Интегральные микросхемы

7.1 основные понятия

Опыт проектирования и производства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, фотопреобразователей и др.) показал, что на одной небольшой пластинке, вырезанной из кристалла полупроводникового материала (германия, кремния, арсенида галлия и др.), можно изготовить несколько диодов, транзисторов, резисторов и других элементов, а также их соединения, что позволяет на одной пластинке создать законченную электронную схему, выполняющую довольно сложную функцию по преобразованию электрических сигналов, например выпрямление переменного тока, усиление, генерирование электрических колебаний и т. п., т.е. создать сложный функциональный узел или блок, причем такие узлы можно изготовить сразу некоторое множество по одной технологии, названной интегральной технологией.

Минимальное электронное устройство, выполненное на одной пластинке полупроводникового материала по интегральной технологии, выполняющие определенную функцию по преобразованию сигналов и оформленное как единое конструктивное целое, называют интегральной микросхемой (ИМС).

Сложность ИМС характеризуют количеством отдельных (дискретных) элементов, расположенных на ее пластинах.

Различают ИМС первой степени (ИС1)

- до 10 элементов, малая степень интегрализации;

- до 100 элементов (ИС2) – средняя степень интегрализации;

- до 1000 элементов – большая степень интегрализации (БИС) – большие интегральные схемы;

- до 10000 элементов – сверх большие интегральные схемы (СБИС);

- до 100000 элементов – микропроцессоры (микро - ЭВМ).

7.2 Технологии изготовления

В основе технологий изготовления ИМС лежит планарная технология, разработанная для производства транзисторов (плоских транзисторов), имеющих выводы эмиттера и базы с одной стороны пластинки. Эта технология позволяет на большой пластинке из кристалла кремния изготовить одновременно несколько десятков одинаковых по электрическим параметрам интегральных микросхем, затем разделить их и оформить в корпуса как отдельные электронные устройства.

Для изготовления элементов ИМС используются пластины с эпитаксиальным покрытием, которое представляет собой пленку с упорядоченной кристаллической структурой, которая является продолжением кристаллической решетки пластины кремния (подложки). Получают эпитаксиальный слой путем нагрева кремниевой пластины до 1200° С в атмосфере тетрахлорида кремния и водорода. Водород превращает тетрахлорид кремния в кремний, который осаждается на подложке. Этот достигается введением в атмосферу тетрахлорида и водорода соответствующих…

При изготовлении элементов ИМС широко применяется многократные нанесения на кремниевую пластину с эпитаксиальным слоем и снятие с нее изолирующих пленок из двуокиси кремния SiO₂ , образующихся при нагреве пластинки в атмосфере водяного пара.

В эпитаксиальном слое создаются участки с различным типом проводимости и p-n-переходы путем диффузии примесей через «окна» в диэлектрической пленке, получаемые с помощью «масок», образующихся при помощи «фоторезист-процесса».

Фоторезист-процесс состоит в том, что на поверхность подложки наносится слой фоточувствительного вещества (фоторезиста). На него накладывается фотомаска прозрачная для участков, которые должны остаться после травления пленки из SiO₂, и затемненная там, где должны быть окна. Неэкспонированны фоторезист растворяется и не защищает изолирующее покрытие, и в нем образуются «окна».

На рисунке 7.1 показана последовательность изготовления транзистора на подложке из кремния с проводимостью p-типа.

На рисунке 7.1. показано: а – подложка с эпитаксиальным слоем и изоляцией из двуокиси кремния; б – диффузия примем p-типа для получения диодной изоляции области с проводимостью n-типа; в – диффузия p-типа для создания эмиттера и контакта коллектора; д – транзистор с контактами базы, эмиттера, коллектора и подложки.

Размеры элементов ИМС на подложке весьма малы. Так, транзистор имеет длину и ширину около 0,1 мм, так что на 1 мм² пластинки можно разместить около 80 транзисторов. Толщина слоя базы около 1мкм. Межэлектронные емкости транзисторов получаются незначительными вследствие малых размеров, поэтому ИМС могут работать на весьма высоких частотах (десятки и сотни мегагерц).

Рис. 7.1. основные стадии изготовления n-p-n транзистора интегральной микросхемы.

Разделенные пластинки ИМС заключают в корпуса:

· металлостеклянный корпус типа ТО-5 диаметром 8,5 мм с 8 или 12 выводами;

· плоский металлостеклянный корпус размерами 9,8×6,5×2 мм с 14 выводами;

· прямоугольный пластмассовый корпус размерами 19×6,5×3,2 с 14 выводами;

· прямоугольный пластмассовые корпуса со многими выводами для БИС и СБИС.

Выводы ИМС предназначены для монтажа на печатных платах (круглые проволочные, ленточные и в виде штырьков, вырубленных из плоской ленты).

7.3 Конструкции и особенности ИМС

Интегральные полупроводниковые микросхемы являются основой современной электроники, так как они обладают высокой надежностью, малыми габаритами и малой трудоемкость изготовления вследствие автоматизации основных процессов и возможностью одновременного изготовления нескольких сотен схем на каждой операции.

На рисунке 7.2 приведен пример двухкаскадного усилителя электрических сигналов в интегральном исполнении К1УС221 (А,Б): а – принципиальная схема; б – корпус микросхемы.

Рис.7.2. Полупроводниковая интегральная схема К1УС221А

Схема состоит из двух транзисторов, семи резисторов и соединений между ними.

Особенностью схемы является непосредственная связь между каскадами без конденсаторов и отрицательная обратная связь с эмиттера выходного транзистора VT₂ на базу входного VT₁ через резисторы R₄ и R₅.

Непосредственная связь уменьшает габариты ИМС и не влияет на частотные свойства усилителя, а отрицательная обратная связь стабилизирует коэффициент усиления и предохраняет усилитель от самовозбуждения. Изменение свойств усилителя осуществляют при помощи внешних элементов, присоединяемых к выводам микросхемы. В данном примере на входе (вывод 4) и выхода (выходы 8 и 9) стоят разделительные конденсаторы, характерные для усилителей переменного тока. К выводам 3,5,10 и 11 присоединены фильтрующие конденсаторы (развивающие), которые уменьшают переменные напряжения на этих выводах, которые являются помехами, что позволяет увеличить коэффициент усиления полезного сигнала.

7.4. Классификация и система обозначений интегральных микросхем

Интегральные микросхемы подразделяют на два класса: линейно-импульсные и логические микросхемы.

В линейно-импульсных МС транзисторы работают в усиленном режиме, а в логических – в ключевом.

По технологии изготовления ИМС делятся на три группы: полупроводниковые, гибридные, прочие.

По функциональному признаку: усилители, генераторы, преобразователи, модуляторы, детекторы, фильтры и т.д.

Каждая группа подразделяется на виды, например усилители делятся на усилители синусоидальных сигналов, усилители постоянного тока, импульсные усилители, дифференциальные усилители и др.

Система обозначений состоит из 4-х элементов:

Первый – цифра, указывающая на технологическую разновидность: 1; 5; 7; - полупроводниковые 2; 4; 6; 8 – гибридные; 3 – прочие.

Второй элемент – две цифры – порядковый номер разработки серии.

Третий элемент – две буквы, обозначающие подгруппу и вид микросхемы.

Четвертый – порядковый номер разработки микросхемы по функциональному признаку в данной серии.

Многие микросхемы перед первой цифрой имеют в обозначении букву «К», что является признаком ее широкого применения в радиоэлектронной аппаратуре. Таким образом обозначение каждой серии состоит из трех цифр – 1-я – технологическая разновидность и 2-я и 3-я цифры порядковый номер разработки серии.

Пример: микросхема К1УС221 принадлежит к ИМС широкого применения (буква «К»), полупроводниковая (цифра «1»), усилитель синусоидальных сигналов (буквы «УС»), серии 122, первый номер разработки в группе усилителей (цифра «1»).

В таблице 7.1 приведены обозначения подгрупп и видов наиболее широко применяемых микросхем.

Таблица 7.1

Подгруппа	Вид	Буквенный
наименование	обозначение	наименование	обозначение	индекс
Усилители	У	Синусоидальных сигналов Постоянного тока Импульсные Операционные и дифференциаль-ные	С П И Д	УС УТ УН УД
Генераторы	Г	Синусоидальных колебаний Сигналов специальной формы	С Ф	ГС ГФ
Преобразователи	П	Частоты Фазы Напряжения Код-аналог Аналог-код	С Ф Н А В	ПС ПФ ПА ПВ
Модуляторы	М	Амплитудные Частотные Фазовые Импульсные	А С Ф И	МА МС МФ МИ
Детекторы	Д	Амплитудные Частотные Фазовые Импульсные	А С Ф И	ДА ДС ДФ ДИ
Фильтры	Ф	Верхних частот Нижних частот Полосовые Сглаживающие	В Н Е С	ФВ ФН ФЕ ФС
Наборы элементов	Н	Резисторов Конденсаторов Диодов Транзисторов	С Е Д Т	НС НЕ НД НТ

Каждая серия микросхем объединяет схемы различного назначения по общей технологии изготовления, конструктивному оформлению, напряжениям источников питания и другим признакам.

Приведенная система обозначений соответствует стандарту ГОСТ 18 682-73 и не распространяется на микросхемы, выпущенные до 1974 г.

7.5. Гибридные интегральные микросхемы

Гибридные ИМС представляют собой сочетание пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, линий связи), выполненных в виде пленок на изолированной пластине (подложке), и активных элементов (диодов, транзисторов, полупроводниковых ИМС), присоединяемых к контактным площадкам подложки.

Гибридные ИМС изготавливают по двум типам технологий – тонкопленочной и толстопленочной и оформляют в виде конструктивно заполненных устройств, пригодных к реализации широкому кругу разработчиков электронных средств.

В тонкопленочных гибридных ИМС для получения резисторов, конденсаторов и межсоединений используют тонкие (около 1 мкм) пленки, наносимые на стеклянные или из стеклокерамики подложки методом вакуумного напыления или катодного осаждения из нихрома, хрома или тантала, в виде узких полосок различной формы. Конденсаторы получают в виде двух пленок из металла, разделенных диэлектриком из окиси SiO₂ или алюминия Al₂O₃.

Конденсаторы большой емкости безкорпусные, диоды, транзисторы и полупроводниковые МС присоединяют к контактным площадкам подложки и закрепляют специальным клеем. После проверки гибридной МС ее покрывают специальным лаком и помещают в герметичный корпус с выводами для печатного монтажа.

Толстопленочные элементы МС (толщина около 100 мкм) изготавливают на подложках из радиокерамики путем нанесения специальных паст методом шелкографии (через сетчатые трафареты) и последующего вжигания при температуре 700°С. Пасты используют проводящие, резистивные и диэлектрические. Навесные элементы присоединяют к контактным площадкам путем термоэлектрической или лазерной сварки аналогично тонкопленочным схемам.

Толстопленочные схемы отличаются от тонкопленочных более крупными размерами, зато имеют более высокую надежность и не требуют дорогого вакуумного оборудования.

Лекция №8