2.4: Fabricación Op Amp

Los amplificadores operacionales y otros circuitos integrados lineales generalmente se fabrican de dos maneras: El dispositivo es híbrido o monolítico. En cualquier caso, el circuito puede contener cientos de componentes. El dispositivo resultante se empaquetará en una variedad de estilos, incluidos los tipos de plástico y cerámica en línea doble y en línea simple, latas de múltiples conductores, paquetes planos y formas de montaje en superficie. Algunos ejemplos se muestran en la Figura\(\PageIndex{1}\). En cada tipo, los circuitos están completamente encerrados y no son accesibles para el diseñador o técnico. Si uno de los componentes falla, se reemplaza todo el amplificador operacional. El diseño y disposición del circuito integrado en sí se lleva a cabo normalmente con el uso de estaciones de trabajo informáticas especiales y herramientas de software. Estos permiten a los diseñadores simular partes del circuito, y crear los contornos e interconexiones para los diversos componentes que se van a formar.

Figura\(\PageIndex{1}\): Estilos de paquete (orificio pasante) en el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda: lata, simple en línea, mini doble en línea, doble

2.4.1: Construcción monolítica

El término monolítico es del griego, que significa literalmente “piedra única”. En este proceso, todos los elementos del circuito se crean e interconectan utilizando una sola losa de silicio (u otro material adecuado). Normalmente, varios amplificadores operacionales están hechos de una sola oblea de silicio. Cada oblea puede tener unas pocas pulgadas de diámetro, con cada chip de circuito de amplificador operacional comprendiendo quizás un cuadrado de 1 milímetro por 1 milímetro de área. Un solo transistor puede ser fácilmente menor de 15 micrómetros por 20 micrómetros. Debido a que la escala de construcción es tan pequeña, se requieren salas limpias especiales para eliminar pequeñas partículas de polvo y arena transportadas por el aire que podrían interferir con la producción de estos componentes súper pequeños. Los trabajadores en cuartos limpios también deben usar trajes especiales.

La figura\(\PageIndex{2}\) describe los principales pasos en el proceso de fabricación de chips. Este proceso inicia con la preparación de una oblea de silicio tipo P. Esto se conoce como el sustrato. Después de haber sido limpiado y pulido, una región epitaxial tipo N se difunde en la base tipo P. Epitaxial es del griego, que significa más o menos “arreglar sobre”. Es dentro de esta delgada región epitaxial donde se formarán los elementos del circuito, prestando el resto del sustrato soporte mecánico a la estructura. El término difusión se refiere a la manera en que el material semiconductor se dopa. En esencia, el material base está rodeado por una alta concentración de material dopante, generalmente gaseoso, junto con la aplicación de calor. El material de oblea de baja concentración será infiltrado por el material dopante de alta concentración. La difusión es un medio relativamente preciso y económico para controlar las propiedades del semiconductor.

Figura\(\PageIndex{2}\): Proceso de fabricación de virutas.

Una vez que se produce la región de tipo N, la oblea se someterá a un proceso de oxidación que dejará la superficie superior cubierta con dióxido de silicio. Esta capa evita que las impurezas entren en la región de tipo N. En este punto, se utilizará una serie de pasos para crear pozos o depósitos de material alternativo de p y n. Estos depósitos formarán los diversos componentes activos y pasivos. Normalmente, esto se realiza a través de un proceso fotolitográfico. Esto implica el uso de materiales sensibles a la luz y máscaras. Conceptualmente, el proceso no es muy diferente de la forma en que a menudo se fabrican las placas de circuito impreso. En esencia, áreas específicas de la capa de dióxido de silicio serán despojadas, exponiendo así la región epitaxial, y permitiendo que se produzca la difusión de otras impurezas aceptadoras/donantes. Debido a que el dióxido de silicio sirve como una barrera efectiva a la difusión, solo las áreas despejadas de dióxido de silicio se verán afectadas por el proceso de difusión. De esta manera, áreas específicas pueden ser señaladas y dopadas selectivamente para crear componentes específicos. Esto se detalla a continuación y en la Figura\(\PageIndex{3}\).

Para eliminar selectivamente el dióxido de silicio, la superficie superior se recubre con un material sensible a la luz llamado fotorresistente. Encima de esto se coloca una máscara. Esta máscara es muy parecida a un negativo en blanco y negro; algunas áreas son claras y algunas son opacas. El sándwich resultante se expone luego a la luz ultravioleta. Las áreas claras de la máscara permitirán que la luz pase a través y provocarán un cambio químico en el fotorresistente. Luego se usa una solución para lavar el fotorresistente no expuesto. En este punto, se utiliza una segunda solución para lavar el dióxido de silicio. Esta solución no afectará al fotorresistente expuesto y, por lo tanto, el dióxido de silicio debajo de ella no se ve afectado. Después de retirar esta capa protectora de fotorresistencia, todo lo que queda en la superficie superior de la oblea son parches alternantes de dióxido de silicio. La oblea ahora puede ser conducida a través de otro proceso de difusión.

Figura\(\PageIndex{3}\): Proceso de difusión (una ejecución).

El proceso de oxidación, enmascaramiento y difusión se repetirá varias veces. La ejecución inicial se producirá con una máscara de aislamiento. Esto se utiliza para separar los diversos componentes. Normalmente, a continuación se utilizará una máscara base, seguida de la máscara de emisor. Las máscaras finales serán utilizadas para contactos e interconexiones. De esta manera, el material de tipo N se puede colocar junto a, o completamente dentro de, material de tipo P. Las áreas colindantes son, por supuesto, los cruces PN. Debido a que todos los elementos del circuito están dispuestos a lo largo de una tira delgada, esta forma de fabricación se conoce como un proceso plano.

Una vez completada la máscara final, se inspeccionará la oblea. Los chips individuales se romperán de la oblea y se montarán en el paquete deseado. Los cables se conectarán al chip con alambre de pelo de ángel fino, y luego se sellará el paquete. Ahora está listo para la prueba final y la inspección. También se imprimirán números de pieza y códigos de fecha.

Prácticamente todos los amplificadores operacionales de uso general hoy en día utilizan un proceso monolítico plano. Algunas de las ventajas de la construcción monolítica son su relativa simplicidad y bajo costo por pieza.

2.4.2: Construcción Híbrida

Los híbridos se suelen utilizar donde una solución monolítica completa no es práctica. Este suele ser el caso de dispositivos de propósito especial, como aquellos que requieren una corriente de salida muy alta, un ancho de banda muy amplio, o que son muy complejos o sensibles. Los híbridos, como su nombre indica, son una colección de elementos de circuito más pequeños interconectados. Un híbrido típico puede contener dos o tres chips monolíticos más pequeños y una variedad de componentes pasivos y/o de potencia miniaturizados. Los componentes pasivos pueden integrarse adicionalmente mediante el uso de un proceso de chip de película delgada o gruesa. (Una discusión sobre las técnicas de chips de película delgada y gruesa está fuera del alcance de este texto). Debido a la complejidad de un chip híbrido, normalmente es más caro que sus primos monolíticos. Aunque el CI en sí mismo puede ser más costoso, la aplicación completa puede muy bien terminar siendo menos costosa de producir porque el costo de otros componentes se absorbe efectivamente dentro del CI híbrido. Un lugar donde a menudo se usan híbridos es en los sistemas de música estéreo de consumo. Un amplificador de potencia híbrido IC ofrece la comodidad de una sola solución IC con las capacidades de un enfoque de transistor discreto. Como usuario de amplificador operacional, hace poca diferencia si el dispositivo es híbrido o monolítico cuando se trata de análisis o diseño de circuitos.