Микросхемы повышенного уровня интеграции

Рис. 1.14. Плата гибридной микросхемы

Рис. 1.13. Монтаж бескорпусного транзистора в гибридной микро­схеме

Гибридные интегральные микросхемы

Рис. 1.12. Интегральный пле­ночный конденсатор

Рис. 1.11. Интегральный пле­ночный резистор

Гибридные микросхемы изготавливают на диэлектрической под­ложке, их пассивные элементы R, С, L, межсоединения и контакт­ные площадки выполняют по пленочной технологии, т. е напыле­нием. Применяют групповой метод обработки, при котором на одну подложку наносят до 16 — 18 идентичных групп элементов и меж­соединений, затем подложку разрезают на части — платы каждая из которых содержит элементы и межсоединения одного функцио­нального узла.

Транзисторы для гибридных микросхем изготавливают отдель­но, в целях экономии объема в бескорпусном оформлении иногда в виде сборки. Их параметры имеют примерно те же численные зна­чения, что и у дискретных аналогов. Бескорпусные транзисторы защищают от воздействий внешней среды специальным влагостой­ким покрытием.

Монтаж транзистора 1 (рис. 1.13) на плате осуществляют тер­мокомпрессионной сваркой шариковых 3 или балочных 5 выводов с контактными площадками 2 либо с помощью проволочных вы­водов.

Общий вид платы гибридной микросхемы показан на рис 1 14 а, На диэлектрическую подложку наносят через трафарет резистивные полоски Ri, R₂, Rз из высокоомного материала, затем через другой трафарет распылением металла, имеющего высокую электропровод­ность, наносят нижнюю обкладку О, конденсатора С, межсоедине­ния и контактные площадки 1 — 5. Далее через третий трафарет на­носят пленку диэлектрика конденсатора Д и, наконец, через четвер­тый трафарет наносят последний слой — верхнюю обкладку конден­сатора 0₂. Транзистор Т приклеивают к подложке и проволочными выводами подсоединяют к соответствующим контактным площадкам.

На рис. 1.14,6 показана принципиальная схема рассмотренного устройства. Оно функционально незавершено, поскольку может быть использовано (в усили­теле с общим эмиттером, в эмиттерном повторителе и т. п.) лишь при подключении к нему ряда внешних элементов. Та­кая функциональная незавер­шенность обычно возникает из-за трудностей выполнения некоторых элементов (напри­мер, катушек) в виде, при­годном для монтажа внутри микросхемы. Иногда микро­схему специально оставляют функционально незавершенной, чтобы расширить сферу ее использования.

Рассмотренная микросхема имеет один транзистор, один конденсатор и три резистора.

Выпускаемые промышленностью гибридные микросхемы во многих случаях значительно сложнее, число их элементов может достигать нескольких сотен.

Гибридные микросхемы могут выполняться и на основе толсто­пленочной технологии, более дешевой, но, как уже указывалось, менее совершенной. Подложка для толстопленочной микросхемы имеет размеры 16X10X1 или 10X10X1 мм и выполняется из высо­коглиноземистой керамики, имеющей хорошую адгезию к наносимым материалам. Элементами толстопленочной микросхемы являются резисторы и конденсаторы, их выполняют так же, как и межсоеди­нения, путем нанесения на поверхность подложки через сетчатый трафарет специальных проводящих, резистивных и диэлектрических паст, подвергаемых после нанесения термической обработке. Полу­чаемые таким образом резисторы могут иметь сопротивление от 5 Ом до 70 кОм с разбросом (после подгонки) до 1 %, при удель­ной мощности рассеяния до 0,5 Вт/см². Конденсаторы имеют емкость рт 60 до 350 пФ, добротность до 50, пробивное напряжение до 150 В. Температурный коэффициент у резисторов ±5-10~⁴ град^-1, конденсаторов 4-10~⁴ град-¹. Бескорпусные транзисторы и диоды монтируют в толстопленочных гибридных микросхемах обычным способом.

По числу содержащихся в корпусе микросхем элементов разли­чают шесть степеней интеграции: первая степень — от 1 до 10¹; вторая — от 10 до 10²; третья — от 10² до 10³; четвертая — от 10³ до 10⁴; пятая — от 10⁴ до 10⁵; шестая — от 10⁵ до 10⁶ элементов.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, принято называть микросхемами повышенного уровня интеграции, используется также термин «большие интегральные схемы» (БИС) он соответствует четвертой-пятой степеням интеграции

Микросхемы повышенного уровня интеграции имеют по сравне­нию с микросхемами малого уровня интеграции значительно лучшие габаритные характеристики, меньшую стоимость в расчете на один функциональный элемент, а также ряд других преимуществ благо­даря которым удается существенно улучшить основные технико-эко­номические характеристики аппаратуры.

Во-первых, значительно уменьшается число соединений в аппа­ратуре из-за большей функциональной сложности самих микросхем. Усредненные расчеты показывают, что микросхема, например с пятью логическими элементами нуждается в пяти внешних выво­дах на один элемент для обеспечения необходимых функциональных связей в устройстве. При увеличении количества логических элемен­тов в микросхеме до 50 число внешних выводов уменьшается до двух на элемент. Известно, что в микроэлектронной аппаратуре кон-тактные соединения являются одной из основных причин ее отказов. Поэтому их уменьшение при использовании микросхем повышенной степени интеграции позволяет повысить надежность аппаратуры на один-два порядка по сравнению с аппаратурой на микросхемах ма­лой степени интеграции.

Во-вторых, сокращается общая длина соединений между эле­ментами, снижаются паразитные емкости нагрузок и, следовательно повышается быстродействие аппаратуры. При применении элементов со средней задержкой переключения 2 не реализовать их быстродей­ствие можно только в том случае, если общая длина межсоедине­нии не будет превышать 4 см, тогда задержка в межсоединениях будет примерно на порядок меньше, чем в элементе Отсюда сле­дует, что создание устройств со сверхвысоким быстродействием принципиально возможно только на базе микросхем повышенного уровня интеграции, в которых длину соединений можно довести до 1 см, снизив тем самым задержку распространения сигнала между элементами до 0,05 — 0,1 не.

Вместе с отмеченными достоинствами микросхемы повышенного уровня интеграции имеют целый ряд особенностей, которые ослож­няют их разработку, изготовление и применение. Например воз­растание удельной рассеиваемой мощности при увеличении степени интеграции требует принятия специальных мер по обеспечению теп-лоотвода, а при удельной мощности выше 20 Вт/см² — применения принудительного охлаждения. Важной задачей при этом становится разработка функциональных структур, применение функциональных элементов и режимов, которые давали бы возможность снизить за­траты энергии, приходящейся на одну выполняемую функцию

Повышение степени интеграции в большинстве случаев приво­дит к увеличению сложности функций, выполняемых микросхемой, С одной стороны, это положительный фактор, так как при исполь­зовании более сложных микросхем упрощается проектирование и изготовление аппаратуры. В то же время стоимость ремонта может существенно возрасти. Меньшая универсальность микросхемы повы­шенной степени интеграции ограничивает необходимый объем их выпуска, а следовательно, увеличивает их стоимость. (Последнее не относится к программно-управляемым микросхемам, для которых повышение степени интеграции не уменьшает универсальности.)

При повышении плотности упаковки усиливается электромагнит­ная связь между элементами за счет близкого расположения межсоединений и самих элементов, что приводит к понижению помехо­устойчивости микросхем. Появляются значительные трудности при изготовлении малых по размерам корпусов с большим количеством выводов, что существенно сдерживает увеличение степени инте­грации.

Тем не менее повышение уровня интеграции микросхем являет­ся прогрессивным направлением их развития, направлением, которое помогает существенно улучшить как функциональные, так и эксплуа­тационные показатели РЭЛ.

Существует два направления в разработке микросхем повышен­ного уровня интеграции. Одно из них базируется на гибридной тех­нологии, использующей бескорпусные микросхемы малой степени интеграции и пленочную технологию их соединения на диэлектри­ческой подложке. Бескорпусные микросхемы по сравнению с их ана­логами в корпусах меньше по объему и массе примерно в 70 раз и по занимаемой площади в 30 раз. Устанавливают их на много­слойную подложку, иногда называемую коммутационной платой. Соединения наносят либо по тонкопленочной, либо по толстопленоч­ной технологии. Гибридная технология получила широкое распро­странение для изготовления микросхем повышенной степени инте­грации благодаря сравнительно низкой стоимости проектирования и изготовления микросхем малой степени интеграции, хорошо отрабо­танному технологическому процессу и высокому проценту выхода годных изделий.

Другое направление в разработке и производстве микросхем повышенной степени интеграции использует полупроводниковую тех­нологию. Все элементы изготавливают в объеме полупроводниковой пластины и затем соединяют в требуемую схему с помощью тонких проводящих пленочных полосок, нанесенных на поверхность окис­ленной пластины. Межсоединения выполняют обычно по методу избирательного монтажа, при котором предварительно осуществляют на каждой пластине проверку годности элементов, после чего с по­мощью ЭВМ составляют схему межсоединений и затем только осу­ществляют межсоединения.

Полупроводниковые микросхемы повышенной степени интегра­ции изготавливают главным образом на основе МДП-транзисторов. Это объясняется их преимуществами перед микросхемами на бипо­лярных транзисторах: втрое меньшим числом технологических опе­раций и на порядок большей плотностью размещения элементов на подложке.

Однако по быстродействию они уступают микросхемам на би­полярных транзисторах. Поэтому основную область их применения составляет аппаратура сравнительно невысокого быстродействия.