Система условных обозначений микросхем

Классификация микросхем

Теоретические сведения

МИКРОСХЕМЫ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение классификации и системы условных обозначений интегральных микросхем (ИМС), ознакомление с типами корпусов. Изучение типовых структур и основных элементов пленочных, полупроводниковых, гибридных микросхем.

Микросхема – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и кристаллов. Под плотностью упаковки понимается отношение числа элементов и компонентов микросхемы, в том числе содержащихся в составе компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов. Микросхемы являются основной базой современной радиоэлектронной аппаратуры – от сложнейших устройств автоматического управления, связи, вычислительной техники, систем контроля до бытовых приборов (телевизоров, магнитофонов, микрокалькуляторов и др.).

Интегральной микросхемой называется компонент РЭС, предназначенный для выполнения определенных функций в составе узла и состоящий из набора неразъемных электрически и механиче­ски соединенных частей (называемых элементами или участками), имеющих высокую плотность упаковки. Интегральная микросхема является отдельной конструктивно законченной единицей РЭС.

По технологическому признаку различают микросхемы пленоч­ные, гибридные и полупроводниковые (твердотельные). В пленочных микросхемах, содержащих, как правило, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и электрические соединения, проводящие, диэлектрические и резистивные материалы применяются в пленоч­ном виде и расположены на специальной подложке. Вариантами пле­ночных микросхемах являются тонкопленочные и толстопленочные интегральные схемы. В тонкопленочных микросхемах пленки изготав­ливают толщиной до 1 мкм, в толстопленочных - около 10 мкм.

В гибридные микросхемы кроме тонкопленочных элементов могут входить бескорпусные транзисторы, полупроводниковые дио­ды, микросборки, миниатюрные резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

В полупроводниковых микросхемах и пассивные элементы выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кри­сталла.

Наибольшее распространение нашли полупроводниковые и гибридные микросхемы. Плотность упаковки микросхемы характери­зуется степенью интеграции ее частей. Различают микросхемы ма­лой, средней, большой (БИС), сверхбольшой (СБИС) и сверхсверх­большой (С²БИС) степени интеграции.

Не так давно классификация микросхем пополнилась новыми понятиями: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказ­ные. Заказной называют микросхему, разработанную на основе стан­дартных или специалоно созданных элементов по функциональной схеме, определяемой заказчиком, и предназначенной для РЭС опре­деленного вида. Полузаказной называют микросхему, разработанную на основе базовых кристаллов (в том числе, матричных).

Микросхемы могут быть предназначены для выполнения раз­нообразных функций, которые в первом приближении можно разде­лить на две группы - аналоговые и цифровые.

Аналоговые ИМС предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, цифровые — для обработки сигналов, изменя­ющихся по закону дискретной функции.

Аналоговые и цифровые микросхемы разрабатываются и производятся фирмами-изготовителями в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько микросхем, которые, в свою очередь, подразделяются на типономиналы (микросхемы конкретного типа, отличающиеся от микросхем того же типа одним или несколькими параметрами). К серии относится совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

По принятой системе обозначение ИС должно состоять из че­тырех элементов. Первый элемент — это цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе: 1, 5, б, 7 — полупроводниковые ИС (обозначение 7 присвоено бескорпусным полупроводниковым ИС); 2, 4, 8 — гибридные ИС; 3 — прочие ИС.

Второй элемент — две-три цифры, присвоенные данной серии ИС как порядковый номер раз­работки. Таким образом, первые два элемента составляют три-че­тыре цифры, определяющие полный номер серии ИС. Третий эле­мент— две буквы, соответствующие подгруппе и виду ИС(см. стенд «Микросхемы»). Четвертый элемент — порядковый номер разработки ИС в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку ИС. Он может состоять как из од­ной цифры, так и из нескольких.

Приведем пример условного обозначения полупроводниковой ИС — схемы синхронизации МПК с порядковым номером сери» 800 и номером разработки ИС в данной серии по функционально­му признаку 1:

Пример условного обозначения полупроводниковой ИС – логического элемента И-НЕ с порядковым номером серии 33 и номером разработки микросхемы в данной серии по функциональному признаку 1:

Полное обозначение ИС: 133ЛА1.

Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, оп­ределяющая технологический разброс электрических параметров данного типономинала. Конкретные значения электрических пара­метров и отличия каждого типономинала друг от друга приводят­ся в технической документации (например, параметры ИС 133ЛА1А отличаются от параметров ИС 133ЛА1Б).

Для ИС, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения указывается буква К. Обозначение принимает вид: К133ЛА1. Если ИС выпускаются на экспорт (с шагом выво­дов корпуса 2,54 или 1,27 мм), то в условном обозначении перед буквой К присутствует буква Э (например, ЭК561ЛС2).

Микросхемам, различающимся только конструктивным испол­нением, присваивают, как правило, единое цифровое обозначение серии. Для характеристики материала и типа корпуса перед циф­ровым обозначением серии могут быть добавлены следующие буквы: Р — для пластмассового корпуса второго типа, М — для кера­мического, металлокерамического и стеклокерамического корпу­са второго типа, Е — для металлополимерного корпуса второго типа, А — для пластмассового планарного корпуса и И — для стеклокерамического планарного корпуса.

Гибридные интегральные микросхемы.

Конструктивной основой ГИМС является подложка из диэлектрического мате­риала, на поверхности которой формируются пленочные элементы и межэле­ментные соединения. В качестве подложек применяют электровакуумные стекла, ситаллы, керамику и ряд других.

Как показано на рис. 1, конструктивно пленочный резистор состоит из резистивной плен­ки 1, имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок 2. Низкоомные резисторы имеют прямоугольную форму (рис. 1, а), высокоомные — форму меандра (рис. 1, б).

В тонкопленочных ГИМС в качестве резистивных материалов используются

Рис.2

металлы и их сплавы (тантал, хром, титан, нихром и др.), а также специальные резистивные материалы — керметы, которые состоят из частиц металла и ди­электрика. В толстопленочных ГИМС для изготовления резисторов используют резистивные пасты, наносимые на подложку через трафареты; эти пасты после термообработки превращаются в твердые пленки толщиной 20-40 мкм. Удель­ное поверхностное сопротивление пленок лежит в пределах от 100 до 10 000 Ом.

В большинстве случаев пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру (рис. 2, а), состоящую из нижней (проводящей) обкладки 1, диэлект­рической пленки 2 и верхней проводящей обкладки 3. В качестве обкладок тон­копленочного конденсатора используется алюминий, в качестве диэлектрика — монооксид германия или кремния, диоксид кремния, оксид тантала и др. В тол­стопленочных конденсаторах для создания обкладок используется проводящая паста, а для диэлектрика — диэлектрическая паста.

Пленочные индуктивности создают путем напыления металлической тонкой пленки в виде спирали, имеющей круглую или квадратную форму.

Пленочные проводники и контактные площадки предназначены для объединения элементов ГИМС в единую схему (рис. 3). В местах соединения пленочных про­водников 1 с другими пленочными элементами, например резисторами 2, прово­дящие пленки образуют контактные переходы 3.

Рис.3.

Для присоединения внешних выводов микросхемы и выводов навесных элемен­тов пленочные проводники заканчиваются контактными площадками 4. В тонко­пленочных ГИМС для напыления проводящих пленок и контактных площадок используют золото, медь и алюминий. Для улучшения адгезии к подложке про­водящую пленку напыляют на подслой хрома или нихрома, а для защиты от окис­ления проводящие пленки покрывают слоем никеля. В результате проводящие пленки оказываются трехслойными. В толстопленочных ГИМС для создания проводников и контактных площадок применяют проводящие пасты.

В ряде случаев в ГИМС применяют навесные элементы: резисторы, конденсато­ры, трансформаторы и т. д., имеющие гибкие или жесткие выводы. Установка этих элементов осуществляется на подложке с помощью клея. Присоединение выво­дов к контактным площадкам производится путем пайки или сварки.

В качестве активных элементов в ГИМС применяют бескорпусные диоды, тран­зисторы и полупроводниковые ИМС, которые по способу их установки в микросхему разделяются на две группы: приборы с гибкими выводами и приборы с жест­кими выводами. У компонентов с гибкими выводами (рис. 4, а) выводы сделаны из золотой проволоки диаметром 25 мкм и длиной 0,6-5,0 мм. Такие компоненты приклеиваются к подложке, а гибкие выводы соединяются с пленочными кон­тактными площадками. Существенным недостатком таких конструкций являет­ся низкая производительность процесса сборки и невозможность автоматизиро­вать этот процесс. Поэтому в современных ИМС используют активные компоненты с жесткими выводами. Существуют две разновидности таких элементов: с балоч­ными выводами (рис. 4, б) и со сферическими выводами (рис. 4, в). Сфери­ческие выводы выполняются из золота, меди или сплавов и могут иметь форму шарика, цилиндра или усеченного конуса диаметром 0,05-2,0 мм.

Рис. 4

Установка таких транзисторов осуществляется методом перевернутого крис­талла, при котором происходит непосредственное соединение сферически! выводов с контактными площадками, имеющими форму цилиндров диамет­ром 0,15-0,2 мм и высотой 10-15 мкм. Монтаж выполняется с помощью ульт­развуковой или термокомпрессионной сварки. В транзисторах с балочными выводами жесткие выводы (балки) толщиной 10-15 мкм выступают за крап кристалла на 200-250 мкм, что облегчает процесс их присоединения к контактным площадкам.

Полупроводниковые ИМС.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые ИС, у которых все эле­менты и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника.

Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — бипо­лярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.). Межсоединения выполняют напы­лением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора тран­зистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выво­дами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.

Рис. 5. Основные части микросхемы

Биполярные транзисторы типа п-р-п являются основными схемными элемен­тами полупроводниковых ИМС. Наибольшее распространение получили тран­зисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 6). Такая структура называется планарной. Структура состоит из эмиттерной (1), базовой (2) и коллекторной (3) областей. Под коллекторной областью располо­жен скрытый п⁺-слой (4). От внешних воздействий структура защищена оксидным слоем Si0₂ (5), в котором имеются окна (6) для присоединения металлических выводов (7) к соответствующим областям структуры.

Рис.6.

В полупроводниковых ИМС пассивные элементы обычно формируются на основе типовой структуры вертикального транзистора типа n-p-n.

В качестве резисторов используют объемные сопротивления эмиттерной, базовой или коллекторной областей транзистора.

В некоторых полупроводниковых ИМС применяют тонкопленочные резисторы, напыляемые на поверхность диоксида кремния.

В полупроводниковых ИМС используется два типа конденсаторов: конденсаторы на основе обратно смещенных p-n переходов (диффузионные конденсаторы) и конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-подложка (МДП-конденсаторы).