Основные параметры интегральных микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные параметры интегральных микросхем

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой сложное микроэлектронное изделие в миниатюрном корпусе с электрическими выводами, включающее в себя множество простейших элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), электрически соединенных между собой по заданной схеме, и реализующее определенную функцию преобразования электрических сигналов. Отдельные элементы микросхемы не имеют внешних выводов и не могут рассматриваться как самостоятельные изделия, однако в состав микросхем могут включаться компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление -- навесные бескорпусные транзисторы, другие микросхемы, дроссели и т.д.

Электронный элемент - это конструктивно самостоятельное образование, выполняющее одну элементарную функцию (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).

Электронная схема реализуется на основе многих дискретных элементов (запоминающий элемент, усилительный каскад, логический элемент).

Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы - это часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо радиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки.

Электронными усилителями называют устройства, предназначенные для повышения мощности входных электрических сигналов.

Функциональный модуль образуется при соединении нескольких элементарных схем в одну конструктивно законченную сборочную единицу.

Узел - конструктивное объединение нескольких модулей.

Использование специальной технологии изготовления тонких слоев различной проводимости на изоляционной подложке или целенаправленное изменение проводимости в определенных зонах полупроводникового материала позволило реализовать и объединить различные электрические функции в едином технологическом процессе. При установке такого элемента в корпус с необходимыми выводами получают микросхему (МС).

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электропроводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к изобретению диодов, а позже транзисторов и интегральных микросхем.

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ "Пульсар") коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов -- эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

микросхема резистивный диэлектрический

2. Полупроводниковые интегральные микросхемы

Различают 2 основных типа Интегральных микросхем: полупроводниковые (ПП) и гибридные.

ПП ИМС изготавливают из особо чистых ПП материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решётку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами ~1 мм2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

Технология изготовления ПП ИМС обеспечивает одновременную групповую обработку сразу большого количества схем. Это определяет в значительной степени идентичность схем по характеристикам. ПП ИМС имеют высокую надёжность за счёт использования планарного процесса изготовления и значительного сокращения числа микросоединений элементов в процессе создания схем.

ПП ИМС развиваются в направлении всё большей концентрации элементов в одном и том же объёме полупроводникового кристалла, т. е. в направлении повышения степени интеграции ИМС. Разработаны ИМС, содержащие в одном кристалле сотни и тысячи элементов. В этом случае ИМС превращается в большую интегральную систему (БИС), которую невозможно разрабатывать и изготовлять без использования электронных вычислительных машин высокой производительности.

3. Пленочные интегральные микросхемы

Плёночные ИМС создаются путём осаждения при низком давлении (порядка 1 10-5 мм рт. ст.) различных материалов в виде тонких (толщиною < 1 мкм) или толстых (толщиной > 1 мкм) плёнок на нагретую до определённой температуры полированную подложку (обычно из керамики). В качестве материалов применяют алюминий, золото, титан, нихром, окись тантала, моноокись кремния, титанат бария, окись олова и др. Для получения ИМС с определёнными функциями создаются тонкоплёночные многослойные структуры осаждением на подложку через различные маски (трафареты) материалов с необходимыми свойствами. В таких структурах один из слоев содержит микрорезисторы, другой - микроконденсаторы, несколько следующих - соединительные проводники тока и другие элементы. Все элементы в слоях имеют между собой связи, характерные для конкретных радиотехнических устройств.

Плёночные элементы распространены в гибридных ИМС. Параллельно с полупроводниковым развился и совершенствовался другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основанный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно толстых (10 - 50 мкм) пленок. Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигналов, а реализация пленочных активных элементов оказалась невозможной из-за низкой воспроизводимости их характеристик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными элементами и пленочной коммутацией позволила создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей. Интегральные микросхемы, в которых на ряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонко- или толстопленочной технологии, содержатся имеющие самостоятельное конструктивное исполнение полупроводниковые активные компоненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовлены по полупроводниковой технологии, называют гибридными интегральными микросхемами (ГИС).

ГИС по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов); позволяют использовать любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

Если для создания микроэлектронного изделия необходимы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия - рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными входными цепями.

Совокупность технологических операций, составляющих технологический маршрут производства тонкопленочных ГИС, включает в себя подготовку поверхности подложки, нанесение пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтаж и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию ГИС от внешних воздействий. Важное значение при создании ГИС имеют контрольные операции, а также подготовка производства: изготовление комплекта масок и фотошаблонов, контроль компонентов ГИС и исходных материалов.

Нанесение пленок на подложку ГИС осуществляется:

а) термическим испарением материалов в вакууме с конденсацией паров этих материалов на поверхность подложки;

б) ионным распылением мишеней из наносимых материалов с переносом атомов мишеней на поверхность подложки;

в) химическим осаждением пленок в результате протекания химических реакций в газовой фазе над поверхностью подложки с образованием пленкообразующего вещества с последующим его осаждением на подложку.

Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы:

- масочный (соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски);

- фотолитографический (пленку наносят на всю поверхность подложки, после чего вытравливают с определенных участков);

- электронно-лучевой (некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки путем испарения под воздействием электронного луча);

- лазерный (аналогичен электронно-лучевому, только вместо электронного применяют луч лазера).

Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их сочетания.

По виду обрабатываемой информации ИМС делятся на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые. В случае с аналоговыми ИМС входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. В цифровых ИМС входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определенный диапазон напряжения. Например, для ИМС ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Аналого-цифровые ИМС совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий аналого-цифровые ИМС получают все большее распространение.

ИМС выпускаются в двух конструктивных вариантах: корпусном и бескорпусном. Бескорпусная ИМС - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную ИМС. Корпусная ИМС имеет корпус. Это часть конструкции ИМС, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Корпуса стандартизованы для упрощения технологического процесса изготовления изделий из разных ИМС. Число стандартных корпусов исчисляется сотнями.

Размещено на Allbest.ru