Интегральные микросхемы

Транзисторы и другие полупроводниковые уст­ройства благодаря их малым размерам и энергопотреблению сделали возможным уменьшение разме­ров электронных цепей. Следующим шагом в ми­ниатюризации электронных устройств стали интег­ральные микросхемы, содержащие целые цепи. Целью разработки интегральных микросхем явля­ется получение устройства, выполняющего опреде­ленную функцию (например, усиление или переклю­чение) и устраняющего разрыв между отдельными компонентами и цепями.

Интегральная микросхема (ИС) - это закончен­ная электронная цепь в корпусе, не большем, чем стандартный маломощный транзистор. Цепь состо­ит из диодов, транзисторов, резисторов и конденса­торов. ИС производятся по такой же технологии и из таких же материалов, которые используются при производстве транзисторов и других полупроводни­ковых устройств.

Наиболее очевидным преимуществом ИС являет­ся ее малый размер. Она состоит из кристалла по­лупроводникового материала, размером примерно в один квадратный сантиметр. Благодаря малым раз­мерам ИС находят широкое применение в военных и космических программах. Использование ИС пре­вратило калькулятор из настольного в ручной инст­румент, а компьютерные системы, которые раньше занимали целые комнаты, превратились в портатив­ные модели.

Вследствие малых размеров ИС потребляют мень­шую мощность и работают с более высокой скорос­тью, чем стандартные транзисторные цепи, так как благодаря прямой связи внутренних компонент уменьшается время перемещения электронов.

ИС более надежны, чем непосредственно связан­ные транзисторные цепи, поскольку в них все внут­ренние компоненты соединены непрерывно. Все эти компоненты сформированы одновременно, что

уменьшает вероятность ошибки. После того как ИС сформирована, она проходит предварительное тес­тирование перед окончательной сборкой.

Производство многих типов ИС унифицировано, что приводит к существенному снижению их сто­имости. Производители предлагают полные и стан­дартные линии микросхем.

ИС уменьшают количество деталей, необходимых для конструирования электронного оборудования. Это уменьшает накладные расходы производителя, что в дальнейшем снижает цену электронного обо­рудования.

ИС имеют также некоторые недостатки. Они не могут работать при больших значениях токов и на­пряжений. Большие токи создают избыточное теп­ло, повреждающее устройство. Высокие напряже­ния пробивают изоляцию между различными внут­ренними компонентами. Большинство ИС являют­ся маломощными устройствами, питающимися на­пряжением от 5 до 15 В и потребляющими ток, из­меряющийся миллиамперами. Это приводит к по­треблению мощности, меньшей, чем 1 Вт.

ИС содержат компоненты только четырех типов: диоды, транзисторы, резисторы и конденсаторы. Ди­оды и транзисторы - самые легкие для изготовле­ния компоненты и самые миниатюрные. Резисторы более трудны в изготовлении, к тому же чем боль­ше сопротивление резистора, тем больше он по раз­мерам. Конденсаторы занимают больше места, чем резисторы, и также увеличиваются в размере по мере увеличения емкости.

ИС не могут быть отремонтированы. Это обуслов­лено тем, что внутренние компоненты не могут быть отделены друг от друга. Следовательно, проблема решается заменой микросхемы, а не заменой отдель­ных компонентов. Преимущество этого "недостатка" состоит в том, что он сильно упрощает эксплуа­тацию систем высокой сложности и уменьшает вре­мя, необходимое персоналу для сервисного обслу­живания оборудования.

Если все факторы собрать вместе, то преимуще­ства перевесят недостатки. ИС уменьшают разме­ры, вес и стоимость электронного оборудования, од­новременно увеличивая его надежность. По мере ус­ложнения микросхем они стали способны выпол­нять более широкий круг операций.

ИС классифицируются согласно способу их изго­товления. Наиболее широко используются следую­щие способы изготовления: монолитный, тонкопле­ночный, толстопленочный и гибридный.

Монолитные ИС изготавливаются так же, как и транзисторы, но включают несколько дополнитель­ных шагов. Изготовление ИС начинается с круглой кремниевой пластины диаметром 8-10 см и около 0,25 мм толщиной. Эта пластина служит основой (подложкой), на которой формируется ИС. На од­ной подложке одновременно формируется до не­скольких сотен ИС. Обычно все микросхемы на под­ложке одинаковы.

После изготовления ИС тестируются прямо на подложке. После тестирования подложка разреза­ется на отдельные чипы. Каждый чип представляет собой одну ИС, содержащую все компоненты и со­единения между ними. Каждый чип, который про­ходит тест контроля качества, монтируется в кор­пус. Несмотря на то, что одновременно изготовля­ется большое количество ИС, далеко не все из них оказываются пригодными для использования. Эф­фективность производства характеризуют таким параметром, как выход. Выход - максимальное чис­ло пригодных ИС по сравнению с полным числом изготовленных.

Тонкопленочные ИС формируются на поверхнос­ти изолирующей подложки из стекла или керами­ки, обычно размером около 5 см². Компоненты (ре­зисторы и конденсаторы) формируются с помощью очень тонких пленок металлов и окислов, наноси­мых на подложку. После этого наносятся тонкие полоски металла для соединения компонентов. Ди­оды и транзисторы формируются как отдельные полупроводниковые устройства и подсоединяются в соответствующих местах. Резисторы формируются нанесением тантала или нихрома на поверхность подложки в виде тонкой пленки толщиной 0,0025 мм. Величина резистора определяется длиной, ши­риной и толщиной каждой полоски. Проводники формируются из металла с низким сопротивлени­ем, такого как золото, платина или алюминий. С помощью этого процесса можно создать резистор с точностью ±0,1%.

Тонкопленочные конденсаторы состоят из двух тонких слоев металла, разделенных тонким слоем диэлектрика. Металлический слой нанесен на под­ложку. После этого на металл наносится слой окис­ла, образуя диэлектрическую прокладку конденса­тора. Она формируется обычно такими изолирую­щими материалами, как окись тантала, окись крем­ния или окись алюминия. Верхняя часть конденса­тора создается из золота, тантала или платины, на­несенных на диэлектрик. Полученное значение ем­кости конденсатора зависит от площади электродов, а также от толщины и типа диэлектрика.

Чипы диодов и транзисторов формируются с по­мощью монолитной техники и устанавливаются на подложке. После этого они электрически соединя­ются с тонкопленочной цепью с помощью очень тон­ких проводников.

Материалы, используемые для компонентов и про­водников, наносятся на подложку методом испаре­ния в вакууме или методом напыления. В процессе испарения в вакууме материал достигает предвари­тельно нагретой подложки, помещенной в вакуум, и конденсируются на ней, образуя тонкую пленку.

Процесс напыления происходит в газонаполнен­ной камере при высоком напряжении. Высокое на­пряжение ионизирует газ, и материал, который дол­жен быть напылен, бомбардируется ионами. Ионы выбивают атомы из напыляемого материала, кото­рые затем дрейфуют по направлению к подложке, где и осаждаются в виде тонкой пленки. Для осаж­дения пленки нужной формы и в нужном месте ис­пользуется маска. Другой метод состоит в покры­тии всей подложки полностью и вырезании или вытравливании ненужных участков.

При толстопленочном методе резисторы, конден­саторы и проводники формируются на подложке методом трафаретной печати: над подложкой раз­мещается экран из тонкой проволоки, и металлизи­рованные чернила делают сквозь него отпечаток. Экран действует как маска. Подложка и чернила пос­ле того нагреваются до температуры свыше 600 "С для затвердевания чернил.

Толстопленочные конденсаторы имеют неболь­шие значения емкости (порядка нескольких пФ). В тех случаях, когда требуются более высокие зна­чения емкости, используются дискретные конден­саторы. Толстопленочные компоненты имеют тол­щину 0,025 мм. Толстопленочные компоненты по­хожи на соответствующие дискретные компоненты.

Гибридные ИС формируются с использованием монолитных, тонкопленочных, толстопленочных и дискретных компонентов. Это позволяет получать цепи высокой степени сложности, используя монолитные цепи, и в то же самое время использовать преимущества высокой точности и малых допусков, которые дает пленочная техника. Дискретные ком­поненты используются потому, что они могут рабо­тать при относительно высокой мощности.

ИС упаковываются в корпуса, рассчитанные на защиту их от влаги, пыли и других загрязнений. Наиболее популярным является корпус с двухряд­ным расположением выводов (DIP). Он производит­ся нескольких размеров для того, чтобы соответство­вать различным размерам ИС: микросхемам малой и средней степени интеграции, микросхемам боль­шой степени интеграции (БИС) и сверхбольшим интегральным микросхемам (СБИС). Корпуса изго­товляются либо из керамики, либо из пластмассы. Пластмассовые корпуса дешевле и пригодны для большинства применений при рабочей температуре от О °С до 70 °С. Микросхемы в керамических кор­пусах дороже, но обеспечивают лучшую защиту от влаги и загрязнений. Кроме того, они работают в более широком диапазоне температур (от -55 "С до -125 'С). Микросхемы в керамических корпусах ре­комендуются для использования в военной и аэро­космической технике, а также в некоторых отрас­лях промышленности.

Маленький 8-выводный корпус типа DIP исполь­зуется для устройств с минимальным количеством входов и выходов. В нем располагаются главным образом монолитные интегральные микросхемы.

Плоские корпуса меньше и тоньше, чем корпуса типа DIP, и они используются в случаях, когда пространство ограничено. Они изготовляются из ме­талла или керамики и работают в диапазоне темпе­ратур от -55 'С до +125 'С.

После того как интегральная микросхема заклю­чена в корпус, ее тестируют, чтобы проверить, удовлетворяет ли она всем требуемым параметрам. Тес­тирование проводится в широком диапазоне темпе­ратур.