Тема 2.3. Интегральные схемы микроэлектроники

Интегральные микросхемы:

Микроэлектроника – это одно из направлений электроники, которое призвано создать миниатюрную высоконадежные аппаратуру с малой потребляемой мощностью, низкой стоимостью и прочим.

Интегральной микросхемой, или сокращённо ИМС, называют монолитное изделие, предназначенное для исполнения функций заданного каскада или целой системы, компоненты которого соединены между собой определенным образом, и которые нельзя отделить один от другого демонтажными операциями. Различают аналоговые микросхемы, которые непрерывно отслеживают и воздействуют на сигнал, и цифровые микросхемы, которые дискретно преобразуют и обрабатывают информацию. Микросхемы классифицируют по степени интеграции, которая равна логарифму от числа деталей n, размещенных в одной ИМС: k = ln n. По методу получения различают три вида ИМС: пленочные, полупроводниковые и гибридные.

В пленочных ИМС детали и соединения осуществляют путём получения пленок малой толщины с различными свойствами, выполненных на подложке из не проводящего электрический ток материала. Пленочные микросхемы разделяют на две группы: на тонкопленочные с толщиной пленки менее 1 мкм и толстопленочные с большей толщиной, часто составляющей порядка 20 мкм. Различие тонкопленочных и толстопленочных ИМС заключено не только в количественной толщине пленок, но прежде всего в технологии их нанесения.

В полупроводниковых ИМС детали и соединения образованы специальными технологическими методами в кристалле полупроводника. Совмещенной называют такую полупроводниковую ИМС, в которой одна часть деталей выполнена методом тонкопленочной, а другая часть – методом полупроводниковой технологии.

В гибридных ИМС, сокращённо называемых ГИС, резисторы и некоторые другие пассивные компоненты получают на диэлектрической подложке методом тонкопленочной технологии, а дискретные бескорпусные активные компоненты располагают рядом на подложке и соединяют проволокой с контактными площадками.

Пленочные микросхемы:

Подложки пленочных микросхем, которые изготавливают из сапфира, ситаллов, керамики и прочего, всегда обладают прямоугольной конфигурацией и толщиной порядка от 0,2 мм до 1 мм. Подложки не должны вступать в химические реакции с материалами плёнок, обязаны обладать низкой степенью шероховатости поверхности, должны обладать высоким электрическим сопротивлением. Нанесение пленок на подложку осуществляют через трафарет, называемый маской. Выполнение пленочных конденсаторов и особенно катушек индуктивности по очень весомым причинам не рекомендуют, однако в отдельных случаях без них всё же не обойтись.

Толстоплёночные контактные площадки выполняют, например, возжжением паст, содержащих алюминий, медь, тантал или в редких случаях золото. Чтобы улучшить адгезию металлических покрытий к подложке, на ней сначала формируют промежуточный слой никеля, который обладает лучшей адгезией, чем другие металлы, а уже на этот слой наносят требуемый материал.

Плёночные резисторы, которые выполняют нанесением на подложку паст, содержащих никель, керметы, тантал, хром и т.д. со связующим веществом, имеют прямоугольную конфигурацию. С целью повышения сопротивления резистора его выполняют в виде соединенных друг с другом многочисленных элементарных одинаковых участков Г-образной или П-образной конфигурации, которые повторяют до тех пор, пока не будет получено необходимое сопротивление, что показано на рис.

Обычно сопротивление такого плёночного резистора может составлять от 0,05 кОм до 50 кОм, а получить много большее или много меньшее сопротивление затруднительно.

Пленочные конденсаторы имеют многослойную структуру и в общем случае образованы двумя электропроводящими пленками, между которыми выполняют слой диэлектрической пленки. Обкладки пленочных конденсаторов изготовляют из электропроводящих пленок, содержащих алюминий, тантал, серебро, медь и подобные материалы. Диэлектрическую плёнку обычно получают из различных оксидов: окиси тантала, трёх сернистой сурьмы, двуокиси кремния, моноокиси германия и пр. Ёмкость пленочных конденсаторов обычно составляет от 10 пФ до 20 нФ.

Пленочные катушки индуктивности имеют спиралевидную форму, что изображено на рис., и образованы нанесением токопроводящих пленок на поверхность подложки.

Индуктивность таких пленочных катушек не превышает 10 мкГн.

Изготовление активных компонентов наслоением плёнок вызывает большие трудности.

Классификация, маркировка микросхем:

Классификация:

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными. В ГОСТ 17021—88 даются следующие определения этим трем разновидностям микросхем. Полупроводниковая микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочная микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы.Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным — микросхемы с толщиной пленок свыше 1 мкм.Качественные различия определяются технологией изготовления пленок. Элементы тонкопленочных микросхемы наносятся на подложку, как правило, с помощью катодного распыления и термовакуумного осаждения, а элементы толстопленочной микросхемы изготавливаются преимущественно методом шелкографии с последующим вжиганием. Гибридная микросхема — микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является однокристальная микросхема.В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, или линейная микросхема.С помощью цифровых микросхем преобразуются и обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем является логическая микросхема, выполняющая операции с двоичным кодом, которые описываются логической алгеброй.Одновременно с понятием БИС в ГОСТ 17021—88 присутствуют два термина: БИС и базовый комплект БИС. Это обстоятельство вызвано необходимостью совместной комплексной разработки и применения БИС, представляющих собой узлы и блоки РЭА.Большие интегральные схемы, составляющие комплект, хотя и выполняют различные функции, но совместимы по конструктивному исполнению и электрическим параметрам. Они позволяют использовать при построении микроэлектронной аппаратуры общие «архитектурные» приемы. Минимальный состав комплекта БИС, необходимый для реше­ния определенного круга аппаратурных задач, называется базовым.Как отклик на появление микропроцессорной техники в 1981 г. в ГОСТ 17021—88 были введены четыре термина. Микропроцессор определен как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких БИС.Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его части. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, названа микропроцессорным комплектом (МПК). По аналогии с базовым комплектом БИС базовым МПК называется минимальный состав такого комплекта, необходимый для построения основных узлов МП или контроллера.

Маркировка микросхем:

Вариант применения:

XX XXXXXXXXXX

К - общего применения

Э - экспортное исполнение

Нет символа - специального применения

  Тип корпуса:
XX X XXXXXXXXX

M - металлокерамический

Н - миниатюрный металлокерамический

Р - пластмассовый DIP

А,Ф - миниатюрный пластмассовый

Б - бескорпусной

Е - металлополимерный DIP

  Группа по конструктивно-технологическому исполнению:
XXX X XXXXXXXX

1, 5, 6, 7 - полупроводниковые

1, 4, 8 - гибридные

3 - прочие (пленочные)

  Порядковый номер данной серии:
XXXX XXX XXXXX

Возможно обозначение двумя цифрами

 Функциональное назначение:
XXXXXXX XX XXX

А - формирователи:

● АФ - специальной формы

Б - устройства задержки:

● БМ - пассивные

● БП - прочие

● БР - активные

В - вычислительные устройства:

● ВГ - контроллеры

● ВЕ - микро-ЭВМ

● ВЖ - специальные вычислительные устройства

● ВИ - времязадающие

● ВП - прочее

Г - генераторы сигналов:

● ГЛ - линейно изменяющихся

● ГП - прочие (не sin; не спец. формы; не прямоуг.; не шума)

● ГФ - специальной формы

Е - питание

● ЕП - источники питания

● ЕУ - устройства управления источниками питания

И - цифровые устройства:

● ИЕ - счетчики

● ИП - прочие

К - коммутаторы и ключи:

● КН - напряжения

● КП - прочие

● КТ - коммутаторы и ключи тока

Н - наборы элементов:

● НК - комбинированные

● НТ - набор транзисторов

П - преобразователи сигналов:

● ПА - цифроаналоговые

● ПД - длительности

● ПП - прочие

● ПС - частоты

● ПЦ - цифровые делители частоты

Р - запоминающие устройства:

● РП - прочие (не ОЗУ; не ПЗУ; неассоциативные; не на ЦМД)

● РР - ПЗУ с перепрограммированием

У - усилители:

● УД - операционные

● УИ - импульсные

● УК - широкополосные

● УЛ - считывания и воспроизведения

● УН - низкой частоты

● УП - прочие

● УР - промежуточной частоты

Ф

● ФП - фильтры

Х - многофункциональные устройства:

● ХА - аналоговые

● ХК - комбинированные

● ХЛ - цифровые

● ХП - прочие

Порядковый номер разработки:
XXXXXXXXX XX X

Возможно обозначение одной цифрой.

Различия в электрических параметрах (А-Я):
XXXXXXXXXXX X