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Circuitos integrados

Um circuito integrado (IC) é um chip semicondutor que carrega muitos componentes minúsculos, como capacitores, diodos, transistores e resistores.Esses minúsculos componentes são usados ​​para calcular e armazenar dados com a ajuda de tecnologia digital ou analógica.Você pode pensar em um CI como um pequeno chip que pode ser usado como um circuito completo e confiável.Um circuito integrado pode ser um contador, oscilador, amplificador, porta lógica, temporizador, memória de computador ou mesmo microprocessador.

Um CI é considerado um elemento fundamental de todos os dispositivos eletrônicos atuais.Seu nome sugere um sistema de múltiplos componentes interligados incorporados em um material semicondutor fino feito de silício.

História dos Circuitos Integrados 

A tecnologia por trás dos circuitos integrados foi inicialmente introduzida em 1950 por Robert Noyce e Jack Kilby nos Estados Unidos da América.A Força Aérea dos EUA foi a primeira consumidora desta nova invenção.Jack também Kilby ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2000 por sua invenção de CIs miniaturizados.

1,5 anos após a introdução do projeto de Kilby, Robert Noyce apresentou sua própria versão do circuito integrado.Seu modelo resolveu vários problemas práticos no dispositivo de Kilby.Noyce também usou silício em seu modelo, enquanto Jack Kilby usou germânio. 

Robert Noyce e Jack Kilby obtiveram patentes nos EUA por sua contribuição aos circuitos integrados.Eles lutaram com questões legais por vários anos.Finalmente, as empresas de Noyce e Kilby decidiram licenciar cruzadamente as suas invenções e apresentá-las a um enorme mercado global.

Tipos de circuitos integrados

Existem dois tipos de circuitos integrados.Estes são:

1. CIs analógicos

Os ICs analógicos têm uma saída constantemente variável, dependendo do sinal que estão recebendo.Em teoria, tais CIs podem atingir um número ilimitado de estados.Neste tipo de IC, o nível de saída do movimento é uma função linear do nível de entrada do sinal.

Os ICs lineares podem funcionar como amplificadores de radiofrequência (RF) e de áudio (AF).O amplificador operacional (op-amp) é o dispositivo normalmente usado aqui.Além disso, um sensor de temperatura é outra aplicação comum.Os ICs lineares podem ligar e desligar vários dispositivos quando o sinal atinge um determinado valor.Você pode encontrar essa tecnologia em fornos, aquecedores e condicionadores de ar. 

2. CIs Digitais 

Eles são diferentes dos CIs analógicos.Eles não operam em uma faixa constante de níveis de sinal.Em vez disso, operam em alguns níveis predefinidos.Os CIs digitais funcionam fundamentalmente com a ajuda de portas lógicas.As portas lógicas usam dados binários.Os sinais em dados binários têm apenas dois níveis conhecidos como baixo (lógico 0) e alto (lógico 1).

Os ICs digitais são usados ​​em uma ampla gama de aplicações, como computadores, modems, etc.

Por que os circuitos integrados são populares?

Apesar de terem sido inventados há quase 30 anos, os circuitos integrados ainda são utilizados em inúmeras aplicações.Vamos discutir alguns dos elementos responsáveis ​​pela sua popularidade: 

1. Escalabilidade 

Há alguns anos, a receita da indústria de semicondutores atingiu incríveis 350 bilhões de dólares.A Intel foi a maior contribuidora aqui.Havia também outros players, e a maioria deles pertencia ao mercado digital.Se você olhar os números, verá que 80% das vendas geradas pela indústria de semicondutores vieram desse mercado.

Os circuitos integrados desempenharam um grande papel neste sucesso.Veja bem, os pesquisadores da indústria de semicondutores analisaram o circuito integrado, suas aplicações e suas especificações e ampliaram-no.

O primeiro IC inventado tinha apenas alguns transistores – 5 para ser mais específico.E agora vimos o Xeon de 18 núcleos da Intel com um total de 5,5 bilhões de transistores.Além disso, o controlador de armazenamento da IBM tinha 7,1 bilhões de transistores com cache L4 de 480 MB em 2015.

Essa escalabilidade desempenhou um grande papel na popularidade dos Circuitos Integrados.

2. Custo

Houve vários debates sobre o custo de um IC.Ao longo dos anos, também houve um equívoco sobre o preço real de um IC.A razão por trás disso é que os CIs não são mais um conceito simples.A tecnologia está avançando a uma velocidade tremendamente rápida e os projetistas de chips devem acompanhar esse ritmo ao calcular o custo do IC.

Há alguns anos, o cálculo do custo de um CI baseava-se na matriz de silício.Naquela época, a estimativa do custo do chip poderia ser facilmente determinada pelo tamanho da matriz.Embora o silício ainda seja um elemento primário em seus cálculos, os especialistas também precisam considerar outros componentes ao calcular o custo do IC.

Até agora, os especialistas deduziram uma equação bastante simples para determinar o custo final de um CI:

Custo final do IC = Custo do pacote + Custo do teste + Custo da matriz + Custo de envio

Esta equação considera todos os elementos necessários que desempenham um papel importante na fabricação do chip.Além disso, pode haver alguns outros fatores que podem ser considerados.A coisa mais importante a ter em mente ao estimar os custos do IC é que o preço pode variar durante o processo de produção por vários motivos.

Além disso, quaisquer decisões técnicas tomadas durante o processo de fabricação podem ter um impacto significativo no custo do projeto.

3. Confiabilidade

A produção de circuitos integrados é uma tarefa muito sensível, pois exige que todos os sistemas funcionem continuamente durante milhões de ciclos.Campos eletromagnéticos externos, temperaturas extremas e outras condições operacionais desempenham um papel importante na operação do IC.

No entanto, a maioria desses problemas é eliminada com o uso de testes de alto estresse corretamente controlados.Não fornece novos mecanismos de falha, aumentando a confiabilidade dos circuitos integrados.Também podemos determinar a distribuição de falhas em um tempo relativamente curto através do uso de tensões mais altas.

Todos esses aspectos ajudam a garantir que um circuito integrado seja capaz de funcionar corretamente.

Além disso, aqui estão alguns recursos para determinar o comportamento de circuitos integrados:

Temperatura

A temperatura pode variar drasticamente, tornando a produção de CI extremamente difícil.

Tensão.

Os dispositivos operam com uma tensão nominal que pode variar ligeiramente.

Processo

As variações de processo mais importantes usadas para dispositivos são a tensão limite e o comprimento do canal.A variação do processo é classificada como:

• Muito em muito
• Bolacha em bolacha
• Morrer para morrer

Pacotes de Circuitos Integrados

O pacote envolve a matriz de um circuito integrado, facilitando a conexão a ele.Cada conexão externa da matriz é ligada por um pequeno pedaço de fio dourado a um pino na embalagem.Os pinos são terminais de extrusão de cor prateada.Eles passam pelo circuito para se conectar a outras partes do chip.Eles são altamente essenciais, pois percorrem o circuito e se conectam aos fios e ao restante dos componentes de um circuito.

Existem vários tipos diferentes de pacotes que podem ser usados ​​aqui.Todos eles têm tipos de montagem exclusivos, dimensões e contagens de pinos exclusivas.Vamos dar uma olhada em como isso funciona.

Contagem de alfinetes

Todos os circuitos integrados são polarizados e cada pino é diferente em termos de função e localização.Isso significa que a embalagem precisa indicar e separar todos os pinos uns dos outros.A maioria dos ICs usa um ponto ou entalhe para mostrar o primeiro pino.

Depois de identificar a localização do primeiro pino, o restante dos números dos pinos aumenta em uma sequência conforme você percorre o circuito no sentido anti-horário.

Montagem

A montagem é uma das características exclusivas de um tipo de embalagem.Todos os pacotes podem ser categorizados de acordo com uma de duas categorias de montagem: montagem em superfície (SMD ou SMT) ou através de furo (PTH).É muito mais fácil trabalhar com embalagens passantes, pois são maiores.Eles são projetados para serem fixados em um lado de um circuito e soldados no outro.

Os pacotes para montagem em superfície vêm em tamanhos diferentes, de pequenos a minúsculos.Eles são fixados em um lado da caixa e soldados à superfície.Os pinos deste pacote são perpendiculares ao chip, espremidos lateralmente ou, às vezes, colocados em uma matriz na base do chip.Os circuitos integrados na forma de montagem em superfície também requerem ferramentas especiais para serem montados.

Dupla em linha

O Pacote Dual In-line (DIP) é um dos pacotes mais comuns.Este é um tipo de pacote IC passante.Esses pequenos chips contêm duas fileiras paralelas de pinos que se estendem verticalmente para fora de um invólucro retangular de plástico preto.

Os pinos possuem um espaçamento de cerca de 2,54 mm entre eles – um padrão perfeito para caber em protoboards e algumas outras placas de prototipagem.Dependendo da contagem de pinos, as dimensões gerais do pacote DIP podem variar de 4 a 64.

A região entre cada linha de pinos é espaçada para permitir que os CIs DIP se sobreponham à região central de uma placa de ensaio.Isso garante que os pinos tenham sua própria linha e não entrem em curto.

Contorno Pequeno

Pacotes de circuitos integrados de contorno pequeno ou SOIC são semelhantes a uma montagem em superfície.É feito dobrando todos os pinos de um DIP e encolhendo-o.Você pode montar esses pacotes com a mão firme e até com os olhos fechados – é muito fácil!

Quadrado

Os pacotes Quad Flat espalham os pinos em todas as quatro direções.O número total de pinos em um IC quádruplo pode variar de oito pinos em um lado (32 no total) a setenta pinos em um lado (300+ no total).Esses pinos têm um espaço de cerca de 0,4 mm a 1 mm entre eles.Variantes menores do pacote quad flat consistem em pacotes de baixo perfil (LQFP), finos (TQFP) e muito finos (VQFP).

Matrizes de grade de bolas

Ball Grid Arrays ou BGA são os pacotes IC mais avançados do mercado.São pequenos pacotes incrivelmente complicados, onde pequenas bolas de solda são dispostas em uma grade bidimensional na base do circuito integrado.Às vezes, os especialistas fixam as bolas de solda diretamente na matriz!

Os pacotes Ball Grid Arrays são frequentemente utilizados para microprocessadores avançados, como Raspberry Pi ou pcDuino.