Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

Propuesta desarrollada por:

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.

Introducción.

Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, normalmente silicio, de algunos milímetros cuadrados de superficie (área), sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado plástico o de cerámica.

Introducción.

El confinamiento mundial derivado de la pandemia del COVID-19 en el año 2020 ha provocado un aumento sin precedentes en la demanda de microprocesadores, lo que ha colapsado la industria mundial. El precio de los microchips ha subido con picos de hasta el 30 por ciento en los últimos 12 meses. Decenas de fábricas que dependen de los microprocesadores han retrasado su producción o cerrado temporalmente. Esta crisis amenaza a los consumidores y pone en evidencia las debilidades de una tecnología que podría haber tocado techo. Además, supone un punto de inflexión para occidente, que hasta ahora dominaba el mercado tecnológico en materia de desarrollo de microchips.

Introducción.

La industria de los microchips se enfrenta a otro importante obstáculo: la Ley de Moore, que según algunos especialistas estaría empezando a fallar. En 1965 Gordon Moore, cofundador de Intel, formuló la ley que lleva su nombre, según la cual el número de transistores que puede contener un microchip se duplica cada dos años. Este postulado ha permitido desarrollar ordenadores cada vez más potentes y con un menor coste.

Sin embargo, a partir de 2010 el ritmo de la innovación ha empezado a ralentizarse. En 2015 el CEO de Intel, Bryant Krzanich, reconoció que había una discontinuidad a la hora de miniaturizar los componentes de manera rentable. Para fabricar un microchip de última generación se requiere de una tecnología muy cara y compleja, la “litografía ultravioleta extrema”.

La nueva Geopolítica

Objetivo.

Desarrollar una conjunción de saberes para estudiantado y profesorado con interés en el área técnico-científica del estudio de Semiconductores, que contribuya al desarrollo de perfiles para la realización de actividades específicas e investigación aplicada en la cadena de valor de la industria estratégica asociada a los semiconductores en nuestro país para el desarrollo de la competitividad a nivel mundial.

Justificación.

Actualmente el mundo afronta una crisis tecnológica por el desabasto de circuitos integrados derivado de diversos factores, tanto políticos, económicos y ambientales. Las empresas se han visto afectadas por dicha crisis, lo que ha hecho despertar el interés en diversos sectores del país por acceder a la industria del diseño y fabricación de los circuitos integrados, por lo que resulta de suma importancia que los futuros ingenieros, de diferentes áreas, como la química, materiales, metalurgia, electrónica, mecánica, etc. Conozcan esta temática para incorporarse en este tipo de industria, entendiendo de mejor manera el reto que implica este tipo de tecnología.

Cadena de valor de la industria electrónica.

Alcance del diplomado

Modulo 2 Y 3

Materias primas.

Modelado y caracterización de dispositivos.

Diseño de CI y dispositivos semiconductores discretos.

Proceso de fabricación de SC.

Proceso de fabricación de circuitos integrados

Modulo 5

Modulo 4

Modulo1

Diseño y manufactura de sistemas.

Empaque.

Test.

Layout de CI.

* Logística en toda la cadena de valor.

El proceso de diseño en la industria electrónica y los semiconductores

El proceso de diseño de productos de valor agregado en la industria electrónica y de semiconductores, se podría dividir en 3 segmentos principales.

1) Diseño de materiales semiconductores y procesos de fabricación de dispositivos discretos y circuitos integrados. 2) Proceso de diseño de circuitos integrados con una funcionalidad específica y layout físico del circuito. 3) Diseño y manufactura de productos comerciales a gran escala.

1) Diseño de materiales semiconductores y procesos de fabricación de dispositivos discretos y circuitos integrados.

Elementos químicos para la formación de los dispositivos electrónicos.

Producción de obleas con circuitos funcionales

Materias primas.

Modelos físicos de los semiconductores

Maquinaria y equipo de laboratorio

Fabricación de dispositivos electrónicos

Process Design KIT PDKs

* Participación reducida de la industria Mexicana en la cadena de valor (Texas Instruments y Sensata Aguascalientes, Maquila del norte del país

Proceso de fabricación del semiconductor base.

Extracción de Arena de Silice

El lingote se pule y se obtienen “rebanadas” para la formación de los circuitos.

Obtención de silicio puro.

Obleas de silicio puro o con dopaje tipo p.

Semilla para el crecimiento de lingotes para la fabricación de obleas para la fabricación de circuitos electrónicos.

Formación y caracterización de dispositivos electrónicos semiconductores.

Una vez obtenido el semiconductor base, se require formar y caracterizar los dispositivos, tales como transistores, diodos, triac, scr, sensores, resistencias, capacitores, etc. Se obtienen sus parámetros eléctricos como resistencia, conductividad, capacidad de aislamiento, capacidad de manejo de corriente, voltajes de polarización, tamaño físico, etc. En esta etapa se obtienen los kits de diseño del proceso PDK. Esta es la informacion que require el ingeniero para diseñar los circuitos de aplicación.

Diodos

Transistores MOS n y p.

Transistores bipolares.

Proceso de fabricación de los circuitos integrados.

Proceso fotolitografico.

Luz

Lentes de Proyección

Paralelo al proceso de formación y caracterización de los dispositivos electrónicos, se desarrolla el proceso de fabricación de los circuitos integrados, que toman como base las obleas de silicio puro y el layout de circuito integrado desarrollado en la etapa post-diseño para fabricar las obleas con los circuitos funcionales.

Mascarilla generada en el proceso de layout de CI

Lentes de Proyección

Oblea con los circuitos integrados.

Laboratorio de fabricación (Clean room)

En este segmento de la cadena de valor, estan todos los procesos de extraccion de materiales, procesos de purificacion de materiales, formación de compuestos, fabricación de los materiales semiconductores, diseño, caracterización física, eléctrica y fabricación de dispositivos.

Entradas. • Materias primas basicas.

Salidas. • PDKs para diseño de circuitos integrados y layout. • Fabricación de obleas de semiconductor con circuitos funcionales.

Principales áreas involucradas. Minería, metalurgia, química, física, matemáticas, diseño de maquinaria y equipo de laboratorio altamente especializado,procesos fotolitograficos, logística, software, etc.

En esta parte de la cadena de valor, la industria Mexicana no tiene participación. Nivel de complejidad y costo. Muy Altos.

2) Proceso de diseño de circuitos integrados con una funcionalidad específica y layout físico del circuitos integrados.

Diseño y simulación de dispositivos discretos y circuitos integrados.

Layout y extracción de parasiticos de dispositivos discretos y circuitos integrados.

Soporte de sistemas computacionales, software, bases de datos, CAD, etc.

Requerimientos para el diseño del CI. Aplicaciones.

Base de datos para fabricación

PDKs para diseño, simulación y layout

En este eslabón de la cadena de valor, la participación de la Industria Mexicana es minúscula, y es el enfoque principal del diplomado.

Proceso de diseño de circuitos integrados.

Diagrama esquemático. Este es el trabajo del ingeniero en diseño, definir que tipo y tamaño de los componentes y como conectarlos para que el circuito tenga la funcionalidad requerida.

Heramientas CAD (Simuladores) para asegurar la funcionalidad del circuito. El software utiliza el PDK y las ecuaciones caracteristicas de los dispositivos para obtener la respuesta del circuito.

PDKs. Parámetros de funcionamiento de los dispositivos electrónicos y ecuaciones características

Proceso de diseño de layout de circuitos integrados.

Una vez concluido el diseño del circuito, se procede a la generación de mascarillas de fabricación (Reticle Mask) que require el proceso fotolitográfico para formar el circuito en la oblea de silicio.

Layout de celdas básicas.

Mascarilla final que se envía al proceso de fabricación en forma de base de datos.

Entorno de desarrollo CAD

En este segmento, esta la parte de diseño de circuitos integrados y dispositivos discretos (las aplicaciones).

Este segmento usa los pdks del segmento anterior para diseñar y simular los circuitos funcionales, y a su vez, generar las bases de datos con los patrones de fabricacion (layout), que regresa al segmento anterior para su fabricación. Es una parte de alto valor agregado en la cadena de valor al ser un trabajo intelectual, con pocas repercusiones ecológicas y simplicidad logistica, ya que requiere pocas materias primas. Requiere de Recursos Humanos altamente especializados en el area de electrónica y software principalmente, gestión de recursos computacionales, uso y desarrollo de harramientas CAD. Nivel de complejidad y costo ALTO. En este sector, la actividad de la Industria Mexicana es mínima, con apenas unas cuantas empresas dedicadas a esta actividad, entre ellas existen 3 de Aguascalientes. El diplomado esta basado principalmente para acceder en este sector de la cadena de valor y en algunas partes del segmento anterior.

3) Diseño y manufactura de productos comerciales a gran escala.

Obleas de Silicio

Circuitos integrados

Diseño de hardware

** Principal participación de la Industria Mexicana en la cadena de valor de la industria electrónica. Grandes manufactureras OEM, como Flextronics, Plantronics, entre muchas otras.

Empaque y test

Programación embebida

Diseño de Producto

Diseño de software y apps

Producción en masa (**).

Comercialización

Proceso de empaque.

Una vez producida la oblea, se pasa al proceso de empaque del CI. La oblea se recorta, separando cada uno de los circuitos que se fabricaron sobre ella, haciendo el empaque y enlace individual de los mismos, para su posterior venta o uso en la fabricación de sistemas electrónicos.

Proceso de diseño de sistemas electrónicos. Aplicaciones.

En este eslabón de la cadena de valor, se utilizan los circuitos integrados de uso general o de aplicacion específica (ASIC, Custom Design) para diseñar productos de funcionalidad específica. En esta etapa, se agregan procesos de programación embebida, diseño de apps, software. Es el área de sistemas embebidos. Una vez diseñado un producto pasará a las etapas de fabricación en masa (etapa de manufactura, donde esta principalmente la actividad de la Industria Mexicana integrada en la cadena de valor de la industria electrónica).

Etapa de manufactura.

Etapa final de la cadena de valor.

Productos funcionales comerciales para las diferentes áreas de consumo.

• Automotriz
• Médica
• Entretenimiento
• Militar
• Aeroespacial
• Commercial
• Agroindustrial
• Academica
• Investigación
• Comunicaciones, etc.

Este sector involucra la manufactura de productos comerciales, en el que la presencia de la Industria Mexicana es muy alta, en la zona norte y bajio del país.

Otra parte, es el empaque y test de los chips, que reciben como materia prima las obleas de silicio ya procesadas, para ser recortadas y hacer el empaque y test de los chips. Y por último, se tiene la parte de diseño de hardware y programación embebida para el diseño de productos comerciales, sector que ha tenido un ligero crecimiento en los ultimos años, gracias a las carreras de Ingeniería Electrónica, Sistemas Computacionales o TICS, especialidades como Diseño de Sistemas Embebidos y a la aparición en el mercado de una gran varidad de productos como los populares Arduino y Raspberry PI, entre muchas otras, provenientes del segmento anterior de la cadena de valor. Este segmento tiene un valor medio y bajo dentro de la cadena de valor de la industria electrónica, con mas dificultades de logística para el transporte de componentes, fabricación de pcbs, maquinaria de ensamble y soldadura, procesos aduanales lentos, etc.

Diplomado En Semiconductores y Diseño de CI / Básico y Especializado

4. PROCESO DE FABRICACIÓN Y LAYOUT PARA CI

5. TECNOLOGÍAS EMERGENTES

3. TÉCNICAS DE DISEÑO DE CI ANALÓGICOS.

2. TÉCNICAS DE DISEÑO DE CI DIGITALES

1. FÍSICA DE SEMICONDUCTORES

BÁSICO (120 HORAS)

Técnicas avanzadas de layout para CI (30 horas)

Diseño y programación de sistemas embebidos (30 horas)

Técnicas de conversión analógico digital y diseño en modo mixto (30 horas)

Estructuras de memoria y arquitectura de procesamiento de datos (30 horas)

Modelos físicocuánticos (30 horas)

ESPECIALIZADO (180 HORAS)

Laboratorio Piloto de control de desarrollo científico y de fabricación de chips(30 horas)

Laboratorio Piloto de control de sistemas embebidos(30 horas)

Laboratorio Piloto de control de desarrollo científico y de producción de chips II(30 horas)

Laboratorio Piloto de control de desarrollo científico y de producción de chips I (30 horas)

Tecnología de Semiconductores (30 horas)

1. Física De Semiconductores ( 24 horas)

4 horas

Estructuras Cristalinas

5 horas

Materiales Semiconductores

5 horas

Bandas de energía y portadores de carga en semiconductores

5 horas

Materiales extrínsecos

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.

Propuesa desarrollada por:

5 horas

Síntesis y caracterizaciónfisicoquímica de materiales semiconductores

2. Técnicas de Diseño De CI Digitales ( 24 horas)

4 horas

Tecnologías CMOS

4 horas

Estructuras Básicas

6 horas

Circuitos Combinacionales

6 horas

Circuitos Secuenciales

2 horas

Herramientas CAD

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.

Propuesa desarrollada por:

2 horas

Aplicaciones

3. Técnicas de Diseño de CI Analógicos ( 24 horas)

3 horas

Región de operación de los transistores MOS

4 horas

Polarización

14 horas

Estructuras Básicas

3 horas

Herramientas CAD

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.

Propuesa desarrollada por:

4. Procesos de Fabricación y Layout para CI ( 24 horas)

3 horas

Proceso Fotolitográfico

17 horas

Proceso de diseño de layout para CI

4 horas

Verificación

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.

Propuesa desarrollada por:

5.Tecnologías Emergentes ( 24 horas)

2 horas

Otros transistores

4 horas

Computación Cuántica e Inteligencia Artificial

7 horas

Internet de las Cosas y Sistemas Embebidos

3 horas

FPGA

5 horas

Diseño de PCB

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.

Propuesa desarrollada por:

3 horas

Paneles solares

Módulos de Especialidad para Licenciatura del TecNM

Materiales semiconductores y fabricación de dispositivos electrónicos y circuitos integrados

Cristalografía y física de semiconductores

Caracterización de dispositivos

Proceso de fabricación de semiconductores

Proceso de fabricación de circuitos integrados

Diseño de circuitos integrados digitales

Tecnología CMOS y modelado de dispositivos semiconductores

Circuitos lógicos combinacionales y secuenciales

Estructuras de memorias

Arquitectura de procesadores y circuitos VLSI

Programación

Proceso fotolitográfico y técnicas de Layout para CI Digitales

Diseño de circuitos integrados analógicos y modo mixto

Tecnología CMOS y modelado de dispositivos semiconductores

Circuitos Integrados analógicos

Convertidores análogo digital ADC y digital analógico DAC

Programación

Circuitos integrados de aplicación específica ASI

Proceso fotolitográfico y Técnicas de Layout para CI Analógicos

Diseño de sistemas embebidos

Arquitecturas de procesamiento

Programación embebida

Protocolos de comunicación

Sistemas operativos

Diseño de tarjetas de circuito impreso PCB

Diseño de aplicaciones y procesos de manufactura

Propuesta de Laboratorio para el desarrollo de la cadena de valor de la industria electrónica.

Requerimientos.

Para que la realización de este diplomado y los trabajos posteriores, como especializaciones y posgrados tengan una alta eficiencia en el desarrollo de las competencias de quienes participen, se requiere de espacios adecuados de aulas y laboratorios debidamente equipados.

Requerimientos.

Se debe contar con infraestructura inmobiliaria y equipamiento que cubra las siguientes necesidades.

• Área de trabajo académico y de investigación en las áreas de materiales semicondutores, diseño de circuitos integrados digitales, analógicos, modo mixto y sistemas embebidos (Cubículos para investigadores, profesores y estudiantes de apoyo a la investigación, sala de juntas y laboratorio de investigación).
• Laboratorio académico, con 30 estaciones de trabajo equipadas para estudiantes.
• 4 Aulas equipadas para cursos de capacitación.
• Laboratorio para fabricación y pruebas de materiales semiconductores y circuitos electrónicos integrados.(FAB).

Requerimientos.

Laboratorio de diseño y test.

A) Área Académica y de Investigación.

Las áreas A, B Y C, se pudieran replicar en diferentes campus del TECNM, dejando como base un Fab (D) donde puedan hacer convergencia los trabajos académicos y de investigación de los demás laboratorios académicos.

B) Laboratorio Estudiantes

C) 4 Aulas

D) Laboratorio de Fabricación de Materiales Semiconductores y Circuitos Integrados

A) Equipo requerido Área Académica.

Area de cubículos (12).

• Escritorio. 12
• Librero. 12
• Silla ejecutiva. 12
• Silla de visita. 12
• Pintarrón. 12

Sala de juntas para 20 personas.

Mesas de trabajo, pantalla, sillas, equipo de sonido, contactos eléctricos para equipos de computo, red ethernet y wifi.

Laboratorio.

4 estaciones de trabajo equipadas. (*). Máquina de fabricacion de pcbs. Equipo de soldadura y montaje de CI Servicios de energía eléctrica 110/220V, Agua potable, Internet (ethernet y wifi).

B) Laboratorio de estudiantes.

30 estaciones de trabajo equipadas (*) 2 pantallas. Equipo de sonido. Máquina para fabricación de pcbs. Impresora 3D.

Estaciones de laboratorio.(*)

• Tarjetas de desarrollo para FPGA.
• Tarjetas de desarrollo para microprocesadores.
• Kit de componentes discretos y tablillas para experimentos.
• Equipo de soldadura.
• Impresora 3D.
• Mesa de trabajo.
• Silla Ejecutiva
• Red de Internet
• Multicontactos.

• Computadora core i9, 32Gb RAM con software (**).
• Monitor adicional 27”
• Mouse ergonómico.
• Osciloscopio programable.
• Multímetro programable.
• Fuentes de voltaje/corriente variables programables.
• Generador de señales analógicas y digitales.
• Generador de ruido.
• Analizador de Parámetros Semiconductores de alta resolución.
• Microscopio óptico alta resolución.
• Tapetes y dispositivos de protección antiestática.
• Accesorios para equipo de medición.
• Kit de herramientas diversas.

Software (**)

• Licencia de edición de esquemáticos completa
• Licencia de edición de simulación de circuitos completa
• Licencia de diseño de layout completa.
• Licencias de verificación DRC, DFM y LVS completa.
• Licencia de edición de PCBs completa.
• Licencias de diseño HDL, VHDL, Verilog, etc.
• Software de oficina.
• Otros

C) Aulas para 30 participantes.

• Mesas de trabajo.
• Sillas.
• Escritorio y silla para profesor.
• 2 pantallas.
• Equipo de sonido.
• Contactos eléctricos por mesa.
• Internet wifi

D) Laboratorio de fabricación de semiconductores y CI.

Instalaciones para cuarto limpio (Clean room). Filtros de aire, extracción de partículas, control de humedad, iluminación, etc). Sistema de depósito químico en fase vapor a baja presión (LP-CVD) usado para el depósito de películas delgadas de polisilicio y óxido de silicio rico en silicio. Alineadora de mascarillas para la fabricación de circuitos integrados. Sistema de iluminación para revelado de mascarillas y proceso fotolitográfico. Hornos de difusión atómica. Sistema de grabado por plasma (reactive ion etching) Sistema de depósito químico en fase vapor asistido por plasma (PECVD) a baja frecuencia, para el depósito de semiconductores amorfos y nanoestructurados. Sistema de depósito químico en fase vapor a presión atmosférica (CVD), para el depósito de óxido de silicio. Hornos de fundición de silicio.

Cortadora de obleas de silicio para separar los chips fabricados. Sistema de depósito por erosión catódica (sputtering) para el depósito de metales y óxidos conductores transparentes. Simulador solar para la caracterización de celdas solares. Alambradora de circuitos integrados. Sistema de depósito químico en fase vapor asistido por plasma (PECVD) a frecuencia estándar de 13.56 MHz. Con cámaras para el depósito de semiconductores amorfos, nanoestructurados, microcristalinos y epitaxiales. Insumos para clean room.Insumos para fabricación de semiconductors y CI (Reactivos fotosensibles. Solventes, elementos químicos puros etc. ** puede considerar un proceso de 350nm como punto de inicio. Servicios de energía eléctrica, internet, agua potable purificada, disposición de desechos peligrosos, etc.

Especificaciones.

Costo Aproximado.

Concepto

1200 m2

8,000,000.00

Terreno.

Edificio con 3 niveles, con una construcción de 800m2 por nivel. Nivel 3. Área académica y lab de investigación (400m2). Laboratorio Educativo (400m2) Nivel 2. 4 Aulas y Áreas comunes. Nivel 1. Laboratorio FAB (800m2) Áreas de estacionamiento.

25,000,000.00

Obra civil.

Lista previa.

45,000,000.0

Equipo de Laboratorio Académico.

Laboratorio de fabricación FAB.

Laboratorio de fabricación FAB.

900,000,000.00

Depende de los procesos que se quiera y puedan implementar. Inversión mínima estimada.

900,000,000.00

Depende de los procesos que se quiera y puedan implementar. Inversión mínima estimada.

Recursos Humanos e insumos de operación y mantenimiento. (Anual)

Personal para operación de Laboratorios, FAB, equipo de investigadores y académicos. Insumos, mantenimiento, depreciación de equipo.

20,000,000.00

Diplomado en Semiconductores y Diseño de Circuitos Integrados (C.I.).

TECNM. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AGUASCALIENTES.