Encapsulado

Sin pretender ser excesivamente técnico ni hacer un completo catálogo sobre encapsulados de circuitos integrados, trataré de explicar en qué consiste y qué importancia tiene para una CPU un elemento externo como éste.

Simplificando, el encapsulado es la parte externa y visible de un microprocesador y tiene tres funciones básicas:

  • Proteger al núcleo de la oxidación y cualquier elemento ambiental como el polvo
  • Enfriar el núcleo o ayudar a disipar el calor generado en él
  • Dar soporte a las patillas de conexión, pines o contactos (E/S)

A partir de aquí, encontramos diversos tipos de encapsulados según su forma o material o si incluyen además algún disipador metálico integrado. A medida que los microprocesadores evolucionaban, y a pesar de hacerse cada vez más pequeños, el número de conexiones hacia la placa base ha ido aumentando llegando ya a mas de 2000 pines obligando a buscar encapsulados y zócalos diferentes.

En cuanto a la forma podemos encontrar CPU’s en formato:

  • DIP o CERDIP

    8086
    Intel i8086
  • QFP

    amd386-SX20
    AMD 386SX 20MhZ
  • PGApentium100falso
    • PPGApentiumMMX166
    • FCPGAAMD Athlon XP 2200+ DUV3C AQYHA 01
  • LGAPENTIUM 805 SL8ZH
  • SECC/SECC2pentium III 550

Algunos de estos encapsulados, especialmente desde hace unos 10 años, incluyen un IHS (Integrated Heat Spreader) o difusor de calor integrado en el encapsulado para facilitar la transmisión de calor hacia otro disipador o sistema de refrigeración externo.

253401.jpg

Existe una técnica no recomendable por peligrosa, llamada lapping que consiste en despegar este IHS para pulirlo y mejorar así la superfície de contacto. También es posible pulir el disipador. La peligrosidad reside en la dificultad de arrancar dicho IHS ya que suele ser necesario el uso de cuchillas fuertes y afiladas y el riesgo a cortarse es enorme. Por otro lado, la mayoría de usuarios no necesitan realizar este método, quedando relegado a entusiastas del OC (overclock). Con un mantenimiento mínimo, es decir, cambiar la pasta termoconductora y limpiar el disipador/ventilador cada año debería ser más que suficiente para no sufrir de exceso de calor.

image.jpg

delidded.jpg


Fabricación de circuitos integrados a partir de arena

Cerca de un 25% (En peso) de la corteza terrestre es de silicio. Es el elemento más abundante después del oxígeno. La arena, sobre todo de cuarzo, tiene un alto porcentaje de silicio en forma de dióxido de silicio (SiO2) y es el ingrediente base para la fabricación de semiconductores.

El silicio se va separando, del resto de elementos que lo acompañan en la naturaleza, en un proceso que incluye múltiples pasos, para llegar al grado de pureza necesario para la fabricación de semiconductores, lo que se conoce como silicio de grado electrónico. Este silicio de grado electrónico puede tener tan sólo un átomo de otro elemento, por cada mil millones de átomos de silicio. En la imagen siguiente se puede ver como se “cultiva” un gran monocristal a partir del silicio purificado fundido. El resultado es un lingote de forma cilíndrica.

Estos lingotes acostumbran a tener un peso de unos 100 kilogramos, 300 mm de diámetro y una pureza del 99,9999 %.

Para producir la base de los circuitos integrados, el lingote se corta en discos de silicio individuales llamados obleas.

Las obleas se pulen por medios físicos hasta que las superficies son tan lisas que tienen el brillo de un espejo. La empresa Intel compra estas obleas a compañías especializadas en su fabricación. La tecnología High-K/Metal Gate de 45 nm utilizada por Intel utiliza obleas con un diámetro de 300 milímetros. Cuando Intel comenzó la fabricación de chips, construía circuitos integrados en obleas de 50 mm de diámetro. El uso de obleas de 300 mm comporta unos menores costes por cada chip.

Sobre la superficie de la oblea se vierte un líquido (Representado de color azul), mientras que se le hace girar, para que se distribuya uniformemente, formando una capa muy delgada y resistente. Se trata de un material fotosensible similar al que recubre los papeles de la fotografía clásica.

La exposición fotográfica de la película de la oblea se realiza con rayos ultravioletas. La reacción química que se desencadena en ese momento es similar a lo que sucede en el material de la película en una cámara de cine en el momento de presionar el botón de filmación. Las zonas de la superficie fotosensible de la oblea expuestas a la luz ultravioleta se convierten en solubles. La exposición se realiza a través de máscaras que actúan como plantillas, reservando algunas zonas de la oblea de la acción de los rayos ultravioletas. Se han de utilizar diferentes máscaras para cada capa del circuito integrado. Una lente (Visible en el centro) reduce la imagen de la máscara. De esta forma el espacio expuesto (Impreso) sobre la oblea es unas cuatro veces más pequeño que el de la máscara.

Por lo general de una sola oblea se obtienen cientos de microprocesadores. Cada uno de estos microprocesadores (U otros circuitos integrados) están formados por muchos (Miles y millones en algunos casos) transistores. A continuación se puede ver de que manera se fabrican estos transistores, que tienen unas dimensiones de entre 50 y 200 nm. Cada uno de estos transistores actúa como un interruptor, controlando el flujo de corriente eléctrica dentro del circuito integrado. Los investigadores de Intel han desarrollado transistores tan pequeños, que podrían caber cerca de 30 millones de ellos en la cabeza de un alfiler.

Una vez expuesta la oblea a la luz ultravioleta, se retira la capa fotosensible, mediante disolventes de las zonas expuestas a la luz. Al final del proceso, sobre la superfice de la oblea queda un dibujo similar al de la máscara.

Mediante productos químicos se profundiza el dibujo hecho en la capa fotosensible, de forma que se graba esta misma forma sobre la oblea de silicio.

Una vez grabada la oblea de silicio se retira el resto de la capa fotosensible.

A continuación se coloca una capa fotoresistente en algunas zonas del futuro transistor (Aquí representada en color azul). Esta capa fotorresistente impide que en la zona cubierta por ella puedan penetrar los iones del siguiente paso del proceso.

A continuación en un proceso de implantación de iones (También conocido como dopaje), las zonas expuestas de la oblea de silicio son bombardeadas con diferentes elementos químicos en forma de iones. Los iones son implantados en la oblea de silicio para modificar la forma en que el silicio conduce la electricidad, lo transforma en un semiconsuctor. Los iones se lanzan sobre la superficie de la oblea a una velocidad muy alta. Un campo eléctrico acelera los iones hasta una velocidad de más de 300.000 km/h.

Después de la implantación de los iones, en el proceso de dopaje, se retira el material fotorresistente. Las zonas semiconductoras se muestran de color verde con unas inclusiones de otros materiales.

Este transistor está ya casi terminado. Se han dejado tres agujeros en la capa de aislamiento (De color magenta) situada por encima del transistor. Estos tres agujeros se llenarán con el cobre necesario para las conexiones con otros transistores.

Las obleas se colocan en una solución de sulfato de cobre. Los iones de cobre se depositan sobre el transistor a través de un proceso de galvanoplastia. Los iones de cobre van desde el polo positivo (Barra de cobre) al polo negativo, que está formado por la oblea.

En la superficie de la oblea los iones de cobre se han asentado formando una capa delgada.

Posteriormente, el exceso de material se retira por un proceso de pulimento.

A continuación se crean múltiples capas de metal para la interconexión entre los diversos transistores. El diseño de este cableado depende de las funciones que haya de tener el circuito integrado o el microprocesador (Como en el caso del microprocesador Intel Core i7). Mientras que a simple vista el aspecto de la superficie del microprocesador de un ordenador tiene una aspecto muy plano, en realidad puede tener más de 20 capas para formar circuitos complejos. Si pudiéramos ver una vista ampliada de un chip, veríamos una intrincada red de líneas de circuitos y transistores más parecido a un sistema futurista de carreteras de varias capas. En la imagen siguiente se vería el espacio correspondiente a unos 6 transistores (500 nm).

Cada una de las porciones de la oblea que se utilizará para la fabricación de un circuito integrado (En este caso microprocesador), de unos 10 mm de lado, se somete a una prueba de funcionamiento. En este proceso las puntas de prueba proporcionan la tensión necesaria y miden la respuesta del conjunto de transistores.

Una vez probados, la oblea se corta en trozos. Cada uno de ellos formará parte de un microprocesador.

Los trozos de oblea que dieron buen resultado en la prueba anterior se pasan al encapsulado.

A continuación se puede ver el trozo de oblea correspondiente a un microprocesador Intel Core i7.

A continuación se unen la base con los conectores, el trozo de oblea y la tapa disipadora de calor, para formar un procesador completo (20 mm).

Ya se ha completado el procesador (Intel Core i7 en este caso). Un microprocesador es el producto más complejo que se pueda fabricar. Se necesitan cientos de pasos para ello.

En la prueba final se evalúan sus características principales, entre ellas la disipación de calor y la velocidad de proceso.

Una vez probados se colocan en bandejas.

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s