Resumen

El chip IC LX34070T es un circuito integrado avanzado desarrollado por Microchip Technology, diseñado para proporcionar capacidades de detección inductiva de posición de alta velocidad. Notable por su aplicación en sistemas de control de motores de vehículos eléctricos, el chip aprovecha la innovadora tecnología de detección inductiva basada en PCB para ofrecer un rendimiento preciso y fiable. Este chip IC es un ejemplo de los avances modernos en tecnología de semiconductores y pone de relieve la continua evolución de los circuitos integrados desde su creación a finales de los años cincuenta. Los circuitos integrados (CI) han revolucionado la industria electrónica, y el trabajo fundacional de pioneros como Jack Kilby y Robert Noyce sentó las bases del mercado mundial de semiconductores. La demostración por Kilby del primer circuito integrado funcional en Texas Instruments en 1958, seguida de las contribuciones de Noyce en Fairchild Semiconductor, condujeron a un cambio de paradigma en la tecnología, permitiendo el desarrollo de dispositivos electrónicos compactos y potentes. En la actualidad, el mercado de los circuitos integrados sigue en expansión, impulsado por las continuas innovaciones en el diseño y el empaquetado de chips para satisfacer las demandas de aplicaciones modernas como la inteligencia artificial (IA) y las telecomunicaciones. El chip IC LX34070T se caracteriza por su diseño robusto y sus versátiles especificaciones, que lo hacen idóneo para aplicaciones de alta velocidad y alta precisión. Con un rango de alimentación de 4,5 a 5,5 voltios y alojado en un encapsulado TSSOP de 14 patillas, está diseñado para funcionar con fiabilidad en un amplio intervalo de temperaturas de -40 a +150 grados Celsius. Esta versatilidad garantiza su aplicación en entornos industriales y de automoción, donde la durabilidad y la precisión son primordiales. La técnica de medición diferencial del chip y su capacidad para rechazar campos magnéticos parásitos mejoran su rendimiento en condiciones difíciles, especialmente en los entornos ruidosos típicos de los sistemas de los vehículos eléctricos. En cuanto a la disponibilidad en el mercado, el LX34070T-H/ST está disponible a través de varios distribuidores, lo que garantiza que satisface la demanda del sector. Su certificación según las normas AEC-Q100 subraya su fiabilidad y seguridad de uso a largo plazo. El diseño y el proceso de fabricación del chip ejemplifican la naturaleza compleja y precisa de la fabricación de semiconductores, que implica múltiples pasos como la fotolitografía, el grabado y la implantación de iones para lograr circuitos integrados fiables y de alto rendimiento. En conjunto, el chip LX34070T refleja los grandes avances de la tecnología de semiconductores, desde los primeros días de la invención de los circuitos integrados hasta los sofisticados chips de alta velocidad de hoy en día. Subraya la importancia de la innovación continua y la colaboración entre los líderes de la industria para impulsar futuros avances tecnológicos, especialmente en campos emergentes como los vehículos eléctricos y la IA.

Historia

El desarrollo de los circuitos integrados (CI) marca un hito importante en la historia de la electrónica. La invención del CI, también conocido como microchip, puede atribuirse a varias figuras clave de la industria. El 12 de septiembre de 1958, Jack Kilby, ingeniero de Texas Instruments, demostró con éxito el primer circuito integrado operativo. Este invento revolucionó la industria electrónica y allanó el camino para el uso generalizado de teléfonos móviles y ordenadores en la actualidad.

. El trabajo de Kilby le valió el Premio Nobel de Física en 2000. A pesar de su monumental contribución, Kilby siguió siendo una figura relativamente discreta en la historia de la tecnología, a menudo comparado con otros grandes innovadores estadounidenses como Thomas Edison y Henry Ford por su impacto en la vida cotidiana. Por la misma época, Robert Noyce, de Fairchild Semiconductor, también estaba desarrollando una tecnología similar. En 1959, tanto Kilby como Noyce fueron reconocidos como inventores en las solicitudes de patente de sus empresas para el CI, lo que dio lugar a batallas legales que finalmente desembocaron en un acuerdo de licencia cruzada entre Fairchild y Texas Instruments. Este acuerdo fue fundamental para establecer un mercado mundial de tecnologías de la información, valorado actualmente en más de $1 billón anual. La evolución de los circuitos integrados continuó con importantes aportaciones de diversas empresas e investigadores. La introducción por IBM de las interconexiones de cobre para semiconductores fue un avance revolucionario que marcó una nueva era en la tecnología de semiconductores. La industria de los semiconductores ha experimentado avances incesantes, sobre todo en el empaquetado de chips, impulsada por la demanda de dispositivos más pequeños, rápidos y eficientes. Entre las innovaciones más recientes figura la inversión de SK hynix en la fabricación de envases avanzados y en instalaciones de I+D para productos de IA en Estados Unidos. Anunciado el 3 de abril de 2024, el proyecto de $3.870 millones en West Lafayette, Indiana, pretende impulsar la innovación en la cadena de suministro de IA y crear más de mil puestos de trabajo en la región. Este desarrollo subraya la importancia permanente de la tecnología de CI en la electrónica moderna y su creciente papel en tecnologías nuevas y emergentes como la inteligencia artificial. Así pues, la historia de los circuitos integrados está marcada por la innovación continua y la colaboración entre los líderes de la industria, lo que sienta las bases para futuros avances tecnológicos.

Presupuesto

El desarrollo del chip IC LX34070T comienza con la decisión del tipo de dispositivo que se va a diseñar. Las opciones incluyen circuitos integrados (IC), ASIC, FPGA y SoC, entre otros. Para aplicaciones de alta velocidad, como equipos de telecomunicaciones o redes, un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC) suele ser la mejor opción debido a su pequeño tamaño y potente rendimiento.

. Por el contrario, para aplicaciones más flexibles que requieran realizar múltiples tareas con una sobrecarga mínima, un FPGA puede ser más adecuado. Una vez determinado el tipo de dispositivo, se definen las especificaciones. Los datos clave son el mercado de destino, el rendimiento deseado, los objetivos de potencia, los requisitos de interfaz IP y los casos de uso. Estos datos constituyen la base de la especificación del chip y el desarrollo de la arquitectura. Los requisitos de potencia deben ser muy detallados y abarcar aspectos como los dominios de potencia, el escalado dinámico de voltaje y frecuencia, y los modos de potencia. Además, deben especificarse factores como el tamaño de la matriz, el número de patillas, la congelación de la configuración IP y cualquier requisito de IP personalizada. En cuanto al diseño físico, se analizan parámetros como las estimaciones del tamaño de la matriz, los requisitos de potencia y las opciones de diseño del encapsulado. El proceso de diseño incluye la planificación de la planta, la partición RTL, la síntesis, el análisis de temporización estática y la síntesis de árbol de reloj (CTS). Los diseñadores también optimizan el enrutamiento, el CTS y la violación de la temporización. Se lleva a cabo una verificación formal, física y de ruido para tener en cuenta la potencia, la variación del proceso, el rendimiento del núcleo y la reducción del tiempo de prueba. Durante la fase de diseño, las dimensiones de los componentes suelen indicarse en décimas de milímetro o centésimas de pulgada. Por ejemplo, un componente métrico 2520 mide 2,5 mm por 2,0 mm, lo que corresponde a 0,10 pulgadas por 0,08 pulgadas en el sistema imperial. Existen excepciones, sobre todo para los tamaños pasivos rectangulares más pequeños. Por ejemplo, algunos fabricantes están desarrollando componentes métricos 0201 con dimensiones de 0,25 mm × 0,125 mm, pero la denominación imperial 01005 ya se utiliza para paquetes de 0,4 mm × 0,2 mm. Estos tamaños cada vez más pequeños pueden plantear problemas de fabricación y fiabilidad.

Características de diseño

El chip IC LX34070T emplea la tecnología de detección de posición inductiva basada en PCB, que utiliza una bobina primaria para generar un campo magnético de CA que se acopla con dos bobinas secundarias. Cuando un pequeño objeto metálico perturba este campo magnético, cada bobina secundaria recibe una tensión diferente. La relación entre estas tensiones se utiliza para calcular la posición absoluta, lo que ofrece ventajas de alta velocidad y baja latencia, cruciales para aplicaciones como el control de motores de vehículos eléctricos.

. Al utilizar trazas en la placa en lugar de las tradicionales estructuras de bobinas y devanados magnéticos basados en transformadores, el LX34070T alcanza un tamaño y una masa insignificantes, lo que mejora significativamente su precisión. Este método garantiza que el rendimiento no dependa de la fuerza absoluta del imán, sino de las mediciones diferenciales. Además, el dispositivo mejora la robustez al rechazar activamente los campos magnéticos parásitos, que constituyen un problema importante en los entornos de los vehículos eléctricos (VE). El LX34070T funciona en un rango de alimentación de 4,5 a 5,5 voltios e incluye protección hasta 18 voltios. Está alojado en un encapsulado TSSOP de 14 patillas y puede funcionar en un amplio rango de temperaturas, de -40 a +150 grados Celsius. Su robusto diseño lo hace idóneo para aplicaciones industriales y de automoción en las que la precisión y la fiabilidad son fundamentales. La tecnología de detección inductiva de Microchip, introducida por primera vez hace más de una década, ha demostrado su eficacia en la producción de grandes volúmenes para diversos usos industriales y de automoción. El LX34070T continúa este legado, aportando soluciones de encapsulado simplificadas y de bajo coste a las aplicaciones modernas, al tiempo que mantiene el rendimiento de alta velocidad y baja latencia necesario en entornos exigentes.

Aplicaciones

El sensor de posición inductivo LX34070 está diseñado para proporcionar soluciones mejoradas de control de motores para aplicaciones de vehículos eléctricos (VE), ofreciendo varias ventajas significativas sobre los resolvers magnéticos tradicionales y los transductores diferenciales de tensión lineal (LVDT)

. Una de sus principales ventajas es la posibilidad de crear sistemas de control de motores más ligeros, pequeños y fiables que cumplan los estrictos requisitos de seguridad y, al mismo tiempo, reduzcan los costes generales del sistema. La funcionalidad del sensor está optimizada para funcionar en los entornos ruidosos típicos de los motores de corriente continua, las altas corrientes y los solenoides de los automóviles. El CI LX34070 de Microchip se ha diseñado específicamente para aplicaciones de control de motores de vehículos eléctricos, con salidas diferenciales, frecuencias de muestreo rápidas y un diseño preparado para la seguridad funcional que cumple la norma ISO 26262 en la clasificación ASIL-C (Automotive Safety Integrity Level-C). El sensor permite a los diseñadores racionalizar aún más los diseños de control de motores de vehículos eléctricos combinándolo con otros dispositivos de Microchip preparados para la seguridad funcional, incluidos sus microcontroladores AVR® y PIC® de 8 bits, microcontroladores de 32 bits y controladores de señales digitales dsPIC®. Al utilizar la tecnología de detección inductiva, el LX34070 elimina la necesidad de costosos imanes y pesadas estructuras basadas en transformadores, lo que permite su integración en placas de circuito impreso (PCB) sencillas y compactas. El resultado es una solución de embalaje más rentable y simplificada para el control de motores de vehículos eléctricos y otras aplicaciones de alta velocidad y baja latencia. Las características del sensor, incluida la certificación AEC-Q100 de grado 0, un oscilador integrado para accionar la bobina primaria y el control automático de ganancia, maximizan aún más la resolución en grandes entrehierros y garantizan un amplio rango de entrada con protección de hasta 18 V.

Fabricación

La fabricación de chips IC LX34070T implica un complejo proceso conocido como fabricación de dispositivos semiconductores. Este proceso es esencial para crear circuitos integrados (CI), que incluyen componentes como procesadores informáticos, microcontroladores y chips de memoria como NAND flash y DRAM.

. El proceso de fabricación abarca múltiples etapas, como la fotolitografía, la oxidación térmica, la deposición de película fina, la implantación de iones y el grabado, en las que los circuitos electrónicos se desarrollan gradualmente en una oblea. Estas obleas suelen estar compuestas de silicio monocristalino puro, aunque a veces se utilizan semiconductores compuestos para aplicaciones especializadas.

Procesado de obleas

En las fases iniciales, tiene lugar el procesamiento de obleas o procesamiento front-end-of-line (FEOL), en el que los transistores se forman directamente en el silicio. Las obleas de silicio se convierten en lingotes cilíndricos monocristalinos mediante el proceso Czochralski y, a continuación, se cortan en obleas de unos 0,75 mm de grosor. Estas obleas se pulen para conseguir una superficie muy regular y plana.

. Durante la producción, las obleas se agrupan en lotes y se transportan dentro de la planta de fabricación utilizando portadores de obleas como FOUPs (Front Opening Unified Pods) y SMIFs (Standard Mechanical Interface). Las etapas de procesamiento se dividen generalmente en cuatro categorías: deposición, eliminación, modelado y modificación de las propiedades eléctricas.

Fotolitografía y grabado

La creación de patrones, realizada principalmente mediante fotolitografía, define el diseño del dispositivo en la oblea. La oblea se recubre con fotorresistencia y se expone a una imagen de máscara mediante luz de longitud de onda corta, tras lo cual se revelan las regiones expuestas, dejando partes de la oblea listas para su posterior procesamiento, como la implantación de iones o la deposición de capas.

. El grabado, que puede ser húmedo o seco, elimina materiales de la superficie de la oblea para crear los patrones necesarios. Históricamente, el grabado húmedo era habitual, pero ha sido sustituido en gran medida por técnicas de grabado en seco debido a su precisión y capacidad para crear patrones más finos.

Envasado y pruebas

Una vez comprobada la funcionalidad de las matrices, el empaquetado consiste en montar la matriz, conectar las almohadillas de enlace a las patillas mediante diminutos hilos de enlace y sellar la matriz. En los procesos modernos, máquinas especializadas se encargan de la fijación de los alambres, utilizando alambres de oro conectados a un marco de plomo hecho de cobre chapado en soldadura.

. Tras el empaquetado, los chips se someten a "pruebas finales" para verificar su funcionalidad y rendimiento, que a menudo implican el uso de imágenes de rayos X y equipos de prueba automáticos. El equipo de fabricación lo fabrican empresas como ASML, Applied Materials, Tokyo Electron y Lam Research, y el software de pruebas está optimizado para reducir el tiempo y el coste de las pruebas.

Tamaño de las características y avances

El tamaño de las características, o anchura de línea, es un parámetro crítico en la fabricación de semiconductores, ya que determina la anchura de las líneas más pequeñas que pueden modelarse. Los procesos avanzados emplean métodos como la epitaxia para hacer crecer capas de silicio ultrapuras e introducen técnicas como la deposición de silicio-germanio para mejorar la movilidad electrónica.

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Comparaciones

Una vez finalizado el proceso de front-end, los dispositivos semiconductores o chips, incluidos los chips IC LX34070T, se someten a diversas pruebas eléctricas para determinar si funcionan correctamente. El porcentaje de dispositivos de la oblea que funcionan correctamente se denomina rendimiento. Los fabricantes no suelen revelar sus rendimientos, pero pueden ser tan bajos como 30%, lo que significa que sólo 30% de los chips de la oblea funcionan según lo previsto.

. Para estimar el rendimiento se utilizan varios modelos, como el modelo de Murphy, el modelo de Poisson, el modelo binomial, el modelo de Moore y el modelo de Seeds. Estos modelos tienen en cuenta la distribución de los chips defectuosos en la oblea, que varía desde defectos concentrados en los bordes hasta defectos uniformemente repartidos o agrupados. La integración de numerosos componentes en un solo chip ofrece varias ventajas, lo que convierte a los circuitos integrados en una tecnología crucial dentro de la industria electrónica. Los componentes activos, como diodos y transistores, permiten funciones como la amplificación y conmutación de señales, mientras que los componentes pasivos, como resistencias y condensadores, garantizan la adecuada conformación de la señal y el almacenamiento de energía. Uno de los beneficios más significativos de los circuitos integrados es la miniaturización, que permite crear sistemas complejos en un formato compacto, lo que lleva a la proliferación de tecnología avanzada en la vida cotidiana. Esta miniaturización se traduce en un aumento de la densidad de equipos y una reducción de la longitud de comunicación entre componentes, lo que se traduce en un funcionamiento más rápido y un menor consumo de energía. En cuanto a la fabricación, el proceso implica múltiples pasos, como la preparación de obleas de silicio, la implantación de iones, la difusión, la fotolitografía, la oxidación, la deposición química en fase vapor, la metalización y el embalaje. El ajuste preciso de los componentes dentro de los circuitos integrados garantiza un rendimiento constante, lo que resulta esencial para aplicaciones que requieren niveles precisos de tensión y corriente, como el procesamiento de señales analógicas. Los circuitos integrados LX34070T se benefician de estos avances y ofrecen un alto rendimiento y fiabilidad. Las distintas técnicas de fabricación, como el procesamiento de una sola oblea o por lotes, también influyen en el rendimiento y las prestaciones de los circuitos integrados. El procesamiento en una sola oblea tiende a proporcionar un mayor control y uniformidad, lo que puede ser fundamental para circuitos integrados avanzados como el LX34070T. El diseño y el funcionamiento de las instalaciones de fabricación también pueden influir en el rendimiento, lo que subraya la importancia del control y la optimización de los procesos para producir circuitos integrados de alta calidad.

Guía del usuario

Proceso de diseño

Una vez completado el diseño de su chip, llega el momento de probarlo. Es lo que se llama verificación y validación (V&V). La V&V consiste en probar el chip utilizando varias plataformas de emulación y simulación para garantizar que cumple todos los requisitos y funciona correctamente. Si hay algún error en el diseño, aparecerá durante esta fase del desarrollo. La validación también ayuda a identificar la corrección funcional de algunos prototipos fabricados inicialmente. Por último está la fabricación del diseño de la disposición física. Una vez diseñado y verificado el chip, se envía un archivo .GDS a la fundición para su fabricación.

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Flujo de diseño de chips

Diseño funcional

El siguiente paso del proceso es el diseño funcional. Consiste en definir la funcionalidad y el comportamiento del chip. Esto incluye crear una descripción de alto nivel de los requisitos del sistema y diseñar los algoritmos y el flujo de datos necesarios para cumplir esos requisitos. El objetivo de esta fase es crear una especificación funcional que sirva de modelo para el resto del proceso de diseño.

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Diseño lógico

Esta etapa consiste en la creación de los circuitos lógicos digitales necesarios para implementar la funcionalidad definida en la etapa de diseño funcional. Esta etapa incluye la creación de un diseño lógico utilizando un lenguaje de descripción de hardware (HDL) y la verificación de la corrección del diseño mediante simulaciones.

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Diseño de circuitos

El siguiente paso en el diseño de chips, una vez establecidos los requisitos, es crear una arquitectura que los cumpla manteniendo al mismo tiempo los costes y el consumo de energía al mínimo, entre otras consideraciones. Durante la fase inicial del diseño del chip, los diseñadores toman decisiones cruciales sobre la arquitectura, como elegir entre RISC (Reduced Instruction Set Computer) o CISC (Complex Instruction Set Computer), determinar el número de ALU (Arithmetic Logic Units) necesarias, decidir la estructura y el número de pipelines, seleccionar el tamaño de la caché y otros factores. Estas decisiones forman la base del resto del proceso de diseño, por lo que es vital que los diseñadores evalúen cuidadosamente cada aspecto y consideren cómo afectará a la eficiencia y el rendimiento generales del chip. Estas decisiones se basan en el uso previsto del chip y en los requisitos definidos, con el objetivo último de crear un diseño que sea eficiente y eficaz al tiempo que minimiza el consumo de energía y los costes.

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Pruebas y fabricación

La fábrica comprueba los chips de la oblea con un comprobador electrónico que presiona diminutas sondas contra el chip. La máquina marca cada chip defectuoso con una gota de colorante. En la actualidad, el marcado electrónico con tinte es posible si los datos (resultados) de las pruebas de las obleas se registran en una base de datos informática central y los chips se "clasifican".

. Las opciones de paquetes y pruebas conllevan su propio conjunto de complejidades, como el diseño y la simulación de paquetes, el apoyo a la construcción de prototipos, la asistencia a la fabricación, la atención al cliente, el diseño del hardware de los probadores, las pruebas eléctricas y la depuración del silicio.

Evolución futura

El futuro del diseño de chips es apasionante y evoluciona rápidamente, impulsado por los avances tecnológicos que permiten un mayor rendimiento, un menor consumo de energía y una mayor funcionalidad.

. Los chipsets de nueva generación son fundamentales para facilitar las soluciones de la nueva era, especialmente en los campos de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático. Estas tecnologías exigen una potencia de cálculo considerable, que los chipsets avanzados pueden proporcionar. Las aplicaciones de la IA y el ML abarcan varios sectores, como los vehículos autónomos, las soluciones sanitarias personalizadas y la robótica avanzada. Otra importante área de impacto para los chipsets de nueva generación es el espacio de Internet de las Cosas (IoT). La proliferación de dispositivos conectados requiere chipsets potentes, rentables y de bajo consumo para permitir la comunicación y el procesamiento de datos en una amplia gama de dispositivos. Además, se espera que los avances en las redes 5G, impulsados por los chipsets de nueva generación, ofrezcan conectividad de alta velocidad y baja latencia y abran nuevas posibilidades en áreas como la realidad virtual, la realidad aumentada y la cirugía a distancia. En cuanto a aplicaciones industriales específicas, SK hynix Inc, uno de los principales productores de chips de memoria de gran ancho de banda (HBM), está invirtiendo activamente en el desarrollo de instalaciones avanzadas de fabricación de envases y de I+D para productos de IA. Su iniciativa en Indiana pretende impulsar la innovación en la cadena de suministro de IA y reforzar la resistencia de la cadena de suministro, al tiempo que crea más de mil nuevos puestos de trabajo en la región. Esta inversión pone de relieve la importancia del envasado avanzado en el futuro de la tecnología de semiconductores, ya que mejora la densidad y el rendimiento mediante la integración heterogénea. Además, SK hynix colabora con instituciones académicas como la Universidad de Purdue para desarrollar proyectos de I+D centrados en el empaquetado avanzado y la integración heterogénea. También se propone cultivar una mano de obra de alta tecnología desarrollando programas de formación y planes de estudios interdisciplinarios en colaboración con la Universidad de Purdue y el Ivy Tech Community College. La integración de tecnologías avanzadas de diseño y envasado de chips seguirá desempeñando un papel crucial en la evolución de la electrónica, permitiendo soluciones más innovadoras en diversos sectores. A medida que avancen estas tecnologías, podemos anticipar desarrollos aún más emocionantes en el diseño de chips y las soluciones que permiten, dando forma al futuro de la industria de semiconductores y más allá.