Интегральные схемы

Интегральные микросхемы.

Существование и развитие микроэлектроники обусловлено созданием нового сверхминиатюрного электронного элемента — интегральной микросхемы. Появление этих схем, основано на  логике  развития полупроводниковых приборов. Раньше каждый электронный компонент - транзистор, резистор или диод использовался по отдельности, обладал индивидуальным корпусом  и включался в схему при помощи своих индивидуальных контактов. Но постепенно полупроводниковая электроника создала предпосылки для создания подобных устройств на  общем кристалле, а не из отдельных элементов.

Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (пли) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) 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 электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Примеры интегральных элементов, пленочный резистор в гибридной микросхеме, транзистор в полупроводниковой микросхеме.

Компонент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадноэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент является частью гибридной микросхемы.

В зависимости  от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными.

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.

Гибридная микросхема - микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы микросхемы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема.

В зависимости  от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Цифровая интегральная микросхема — микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции

Аналоговая интегральная микросхема — микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Минимальный состав комплекта интегральных микросхем, необходимый для решения определенного  круга аппаратурных задач, называется базовым.

После появления  микропроцессоров были введены дополнительные термины. Микропроцессор определен  как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки  цифровой информации и управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких больших интегральных схем (БИС).

Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая  функцию МП или его часть. Совокупность этих и других микросхем, совместимых  по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, называется микропроцессорным комплектом.

В последние  годы в классификацию ИС вводятся новые понятия: микросхемы общего назначения, заказные и полузаказные.

Заказная  микросхема - микросхема, разработанная  на основе стандартных и (или) специально созданных элементов узлов по функциональной схеме заказчика  предназначена для определенной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Полузаказная интегральная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов ( в том числе матричных).

Система условных обозначений микросхем. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы разрабатываются и выпускаются  предприятиями - изготовителями в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько  микросхем, которые, в свою очередь, подразделяются на типономиналы. К серии микросхем относят совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Как правило, с течением времени состав перспективных серий расширяется.

Тип интегральной микросхемы - интегральная микросхема конкретного функционального назначения и определенного конструктивно-технологического и схемотехнического решения, имеющая свое условное обозначение. Под типономиналом интегральной микросхемы понимается микросхема конкретного типа, отличающаяся от других микросхем того же типа одним или несколькими параметрами.

Группа типов микросхем - совокупность типов микросхем в пределах одной серии, имеющих аналогичное функциональное назначение и принцип действия, свойства которых описываются одинаковым или же близким составом электрических параметров.

Основные электрические параметры  микросхем.

Цифровые  микросхемы развивались в следующей  последовательности: резистивно-транзисторная  логика (РТЛ), диодно-транзисторная  логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная  логика (ТТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки (ТТЛШ), интегрально-инжекционная логика (И²Л). В этих определениях слово “логика” подразумевает понятие “электронный ключ”.

Все перечисленные  выше логические микросхемы выполнены  на базе биполярных транзисторов. Наряду с ними широкое распространение  получили цифровые микросхемы на МОП - структурах (на транзисторах p- и n-типов с обогащенным каналом, КМОП - схемы на дополняющих транзисторах). Наиболее широкое распространение в современной аппаратуре получили серии микросхем ТТЛШ, ЭСЛ и схемы на КМОП-структурах, так как они отличаются более высоким уровнем интеграции и обладают большим функциональным разнообразием.

Можно выделить три этапа развития микросхем, входящих в состав стандартных серий для  создания цифровых устройств различного назначения.

I этап (1969 - 1975 гг.). В состав стандартных серий входили микросхемы малой степени интеграции, выполняющие простейшие логические функции, например серия К155.

II этап (1976 - 1980 гг.). Появились серии с улучшенными  характеристиками, такие как 531, 555, 500, К561, К1561 и другие, что привело  к ограниченному применению серий 131, 158, 137, 187.

III этап (1981 - 1987 гг.). Разработка микросхем  большой степени интеграции, микропроцессорных  комплектов, запоминающих устройств,  полузаказных БИС на основе матричных кристаллов.

Параметры микросхем конкретной серии в  основном определяются параметрами  базовых элементов логики. К основным параметрам относятся: быстродействие; потребляемая мощность (Р_пот); помехоустойчивость U_пом; коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) К_раз; коэффициент объединения по входу К_об.

Элементы конструкции  микросхем.

При разработке технической документации или при составлении описаний конструкций микросхем ГОСТ обязывает пользоваться общими терминами (корпус, подложка, плата, пластина, кристалл), а также некоторыми специальными, которыми определяются особенности внутреннего строения микросхем.

Корпус — часть конструкции интегральной микросхемы, предназначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов. Типы и размеры корпусов микросхем, а также расположение и число их выводов стандартизованы.

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

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

Полупроводниковая пластина — заготовка из полупроводникового материала, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. При производстве микросхем этим термином называют не только первоначальную заготовку, но и пластину со сформированными элементами полупроводниковых микросхем. Этот термин используется в течение всего технологического процесса — от его начала до разделения группового изделия на отдельные кристаллы.

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

Базовый кристалл — часть полупроводниковой пластины с определенным набором сформированных элементов, в том числе электрически соединенных и не соединенных между собой, предназначенный для дальнейшего проектирования микросхемы.

Основное отличие термина кристалл от термина базовый кристалл заключается в отсутствии в последнем законченных межэлементных соединений, которые будут выполнены при дальнейшем проектировании.

Базовый матричный кристалл (БМК) — базовый кристалл интегральной микросхемы с регулярным, в виде матрицы, расположением не соединенных и (или) соединенных между собой элементов, без межэлементных соединений. Термины базовый кристалл и базовый матричный кристалл появились значительно позднее, чем вышел ГОСТ 17021—75.

Контактная площадка—металлизированный участок иа плате или кристалле, или корпусе интегральной микросхемы, служащий для присоединения выводов компонентов и кристаллов, перемычек, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Бескорпусная интегральная микросхема — кристалл микросхемы, предназначенный для монтажа в гибридную интегральную микросхему или микросборку. Этот термин в последнее время приобрел большое значение в связи с тем, что такие микросхемы широко применяются при создании микросборок и микроблоков. Если в обычной микросхеме корпус служит для защиты от внешних воздействий, то бескорпусная микросхема такой собственной защиты (по крайней мере, от механических воздействий) не имеет. Для соединения с внешними электрическими цепями бескорпусная микросхема имеет собственные выводы, а ее полная защита обеспечивается корпусом устройства, в которое эта микросхема установлена.

Устройство интегральных микросхем.

Полупроводниковые интегральные микросхемы.

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

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.

Изготовление полупроводниковых  микросхем осуществляют групповым  методом, при котором на одной  пластине 1 (рис. 1.3) одновременно создают  большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов  и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После выполнения всех операций по формированию элементов и межсоединений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кристаллами. Каждый кристалл содержит одну функциональную структуру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводничков, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

Рассмотрим теперь особенности устройства элементов  полупроводниковых микросхем, которые обусловлены необходимостью изоляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной электрической проводимостью. Изоляцию элементов осуществляют либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находящегося под обратным напряжением, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния.

Биполярные транзисторы. Структура транзистора, изолированного электронно-дырочным переходом, показана на рис. 1.4. Электрод коллектора К расположен в интегральных транзисторах на верхней поверхности кристалла, там же находятся электроды эмиттера Э и базы Б. Чтобы в этих условиях обеспечить низкоомный путь для коллекторного тока к электроду коллектора K, под n-областью коллектора создают скрытый слой n+, обладающий повышенной проводимостью. Изолирующий переход образуется вдоль линии, разделяющей «-область коллектора и «+-область его скрытого слоя от р+-областей и р-области тела кристалла.

Транзисторы полупроводниковых микросхем  могут иметь несколько отдельных  эмиттеров при одной базе и  одном коллекторе. Такие транзисторы  называются многоэмиттерными. Их устройство показано на рис. 1.5. Если в полупроводниковой микросхеме применяют диэлектрическую изоляцию элементов, то транзисторы имеют такую же двухпереходную структуру, как и их дискретные аналоги.

Значения параметров интегрального  биполярного транзистора определяются, как обычно, концентрационным профилем структуры, площадью переходов, электрофизическими параметрами материала. Максимальный коллекторный ток может достигать 50 мА, коэффициент передачи тока базы от 20 до 50, обратные токи переходов менее 10 нА, максимальное коллекторное напряжение до 40 В, предельная рабочая частота до 1000 МГц. Освоены способы изготовления транзисторных структур имеющих коэффициент передачи тока базы до нескольких тысяч .

Полупроводниковые диоды. Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур. Для быстродействующих диодов используют эмиттерный переход при соединенном с базой коллекторе (рис. 1.6,а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллекторный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис. 1.6,б). Во втором случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большего значения неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора, а также из-за большей емкости перехода.

МДП-транзисторы. Эти приборы не нужно специально изолировать от тела кристалла, так как у них область «сток — канал — исток» уже изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, разделяющей р-область тела кристалла от n+-области истока, n-области канала и n+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 1.7). Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных структур, что позволяет получить значительно большую плотность размещения элементов на подложке.

Интегральные  МДП-транзисторы имеют следующие значения параметров: ток стока до 10 мА, напряжение стока до 30 В, входное сопротивление — десятки МОм, предельная частота — сотни МГц. Таким образом, интегральные МДП-транзисторы являются сравнительно низкочастотными элементами, что обусловлено большими межэлектродными емкостями.

Конденсаторы. В полупроводниковых микросхемах применяют в основном р—n-конденсаторы, в качестве которых используют коллекторный переход 1 транзисторной структуры (рис. 1.8). Эмиттерную область в данном случае не формируют. Изолирующий р—n-переход 2 отделяет р—n-конденсатор от тела кристалла. Выводами конденсатора являются алюминиевые электроды 3, 4. Конденсаторы, один вывод которых должен быть соединен с телом кристалла, могут выполняться на основе изолирующего перехода.

Емкость р—n-конденсатора определяется площадью перехода и обычно не превышает 100 пФ. Добротность низкая — не более 10, отклонение от номинала большое — до 30%, температурный коэффициент емкости до 10~3 град-1.

Малый диапазон емкостей, низкая добротность, высокий  температурный коэффициент и зависимость емкости от приложенного напряжения не позволяют в ряде случаев использовать р—n-конденсаторы. Тогда применяют пленочные конденсаторы типа «металл — диэлектрик — металл». Их выполняют последовательным напылением трех тонких слоев (проводящего, изолирующего и проводящего) на изолирующую пленку двуокиси кремния, находящуюся на поверхности полупроводниковой пластины. Емкость таких конденсаторов достигает 500 пФ при отклонении от номинала не более 5 — 10%, добротность — до 100, температурный коэффициент до 10~4 град-1, рабочее напряжение — до 60 В.

Применяют также  конденсаторы типа МДП, у которых  нижнюю обкладку образует эмиттерный слой транзисторной структуры, диэлектриком является пленка двуокиси кремния, а верхняя обкладка — металлическая. Вследствие большого сопротивления потерь нижней (полупроводниковой) обкладки такие конденсаторы несколько уступают конденсаторам с металлическими обкладками, но проще их в изготовлении. По сравнению с парамерами р—n-конденсаторов параметры МДП-конденсаторов значительно выше.

Резисторы. Для формирования в полупроводниковой пластине области, обладающей требуемым электрическим сопротивлением, обычно используют базовый слой транзисторной структуры (рис. 1.9) и, иногда, эмиттерный или коллекторный слои. Такие резисторы называются диффузионными. Алюминиевые межсоединения 1 имеют контакт с резистивным элементом 2 через окна в изолирующей пленке двуокиси кремния. Электронно-дырочный переход 3 изолирует резистивный элемент от тела кристалла.

Поскольку такие  параметры диффузионных слоев, как  толщина, концентрация и распределение примеси, задаются требованиями к транзисторным структурам, необходимое сопротивление резистивного элемента может быть получено лишь путем выбора слоя и его ширины и длины. Эмиттерный слой, имеющий более высокую концентрацию примесей, используют для получения резисторов с малым сопротивлением (от 2 до 30 Ом), а базовый слой — с большим сопротивлением (от 100 Ом до 20 кОм). Отклонение от номинала достигает 20%, предельная частота — до 100 МГц, максимальное рабочее напряжение 5 и 20 В соответственно и температурный коэффициент 1-10-4 град-1 и 1-10-3 град-1, соответственно.

В полупроводниковых  микросхемах обычно применяют диффузионные резисторы, но если требуемый номинал сопротивления не может быть с их помощью реализован, то в качестве резистивного элемента используют дорожки из пленки высокоомного металла напыленные, как и межсоединения, на изолирующую пленку двуокиси кремния, покрывающую поверхность кристалла. Эти резисторы называются пленочными.

В качестве резисторов в полупроводниковых микросхемах  используют также канал МДП-транзистора. Сопротивление при этом может регулироваться изменением напряжения, подаваемого на затвор (минимальное сопротивление около 10 Ом).

Пленочные интегральные микросхемы.

Второй разновидностью микросхем являются пленочные микросхемы, подразделяемые на тонкопленочные и толстопленочные. Более совершенны и шире распространены тонкопленочные микросхемы. Их выполняют на диэлектрической подложке (из стекла, ситал-ла, керамики), элементами их являются резисторы и конденсаторы. Иногда используют индуктивные элементы.

Резисторы изготавливают напылением на подложку 3 (рис. 1.11) через трафарет тонкой пленки высокоомного материала (нихром, тантал, сплав МЛТ) нужной конфигурации. Концы полученного ре-зистивного элемента 1 соединяют с пленочными контактными площадками 2, выполняемыми из металла, обладающего высокой электропроводностью (алюминий, медь, золото).

Электрическое сопротивление  такого резистора может быть от 10 Ом до 1 МОм в зависимости от толщины, ширины и длины резистивной полоски, а также удельного сопротивления материала. Отклонение от номинала 5 — 10 %; применяя подгонку, можно получить отклонение менее 0,1 %. Температурный коэффициент сопротивления (50 — 500)-10-6 град-1. Допустимая удельная мощность рассеяния составляет 1 — 3 Вт/см2. Благодаря малой собственной индуктивности тонкопленочные резисторы имеют частотный диапазон до 1000 МГц.

Конденсаторы выполняют на диэлектрической  подложке 1 (рис. 1.12) последовательным напылением трех слоев: металл — диэлектрик — металл. Металлические слои 3, образующие обкладки конденсатора, изготовляют обычно из алюминия. В качестве диэлектрика 2 используют окись кремния, окись алюминия, боросиликатное стекло и др. Емкость такого конденсатора в зависимости от площади обкладок, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрика составляет от 100 до 5000 пФ при рабочем напряжении до 60 В. Температурный коэффициент емкости (35 — 400)10~в град-1, частотный диапазон до 300 — 500 МГц.

Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде однослойных многовитковых спиралей, однако индуктивность их не превышает 20 мкГн при добротности не более 50.

На базе пленочной  технологии до сих пор не удалось  создать достаточно надежные транзисторы  или другие активные элементы, поэтому  пленочные микросхемы имеют ограниченное самостоятельное применение и большей частью составляют основу гибридных микросхем.

Гибридные интегральные микросхемы.

Гибридные микросхемы изготавливают  на диэлектрической подложке, их пассивные элементы R, С, L, межсоединения и контактные площадки выполняют по пленочной технологии, т. е напылением. Применяют групповой метод обработки, при котором на одну подложку наносят до 16 — 18 идентичных групп элементов и межсоединений, затем подложку разрезают на части — платы каждая из которых содержит элементы и межсоединения одного функционального узла.

Транзисторы для  гибридных микросхем изготавливают  отдельно, в целях экономии объема в бескорпусном оформлении иногда в виде сборки. Их параметры имеют примерно те же численные значения, что и у дискретных аналогов. Бескорпусные транзисторы защищают от воздействий внешней среды специальным влагостойким покрытием.

Монтаж транзистора 1 (рис. 1.13) на плате осуществляют термокомпрессионной сваркой шариковых 3 или балочных 5 выводов с контактными площадками 2 либо с помощью проволочных выводов.

Общий вид платы  гибридной микросхемы показан на рис 1 14 а, На диэлектрическую подложку наносят через трафарет резистивные  полоски Ri, R2, Rз из высокоомного материала, затем через другой трафарет распылением металла, имеющего высокую электропроводность, наносят нижнюю обкладку О, конденсатора С, межсоединения и контактные площадки 1 — 5. Далее через третий трафарет наносят пленку диэлектрика конденсатора Д и, наконец, через четвертый трафарет наносят последний слой — верхнюю обкладку конденсатора 02. Транзистор Т приклеивают к подложке и проволочными выводами подсоединяют к соответствующим контактным площадкам.

                             На рис. 1.14,б показана принципиальная схема рассмотренного устройства. Оно функционально незавершено, поскольку может быть использовано (в усилителе с общим эмиттером, в эмиттерном повторителе и т. п.) лишь при подключении к нему ряда внешних элементов. Такая функциональная незавершенность обычно возникает из-за трудностей выполнения некоторых элементов (например, катушек) в виде, пригодном для монтажа внутри микросхемы. Иногда микросхему специально оставляют функционально незавершенной, чтобы расширить сферу ее использования.

Гибридные микросхемы могут выполняться  и на основе толстопленочной технологии, более дешевой, но, как уже указывалось, менее совершенной. Подложка для толстопленочной микросхемы имеет размеры 16X10X1 или 10X10X1 мм и выполняется из высокоглиноземистой керамики, имеющей хорошую адгезию к наносимым материалам. Элементами толстопленочной микросхемы являются резисторы и конденсаторы, их выполняют так же, как и межсоединения, путем нанесения на поверхность подложки через сетчатый трафарет специальных проводящих, резистивных и диэлектрических паст, подвергаемых после нанесения термической обработке. Получаемые таким образом резисторы могут иметь сопротивление от 5 Ом до 70 кОм с разбросом (после подгонки) до 1 %, при удельной мощности рассеяния до 0,5 Вт/см2. Конденсаторы имеют емкость рт 60 до 350 пФ, добротность до 50, пробивное напряжение до 150 В. Температурный коэффициент у резисторов ±5-10~4 град-1, конденсаторов 4-10~4 град-1. Бескорпусные транзисторы и диоды монтируют в толстопленочных гибридных микросхемах обычным способом.

По числу содержащихся в корпусе микросхем элементов  различают шесть степеней интеграции: первая степень — от 1 до 101; вторая — от 10 до 102; третья — от 102 до 103; четвертая — от 103 до 104; пятая — от 104 до 105; шестая — от 105 до 106 элементов.

Интегральные  микросхемы, содержащие более 100 элементов, принято называть микросхемами повышенного  уровня интеграции, используется также  термин «большие интегральные схемы» (БИС) он соответствует четвертой-пятой степеням интеграции

Микросхемы повышенного  уровня интеграции имеют по сравнению с микросхемами малого уровня интеграции значительно лучшие габаритные характеристики, меньшую стоимость в расчете на один функциональный элемент, а также ряд других преимуществ благодаря которым удается существенно улучшить основные технико-экономические характеристики аппаратуры.

Источники:

1. Уильямс А. Применение интегральных схем. Практическое руководство. Том I (1987).
2. Якубовский С.В.Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы
3. http://radiowiki.ru/