circuiti integrati

Un circuito integrato, acronimo IC (dal corrispondente termine inglese Integrated Circuit), anche chiamato microchip o semplicemente chip, è un circuito elettronico miniaturizzato che si presenta come un singolo componente elettronico.

Il circuito elettronico è realizzato con un substrato di materiale semiconduttore (in genere silicio ma a volte anche arseniuro di gallio o altro), il die, ed è costituito da poche unità fino a molte decine di milioni di componenti elettronici elementari (transistor, diodi, condensatori e resistori).

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 ma decine di migliaia di IC specializzati, ognuno progettato per uno scopo specifico.

Il primo circuito integrato venne costruito nel 1958 da Jack St. Clair Kilby ed era composto da circa dieci componenti elementari.

Tipi di circuiti integrati

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.

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 tutt'ora 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

Il numero di transistor contenuti in un IC definisce la sua scala di integrazione:
- SSI <10 (acronimo di Small-Scale Integration)
- MSI <100 (acronimo di Medium-Scale Integration)
- LSI <10.000 (acronimo di Large-Scale Integration)
- VLSI <100.000 (acronimo di Very-Large Scale Integration)
- ULSI <10.000.000 (acronimo di Ultra-Large Scale Integration)

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

Fabbricazione di un circuito integrato

Il materiale di partenza è una fetta circolare 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; 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") 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.

Selezione

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 tre:
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.

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

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 o trasformatori, 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 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 [1], mixer, ecc), ad esempio a frequenze attorno ai giga hertz (GHz) ([2]. 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.