Классификация интегральных микросхем (ИС)

Москва, 2017 г.

 

 

 

Оглавление

Введение. 3

Классификация интегральных микросхем (ИС) 4

Печатная плата. 9

Компоненты интегрированных систем. 11

Большая Интегральная Схема (БИС) 40

Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) 41

СБИС программируемой логики (ПЛ.) 45

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) 47

Классификация ПЛИС.. 48

Программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ) 50

Заключение. 56

Список литературы. 58

 

 

 

 

 

Введение.

Любой прибор, входящий в состав электронной аппаратуры, в свою очередь, состоит из большого числа деталей. Каждая из этих деталей выполняет в аппаратуре определенную функцию. Часть деталей служит для придания аппаратуре определенных механических и конструктивных свойств. К таким деталям относятся шасси и корпус прибора, платы, крепежные детали. С помощью других деталей в аппаратуре производятся различные преобразования электрической энергии, ее регулирование и распределение. Благодаря этим деталям электронная аппаратура обладает свойствами, позволяющими использовать ее для практических целей. Такие детали аппаратуры, выполняющие определенные функции по отношению к электрической энергии, принято называть компонентами электронной аппаратуры.

При конструировании гибридных ИМС в качестве навесных компонентов используют миниатюрные резисторы и конденса­торы, миниатюрные корпусные диоды и транзисторы, бескорпусные диоды и транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, полупроводниковые микросхемы. Выбор компонентов для конкретной микросхемы ведут исходя из схемотехнических, конструктивно-технологических и других требований, которые предъявляются к параметрам, габаритам и методам сборки разрабатываемой конструкции.

Реализация принципов, гибридных интегральных схем, методов полупроводниковой микроэлектроники привела к созданию БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Однако не все устройства можно изготовить с помощью полупроводниковой технологии.

 

 

Классификация интегральных микросхем (ИС)

Классификация ИС может производи­ться по различным признакам, ограничимся здесь лишь одним. По способу изготовления и получаемой при этом структуре раз­личают интегральные схемы двух принципиально разных типов: полупроводниковые и пленочные.

Полупроводниковая ИС – это микросхема, элементы кото­рой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Технология полупроводниковых ИС основана на легирова­нии полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом прово­димости и p-n-переходы на границах слоев. Отдельные слои ис­пользуются в качестве резисторов, а p-n-переходы – в диод­ных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. Локальное легирование осуществляется с помо­щью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках. При изго­товлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния Si0₂, покрывающая поверхность крем­ниевой пластины. В этой пленке специальными методами грави­руется необходимая совокупность отверстий различной формы или, как говорят, необходимый рисунок. Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Кратко охарактеризуем составные части (элементы) полупроводниковых ИС. Основным элементом биполярных ИС является n-p-n-транзистор. На его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изго­тавливаться, по возможности, одновременно с этим транзисто­ром, без дополнительных технологических операций.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор. Изготовление других элементов также подстраивается под ба­зовый транзистор. Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным спосо­бом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодейст­вовали через кристалл.

Элементы МОП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как между смежными МОП-транзисторами взаимодействия не существует. В этом – одно из главных преимуществ МОП ИС по сравнению с биполярными.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивно­сти и, тем более, трансформаторы. Это объясняется тем, что до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо фи­зическое явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходи­мую функцию без использования индуктивностей, что в боль­шинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится ис­пользовать в виде навесных компонентов.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм². Чем больше площадь кристалла, тем бо­лее сложную, более многоэлементную ИС можно на нем размес­тить. При одной и той же площади кристалла можно увеличить количество в нем элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т.е. количеством элементов (чаще всего транзисторов) на кристалле. Максимальная степень интегра­ции составляет 10⁶элементов на кристалле. Повышение степе­ни интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполня­емых ИС) – одна из главных тенденций в микроэлектронике.

Для количественной оценки степени интеграции используют условный коэффициент:

k = lg N.

В зависимости от его значения интег­ральные схемы называются по-разному:

· интегральная схема (ИС)	k < 2	(N < 100);
· интегральная схема средней степени интег­рации (СИС)	2 < k < 3	(N < 1000)
· большая интегральная схема (БИС)	3 < k < 5	(N < 105);
· сверхбольшая интегральная схема (СБИС)	k >5	(N > 105).

Кроме степени интеграции, используют еще такой показа­тель, как плотность упаковки – количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла. Этот пока­затель, который характеризует, главным образом, уровень тех­нологии, в настоящее время составляет до 500 – 1000 элемен­тов на 1 мм².

Пленочная ИС – это микросхема, элементы которой выпол­нены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В зависимости от спосо­ба нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различа­ют тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1 – 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10 – 20 мкм и выше).

Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные элементы типа транзи­сторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Поэтому функции, выполня­емые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы прео­долеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными компонентами (отдельными транзисторами или ИС), распола­гая их на той же подложке и соединяя с пленочными элемента­ми. Тогда получается ИС, которую называют гибридной.

Гибридная ИС (или ГИС) – это микросхема, которая пред­ставляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектри­ческой подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называют навесными, подчеркивая этим их обо­собленность от основного технологического цикла получения пленочной части схемы.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются по­лупроводниковые и пленочные интегральные элементы, назы­вают совмещенными.

Совмещенная ИС – это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводни­кового кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную по­верхность того же кристалла (как у пленочной ИС).

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высо­кие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляют­ся с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нане­сения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений – металлической разводкой.

 

Печатная плата

Печатная плата – конструктивный элемент электронной аппаратуры, предназначенный для механического крепления и электрической коммутации электронных компонентов. Печатные платы состоят из плоского диэлектрического основания, на котором выполняются печатные проводники.

В зависимости от числа слоев печатных проводников печатные платы делятся на односторонние, двусторонние и многослойные. Коммутация между слоями проводников осуществляется с помощью переходных металлизированных отверстий, пистонов или перемычек.

Основанием печатной платы чаще всего служит эпоксидная смола, армированная стекловолокном. При изготовлении многослойных печатных плат в качестве промежуточных соединительных слоев диэлектрика применяется специализированный материал, называемый препрегом. Также в настоящее время получают широкое распространение печатные платы на основе гибких диэлектриков: полиимида и сложного полиэфира (гибкие печатные платы), а также их сочетание с обычными жесткими основаниями (гибко-жесткие печатные платы).

Проводники обычно выполняются путем травления медной фольги, нанесенной на основание (фольгированного диэлектрика), химическим и гальваническим наращиванием. Также применяются и другие способы изготовления печатного рисунка, такие как печать проводящей краской.

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:

· односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.

· двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.

· многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат.

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах.

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.

Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

· Изготовление заготовки (фольгированного материала).

· Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.

· Монтаж компонентов.

· Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путём удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки. Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.