O que é um circuito integrado (CI)?

Na sociedade moderna, os produtos eletrónicos estão por toda parte e foram integrados em todos os aspectos das nossas vidas. Embora vários dispositivos eletrônicos tenham funções diferentes, todos eles dependem decircuitos integrados. Um circuito integrado é um dispositivo microeletrônico que integra vários componentes e fiação em um wafer semicondutor. Após a embalagem, forma uma estrutura funcional, promovendo o desenvolvimento de componentes eletrônicos rumo à miniaturização e muito mais.

O que é um circuito integrado (CI)?

Umcircuito integrado (ICabreviadamente), também conhecido como circuito integrado, refere-se à integração de vários componentes eletrônicos (como diodos, transistores, resistores, etc.) em um único chip para formar um sistema de circuito completo. O surgimento dos circuitos integrados tornou o projeto e a fabricação de circuitos mais convenientes e eficientes. Ao mesmo tempo, reduziu bastante o custo dos circuitos e promoveu o desenvolvimento da tecnologia eletrônica moderna.

O que os circuitos integrados (CI) fazem?

Um circuito integrado (IC) é uma tecnologia que integra um grande número de componentes eletrônicos em um pequeno chip semicondutor. A tecnologia de litografia é usada e a luz ultravioleta é usada para imprimir componentes em um substrato simultaneamente. Isso é mais eficiente, tem custo menor e desempenho mais confiável do que componentes discretos.
ICs têm vantagens significativas:

• A integração de funções torna o projeto do circuito flexível e compacto.

• Facilita o design e a fabricação, ajudando no rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos.

• Reduz o volume, tornando os produtos leves e portáteis.

• Reduz custos e aumenta a competitividade de preços.

• Melhora o desempenho e acelera a transmissão e processamento de dados.

• Aumenta a confiabilidade e reduz as taxas de falhas.

Evolução da fabricação de IC

A história do desenvolvimento de circuitos integrados (CIs, Circuitos Integrados) é um capítulo crucial na história da tecnologia eletrônica moderna. Não só acelera a miniaturização de produtos eletrónicos, como também proporciona um impulso à inovação em muitas indústrias.

1. Estágio inicial (final da década de 1950 - início da década de 1960): Antes disso, os dispositivos eletrônicos dependiam de tubos de vácuo volumosos. A invenção do transistor em 1947 tornou possível a miniaturização. Embora os transistores fossem amplamente utilizados, vários componentes individuais ainda eram necessários. Em 1958, Jack Kilby, da Texas Instruments, nos Estados Unidos, inventou o primeiro circuito integrado, integrando vários componentes eletrônicos, como transistores, resistores e capacitores, em um pequeno chip. Isto marcou uma grande revolução na tecnologia eletrônica, tornando os dispositivos mais compactos e eficientes.
   

2. Comercialização e Desenvolvimento (meados da década de 1960 - início da década de 1970): Em 1961, foi lançado o primeiro circuito integrado comercial. Posteriormente, a Intel também lançou seus produtos de circuitos integrados, promovendo a ampla aplicação da tecnologia. Em 1965, Gordon Moore, fundador da Intel, propôs a "Lei de Moore", que afirma que o número de transistores em um circuito integrado dobra aproximadamente a cada 18 meses, tornando-se um princípio orientador para o desenvolvimento de circuitos integrados e microprocessadores.
   

3. Nascimento e popularização dos microprocessadores (meados da década de 1970 - início da década de 1980): Em 1971, a Intel lançou o primeiro microprocessador, o processador 4004, que foi o primeiro circuito integrado a integrar a unidade central de processamento (CPU) do computador em um único chip, lançando as bases para a miniaturização e popularização dos computadores. No final da década de 1970, com o amadurecimento da tecnologia dos microprocessadores, os computadores pessoais (PCs) começaram a surgir e os circuitos integrados entraram gradativamente no cotidiano das pessoas, promovendo fortemente a chegada da sociedade baseada na informação.
   

4. Salto Tecnológico (década de 1990 - início de 2000): Com o progresso contínuo da tecnologia de semicondutores, o processo de fabricação de circuitos integrados tornou-se cada vez mais refinado, evoluindo do nível do mícron para o nível do nanômetro. Isso permite que um único chip integre mais funções e melhore significativamente o desempenho. Na década de 1990, com o rápido desenvolvimento das comunicações móveis e da eletrónica de consumo, os circuitos integrados evoluíram gradualmente para o sistema num chip (SoC), integrando mais funções num único chip e sendo amplamente utilizados em dispositivos como smartphones e tablets.
   

5. Situação Atual (Desde a década de 2010): O processo de fabricação de circuitos integrados entrou no estágio de nível nanométrico, como 7 nm e 5 nm. O desempenho e a eficiência dos circuitos integrados estão em constante melhoria, com os chips cada vez mais rápidos e com menor consumo de energia. Microprocessadores de nova geração, GPUs (unidades de processamento gráfico), etc. são amplamente utilizados em campos de ponta, como inteligência artificial, big data, computação em nuvem e direção autônoma. No futuro, os circuitos integrados continuarão a desempenhar um papel fundamental em domínios como a computação quântica, a aprendizagem profunda e a comunicação 5G, impulsionando o desenvolvimento contínuo da tecnologia. Partindo da simples integração de transistores, até os atuais chips miniaturizados e de alto desempenho, o desenvolvimento de circuitos integrados promoveu enormemente a popularização de dispositivos eletrônicos e a inovação tecnológica. Desde os primeiros computadores até aos actuais smartphones, veículos autónomos, etc., os circuitos integrados estão por todo o lado e tornaram-se a pedra angular da tecnologia moderna.

Tipos de circuitos integrados

Circuitos integrados(ICs) podem ser classificados de múltiplas perspectivas, incluindo escala, função, aplicação e tecnologia. Aqui estão alguns métodos de classificação comuns para circuitos integrados:

1. Classificação por Função

   • Circuitos Integrados Digitais: processa sinais digitais discretos, como microprocessadores, memórias e matrizes de portas lógicas.

   • Circuitos Integrados Analógicos: Processa sinais analógicos contínuos, como amplificadores operacionais, amplificadores de áudio e interruptores analógicos.

   • Circuitos Integrados Misto - Sinal: processe sinais digitais e analógicos simultaneamente, como conversores analógico-digitais (ADCs) e conversores digital-analógico (DACs).

   • Circuitos Integrados de Potência: Usado para controlar e acionar cargas de alta corrente, como chips de gerenciamento de energia e drivers de motor.
     

2. Classificação por Aplicação

   • Circuitos Integrados de Uso Geral: Circuitos padrão com uma ampla gama de usos, como portas lógicas de uso geral, contadores e registradores.

   • Circuitos Integrados Específicos de Aplicação (ASICs): Circuitos projetados para aplicações específicas, como processadores de imagem e chips de comunicação.

   • Sistema em um chip (SoC): Circuitos que integram as funções de um sistema eletrônico completo, incluindo processadores, memória e periféricos.

   • Circuitos Integrados de Radiofrequência (RFICs): Circuitos de alta frequência para comunicação sem fio, como transceptores de RF e sintetizadores de frequência.
     

3. Classificação por Tecnologia

   • Circuitos Integrados Bipolares: Use transistores bipolares, caracterizados por alta velocidade, mas consumo de energia relativamente alto.

   • Circuitos Integrados Metal - Óxido - Semicondutor (MOS): Utilize transistores MOS, caracterizados por baixo consumo de energia e alta integração.

   • Circuitos integrados complementares de metal - óxido - semicondutor (CMOS): Combine transistores MOS tipo n e tipo p e são a tecnologia de circuito integrado mais comumente usada atualmente.

   • Circuitos integrados CMOS bipolares (BiCMOS): Combine tecnologias bipolares e CMOS, tendo as vantagens de velocidade e baixo consumo de energia. Esses métodos de classificação podem ser combinados para descrever com mais precisão os tipos e características dos circuitos integrados.

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Tipos de embalagem IC

O método de empacotamento de um chip IC refere-se ao encapsulamento do chip em um invólucro equipado com pinos para fácil conexão a uma placa de circuito. Diferentes métodos de embalagem são adequados para diferentes cenários de aplicação e requisitos de custo. Os tipos comuns de embalagens de IC são os seguintes:
Embalagem através de furo

• Pacote duplo em linha (DIP): Os pinos são retirados de ambos os lados da embalagem em uma disposição em linha reta e inseridos na placa de circuito através dos pinos. Possui estrutura simples e baixo custo e é adequado para soldagem manual, mas possui grande volume, número limitado de pinos e baixo desempenho anti-interferência.

• Matriz de grade de pinos (PGA): Existem vários pinos quadrados dentro e fora do chip, dispostos em intervalos ao redor do chip, que podem ser organizados em 2 a 5 círculos. É conveniente para operações plug-and-play, tem alta confiabilidade e pode se adaptar a frequências mais altas, mas afetará a fiação de PCBs multicamadas.
  Embalagem de montagem em superfície

• Pacote de contorno pequeno (SOP): Os pinos saem de ambos os lados e é um pacote plano que pode ser soldado diretamente na placa de circuito impresso. É adequado para instalação e fiação SMT, com parâmetros parasitas reduzidos e alta confiabilidade em aplicações de alta frequência.

• Pacote Quad Flat (QFP): Os pinos saem dos quatro lados e são linhas retas horizontais com pequena indutância e podem operar em frequências mais altas. Possui pequeno volume, pinos densos e bom desempenho anti-interferência e é adequado para aplicações de circuitos de alta densidade.

• Porta-chips com chumbo de plástico (PLCC): Um porta-chips embalado em plástico com pinos em forma de J. Ele utiliza um pacote portador de chip, que é conveniente para substituir circuitos integrados no sistema.

• Transportador de chips cerâmicos sem chumbo (LCC): Os pinos são embutidos nos quatro lados da embalagem cerâmica e conduzem por contato, e às vezes também é chamado de CLCC. Se a estrutura do suporte e o formato do pino forem ligeiramente modificados, ele poderá ser soldado diretamente ao PCB sem a necessidade de um soquete.
  Outras embalagens

• Matriz de Grade de Bola (BGA): Conecta o chip e a placa de circuito através de bolas de solda em forma de bola, com alta densidade de pinos, boa resistência à vibração e excelente condutividade térmica. É adequado para aplicações de alta velocidade e alta densidade, como CPUs e GPUs.

• Pacote em escala de chip (CSP): O chip é embalado diretamente em um pequeno substrato quase sem pinos externos. É muito pequeno e leve e é adequado para aplicações que requerem minimização, como dispositivos portáteis e sistemas embarcados.

• Quad Flat Não - lead (QFN): Os quatro lados da embalagem são configurados com contatos de eletrodo. Como não há pinos, a área de montagem é menor que a do QFP e a altura é menor que a do QFP. Possui características de tamanho pequeno, boa dissipação de calor e bom desempenho elétrico e é adequado para ICs de alta velocidade e alta frequência.
  

O que é PCB e IC?

Um circuito integrado geralmente se refere à integração de um chip. Componentes como o chip ponte norte de uma placa-mãe e o interior de uma CPU são todos chamados de circuitos integrados, e o nome original também era "bloco integrado". Um PCB, por outro lado, refere-se à placa de circuito que comumente vemos e também é usado para imprimir e soldar chips na placa. Compreender a relação entre os dois: Um circuito integrado (IC) é soldado a uma PCB; o PCB é o portador do circuito integrado (IC). Simplificando, um circuito integrado integra um circuito de uso geral em um chip. É um todo e, uma vez danificado internamente, o chip também fica danificado. Uma PCB, entretanto, permite a auto-soldagem de componentes e, se um componente estiver danificado, ele pode ser substituído.

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