Che cos'è un microchip?

Un microchip è un dispositivo elettronico composto da un piccolo pezzo piatto di materiale semiconduttore modificato con altri agenti dopanti, ossidi e metalli per creare componenti elettronici, tra cui transistor, diodi, resistori e condensatori collegati in un circuito.

I microchip sono anche chiamati:

• Circuiti integrati (IC, Integrated Circuits)
• Chip per computer
• Semiconduttori
• Chip

I circuiti integrati hanno sostituito i gruppi di componenti discreti collegati da fili o schede a circuito stampato (PCB) perché sono un unico dispositivo monolitico molto più piccolo, utilizzano molta meno potenza e possono essere prodotti in massa a un costo notevolmente inferiore.

I materiali per semiconduttori sono stati scoperti nel 1821 da Thomas Johann Seebeck e i primi transistor per semiconduttori funzionanti sono stati creati da Willam Shockley nel 1947. I componenti e tutte le loro interconnessioni sono stati quindi combinati in un singolo dispositivo nel 1959 da Robert Noyce. La chiave di questa invenzione e tutto ciò che è seguito è stato il processo di produzione planare, che ha utilizzato la fotolitografia per depositare e rimuovere i materiali uno strato alla volta in modo preciso.

I circuiti integrati sono parte integrante della vita moderna e forniscono componenti elettronici per dispositivi che vanno dai giocattoli alle sonde per lo spazio profondo. Nel 2023, il fatturato mondiale derivante dalle vendite di microchip è stato di 526,9 miliardi di dollari. Le vendite di quest'anno hanno registrato un'ulteriore crescita nell'utilizzo dei chip in altre applicazioni oltre che nei computer: il 32% è stato per la comunicazione, il 17% per le applicazioni automobilistiche, il 14% per i dispositivi industriali, l'11% per l'elettronica di consumo e solo il 25% per i computer.

Secondo la Legge di Moore, che afferma che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia ogni due anni, la crescente complessità dei circuiti e le dimensioni sempre più ridotte dei componenti rendono la progettazione e produzione di microchip più complicate con ogni generazione di chip.

La dimensione generale dei singoli elementi su un chip, indicata come dimensione delle caratteristiche, è misurata in nanometri (nm) o un billionesimo di metro. Gli attuali produttori di semiconduttori utilizzano processi a 14 nm, 10 nm, 7 nm, 5 nm e 3 nm, con tecnologie a 2 nm disponibili online. Per dare un esempio di riferimento, un grano di riso è lungo 5 milioni di nanometri.

Nel 2023, i ricercatori hanno creato un microprocessore da record contenente 1,2 trilioni di transistor. La linea di CPU Intel nel 2024 include più di 100 milioni di transistor su un singolo chip.

I circuiti integrati sono realizzati in materiale semiconduttore, solitamente silicio, impilati in strati sovrapposti. Di seguito gli elementi più comuni in un microchip:

• Substrato di silicio: Lo strato di cristallo di silicio puro di base da cui sono costruiti gli altri strati rimuovendo o depositando altri materiali o aggiungendo agenti dopanti al materiale di cristallo. 
  
  

• Strati: I circuiti elettronici vengono creati su singoli strati. Gli strati vengono modificati con fotolitografia, incisione e deposizione per produrre i componenti e le interconnessioni desiderate. Alcuni strati fungono anche da isolanti elettrici.
• Vie: una zona di conduzione, solitamente cilindrica, utilizzata per trasmettere segnali elettrici tra gli strati.

• Componenti: I dispositivi elettronici che costituiscono il circuito desiderato. Nella maggior parte dei circuiti integrati, sono costituiti da transistor, condensatori, diodi, resistori e talvolta induttori.
• Interconnessioni: Percorsi metallizzati su un determinato strato che conducono elettricità tra i componenti o verso vie. 

• Packaging: Al termine, il circuito integrato viene posizionato all'interno di un assieme chiamato packaging di semiconduttori che protegge e isola il delicato chip di silicio, può collegare più chip e fornisce un modo per collegare il chip o i chip a un circuito elettronico più grande. 

La produzione di microchip prevede tre fasi. Ogni fase è altamente ottimizzata e automatizzata per ridurre al minimo i costi, garantire la qualità e massimizzare l'efficienza. Gli ingegneri che progettano circuiti integrati devono avere una buona comprensione del processo di produzione perché ogni fase determina dimensioni, forma e spaziatura dei componenti.

Fase 1: Produzione di wafer

La produzione di wafer in silicio vuoti è il primo passo nella produzione di semiconduttori. Questo processo inizia con la creazione di un lingotto cilindrico monocristallino, chiamato boule, di materiale semiconduttore, in genere silicio puro. La boule viene quindi tagliata in un wafer sottile, lavorato a macchina per creare una superficie piatta, incisa chimicamente per rimuovere eventuali danni di lavorazione e lucidata. I wafer elettronici hanno in genere un diametro compreso tra 100 e 450 mm. Le dimensioni più comuni sono 300 mm di diametro e 755 µm di spessore.

Fase 2: Fabbricazione

I circuiti, con tutti i componenti e le interconnessioni, vengono creati in una fabbrica specializzata nella produzione di semiconduttori, solitamente chiamata Fab. Ogni strato e la topologia dei circuiti vengono creati in una serie di passaggi altamente controllati. I robot spostano i wafer da macchina a macchina in gruppi. La maggior parte dei processi di fabbricazione dei chip segue questi passaggi per ciascuno strato:

• Creazione di uno strato di biossido di silicio per coprire completamente lo strato (chiamata anche passivazione).
• Aggiunta di un rivestimento fotoresist.
• Esposizione dello strato fotoresist alla luce ultravioletta nel modello della geometria che si desidera creare. Lo strato fotoresist viene quindi sviluppato e il materiale esposto alla luce viene rimosso. Questa operazione è chiamata fotolitografia.
• Uso di sostanze chimiche, di solito un acido forte, per rimuovere lo strato di ossido dove è stato rimosso il fotoresist. Questa operazione è nota come incisione.
• Rimozione del materiale fotoresist non sviluppato.
• Se per lo strato è necessario il doping, l'impiantazione ionica di contaminanti nella struttura a cristalli crea il comportamento desiderato dei semiconduttori per transistor e altri componenti.
• Per altri materiali, vengono utilizzate varie forme di deposizione chimica o da vapore per creare interconnessioni, vie e altri componenti.

Fase 3: Packaging

Una volta che ogni strato è stato costruito e il wafer è pulito e testato, viene tagliato in singoli chip chiamati stampi. Uno o più stampi vengono quindi attaccati a una struttura attraverso l'incollaggio e il circuito integrato viene incapsulato in materiali diversi, a seconda dell'applicazione. Alcuni package contengono un singolo chip, ma la tendenza attuale è quella di combinare più stampi in un singolo package. 

I tipi e gli utilizzi dei circuiti integrati sono in crescita ogni anno. I primi circuiti integrati spesso eseguivano una singola funzione. Ma con il miglioramento della tecnologia di produzione e degli strumenti di progettazione, i chip sono passati a essere multifunzione.

Gli smartphone sono un ottimo esempio di come è possibile combinare più tipi di chip in un unico dispositivo per diversi utilizzi. Contengono chip a radiofrequenza (RF) per radio 5G e GPS, chip optoelettrici per le telecamere, chip LED per il display, circuiti integrati digitali per le unità di elaborazione, chip MEMS (Micro-Electromechanical Systems) per l'accelerometro e decine di altri circuiti integrati per rilevare, controllare e modificare un vasto numero di utilizzi.

I diversi tipi di chip possono essere classificati in base ai segnali che inviano.

Circuiti integrati analogici

I segnali analogici trasportano tensione attraverso un intervallo di tensione continua, non solo un segnale ad alta o bassa tensione. Vengono utilizzati per amplificare, filtrare in base alla frequenza e miscelare i segnali. La frequenza e la potenza di un circuito integrato analogico possono variare notevolmente e le frequenze e le potenze più elevate presentano notevoli sfide di progettazione.

Gli utilizzi comuni dei circuiti integrati analogici includono:

• Sensori ottici, termici e audio
• Circuiti di gestione della potenza
• Amplificatori operazionali (op-amp)
• Elaborazione di segnali audio e video
• Telecomunicazioni, incluse la comunicazione radio e l'elaborazione ottica del segnale
• Circuiti a radio frequenza (RF)
• Condizionamento del segnale
• Controller di macchine

Circuiti integrati digitali

I circuiti integrati digitali sono dispositivi logici che contengono milioni o miliardi di porte logiche realizzate con transistor. Un segnale che gira a una frequenza di clock fissa viene modificato o misurato come alto o basso, zero o uno. Combinando diversi dispositivi logici, è possibile eseguire calcoli molto complessi con un consumo energetico ridotto.

Tra gli impieghi più comuni per i circuiti integrati digitali figurano:

• Processori o circuiti integrati logici
  • Microprocessori
  • Microcontroller
  • Circuiti integrati specifici per applicazione (ASIC, Application-Specific Integrated Circuits)
• Chip di memoria
• FPGA (Field Programmable Gate Array)
• Dispositivi di gestione della potenza digitali
• Dispositivi SoC (System-on-a-chip)
• Chip a più stampi

Circuiti integrati a segnale misto

Alcuni circuiti integrati combinano circuiti per gestire segnali analogici e digitali ed eseguono la conversione tra i due per creare circuiti integrati a segnale misto. Vengono utilizzati quando viene rilevato o creato un segnale analogico e sono necessarie operazioni logiche per leggere, creare o modificare tale segnale.

Alcuni degli utilizzi più comuni per i circuiti integrati a segnale misto sono:

• Dispositivi SOC
• Chip di acquisizione dati
• Circuiti CMOS RF
• Circuiti integrati di clock/temporizzazione
• Circuiti con condensatore commutato
• Dispositivi elettro-ottici
• Dispositivi MEMS

Il futuro dei microchip è simile al passato, con maggiori capacità in dimensioni più piccole e una costante riduzione dei costi. I progressi nella produzione creeranno anche nuove opportunità per migliorare le prestazioni e nuove applicazioni.

Alcune tendenze che guideranno la progettazione e la simulazione dell'ingegneria elettrica nel prossimo futuro sono:

Passaggio a progettazione fabless e fonderie

Nel corso degli anni, il settore si è spostato verso un modello in cui le aziende possono progettare i propri circuiti integrati e quindi affidare la produzione a un'azienda esterna che produce chip. Questo processo si chiama progettazione fabless e i produttori a contratto sono chiamati fonderie. Questo consente ad aziende come Apple e Qualcomm di progettare prodotti innovativi senza dover investire capitali nella costruzione delle proprie fabbriche di produzione. Gli ingegneri devono progettare in base ai processi di produzione e agli standard della fonderia che utilizzeranno.

Dimensioni più piccole delle caratteristiche

Le dimensioni delle caratteristiche continuano a ridursi, creando problemi di potenza e integrità del segnale. Per rimanere competitivi, gli ingegneri elettrici devono progettare utilizzando queste nuove capacità, oltre a sfruttare best practice di simulazione e progettazione per evitare problemi.

Complessità dei dispositivi elettronici e funzionalità combinate

Con il tempo, un numero sempre più grande di progettisti di dispositivi elettronici è alla ricerca di funzionalità superiori in un singolo chip. I dispositivi IoT (Internet of Things), i nuovi sistemi di storage a lungo termine a stato solido e i chip GPU sono esempi di circuiti integrati che non solo aggiungeranno nuove caratteristiche e funzionalità nello stesso chip, ma renderanno anche l'interazione tra queste funzioni più sofisticata. Gli ingegneri hanno bisogno di strumenti di progettazione e simulazione per promuovere design suggeriti dal settore stesso. L'elettronica biomedica, come i microchip impiantati, sarà un'altra area in cui sono necessarie diverse capacità su un singolo chip.

Velocità di clock e frequenze più elevate

Le richieste di maggiori prestazioni e i progressi della tecnologia a radio frequenza stanno aumentando la velocità di clock per circuiti integrati digitali e le frequenze per chip analogici e a segnale misto. Entrambi creano problemi con l'integrità del segnale e la gestione della potenza.

Maggiore potenza del computer con una maggiore efficienza energetica

La crescita dei data center per high performance computing a supporto di tendenze come intelligenza artificiale, mining di criptovalute e applicazioni IoT, sta spingendo la domanda di maggiori prestazioni per i microprocessori. Queste applicazioni stanno spingendo il settore affinché vengano apportati miglioramenti a FPGA, dischi rigidi a stato solido, memoria e GPU, insieme a tutti i chip necessari per connettere tutto a velocità di trasferimento dati sempre maggiori.

Maggiore utilizzo oltre il computing

La tendenza dell'aumento dell'uso di microchip nel settore automobilistico, dell'elettronica di consumo e delle applicazioni industriali continuerà. Quasi tutti i prodotti verranno progettati come dispositivi intelligenti con connettività a banda larga, sensori e potenza di computing e tutti richiederanno microchip. 

La complessità e il costo elevato della produzione dei microchip rendono poco pratica la progettazione di prototipi fisici. Al contrario, gli ingegneri utilizzano prototipi virtuali attraverso la simulazione per guidare il design, verificare le prestazioni e identificare e risolvere i problemi prima dell'inizio della produzione. La simulazione viene utilizzata anche per progettare il packaging e ottimizzare le macchine di produzione dei semiconduttori che producono i chip.

L'utilizzo della simulazione per microchip digitali inizia con la verifica della funzionalità logica del design digitale a un livello astratto con progettazione RTL. Questo include un primo sguardo sulla gestione della potenza con il software Ansys PowerArtist™. Questo strumento è in grado di valutare le esigenze di potenza di un design nelle prime fasi del processo e di favorire una progettazione più efficiente dal punto di vista della potenza.

Una volta definito il design fisico, gli ingegneri possono utilizzare il software Ansys RedHawk-SC™, leader di settore riconosciuto per il rumore di potenza e l'affidabilità di circuiti integrati digitali, per valutare la caduta di tensione e l'elettromigrazione nei propri design.

Sul fronte analogico e a segnale misto, il software Ansys Totem™ può essere introdotto nel processo per garantire integrità di potenza e affidabilità. Lo standard di riferimento del settore per l'elettromigrazione multifisica è certificato da tutte le principali fonderie fino a 3 nm. Funziona anche con il software Ansys PathFinder-SC™ per calcolare le scariche elettrostatiche.

Una volta ottimizzato e verificato il design, gli ingegneri del packaging possono utilizzare la simulazione per ottimizzare la potenza, l'integrità del segnale e la robustezza del package di microchip completo. Il software RedHawk-SC è progettato per gestire configurazioni multi-chip di grandi dimensioni, inclusi i design system-in-package. Il packaging avanzato dei semiconduttori utilizza approcci 2,5D e 3D-IC per combinare e collegare più stampi nello stesso package e la simulazione con il software RedHawk-SC è il modo principale per verificare e ottimizzare i design.

Una volta risolti gli aspetti elettrici del design, gli ingegneri del packaging possono utilizzare strumenti come il software Ansys Mechanical™ e lo strumento Ansys Icepak® per affidabilità strutturale e gestione termica.

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