Arena de Silicio
Disco de Silicio
Arena de Germanio
Conexión Flip Chip
Disipador Térmico Aluminio
Fabricación
del
Procesador (CPU)
El proceso de fabricación de un microprocesador es muy complejo.
Todo
comienza
con
un
buen
puñado
de
arena
(compuesta
básicamente
de
silicio),
con
la
que
se
fabrica
un
mono
cristal
de
unos
20
x
150
centímetros.
Para
ello,
se
funde
el
material
en
cuestión
a
alta
temperatura
(1.370
°C)
y
muy
lentamente
(10
a
40
mm
por
hora) se va formando el cristal.
De
este
cristal,
de
cientos
de
kilos
de
peso,
se
cortan
los
extremos
y
la
superficie
exterior,
de
forma
de
obtener
un
cilindro
perfecto.
Luego,
el
cilindro
se
corta
en
obleas
de
10
micras
de
espesor,
la
décima
parte
del
espesor
de
un
cabello
humano,
utilizando
una
sierra
de
diamante.
De
cada
cilindro
se
obtienen
miles
de
obleas,
y
de
cada
oblea
se fabricarán varios cientos de microprocesadores.
Estas
obleas
son
pulidas
hasta
obtener
una
superficie
perfectamente
plana,
pasan
por
un
proceso
llamado
“annealing”,
que
consiste
en
someterlas
a
un
calentamiento
extremo
para
eliminar
cualquier
defecto
o
impureza
que
pueda
haber
llegado
a
esta
instancia.
Después
de
una
supervisión
mediante
láseres
capaz
de
detectar
imperfecciones
menores
a
una
milésima
de
micra,
se
recubren
con
una
capa
aislante
formada por óxido de silicio transferido mediante deposición de vapor.
De
aquí
en
adelante,
comienza
el
proceso
del
«dibujado»
de
los
transistores
que
conformarán
a
cada
microprocesador.
A
pesar
de
ser
muy
complejo
y
preciso,
básicamente
consiste
en
la
“impresión”
de
sucesivas
máscaras
sobre
la
oblea,
sucediéndose
la
deposición
y
eliminación
de
capas
finísimas
de
materiales
conductores,
aislantes
y
semiconductores,
endurecidas
mediante
luz
ultravioleta
y
atacada
por
ácidos
encargados
de
eliminar
las
zonas
no
cubiertas
por
la
impresión.
Salvando
las
escalas,
se
trata
de
un
proceso
comparable
al
visto
para
la
fabricación
de
circuitos
impresos.
Después
de
cientos
de
pasos,
entre
los
que
se
hallan
la
creación
de
sustrato,
la
oxidación,
la
litografía,
el
grabado,
la
implantación
iónica
y
la
deposición
de
capas;
se
llega
a
un
complejo
«bocadillo»
que
contiene
todos
los
circuitos
interconectados del microprocesador.
Un
transistor
construido
en
tecnología
de
45
nanómetros
tiene
un
ancho
equivalente
a
unos
200
electrones.
Eso
da
una
idea
de
la
precisión
absoluta
que
se
necesita
al
momento de aplicar cada una de las máscaras utilizadas durante la fabricación.
Los
detalles
de
un
microprocesador
son
tan
pequeños
y
precisos
que
una
única
mota
de
polvo
puede
destruir
todo
un
grupo
de
circuitos.
Las
salas
empleadas
para
la
fabricación
de
microprocesadores
se
denominan
salas
limpias,
porque
el
aire
de
las
mismas
se
somete
a
un
filtrado
exhaustivo
y
está
prácticamente
libre
de
polvo.
Las
salas
limpias
más
puras
de
la
actualidad
se
denominan
de
clase
1.
La
cifra
indica
el
número
máximo
de
partículas
mayores
de
0,12
micras
que
puede
haber
en
un
pie
cúbico
(0,028
m3)
de
aire.
Como
comparación,
un
hogar
normal
sería
de
clase
1
millón.
Los
trabajadores
de
estas
plantas
emplean
trajes
estériles
para
evitar
que
restos
de
piel, polvo o pelo se desprendan de sus cuerpos.
Una
vez
que
la
oblea
ha
pasado
por
todo
el
proceso
litográfico,
tiene
“grabados”
en
su
superficie
varios
cientos
de
microprocesadores,
cuya
integridad
es
comprobada
antes
de
cortarlos.
Se
trata
de
un
proceso
obviamente
automatizado,
y
que
termina
con
una
oblea
que
tiene
grabados
algunas
marcas
en
el
lugar
que
se
encuentra
algún
microprocesador defectuoso.
La
mayoría
de
los
errores
se
dan
en
los
bordes
de
la
oblea,
dando
como
resultados
chips
capaces
de
funcionar
a
velocidades
menores
que
los
del
centro
de
la
oblea
o
simplemente
con
características
desactivadas,
tales
como
núcleos.
Luego
la
oblea
es
cortada
y
cada
chip
individualizado.
En
esta
etapa
del
proceso
el
microprocesador
es
una
pequeña
placa
de
unos
pocos
milímetros
cuadrados,
sin
pines
ni
cápsula
protectora.
Cada
una
de
estas
plaquitas
será
dotada
de
una
cápsula
protectora
plástica
(en
algunos
casos
pueden
ser
cerámicas)
y
conectada
a
los
cientos
de
pines
metálicos
que
le
permitirán
interactuar
con
el
mundo
exterior.
Estas
conexiones
se
realizan
utilizando
delgadísimos
alambres,
generalmente
de
oro.
De
ser
necesario,
la
cápsula
es
provista
de
un
pequeño
disipador
térmico
de
metal,
que
servirá
para
mejorar
la
transferencia
de
calor
desde
el
interior
del
chip
hacia
el
disipador
principal.
El
resultado
final
es
un
microprocesador como los que equipan a los computadores.
También
se
están
desarrollando
alternativas
al
silicio
puro,
tales
como
el
carburo
de
silicio
que
mejora
la
conductividad
del
material,
permitiendo
mayores
frecuencias
de
reloj interno; aunque aún se encuentra en investigación.
Otros materiales.
Aunque
la
gran
mayoría
de
la
producción
de
circuitos
integrados
se
basa
en
el
silicio,
no
se
puede
omitir
la
utilización
de
otros
materiales
que
son
una
alternativa
tales
como
el
germanio;
tampoco
las
investigaciones
actuales
para
conseguir
hacer
operativo
un
procesador
desarrollado
con
materiales
de
características
especiales
como
el
grafeno
o
la molibdenita.
Empaquetado o Encapsulado.
Los
microprocesadores
son
circuitos
integrados
y
como
tal
están
formados
por
un
chip
de
silicio
y
un
empaque
con
conexiones
eléctricas.
En
los
primeros
procesadores
el
empaque
se
fabricaba
con
plásticos
epoxicos
o
con
cerámicas
en
formatos
como
el
DIP
entre
otros.
El
chip
se
pegaba
con
un
material
térmicamente
conductor
a
una
base
y
se
conectaba
por
medio
de
pequeños
alambres
a
unas
pistas
terminadas
en
pines.
Posteriormente
se
sellaba
todo
con
una
placa
metálica
u
otra
pieza
del
mismo
material
de la base de manera que los alambres y el silicio quedaran encapsulados.
En
la
actualidad
los
microprocesadores
de
diversos
tipos
(incluyendo
procesadores
gráficos)
se
ensamblan
por
medio
de
la
tecnología
Flip
chip.
El
chip
semiconductor
es
soldado
directamente
a
una
colección
de
pistas
conductoras
(en
el
sustrato
laminado)
con
la
ayuda
de
unas
microesferas
que
se
depositan
sobre
las
obleas
de
semiconductor
en
las
etapas
finales
de
su
fabricación.
El
sustrato
laminado
es
una
especie
de
circuito
impreso
que
posee
pistas
conductoras
hacia
pines
o
contactos,
que
a
su
vez
servirán
de
conexión
entre
el
chip
semiconductor
y
un
zócalo
de
CPU
o
una
placa base.
Antiguamente
las
conexión
del
chip
con
los
pines
se
realizaba
por
medio
de
microalambres
de
manera
que
quedaba
boca
arriba,
con
el
método
Flip
Chip
queda
boca
abajo,
de
ahí
se
deriva
su
nombre.
Entre
las
ventajas
de
este
método
esta
la
simplicidad
del
ensamble
y
en
una
mejor
disipación
de
calor.
Cuando
la
pastilla
queda
bocabajo
presenta
el
sustrato
base
de
silicio
de
manera
que
puede
ser
enfriado
directamente
por
medio
de
elementos
conductores
de
calor.
Esta
superficie
se
aprovecha
también
para
etiquetar
el
integrado.
En
los
procesadores
para
computadores
de
escritorio,
dada
la
vulnerabilidad
de
la
pastilla
de
silicio,
se
opta
por
colocar
una
placa
de
metal,
por
ejemplo
en
los
procesadores
Athlon
como
el
de
la
primera
imagen.
En
los
procesadores
de
Intel
también
se
incluye
desde
el
Pentium
III
de más de 1 GHz.
Disipación de calor.
Con
el
aumento
de
la
cantidad
de
transistores
integrados
en
un
procesador,
el
consumo
de
energía
se
ha
elevado
a
niveles
en
los
cuales
la
disipación
calórica
natural
del
mismo
no
es
suficiente
para
mantener
temperaturas
aceptables
y
que
no
se
dañe
el
material
semiconductor,
de
manera
que
se
hizo
necesario
el
uso
de
mecanismos
de
enfriamiento forzado, esto es, la utilización de disipadores de calor.
Entre
ellos
se
encuentran
los
sistemas
sencillos,
tales
como
disipadores
metálicos,
que
aumentan
el
área
de
radiación,
permitiendo
que
la
energía
salga
rápidamente
del
sistema. También los hay con refrigeración líquida, por medio de circuitos cerrados.
En
los
procesadores
más
modernos
se
aplica
en
la
parte
superior
del
procesador,
una
lámina
metálica
denominada
IHS
que
va
a
ser
la
superficie
de
contacto
del
disipador
para
mejorar
la
refrigeración
uniforme
del
die
y
proteger
las
resistencias
internas
de
posibles
tomas
de
contacto
al
aplicar
pasta
térmica.
Varios
modelos
de
procesadores,
en
especial,
los
Athlon
XP,
han
sufrido
cortocircuitos
debido
a
una
incorrecta
aplicación
de la pasta térmica.
Para
las
prácticas
de
overclock
extremo,
se
llegan
a
utilizar
elementos
químicos
tales
como
hielo
seco,
y
en
casos
más
extremos,
nitrógeno
líquido,
capaces
de
rondar
temperaturas
por
debajo
de
los
-190
grados
Celsius
y
el
helio
líquido
capaz
de
rondar
temperaturas
muy
próximas
al
cero
absoluto.
De
esta
manera
se
puede
prácticamente
hasta
triplicar
la
frecuencia
de
reloj
de
referencia
de
un
procesador
de
silicio.
El
límite
físico
del
silicio
es
de
10
GHz,
mientras
que
el
de
otros
materiales
como
el
grafeno
puede llegar a 1THz.
Conexión con el exterior.
El
microprocesador
posee
un
arreglo
de
elementos
metálicos
que
permiten
la
conexión
eléctrica
entre
el
circuito
integrado
que
conforma
el
microprocesador
y
los
circuitos
de
la
placa
base.
Dependiendo
de
la
complejidad
y
de
la
potencia,
un
procesador
puede
tener
desde
8
hasta
más
de
2000
elementos
metálicos
en
la
superficie
de
su
empaque.
El
montaje
del
procesador
se
realiza
con
la
ayuda
de
un
zócalo
de
CPU
soldado
sobre
la
placa base. Generalmente distinguimos tres tipos de conexión:
PGA:
Pin
Grid
Array:
La
conexión
se
realiza
mediante
pequeños
alambres
metálicos
repartidos
a
lo
largo
de
la
base
del
procesador
introduciéndose
en
la
placa
base
mediante
unos
pequeños
agujeros,
al
introducir
el
procesador,
una
palanca
anclará
los
pines para que haga buen contacto y no se suelten.
BGA:
Ball
Grid
Array:
La
conexión
se
realiza
mediante
bolas
soldadas
al
procesador
que
hacen contacto con el zócalo
LGA:
Land
Grid
Array:
La
conexión
se
realiza
mediante
superficies
de
contacto
lisas
con
pequeños pines que incluye la placa base.
Entre
las
conexiones
eléctricas
están
las
de
alimentación
eléctrica
de
los
circuitos
dentro
del
empaque,
las
señales
de
reloj,
señales
relacionadas
con
datos,
direcciones
y
control;
estas
funciones
están
distribuidas
en
un
esquema
asociado
al
zócalo,
de
manera
que
varias
referencias
de
procesador
y
placas
base
son
compatibles
entre
ellos, permitiendo distintas configuraciones.
Oblea de Silicio