sono le porte logiche i multiplexer e i contatori.

Die di un microprocessore e di una memoria a confronto

Storicamente i primi circuiti integrati furono digitali, sviluppati per i primi computer. Questi IC adottavano schemi elettrici interni di tipo RTL (da Resistor Transistor Logic), cioè integravano una serie di resistenze su semiconduttore per le polarizzazioni interne: successivamente le resistenze vennero sostituite con diodi, ottenendo schemi DTL (Diode Transistor Logic), e circa trent'anni fa anche i diodi furono sostituiti con transistor, e oggi la gran parte degli integrati digitali in commercio sono TTL (Transistor Transistor Logic).

Esiste una famiglia chiamata ECL (Emitter Coupled Logic) il cui principio di funzionamento fu realizzato nel 1956 nei laboratori IBM; di impiego meno diffuso delle altre ma tuttora usata, è caratterizzata da una velocità di commutazione estremamente rapida, a scapito però del consumo di corrente, molto elevato.

A seconda del tipo di transistor utilizzato, i circuiti integrati si dividono poi ulteriormente in Bipolari se usano transistor bipolari classici o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) se usano transistor MOSFET. Negli anni '90 la Intel mise a punto una nuova tecnologia ibrida per i suoi microprocessori, detta BiCMOS, che permette di usare entrambi i tipi di transistor sullo stesso chip.

Scala di integrazione[modifica | modifica sorgente]

La scala di integrazione di un circuito integrato dà una indicazione della sua complessità, indicando grosso modo quanti transistor sono contenuti in esso. In base alla scala di integrazione, i circuiti possono essere classificati in:

  • SSI (Small Scale Integration): meno di 10 transistor.
  • MSI (Medium Scale Integration): da 10 a 100 transistor.
  • LSI (Large Scale Integration): da 100 a 10000 transistor.
  • VLSI (Very Large Scale integration): da 10000 a 100000 transistor.
  • ULSI (Ultra Large Scale Integration): fino a 10 milioni di transistor.

Per numeri superiori di transistor presenti, l'integrazione viene definita come WSI (Wafer Scale Integration), potendo contenere un intero computer.

Collegata alla scala di integrazione vi è la capacità di processamento del circuito integrato, che aumenta con il numero dei transistor in accordo con la Legge di Moore.

Fabbricazione di un circuito integrato[modifica | modifica sorgente]

Disegno di un ipotetico circuito integrato

Il materiale di partenza è una fetta circolare (wafer) di semiconduttore, detta substrato, questo materiale, in genere già debolmente drogato, viene drogato ulteriormente per impiantazione ionica o per diffusione termica per creare le zone attive dei vari dispositivi (es. zone p e n nei transistor); poi vengono depositati, cresciuti per epitassia oppure termicamente, una serie di sottili strati di materiali diversi:

  • Strati di semiconduttore policristallino (definito di grado elettronico EGS, Electronic Grade Silicon, cioè silicio con meno di un'impurità ogni miliardo di atomi e quindi molto puro);
  • Strati isolanti sottili;
  • Strati isolanti di ossido, molto più spessi;
  • Strati metallici (siliciuri o metalli come ad esempio alluminio, tungsteno o più raramente rame) per i collegamenti elettrici.

La geometria delle zone che devono ricevere il drogaggio e quella dei vari strati è impressa sul substrato con un processo di fotolitografia: ogni volta che il circuito integrato in lavorazione deve ricevere un nuovo strato o una nuova impiantazione di droganti, viene ricoperto di un sottile film fotosensibile, che viene impressionato attraverso un negativo fotografico (detto "maschera" o "layout") ad altissima definizione.

Le zone del film illuminate divengono solubili e vengono asportate dal lavaggio, lasciando scoperto il chip sottostante, pronto per la prossima fase di lavorazione, rimozione selettiva o drogaggio delle aree prive del film fotosensibile.

Stazione di saldatura manuale dei sottili fili tra le piazzole del die e i pin del package. Attualmente la procedura è automatizzata

Una volta terminata la creazione dei chip sul substrato, questi vengono testati, il substrato viene tagliato e i chip incapsulati nei packages con cui verranno montati sui circuiti stampati attraverso dei collegamenti o piedini detti pin.

Selezione[modifica | modifica sorgente]

Come avviene per molti componenti elettronici, includendo diodi e transistor, anche i circuiti integrati vengono commercializzati in due o più versioni, aventi ciascuna prestazioni elettriche e termiche differenti. Dato che i chip non hanno tutti caratteristiche elettriche perfettamente identiche, il produttore opera una selezione, dividendo in due o più fasce prestazionali, lo stesso circuito. Anche il package può essere diverso.

I parametri sui quali viene fatta la selezione possono essere i più vari: temperatura di lavoro garantita, percentuale di errore nella conversione nel caso di un convertitore A/D, grado di linearità di un sensore di temperatura, tensione di lavoro garantita e tanti altri. Per esempio, l'amplificatore operazionale LM108 viene commercializzato anche nella versione LM208 e LM308; il primo ha prestazioni migliori dei secondi, compresa la tensione di lavoro, il vantaggio di poter alimentare l'operazionale con 18 volt speculari invece di 15, permette di avere un segnale di uscita con un livello di tensione più alto, oppure, alimentato con una tensione minore, garantire al circuito in cui è impiegato, una maggiore affidabilità nel tempo.

In genere, le fasce di temperatura di lavoro che si possono garantire per le più diffuse famiglie di circuiti integrati sono quattro:

  • la fascia "consumer" (TV, hi-fi, etc.) 0 ÷ 75 °C
  • la fascia "industrial" (robotica, automazione, apparecchiature industriali) -25 ÷ 85 °C
  • la fascia "automotive" (applicazioni nel campo automobilistico) -40 ÷ 85 °C (che tende a sostituire la fascia "industrial")
  • la fascia "military" (apparecchiature mediche, militari, satellitari) -55 ÷ 125 °C

ovviamente il prezzo del dispositivo varia anche notevolmente da una fascia ad un'altra. Il package dei dispositivi in fascia military è quasi esclusivamente ceramico.

Un circuito integrato SMT montato su circuito stampato

In alcuni casi, è il costruttore stesso di un'apparecchiatura elettronica ad effettuare un'ulteriore selezione, volta ad ottenere il componente con caratteristiche ancora superiori, necessarie all'impiego previsto nel circuito in progetto; nei casi estremi, quando nessun circuito in commercio possiede le caratteristiche necessarie per il progetto in corso, il costruttore progetta e realizza da sé il componente o affida ad altri la realizzazione. Il componente porterà una sigla non commerciale e potrà avere caratteristiche non standard: sarà un custom.

Componenti integrabili[modifica | modifica sorgente]

In un circuito integrato si possono integrare facilmente transistor e diodi: è possibile creare nel substrato semiconduttore anche piccole resistenze e condensatori, ma in genere questi ultimi componenti occupano molto spazio sul chip e si tende ad evitarne l'uso, sostituendoli quando possibile con reti di transistor. È possibile integrare anche induttori, ma il valore delle induttanze ottenibili è molto piccolo (nell'ordine dei nano henry (nH)): il loro impiego è molto limitato a causa dell'enorme occupazione di area che anch'esse richiedono, anche solo per realizzare induttori di piccolissimo valore. Inoltre, la tecnologia realizzativa dei circuiti integrati (non dedicati alle altissime frequenze) e quindi i notevoli effetti parassiti ne limitano sensibilmente le prestazioni, soprattutto se paragonati ai classici induttori non su circuito integrato. Tali induttori integrati vengono solitamente impiegati nei circuiti integrati a radiofrequenze (LNA[3], mixer, ecc), ad esempio a frequenze attorno ai gigahertz (GHz)[4]. Condensatori di media e grande capacità non sono assolutamente integrabili. Sono disponibili invece varie tipologie di integrati aventi la funzione relè, ovvero dispositivi dotati di ingressi logici, per mezzo dei quali interrompere o deviare segnali analogici anche multipli.

Package[modifica | modifica sorgente]

Modulo di memorie SO-DIMM in contenitore BGA (sotto i chip si intravedono le semisfere che costituiscono i contatti)

Un circuito integrato può essere realizzato con varie tipologie di package:

  • DIL o DIP (Dual In-line Package)
  • QFP (Quad-edged Flat Package)
    • HQFP (Heat sinked Quad Flat Package): QFP ad alta dissipazione termica
    • VQFP (Very small Quad Flat Package): QFP plastici ultrasottili
  • BGA (Ball Grid Array)
    • μBGA (micro Ball Grid Array): BGA a passo ridotto
    • FF896: BGA flip-chip a passo ridotto e 896 contatti
    • FF1152: BGA flip-chip a passo ridotto e 1152 contatti
  • PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)

Il package può essere in metallo, resine plastiche o ceramica. La categoria dei circuiti custom comprende package sia in formato standard che fuori standard, questi ultimi hanno una forma e una piedinatura unica, ne fanno largo impiego i produttori di strumenti di misura elettronici di classe elevata. È in uso da tempo da parte dei produttori, marchiare il componente (almeno i più diffusi), con la data di produzione costituita da un numero di 4 cifre, le prime due indicano l'anno, le seguenti la settimana.

Negli ultimi dieci anni si è affermato presso i produttori l'uso di versioni SMD dei componenti elettronici e dei circuiti integrati, perché sono più piccoli e risparmiano la necessità di forare la basetta portacomponenti, semplificando molto le operazioni di montaggio eseguite su linee di produzione robotizzate.

Costo[modifica | modifica sorgente]

I costi di realizzazione dei circuiti integrati si sono ridotti notevolmente nel tempo a causa di tecnologie sempre più efficienti ed automatizzate e alla forte economia di scala e sono divenuti ormai componenti elettronici circuitali a costo relativamente basso.

Riciclo[modifica | modifica sorgente]

IBM ha elaborato nel 2007 un metodo per riciclare il silicio contenuto nei chip e per poterlo riutilizzare per sistemi fotovoltaici. Il processo ha vinto "Most Valuable Pollution Prevention Award" nel 2007.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Circuito integrato in Treccani.it - Vocabolario Treccani on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 15 marzo 2011.
  2. ^ "Microchip" è un prestito linguistico dell'inglese. La traduzione letterale di "microchip" è "microscaglia". Il riferimento è alla scaglia di materiale semiconduttore sulla quale viene realizzato il circuito elettronico del circuito integrato attraverso un procedimento litografico (dopo che è stato completato il circuito elettronico attraverso il procedimento litografico, tale scaglia prende il nome di "die").
  3. ^ Low-Noise Amplifier, amplificatore a basso rumore
  4. ^ È possibile simulare un induttore in un circuito integrato usando un condensatore con un Giratore (ed in alcuni circuiti integrati viene realizzato) ma va tenuto conto dei limiti delle possibilità di simulazione (frequenza massima, corrente, ecc.). Altri costruttori riescono a simulare un induttore con un circuito che usa componenti attivi: ad esempio il circuito integrato LM2677 della National Semiconductor dove in un integrato switching viene simulato un induttore con induttanza di valore elevato (20 mH) (Active Inductor Patent Number 5,514,947))

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

elettronica Portale Elettronica: accedi alle voci di Wikipedia che trattano di elettronica