Como é fabricado um circuito integrado (ART4557)

Este interessante artigo fez parte de um livro que publicamos nos anos 90, mostrando a tecnologia básica da época. A tecnologia evoluiu, mas a base é a mesma servindo assim para que o leitor tenha uma ideia da complexidade do processo de fabricação de um único componente, tão importante em nossos dias.

Para entender melhor o modo de fabricação de um circuito integrado será interessante partirmos da fabricação dos diodos e dos transistores.

 

Circuitos Integrados

Conforme o leitor já deve saber, os diodos semicondutores são dispositivos formados por duas regiões de materiais semicondutores P e N, segundo o símbolo mostrado na figura 1 e havendo entre elas uma junção.

 


 

 

O material pode ser de silício ou o germânio e o comportamento P (positivo) ou (negativo) se deve a presença de elétrons com excesso ou falta, que se consegue pela adição de determinadas impurezas como o alumínio, o bismuto, etc.

Um tipo de diodo que mostra bem a técnica de fabricação é aquele em que temos um pedaço de material P no qual por um processo especial é difundida uma região N, conforme ilustrado na figura 2.

 


 

 

Partimos de um pedaço de material único e por um processo de difusão conseguimos formar uma pequena região de material N. aparecendo entre elas uma junção que então caracteriza o componente.

Podemos dizer de maneira muito próxima da realidade que se trata de um processo de integração de um componente só!

Basta então ligar os terminais às duas regiões semicondutoras para termos o componente pronto para ser encapsulado e usado. Veja figura 3.

 


 

 

Segundo o mesmo princípio, podemos partir de um material único (silício), uma pequena pastilha que na prática tem um diâmetro da ordem de 1 mm ou menos, e fazer um componente um pouco mais complexo.

Em lugar de difundirmos uma única região, difundimos duas regiões de modo atermos duas junções. Os materiais serão alternados quanto a polaridade, o que pode resultar numa estrutura NPN ou PNP, conforme mostra a figura 4.

 


 

 

O resultado disso é que temos agora um novo componente, um transistor, cujo símbolo é mostrado na figura 5.

 


 

 

 

Como todas as partes do componente são fabricadas num processo único, numa única pastilha, conhecida por "chip", também não estamos longe da realidade dizendo que se trata de uma integração de um único componente.

O desenho das regiões que são difundidas no chip determina as características elétricas do transistor, se ele vai trabalhar com correntes intensas, com sinais de altas frequências etc.

Para fabricar num processo único diversos componentes temos diversas possibilidades que nos levam a diversos tipos de circuitos integrados.

Os tipos de circuitos integrados que serão analisados depois, representam uma evolução das técnicas assim como das aplicações. Assim, para maior facilidade de compreensão abordaremos o tipo mais comum que é aquele em que todos os componentes são fabricados num único chio (no início, havia uma separação, pois transistores eram feitos num chip, resistores noutro e assim por diante e depois eles eram interligados para resultarem no componente final que então era encapsulado).

Assim, a primeira ideia foi a de se fabricar não um, mas diversos transistores num único chip, dando origem aos chamados "arrays" conforme mostra a figura 6.

 

 


 

 

A vantagem de um "array" pode ser resumida em dois fatores: ocupar menos espaço e, além disso, a possibilidade de se obter transistores rigorosamente com as mesmas características elétricas.

Pegando transistores isolados, de lotes diferentes, certamente será muito difícil encontrar dois com as mesmas características como o ganho, frequência de corte, etc.

O passo seguinte foi acrescentar ao mesmo chip outros componentes. Para o resistor não haverá muito problema. O próprio material da pastilha, o silício e um semicondutor apresentado por isso uma certa resistência. Se deixarmos no material um "canal" ou uma região de largura, espessura e comprimento apropriado, isso equivalerá a um resistor, do valor que quisermos, conforme mostra a figura 7.

Veja na figura temos um resistor "integrado" junto a um transistor.

 


 

 

Um capacitor pode ser conseguido com duas camadas de materiais semicondutores diferentes, separadas pela junção que polarizada no sentido inverso, as isola, fazendo as vezes de dielétrico. A capacitância obtida vai depender da superfície das regiões semicondutoras e da distância de separação, ou seja, a espessura da junção. Veja figura 8.

 


 

 

Infelizmente, o tamanho muito pequeno dos chips em que integramos os componentes limita bastante a obtenção de capacitores. Assim, no máximo o que podemos obter são capacitâncias de alguns picofarads o que quer dizer que capacitores maiores quando necessários devem ser ligados externamente.

Os diodos podem ser facilmente integrados pois constituem-se em simples junções entre dois materiais semicondutores de natureza diferentes, conforme mostra a figura 9.

 

 


 

 

Bobinas de pequenas indutâncias, como as usadas em circuitos de alta frequência, podem ser obtidas a partir de trilhas de materiais semicondutores dispostas em espiras conforme mostra figura 10.

 


 

 

De mesma forma que no caso dos capacitores, se num circuito precisarmos de indutâncias maiores, devemos usar componentes externos.

Circuitos Integrados

A obtenção de um circuito integrado com todos estes elementos já interligados de maneira determinada, conforme um amplificador por exemplo, mostrado na figura 11, exige uma técnica bastante complexa que vai desde o simples desenho da estrutura até sua elaboração.

 

 


 

 

 

Vamos então analisar de um modo simples e direto como é fabricado um circuito integrado', tomando como exemplo o processo denominado "planar".

Com a técnica descrita é possível fabricar integrados tanto com transistor comum (bipolares) corno com transistores MOS.

Numa única fatia (waffer) de silício podem ser fabricados simultaneamente dezenas ou centenas de circuitos integrados de urna vez só. Vejamos então como ocorre isso. Veja figura 12.

 


 

 

 

Partimos de um tarugo de silício monocristalino de natureza muito pura que é produzido em fornos especiais. Este tarugo é cortado em fatias (waffers). O tarugo normalmente tem um diâmetro da ordem de 5 cm e uma altura da ordem de 30 cm e cortado em fatias de apenas 1 mm de espessura. Isso significa que, de um simples tarugo podemos obter centenas de fatias, que por sua vez dão origem a milhares de circuitos integrados. Veja figura 13.

 


 

 

 

No processo de fabricação já podem ser acrescentadas as impurezas que determinam a polaridade do material. Assim, para os integrados com transistores bipolares acrescentam-se impurezas do tipo P. ao mesmo tempo em que para os CIs do tipo MOS as impurezas podem ser tanto do tipo P como N, dependendo do tipo de dispositivo a ser fabricado.

Como o corte da fatia apresenta irregularidades que devem ser eliminadas num banho corrosivo e um polimento reduzem sua espessura a aproximadamente 200 µm.

Pequenas distorções das características do material podem ocorrer na fatia causando assim problemas localizados, o que leva os Cls fabricados naqueles pontos ase/em rejeitados, mas nos processos modernos a taxa de rejeição é bastante pequena.

De posse do waffer, o que temos de fazer a transferir o "desenho" do integrado para ele formando assim as regiões que vão ser componentes e as suas interligações.

O próximo passo a ser dado na fabricação do integrado consiste na formação de uma máscara de óxido.

 

A máscara de óxido

A formação de uma fina película de dióxido de silício sobre a fatia onde vão ser gravados os integrados é de grande importância para o processo. Isso porque este óxido permite a gravação seletiva dos elementos do circuito e pode ao mesmo tempo ser atacado por substâncias usadas no processo sem atingir, no entanto, o próprio material semicondutor.

Para formar o óxido, as fatias são colocadas num forno aquecido a 1100 graus Centígrados e submetidas a um fluxo de oxigênio com vapor de água. As fatias são mantidas neste forno até que se forme uma película de óxido de apenas 0,5 µm (micrómetros). Veja figura 14.

 


 

 

 

Depois disso é colocada sobre a fatia uma gota de uma substância denominada "foto resistente" pois tem suas propriedades dependentes da incidência de luz ultravioleta, ou seja, é sensível como um filme fotográfico. Para que esta substância recubra a fatia de maneira uniforme ela é girada a grande velocidade. Desta forma, temos o aparecimento de uma camada de ordem de 1 µm de espessura na fatia, conforme mostra a figura 15 em perfil.

 

 


 

 

 

A substância foto resistente polimeriza sob a ação da luz e com isso passa a resistir a ação de solventes ao mesmo tempo em que o material não exposto pode ser facilmente removido pela ação de solventes.

 

Uso da máscara

Neste ponto já podemos fazer a gravação do padrão que vai representar o nosso circuito integrado, usando para esta finalidade uma máscara. Esta máscara consiste em regiões que deixam e que não deixam passar a luz conforme as áreas da fatia que devam ser ou não removidas (foto resistente).

A máscara já contém o desenho de todos os integrados que vão ser gravados na fatia, ou seja, de todos os "chips" que queremos fabricar, conforme ilustra a figura 16.

 

 


 

 

 

A fatia contendo a máscara é então submetida a um "banho de luz ultravioleta", indo depois para a revelação. Na revelação, as áreas que foram expostas a luz firmam-se e se mantém ao mesmo tempo em que a camada foto-resistente que não recebeu luz é removida, dando assim acesso a camada de óxido que está logo abaixo. Veja figura 17.

 


 

 

 

O próximo passo consiste em se dar um banho de ácido fluorídrico na fatia, o qual ataca a camada de óxido expondo nas janelas abertas pelo processo de gravação o silício. Finalmente, conforme mostra a figura 18 a camada foto resistente é removida de modo a deixar apenas a camada de óxido e o silício, mas já disposto na configuração que vai determinar o tipo de circuito integrado.

 

 


 

 

 

Camada epitaxial

O próximo passo na fabricação de Cl consiste na formação de uma fina camada epitaxial abaixo da capa de óxido e acima do silício. Esta camada terá polaridade diferente do material original, que passará a ser uma espécie de suporte ou substrato para o componente

Esta camada é conseguida fazendo-se difundir substância dopantes no silício num forno de indução a uma temperatura que varia entre 1000 e 1200 graus centígrados,

 

Isolamento e interligações

O silício é condutor, o que significa que os diversos componentes que formam os integrados precisam ser isolados entre si e isolados do substrato. As ligações entre os componentes da forma que se deseja são feitas pela disposição de uma fina película metálica.

Veja que o isolamento pode ser natural se um elemento N for polarizado inversamente em relação ao elemento P que consiste no substrato. Um resistor, por exemplo, fica isolado do substrato se operar polarizado inversamente em relação a ele, conforme mostra a figura 19.

 


 

 

 

Este fato é muito importante quando se usa um integrado, pois devemos tomar cuidado em nunca superar a tensão que polariza o componente inversamente. Se isso ocorrer, com uma inversão de polaridade, acima dos valores previstos, o componente pode ser destruído.

Este processo de isolamento por polarização inversa, pela sua facilidade de obtenção é o mais usado, bastando então que o substrato seja mantido na tensão mais negativa existente no circuito para que tudo funcione como o esperado.

Outras técnicas de isolamento existem como a que faz uso de óxido ou então ilhas em que se difundem regiões de polaridade apropriada, conforme mostra a figura 20.

 

 


 

 

 

Com a difusão de novas impurezas temos então a formação das regiões que determinam cada componente. Na figura temos uma região do integrado em que se formou um transistor.

 

Corte e encapsulamento

No final do processo já temos o componente em si, com os elementos formados e interligados na minúscula pastilha de silício. O próximo passo consiste em se fazer o corte de fatia separando cada uma das pequenas pastilhas ou chips que vão formar os circuitos integrados. As dimensões reduzidas destas pastilhas tornam esta operação bastante delicada. Veja figura 21.

 

 


 

 

 

Com os chips separados temos agora a operação de encapsulamento e soldagem. A utilização de um invólucro visa não só proteger o chip das impurezas do ar ou mesmo contato com quem o manuseia, como também facilitar o trabalho de montagem num equipamento.

A pastilha é então fixada numa base ou invólucro que já contém os terminais e são soldados finíssimos fios de ouro que fazem contato com as regiões determinadas já no projeto.

Com isso o invólucro já pode ser selado e depois do teste um a um, o circuito integrado está pronto para uso.

 

c) Tipos e especificações

A possibilidade de se formar na pastilha diversos tipos de componentes e de se fazer sua interligação da forma que bem entendermos leva a uma variedade incrível de tipos e especificações.

Assim, além do circuito interno equivalente que pode variar de uma maneira quase que ilimitada também temos as próprias aparências externas ou invólucros.

Existem diversos tipos de invólucro que são mostrados na figura 22.

 


 

 

 

 

O primeiro é um invólucro circular, mais antigo que hoje quase não é usado. O segundo é um invólucro SIL (Single in Line) ou de pinos alinhados, muito usado com circuitos integrados de potência como amplificadores, pois facilita a montagem deixando a superfície lateral do componente livre para contato com um dissipador de calor, e o terceiro é o mais usado de todos, o DIL ou Dual In Line.

No DIL temos duas filas de terminais paralelos e tanto sua separação como número são padronizados.

Os padrões mais comuns são os de 8 pinos, 14 pinos, 16 pinos, 20 pinos e 40 pinos, mas existem outras configurações e até tamanhos, como por exemplo os tipos usados em montagem de superfície (SMD) que são extremamente pequenos. Veja figura 23.

 


 

 

 

Existem também encapsulamentos especiais de base de porcelana, mas estes são encontrados em equipamentos militares, em computadores, etc.

Na figura 24 temos o modo de se fazer a identificação da numeração dos pinos. Para os invólucros SIL normalmente existem uma marca identificando o pino 1. Para os DIL também existe a marca que identifica o pino 1 ou então nos orientamos pela meia lua.

 

 


 

 

 

Os tipos recebem denominações codificadas que dependem primeiramente do fabricante e da função. Não existe como no caso dos semicondutores uma codificação padronizada que já indique o que o componente é e o que faz, corno no caso de transistores e diodos.

Apenas para algumas "famílias" é que temos um código mais geral que facilita a identificação. Denominamos de "famílias" grupos de integrados que tenham uma finalidade determinada.

Temos assim a "família" dos lineares que incluem amplificadores, comparadores etc, e que têm no tipo 741 o mais comum. Assim, muitos fabricantes simplesmente acrescentar ao número 741 sua codificação, dando origem a indicativos como: SN72741, NE741, uA741 onde tudo que for a mais que "741" refere-se ao fabricante.

Outra família é a dos integrados TTL que começa na série normal sempre com a numeração "74". Temos então os tipos 7401, 7442, 7474, etc. Siglas procedendo esta marcação indicam o fabricante como: SN7472, etc.

Também temos a família CMOS os integrados começam com a numeração 40, como por exemplo 4020, 4017, 4011, etc. Siglas como "CD" podem iniciar o fabricante.

De qualquer forma como cada tipo é um tipo, para sabermos exatamente o que faz cada integrado a única saída é consultar um manual. (Ou o datasheet pela internet.)

 


Opinião

Olhando para o futuro

Já estamos aprendendo a viver com a pandemia e nos preparando para os tempos em que tudo voltará ao normal, mas não o normal a que estávamos acostumados. Um novo normal, com novos hábitos, a tecnologia aplicada talvez de uma forma diferente, novas profissões e principalmente tecnologias específicas que antes não haviam sido pensadas.

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