Элементы конструкции микросхем

Дәріс.Интегральные микросхемы и оптоэлектронные приборы    Еще в ламповый период развития электроники большое внимание уделялось уменьшению габаритных размеров, массы, потребляемой электроэнергии, повышению надежности электронных приборов. Однако аппаратура продолжала усложняться, появились устройства, содер­жащие сотни тысяч электронных полупроводниковых элементов, поэтому габа­ритные размеры, масса, потребляемая мощность возрастали, а надежность умень­шалась. Потребовались новые решения конструктивно-технологических, схемо­технических, физических проблем. Эти решения привели к созданию новой отрасли электроники - микроэлек­троники, которая охватывает проблемы разработки и применения новых элек­тронных приборов - интегральных микросхем (ИМС). Таким образом, микроэлектроника - это область электроники, занимающаяся созданием функциональных электронных узлов, блоков и устройств в микроми­ниатюрном интегральном исполнении. Ход развития электроники был предо­пределен резким увеличением функций, выполняемых РЭА, и повышением тре­бований к ее надежности. ИМС становятся основной элементной базой в технике связи, в космической электронике и особенно в ЭВМ. Интегральная микросхема -это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала н (или) накапли­вания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически со­единенных элементов (элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рас­сматривается как единое целое (ГОСТ 17021-88). Таким образом, исходя из определения, ИМС обладает следующими особен­ностями: 1. Состоит из множества элементов и выполняет определенную функцию: уси­ление, генерацию, выпрямление, выполнение отдельных логических операций или нескольких функций. 2. Элементы ИМС не являются дискретными: диоды, транзисторы, конденсато­ры, резисторы и соединяющие их элементы составляют единое целое. 3. Все элементы ИМС заключены в один герметический корпус с выводами на­ружу. Необходимо отметить, что основным новшеством при создании ИМС стала не элементная база (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. д.), а сам принцип создания и соединения существовавших элементов.  

Классификация интегральных микросхем

 

ИМС могут быть классифицированы по нескольким признакам.

1. Конструктивно-технологическому, то есть в зависимости от технологии и ма­териалов при изготовлении: полупроводниковые, пленочные, гибридные.

2. По степени интеграции: малые (МИС), средние (СИС), большие (БИС), сверх­большие (СБИС).

3. По функциональному принципу, то есть в зависимости от функции, выполня­емой схемой, - генерация, усиление, логические операции и т. д.: аналоговые ИС, цифровые ИС.

4. По физическому принципу различают два класса полупроводниковых ИС; би­полярные ИС, МДП ИС.

Полупроводниковая микросхема -это такая микросхема, в которой все эле­менты и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности по­лупроводникового материала.

В теле полупроводникового материала создают слои резисторов и структуры транзисторов, выполняющие заданные электронные функции.

Полупроводниковые ИС (ПИС) наиболее распространены на практике и пер­спективны, так как позволяют создавать надежные и достаточно сложные в функ­циональней отношении электронные устройства малых размеров при незначи­тельной их стоимости.

Характерной особенностью ПИС является отсутствие среди ее элементов ка­тушки индуктивности и тем более трансформатора. Это объясняется тем, что до сихпор не удалось использовать в твердом теле какие-либо физические явления, эквивалентные электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стара­ются реализовать необходимую функцию без использования индуктивных эле­ментов или -«навешивают» эти элементы.

В качестве резисторов и конденсаторов в ПИС используют соответственно сопротивление и зарядную емкость С_зар рn-перехода, что позволяет обеспечить единый технологический цикл изготовления структур транзисторов, диодов и кон­денсаторов при производстве полупроводниковых ИС.

В большинстве полупроводниковых ИС элементы располагаются в тонком (тол­щина 0,5-10 мкм) приповерхностном слое полупроводника. Так как удельное сопротивление полупроводника невелико (1-10 Ом), а элементы должны быть изолированы друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.

Основной элемент биполярных ИС - nрn-транзистор, а в МДП ИС - МДП-транзистор с индуцированным каналом.

Все остальные элементы схемы (диоды, резисторы и конденсаторы) изготав­ливают на базе основного элемента и одновременно с ним.

Пленочная микросхема - это такая микросхема, все элементы и межэлемент­ные соединения которой выполнены только в виде проводящих пленок и ди­электрических материалов.

В настоящее время существуют два класса пленочных микросхем:

- тонкопленочные;

- толстопленочные.

Все элементы ИС (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку)в виде поликристаллических или аморфных слоев (пленок),выпол­няющих заданные функции пассивных элементов. Полученную ИС при необхо­димости помещают в корпус с внешними выводами.

Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами мо­жет быть количественным и качественным. К тонкопленочным (условно) отно­сят ИМС столщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным - более 1 мкм.

Деление пленочных ИС обусловлено не столько толщиной пленок, сколько методом их нанесения а процессе создания пассивных элементов. Пассивные эле­менты тонкопленочных схем наносят на подложку преимущественно с использо­ванием термовакуумного распыления и катодного осаждения,а пассивные эле­менты толстопленочных схем получают нанесением и вжиганием проводящих и резистивных паст.

Активные элементы (диоды и транзисторы) «навешивают» на пленочную схе­му, в результате чего получают смешанную (пленочно-дискретную) ИС, которую называют гибридной.

Частным случаем гибридной ИС является многокристальная ИС, содержа­щая в качестве компонентов несколько бескорпусных полупроводниковых схем на одной подложке. Наиболее распространены в настоящее время полупровод­никовые и гибридные ИС.

Число элементов в данной ИС характеризует ее степень интеграции.

Степень интеграции -это функциональная сложность ИС, то есть число элементов, чаще всего транзисторов, входящих в состав интегральной схемы.

В соответствии со степенью интеграции все интегральные схемы условно де­лятся на:

-малые (МИС), до 10² элементов на кристалл;

-средние (СИС), до 10³ элементов на кристалл;

-большие (БИС), до 10⁴ элементов на кристалл;

- сверхбольшие (СБИС), до 10⁶ элементов на кристалл;

-ультрабольшие (УБИС), до 10⁹ элементов на кристалл;

-гигабольшие (ГБИС), более 10⁹ элементов на кристалл.

Иногда степень интеграции определяют величиной

K=lgN,(6.1)

где N- число элементов, входящих в ИС.

ЗначениеКопределяется до ближайшего целого числа в сторону увеличения.

Например, ИС первой степени интеграции (К=1) содержит до 10 элементов, второй степени интеграции (К = 2) -от 10 до 100, третьей степени интеграции (К^З)-от 100 до 1000, и т. д.

Создание БИС явилось новым шагом в электронике. БИС содержат более 1000 элементов и являются сложными функциональными устройствами.

`По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся наана­логовые и цифровые.

Цифровая интегральная микросхема (ЦИМ) - это микросхема, предназначен­ная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискрет­ной функции (например, выраженные в двоичном или другом цифровом коде).

Цифровые ИС представляют собой множество транзисторных ключей, обла­дающих двумя устойчивыми состояниями (разомкнутым и замкнутым).

Частным случаем ЦИМ является логическая микросхема, выполняющая опе­рации с двоичным кодом, которые описываются логической алгеброй и реализу­ют такие функции, как И, ИЛИ, НЕ и др.

Аналоговая интегральная микросхема (АИМ) - это микросхема, предназна­ченная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону не­прерывной функции.

Из изложенной выше классификации ИС по степени интеграции, в зависимо­сти от типа ИС (аналоговая или цифровая) и класса транзисторов (биполярный или полевой) следует, что применение цифровых методов обработки информа­ции способствует более эффективному решению вопроса микроминиатюризации электронных средств.

Однако применение цифровых методов не всегда возможно. Так, при разра­ботке конкретного электронного устройства к нему могут предъявляться требо­вания, выполнение которых методами цифровой электроники будет неоптимальным, например, с точки зрения стоимости или других показателей, или вообще недостижимым. В первую очередь это касается требуемого быстродействия и точ­ности электронного устройства.

Поэтому поиск оптимального решения должен базироваться на использовании всего набора имеющихся электронных устройств; аналоговой, цифровой и им­пульсной электроники.

Элементы конструкции микросхем

 

Рассмотрим некоторые общие и специальные термины, встречающиеся при опи­сании конструкций микросхем.

Корпус -часть конструкции интегральной микросхемы, предназначенная для защиты ИМС от внешних воздействий и для соединения с внешними электриче­скими цепями посредством выводов.

Типы и размеры корпусов ИМС, расположение и число их выводов стандар­тизированы.

Подложка - заготовка из диэлектрического материала, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата - часть подложки (или вся подложка) гибридной интегральной схе­мы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, меж­элементные и межкомпонентные соединения и контактные площадки.

Полупроводниковая пластина-заготовка из полупроводникового материа­ла, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных мик­росхем.

Кристалл - часть пластины, в объеме и на поверхности которой сформирова­ны элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и кон­тактные площадки.

Контактная подложка - металлизированный участок на плате или кристал­ле или на корпусе ИМС, служащий для соединения выводов компонентов и кри­сталлов, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Бескорпусная интегральная микросхема - кристалл микросхемы, предназна­ченный для монтажа в гибридную интегральную микросхему.

Если в обычной микросхеме корпус служит для защиты от внешних воздей­ствий, то бескорпусная ИМС такой собственной защиты (по крайней мере, от механических воздействий) не имеет.

Вывод бескорпусной интегральной микросхемы – проводник, соединенный электрически с контактной площадкой кристалла или механически с его поверхностью.

 

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 3312; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!