Конструктивно-технологические особенности микросхем

ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ

Важнейшей тенденцией развития радиоэлектронной аппаратуры является непрерывное возрастание функциональной и конструктивной сложности аппаратуры. При этом увеличивается число радиоэлементов и компонентов, которые входят в законченное устройство. С повышением сложности аппаратуры снижается ее наиболее важный показатель качества — надежность.

Надежность определяется как вероятность безотказной работы элемента, устройства за определенное время функционирования или характеризуется интенсивностью отказов (средней частотой отказов ).

Интенсивность отказов l определяет количество отказов, происходящих на протяжении одного часа, и она измеряется в 1/ч. Вероятность безотказной работы отдельного элемента Р и интенсивность отказов l связаны между собою соотношением:

P=e ^{–λ t},

где t — время функционирования элемента, за которое определяется вероятность безотказной работы.

Из теории надежности следует, что вероятность безотказной работы целого устройства (аппарата, комплекса аппаратуры) определяется общей вероятностью безотказной работы всех N элементов, которые его составляют.

Устройство, состоящее из 100 элементов с интенсивностью отказов 10^-3 (которая характерная, например, для электронных ламп), имеет вероятность безотказной работы на протяжении 1 часа Р=exp(-0,1)=0,905, а за 10 часов - Р=0,368, что явно недостаточно. Радикальное решение этой проблемы стало возможным только с появлением в 60-х годах интегральных микросхем (ИМС) и нового научно-технического направления - микроэлектроники.

Быстрое и широкое развитие микроэлектроники обусловлено высокой надежностью ИМС.

Повышенная надежность ИМС в сравнении с электронными узлами на дискретных компонентах объясняется

совместимостью материалов элементов и компонентов;

отсутствием малонадежных внутренних межэлементных паяных соединений (все соединения между элементами внутри микросхемы получаются в процессе ее изготовления);

групповой технологией изготовления;

стабильностью и повторяемостью электрических параметров,

невозможностью неверного применения элементов и компонентов, входящих в состав ИМС;

защищенностью элементов;

герметизацией и другими факторами, которые действуют в комплексе.

Интенсивность отказов микросхем лежит в пределах l=10^-7...10^-9, причем, это значение относится ко всей ИС, а в нее может входить более 10⁷ элементов. Вследствие этого устройства микроэлектронной аппаратуры, которые объединяют до 10⁸...10¹⁰ элементов, оказываются работоспособными и имеют целиком приемлемую надежность. Это важнейшее преимущество микроэлектронной элементной базы, в особенности больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Интегральные микросхемы характеризуются высокой плотностью размещения элементов на кристалле (более 10⁴ см^-2).

С другой стороны, например, надо построить электронное устройство, содержащее 10⁸ дискретных транзисторов (это количество транзисторов, которое содержат три кристалла микросхемы Pentium — 4). Каждый транзистор характеризуется средней мощностью 15 мВт, средним размером 1 см³ , средним весом 1г, интенсивностью отказов 10^-6 1/ч и стоимостью 50 коп. Как следствие, получим устройство, которое рассеивает мощность 1,5 МВт, занимает объем 100 м³, имеет массу 100 т, а стоимость только транзисторов будет равняться 50 млн. грн. Для сборки этого устройства нужно не менее 10 человеко-лет, а средняя частота выхода из строя составляет один отказ за 40 секунд. Работать такое устройство определенно не будет.

Объединение (интеграция) в одной микросхеме 10⁴ …10⁸ элементов не только повышает надежность радиоэлектронной аппаратуры, но уменьшает ее габариты, вес, потребляемую мощность и стоимость.

Низкая стоимость микросхем, если сравнивать с аналогичными по выполняемым функциям устройствами на дискретных элементах, обусловлена групповым характером технологии создания элементов ИС и межэлементных соединений в них. Основные затраты приходятся на разработку микросхем и на подготовку производства (изготовление шаблонов, комплектацию оборудования, затратные материалы и др.), так, что при крупно серийном производстве (более миллиона штук в год) стоимость ИС, содержащей более 10⁵ транзисторов, сопоставима со стоимостью одного транзистора в корпусе.

Суть групповой технологии состоит в одновременном поэтапном формировании структур всех элементов, входящих в ИС.

Групповая технология ИС основана на процессах

· литографии;

· локального перелегирования полупроводника

· и травления различных слоев через окна в масках;

· нанесения тонких слоев разных материалов на подложку и др.

Несмотря на высокую стоимость оборудования для проведения этих процессов, именно они определяют экономическую целесообразность развития микроэлектроники.

Важнейшим параметром радиоэлектронной аппаратуры является стойкость к механическим воздействиям, она оценивается числом значений земного ускорения g, которое может быть приложено к конструкции. Поэтому большое значение имеют маленькие размеры конструкций ИС в сравнении с деталями бывшей, например, ламповой аппаратуры. Уменьшение размеров компонентов в 10…100 раз обеспечивает увеличение допустимых механических воздействиям в 10²...10⁴ раз. Это объясняет тот факт, что ИС при испытаниях практически без отказов выдерживают ускорения, которые доходят до 20000 g.

В последние годы разрабатываются все более сложные многофункциональные большие и сверхбольшие микросхемы, их номенклатура и объемы производства непрерывно возрастают, а выпуск простых цифровых и аналоговых микросхем сокращается. По степени интеграции, быстродействию, сложности выполняемых функций, можно судить об уровне развития технологии производства ИС.

Микросхемы являются основной элементной базой современной радиоэлектронной аппаратуры.

Терминология в микроэлектронике. В настоящее время в микроэлектронике принята такая терминология.

Микроэлектроника - научно-техническое направление, которое охватывает проблемы разработки, исследования, конструирования и производства функциональных узлов, блоков и устройств радиоэлектронных средств в миниатюрном интегральном выполнении.

Интегральная микросхема (микросхема) — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) или кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставки и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Плотность упаковки интегральной микросхемы — отношение числа элементов и компонентов микросхемы к ее объему (объем выводов не учитывается).

Микропроцессор — программно-управляемое устройство, которое осуществляет процесс обработки цифровой информации и управление им, построенное на основе одной или нескольких больших микросхем.

Элемент интегральной схемы — часть микросхемы, реализующая функцию какого-нибудь электрорадиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Под електрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элемент не может быть отделен от ИС, как самостоятельное изделие.

Компонент интегральной микросхемы - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент может быть отделен от изготовленной микросхемы.

Полупроводниковая интегральная микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединение которой выполненные в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная интегральная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок. Частными случаями пленочных микросхем являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы.

Гибридная интегральная микросхема - микросхема, которая содержит кроме элементов компоненты и (или) кристаллы. Частным случаем гибридной микросхемы является многокристальная микросхема.

Подложка интегральной микросхемы — заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных микросхем, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата интегральной микросхемы — часть подложки или вся подложка гибридной пленочной микросхемы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, межэлементные и (или) межкомпонентные соединения и контактные площадки.

Полупроводниковая пластина — заготовка из полупроводникового материала, которая используется для изготовления полупроводниковых микросхем

Кристалл интегральной микросхемы — часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Контактная площадка интегральной микросхемы - металлизированный участок на плате или на кристалле, служащий для присоединения выводов компонентов и микросхем, перемычек, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Корпус интегральной микросхемы — часть конструкции микросхемы, предназначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями с посредством выводов.

Бескорпусная интегральная микросхема - микросхема, не защищенная корпусом и предназначенная для использования в гибридных микросхемах, микросборках, герметизируемых блоках и аппаратуре.

Вывод бескорпусной интегральной микросхемы — проводник, соединенный с контактной площадкой кристалла микросхемы и предназначенный для электрического соединения и механического крепления бескорпусной микросхемы при ее соединении с внешними электрическими цепями. Выводы могут быть жесткими (шариковые, столбиковые, балочные) и гибкими (лепестковые, ленточные, проволочные). Гибкие выводы для механического крепления не применяются.

Микросборка — микроэлектронное изделие, которое выполняет определенную функцию и состоит из элементов, компонентов и (или) интегральных микросхем корпусных и бескорпусных и других електрорадиоэлементов, разрабатываемое разработчиками конкретной радиоэлектронной аппаратуры для улучшения показателей ее миниатюризации.

Микроблок — микроэлектронное изделие, которое кроме микросборок может содержать микросхемы и (или) компоненты.

Серия интегральных микросхем — совокупность микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое выполнение и предназначены для совместного применения.

Микропроцессорная интегральная микросхема — микросхема, которая выполняет функцию микропроцессора или его части.

Микропроцессорный комплект — совокупность микропроцессорных и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному выполнению и электрическим параметрам, обеспечивающих возможность совместного применения.

Базовый микропроцессорный комплект - минимальный состав микропроцессорного комплекта, необходимый для построения основных узлов микропроцессора или контроллера.