|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы  Рис. 1.16. Варианты коиструктивио-техиологического исполнения интегральных микросхем: о - полупроводниковая; 6 - совмещенная; в-гибридная; г схема электрическая прницнпнальиая; /...4 - выводы и контактные площадки; 5 -подложка; в -резисторы; 7 - транзисторы; S-конденсаторы; 9 - пленка мента. Поэтому транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы микросхемы называют интегральными, в отличие от отдельно изготовляемых транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов, которые в этом случае называют дискретными. По типу используемых основных активных элементов полупроводниковые микросхемы подразделяют на биполярные и полевые (на МДП-транзисторах). Выпускаются также комбинированные биполярно-полевые полупроводниковые микросхемы, в которых наряду с биполярными используются и полевые транзисторы с р-п переходом, характеризующиеся высоким входным сопротивлением, низким уровнем шумов и повышенной радиационной стойкостью. В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок. В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и индуктивности. Попытки создания пленочных транзисторов успеха не имели. В зависимости от толщины пленок и способа создания элементов микросхемы подразделяют на тонко- и толстопленочные. К первым относят микросхемы, толщина пленок в которых не превышает 1 мкм. (Проводящая металлическая пленка называется тонкой, если ее толщина меньшедлины свободного пробега в ней электронов.) Тонко-пленочные элементы формируют различными методами: термического испарения материалов в вакууме, электрохимического осаждения из растворов, химического осаждения из газовой фазы. В совмещенных микросхемах все активные элементы и часть пассивных изготовляют по полупроводниковой технологии в пластине кремния, а часть пассивных элементов - по тонкопленочной технологии. Пассивные элементы располагают на гладких поверхностях защитного диэлектрика, не содержащих ступенек (рис. 1.16, б). Необходимость создания совмещенных микросхем вызвана тем, что тонкопленочные резисторы по сравнению с полупроводниковыми обладают более высокими номиналами сопротивлений и точностью изготовления, меньшими величинами паразитных параметров, низким термическим коэффициентом сопротивления, а тонкопленочные конденсаторы в отличие от полупроводниковых могут работать при любой полярности. Естественно, что при производстве совмещенных микросхем приходится вводить дополнительные операции нанесения тонких пленок и принимать дополнительные меры защиты тонкопленочных резисторов. В толстопленочных интегральных микросхемах толщина пленок, 10...70 мкм; толстые пленки наносят на подложку одним лишь ме годом - методом трафаретной печати. В гибридной микросхеме в качестве активных элекрорадиоэле-ментов используются навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов - пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники (см. рис. 1.16, г). Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка. Довольно часто в составе гибридной микро схемы используют не только пленочные, но и миниатюрные дискретные конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы. Их называют навесными компонентами. Этим подчеркивается, что они изготовляются отдельно и представляют собой самостоятельные изделия, которые могут приобретаться изготовителем гибридных микросхем как покупные изделия. Как мы видим, классификация по конструктивно-технологическому исполнению позволяет уже в самом названии микросхемы дать информацию о ее конструкции, технологии изготовления и конструктивно-технологических признаках входящих в нее электрорадиоэлементов. Частью конструкции микросхемы является ее подложка. Она выполняет функции: механического основания, изоляции элементов друг от друга, теплоотвода. Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин. Для полупроводниковых микросхем используют монокристаллические полупроводниковые (кремний, арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир, шпинель) подложки. На последних в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала, в котором создают элементы микросхем. Их круглая форма определяется способом получения монокристаллических слитков методом вытягивания их из расплава. Для тонкопленочных и гибридных микросхем используют подложки из стекла, стеклокристаллического материала (ситалла) и керамики. Часть подложки, отведенную под одну микросхему, отделенную от других частей вместе со сформированными на ней элементами, в полупроводниковой технологии называют кристаллом, а в пленоч ной технологии - платой. / В настоящее время микросхемы выпускают в корпусном и бескорпусном исполнениях. Корпуса герметичны и защищают микросхемы от воздействия окружающей среды. Бескорпусные микросхемы предназначены для работы в составе радиоэлектронных устройств, которые целиком размещаются в герметизируемых объемах. Их покрывают лаком или заливают компаундами для защиты от внешних воздействий. По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, то она называется цифровой (логической). К аналоговым относятся микросхемы, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В частном случае аналоговые микросхемы для преобразования и обработки сигнала, изменяющегося линейно, называют линейными. Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К, которая характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов N:K=\gN, где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют: на малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1...2-Й степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов, например логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилитель, фильтр и т. п.; средние интегральные схемы (СИС) - схемы 2...3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до I ООО элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство); большие интегральные схемы (БИС) - это схемы 3...4-Й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10 000 элементов, в состав которых входит одно или несколько функциональных устройств (например, арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и др.); сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) - это интегральные микросхемы 5...7-й степени интеграции, представляющие собой законченное микроэлектронное изделие, способное выполнять функции аппаратуры (например, ЭВМ). Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные (в том числе, гибридные). По степени интеграции полупроводниковые микросхемы на биполярных транзисторах уступают интегральным микросхемам на МДП-транзисторах (см. табл. 1.1). Таблица 1.1. Классификация микросхем по уровням интеграции Уровень Число элементов и компонентов в одной микросхеме
По применяемости в аппаратуре различают микросхемы широкого и частного применения. К последним относятся микросхемы, предназначенные для использования в конкретной аппаратуре и изготавливаемые непосредственно на предприятии, ее производящем. В ряде случаев разработчики конкретной РЭА для улучшения показателей ее миниатюризации изготавливают микросборки, в состав которых входят элементы, компоненты, интегральные микросхемы и другие ЭРЭ. Микросборки по технологическому исполнению не отличаются от гибридных микросхем. И по функциональной сложности, и по степени интеграции микросборки, как правило, соответствуют БИС. Однако в отличие от них они не выпускаются как самостоятельные изделия широкого применения, а являются микроэлектронными изделиями частного применения, разрабатываемыми для конкретной МЭА. Характерно, что в состав микросборок могут входить и корпусированные ИС, например из микропроцессорного набора. Корпуса для микросборок могут выбираться из стандартного ряда или проектироваться специально. Бескорпусные микросборки используются в аппаратуре с общей герметизацией аналогично гибридным БИС и создаются по тонкопленочной и толстопленочной технологии с применением ситалловых, поликоро-вых, многослойных керамических и металлических эмалированных подложек. В ряде случаев разработка микросборок диктуется необходимостью обеспечения хорошего теплоотвода. Классификация ИС по конструктивно-технологическому исполнению на полупроводниковые, пленочные и гибридные, по принципу работы активных элементов на МДП-микросхемы и микросхемы на биполярных транзисторах, по виду обрабатываемой информации на цифровые и аналоговые не исчерпывает всего многообразия признаков, необходимых для описания их в практической деятельности разработчиков, конструкторов и технологов РЭА. Так, цифровые микросхемы можно подразделить по функциональному назначению на подгруппы логических и интегральных схем запоминаюш,их устройств (ЗУ). Они имеют различия в конструктивном исполнении. Однако это деление, еще широко используемое в 6о-5о- -оВыход  Рис I 17. Малая микросхема ТТЛ-типа - двухвходовый вентиль И - НЕ: о-схема электрическая принципиальная; б-чертеж топологии микросхемы с фигурами совмещения, тестовыми резистором н транзистором < г 3;8 о-  Рис. 1.18. Малая микросхема ЭСЛ-типа - трехвходовый вентиль ИЛИ - НЕ: о -схема электрическая принципиальная; б - топология Ин 6 h:i U2 Hi Г \К2 Рис. 1.19. Вертикальная структура (о) и электрическаи схема (б) типового И Л-элемеита практике, оказывается условным: появились микропроцессорные БИС, СБИС однокристальных ЭВМ, в которых на одном кристалле размещены и изготовлены как логические, так и запоминающие устройства. Широкое развитие цифровых методов обработки сигналов привело к созданию БИС, предназначенных для связи цифровых и аналоговых устройств - аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Логические микросхемы на основе биполярных транзисторов по схемотехническому и конструктивно-технологическому исполнению разделяют на типы: резисторно-транзисторные логические (РТЛ) и их модификации (с непосредственными связями, с емкостными связями и т. д.); транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и их модификации (ТТЛ с диодами Шотки и др.) (рис. 1.17); эмиттер-но-связанные логические (ЭСЛ) (рис. 1.18); интегральные инжек-ционные логические (ИЛ) (рис. 1.19); инжекционно-полевые логические (ИПЛ). Логические микросхемы на МДП-транзисторах подразделяют на: р-канальные (р-МДП) (рис. 1.20); /г-канальные (/г-МДП); комплементарные на взаимодополняющих п- и р-канальных транзисторах (КМДП) (рис. 1.21). В настоящее время промышленность выпускает множество серий логических интегральных микросхем, и разработчику аппаратуры необходимо уметь проводить сравнительный анализ по их характеристикам, чтобы найти наилучшие соотношения характеристик в. соответствии с требованиями к разрабатываемым микроэлектронным изделиям. Этими характеристиками являются: быстродействие (задержка переключения), потребляемая мощность, произведение мощности на время задержки, запас помехоустойчивости, коэффициент разветвления по выходу, требования к напряжению питания, диапазон рабочих температур, плотность размещения элементов на -£ Т2\ w\ Выход  Рис. 1.20. Фрагмент микросхемы трехвходового вентиля ИЛИ-НЕ на р-каиаль- ных МДП-транзисторах: а-схема электрическая принципиальная; б - топология 0 1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||