Что такое интегральная микросхема

Что такое интегральная микросхема

7.1 основные понятия

Опыт проектирования и производства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, фотопреобразователей и др.) показал, что на одной небольшой пластинке, вырезанной из кристалла полупроводникового материала (германия, кремния, арсенида галлия и др.), можно изготовить несколько диодов, транзисторов, резисторов и других элементов, а также их соединения, что позволяет на одной пластинке создать законченную электронную схему, выполняющую довольно сложную функцию по преобразованию электрических сигналов, например выпрямление переменного тока, усиление, генерирование электрических колебаний и т. п., т.е. создать сложный функциональный узел или блок, причем такие узлы можно изготовить сразу некоторое множество по одной технологии, названной интегральной технологией.

Минимальное электронное устройство, выполненное на одной пластинке полупроводникового материала по интегральной технологии, выполняющие определенную функцию по преобразованию сигналов и оформленное как единое конструктивное целое, называют интегральной микросхемой (ИМС).

Сложность ИМС характеризуют количеством отдельных (дискретных) элементов, расположенных на ее пластинах.

Различают ИМС первой степени (ИС1)

— до 10 элементов, малая степень интегрализации;

— до 100 элементов (ИС2) – средняя степень интегрализации;

— до 1000 элементов – большая степень интегрализации (БИС) – большие интегральные схемы;

— до 10000 элементов – сверх большие интегральные схемы (СБИС);

— до 100000 элементов – микропроцессоры (микро — ЭВМ).

7.2 Технологии изготовления

В основе технологий изготовления ИМС лежит планарная технология, разработанная для производства транзисторов (плоских транзисторов), имеющих выводы эмиттера и базы с одной стороны пластинки. Эта технология позволяет на большой пластинке из кристалла кремния изготовить одновременно несколько десятков одинаковых по электрическим параметрам интегральных микросхем, затем разделить их и оформить в корпуса как отдельные электронные устройства.

Для изготовления элементов ИМС используются пластины с эпитаксиальным покрытием, которое представляет собой пленку с упорядоченной кристаллической структурой, которая является продолжением кристаллической решетки пластины кремния (подложки). Получают эпитаксиальный слой путем нагрева кремниевой пластины до 1200° С в атмосфере тетрахлорида кремния и водорода. Водород превращает тетрахлорид кремния в кремний, который осаждается на подложке. Этот достигается введением в атмосферу тетрахлорида и водорода соответствующих…

При изготовлении элементов ИМС широко применяется многократные нанесения на кремниевую пластину с эпитаксиальным слоем и снятие с нее изолирующих пленок из двуокиси кремния SiO2 , образующихся при нагреве пластинки в атмосфере водяного пара.

В эпитаксиальном слое создаются участки с различным типом проводимости и p-n-переходы путем диффузии примесей через «окна» в диэлектрической пленке, получаемые с помощью «масок», образующихся при помощи «фоторезист-процесса».

Фоторезист-процесс состоит в том, что на поверхность подложки наносится слой фоточувствительного вещества (фоторезиста). На него накладывается фотомаска прозрачная для участков, которые должны остаться после травления пленки из SiO2, и затемненная там, где должны быть окна. Неэкспонированны фоторезист растворяется и не защищает изолирующее покрытие, и в нем образуются «окна».

На рисунке 7.1 показана последовательность изготовления транзистора на подложке из кремния с проводимостью p-типа.

На рисунке 7.1. показано: а – подложка с эпитаксиальным слоем и изоляцией из двуокиси кремния; б – диффузия примем p-типа для получения диодной изоляции области с проводимостью n-типа; в – диффузия p-типа для создания эмиттера и контакта коллектора; д – транзистор с контактами базы, эмиттера, коллектора и подложки.

Размеры элементов ИМС на подложке весьма малы. Так, транзистор имеет длину и ширину около 0,1 мм, так что на 1 мм 2 пластинки можно разместить около 80 транзисторов. Толщина слоя базы около 1мкм. Межэлектронные емкости транзисторов получаются незначительными вследствие малых размеров, поэтому ИМС могут работать на весьма высоких частотах (десятки и сотни мегагерц).

Рис. 7.1. основные стадии изготовления n-p-n транзистора интегральной микросхемы.

Разделенные пластинки ИМС заключают в корпуса:

· металлостеклянный корпус типа ТО-5 диаметром 8,5 мм с 8 или 12 выводами;

· плоский металлостеклянный корпус размерами 9,8×6,5×2 мм с 14 выводами;

· прямоугольный пластмассовый корпус размерами 19×6,5×3,2 с 14 выводами;

· прямоугольный пластмассовые корпуса со многими выводами для БИС и СБИС.

Выводы ИМС предназначены для монтажа на печатных платах (круглые проволочные, ленточные и в виде штырьков, вырубленных из плоской ленты).

7.3 Конструкции и особенности ИМС

Интегральные полупроводниковые микросхемы являются основой современной электроники, так как они обладают высокой надежностью, малыми габаритами и малой трудоемкость изготовления вследствие автоматизации основных процессов и возможностью одновременного изготовления нескольких сотен схем на каждой операции.

На рисунке 7.2 приведен пример двухкаскадного усилителя электрических сигналов в интегральном исполнении К1УС221 (А,Б): а – принципиальная схема; б – корпус микросхемы.

Рис.7.2. Полупроводниковая интегральная схема К1УС221А

Читайте также:  Клеммы для проводов авто

Схема состоит из двух транзисторов, семи резисторов и соединений между ними.

Особенностью схемы является непосредственная связь между каскадами без конденсаторов и отрицательная обратная связь с эмиттера выходного транзистора VT2 на базу входного VT1 через резисторы R4 и R5.

Непосредственная связь уменьшает габариты ИМС и не влияет на частотные свойства усилителя, а отрицательная обратная связь стабилизирует коэффициент усиления и предохраняет усилитель от самовозбуждения. Изменение свойств усилителя осуществляют при помощи внешних элементов, присоединяемых к выводам микросхемы. В данном примере на входе (вывод 4) и выхода (выходы 8 и 9) стоят разделительные конденсаторы, характерные для усилителей переменного тока. К выводам 3,5,10 и 11 присоединены фильтрующие конденсаторы (развивающие), которые уменьшают переменные напряжения на этих выводах, которые являются помехами, что позволяет увеличить коэффициент усиления полезного сигнала.

7.4. Классификация и система обозначений интегральных микросхем

Интегральные микросхемы подразделяют на два класса: линейно-импульсные и логическиемикросхемы.

В линейно-импульсных МС транзисторы работают в усиленном режиме, а в логических – в ключевом.

По технологии изготовления ИМС делятся на три группы: полупроводниковые, гибридные, прочие.

По функциональному признаку: усилители, генераторы, преобразователи, модуляторы, детекторы, фильтрыи т.д.

Каждая группа подразделяется на виды, например усилители делятся на усилители синусоидальных сигналов, усилители постоянного тока, импульсные усилители, дифференциальные усилители и др.

Система обозначений состоит из 4-х элементов:

Первый – цифра, указывающая на технологическую разновидность: 1; 5; 7; — полупроводниковые 2; 4; 6; 8 – гибридные; 3 – прочие.

Второй элемент – две цифры – порядковый номер разработки серии.

Третий элемент – две буквы, обозначающие подгруппу и вид микросхемы.

Четвертый – порядковый номер разработки микросхемы по функциональному признаку в данной серии.

Многие микросхемы перед первой цифрой имеют в обозначении букву «К», что является признаком ее широкого применения в радиоэлектронной аппаратуре. Таким образом обозначение каждой серии состоит из трех цифр – 1-я – технологическая разновидность и 2-я и 3-я цифры порядковый номер разработки серии.

Пример: микросхема К1УС221 принадлежит к ИМС широкого применения (буква «К»), полупроводниковая (цифра «1»), усилитель синусоидальных сигналов (буквы «УС»), серии 122, первый номер разработки в группе усилителей (цифра «1»).

В таблице 7.1 приведены обозначения подгрупп и видов наиболее широко применяемых микросхем.

Подгруппа Вид Буквенный
наименование обозначение наименование обозначение индекс
Усилители У Синусоидальных сигналов Постоянного тока Импульсные Операционные и дифференциаль-ные С П И Д УС УТ УН УД
Генераторы Г Синусоидальных колебаний Сигналов специальной формы С Ф ГС ГФ
Преобразователи П Частоты Фазы Напряжения Код-аналог Аналог-код С Ф Н А В ПС ПФ ПА ПВ
Модуляторы М Амплитудные Частотные Фазовые Импульсные А С Ф И МА МС МФ МИ
Детекторы Д Амплитудные Частотные Фазовые Импульсные А С Ф И ДА ДС ДФ ДИ
Фильтры Ф Верхних частот Нижних частот Полосовые Сглаживающие В Н Е С ФВ ФН ФЕ ФС
Наборы элементов Н Резисторов Конденсаторов Диодов Транзисторов С Е Д Т НС НЕ НД НТ

Каждая серия микросхем объединяет схемы различного назначения по общей технологии изготовления, конструктивному оформлению, напряжениям источников питания и другим признакам.

Приведенная система обозначений соответствует стандарту ГОСТ 18 682-73 и не распространяется на микросхемы, выпущенные до 1974 г.

7.5. Гибридные интегральные микросхемы

Гибридные ИМС представляют собой сочетание пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, линий связи), выполненных в виде пленок на изолированной пластине (подложке), и активных элементов (диодов, транзисторов, полупроводниковых ИМС), присоединяемых к контактным площадкам подложки.

Гибридные ИМС изготавливают по двум типам технологий – тонкопленочной и толстопленочной и оформляют в виде конструктивно заполненных устройств, пригодных к реализации широкому кругу разработчиков электронных средств.

В тонкопленочных гибридных ИМС для получения резисторов, конденсаторов и межсоединений используют тонкие (около 1 мкм) пленки, наносимые на стеклянные или из стеклокерамики подложки методом вакуумного напыления или катодного осаждения из нихрома, хрома или тантала, в виде узких полосок различной формы. Конденсаторы получают в виде двух пленок из металла, разделенных диэлектриком из окиси SiO2 или алюминия Al2O3.

Конденсаторы большой емкости безкорпусные, диоды, транзисторы и полупроводниковые МС присоединяют к контактным площадкам подложки и закрепляют специальным клеем. После проверки гибридной МС ее покрывают специальным лаком и помещают в герметичный корпус с выводами для печатного монтажа.

Толстопленочные элементы МС (толщина около 100 мкм) изготавливают на подложках из радиокерамики путем нанесения специальных паст методом шелкографии (через сетчатые трафареты) и последующего вжигания при температуре 700°С. Пасты используют проводящие, резистивные и диэлектрические. Навесные элементы присоединяют к контактным площадкам путем термоэлектрической или лазерной сварки аналогично тонкопленочным схемам.

Читайте также:  Оформить уход за пенсионером старше 80

Толстопленочные схемы отличаются от тонкопленочных более крупными размерами, зато имеют более высокую надежность и не требуют дорогого вакуумного оборудования.

Интегральная микросхема (ИМС) — это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рассматриваться как единое целое, выполнены в едином технологическом процессе и заключены в герметизированный корпус.

Электронная аппаратура на ИМС обладает следующими большими преимуществами:

1. Высокой надежностью и технологичностью, поскольку ИМС изготовляют на специализированных предприятиях на основе хорошо автоматизированной современной технологии. При создании аппаратуры на ИМС резко снижаются затраты труда на сборку и монтаж аппаратуры, уменьшается число паяных соединений, которые являются одним из наименее надежных элементов электронных узлов. Поэтому аппаратура на ИМС намного надежнее, чем аппаратура на дискретных элементах, меньше вероятность ошибок при монтаже. Только ИМС обеспечили высокую надежность, необходимую для создания систем управления космическими аппаратами и современных больших вычислительных систем.

2. Аппаратура на ИМС обладает малыми массой и габаритами.

3. При создании аппаратуры из готовых ИМС резко сокращается время на разработку изделия, так как используются готовые узлы и блоки, упрощается внедрение в производство.

4. Применение аппаратуры на ИМС массового выпуска снижает стоимость изделия, так как уменьшаются расходы на монтаж и наладку устройства, да и сами микросхемы стоят дешевле заменяемых ими схем на дискретных компонентах, так как выпускаются по наиболее совершенной и производительной технологии.

5. Создание аппаратуры на ИМС упрощает организацию производства за счет уменьшения числа операций и сокращения числа комплектующих изделий.

В силу этих преимуществ практически все современные устройства информационной электроники создаются с применением ИМС. Можно отождествить современную информационную электронику и микросхемотехнику. В последние годы наметилась тенденция внедрения достижений микроэлектроники и в энергетическую электронику.

Интегральные микросхемы делятся на два сильно отличающихся друг от друга класса: 1) полупроводниковые ИМС; 2) гибридные ИМС.

Полупроводниковая ИМС полупроводниковый кристалл, в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность полупроводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединения между элементами схемы. На рис. 1.16, а показана часть схемы, состоящая из резистора, диода и транзистора, а на рис. — разрез полупроводникового кристалла, в толще которого выполнены указанные схемные элементы.

Рис. 1.16. Фрагмент схемы и ее реализация в виде полупроводниковой ИМС

элементов друг от друга осуществляется с помощью переходов, смещенных в обратном направлении. Для этого к подложке -типа прикладывается наиболее отрицательный потенциал. После создания слоя окисла на поверхности и нанесения соединений кристаллы полупроводника помещают в герметизированный корпус, имеющий выводы во внешнюю цепь.

Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью до используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Наиболее предпочтительными элементами являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа, затем другие полупроводниковые приборы.

Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС невыполнимы.

2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элементы на одном кристалле имеют практически идентичные параметры.

3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном предприятии.

4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС велики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями (104 экземпляров и выше). Чем выше тираж изделия, тем дешевле оно обходится изготовителю.

5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния (размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема: пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра (рис. 1.17, а), что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать .

Рис. 1.17. Компоненты пленочных ИМС: а — резистор: б — конденсатор; в — индуктивность

Пленочные конденсаторы имеют структуру, разрез которой показан на рис. . Конденсатор состоит из трех пленочных слоев: металл — диэлектрик — металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов достигает и более. Дроссели могут быть выполнены в виде спирали (рис. 1.17, в); они имеют небольшую индуктивность, не более . Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными: эти элементы приклеиваются в определенных местах к плате, осуществляется их контактирование с элементами пленочной схемы, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Читайте также:  Переходник с dvd на ssd для ноутбука

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами:

1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМО значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи. Технология толстопленочных ИМС сравнительно проста, и их выпуск может быть налажен в стенах лаборатории или производственного участка.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями (сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т. е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж.

Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т. е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно невысок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС.

Число компонентов, заключенных в одном корпусе ИМС, называют степенью интеграции N.

Рис. 1.18. Зависимость относительной стоимости от степени интеграции N для ИМС различных годов выпуска

Рис. 1.19. Воздействие дефектов кристаллической решетки на выпуск ИМС малой (а) и большой (б) степени интеграции

На рис. 1.18 показаны зависимости стоимости полупроводниковой ИМС С, отнесенной к степени интеграции N, от N. Эти зависимости приведены для различных годов выпуска ИМС. Кривые показывают, что имеется область , при которой отношение имеет минимальное значение. При уменьшении N от указанного значения стоимость увеличивается, так как возрастают затраты на упаковку ИМС в корпус, пайку выводов и т. п. При увеличении N стоимость также возрастает по двум причинам. Во-первых, более сложные ИМС выполняют более сложную, а значит, и более специализированную функцию, а это приводит к снижению тиража ИМС и увеличению ее стоимости. Во-вторых, при большом значении N ИМС занимают значительную площадь на пластине полупроводника. При ИМС называется большой интегральной схемой (БИС).

На рис. 1.19, а показана пластина полупроводника, на которой изготавливаются девять ИМС малого или среднего уровня интеграции. На рис. показана такая же пластина, на которой расположена только одна большая ИМС (БИС).

Если на пластине имеется локальный дефект (показан на рис. 1.19, а и б крестиком), то в первом случае придется забраковать 1/9 часть изготовленных ИМС, а в случае БИС негодным окажется изделий. Поэтому оптимальное значение N зависит от уровня технологии изготовления ИМС и по мере совершенствования технологических процессов повышается, в настоящее время для выпускаемых БИС 105.

Большим достижением современной электроники в последние годы стало преодоление упомянутого препятствия на пути увеличения N: найдены способы создания сложных БИС, которые при этом не теряют своей универсальности. Это программируемые ИМС. Потребитель может по-разному использовать ИМС, запрограммировав ее функции. Подобные ИМС будут рассмотрены в дальнейшем: это постоянные запоминающие устройства (§ 4.6) и микропроцессоры (§ 4.12, 4.13). Современный этап развития электроники характеризуется все усиливающимся применением БИС вплоть до создания однокристальных ЭВМ. Эта тенденция обусловлена повышением основных технико-экономических показателей электронных устройств управления при использовании БИС (см. гл. 4).

Интегральная микросхема — в некоторых аудиокомпонентах микросхемы используются для обработки и усиления звуковых сигналов. В компонентах высокого качества обычно применяются дискретные транзисторы
ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА.. .

— это микроэлектронное изделие окончательной или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которого нераздельно сформированы в объеме и (или) на поверхности материала, на основе которого изготовлено изделие.

Закон Российской Федерации от 23.09.92 N 3526-I, с

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector