СПРАВОЧНИК МОЛОДОГО РАДИСТА
Классификация интегральных схем
По конструктивно-технологическому исполнению различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИС.
К полупроводниковым относят ПМС (полупроводниковые интегральные микросхемы), все элементы и межэлементные ,соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. Ё зависимости от способов изоляции отдельных элементов различают ПМС с изоляцией p-n-переходами и микросхемы с диэлектрической (оксидной) изоляцией. ПМС можно изготовить и на подложке из диэлектрического материала на основе как биполярных, так и полевых транзисторов. Обычно в этих схемах транзисторы выполнены ъ виде трехслойных структур с двумя р-n-переходами (n-p-n-типа), а диоды — в виде двухслойных структур с одним р-л-переходом. Иногда вместо диодов используют транзисторы в диодном включении.
Резисторы ПМС, представленные участками легированного полупроводника с двумя выводами, имеют сопротивление несколько ки-лоомов. В качестве высокоомных резисторов иногда используют обратное сопротивление р-n-перехода или входные сопротивления эмнт-терных повторителей.
Роль конденсаторов в ПМС выполняют обратно смещенные p-rt-переходы. Емкость таких конденсаторов составляет 50 — 200 пФ. Дроссели в ПМС создавать трудно, поэтому большинство устройств проектируют без индуктивных элементов. Все элементы ПМС получают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника. Соединения элементов таких схем осуществляются с помощью алюминиевых или золотых пленок, получаемых методом вакуумного напыления. Соединение схемы с внешними выводами производят алюминиевыми или золотыми проводниками диаметром около 10 мкм, которые методом термокомпрессии присоединяют к пленкам, а затем приваривают к внешним выводам микросхемы.
Полупроводниковые микросхемы могут рассеивать мощность 50 — 100 мВт, работать на частотах до 20 — 100 МГц, обеспечивать время задержки до 5 не. Плотность монтажа электронных устройств на ПМС — до 500 элементов на 1 см3. Среднее время безотказной работы устройства, содержащего 107 элементов, достигает 103 — 104,
Современный групповой технологический цикл позволяет обрабатывать одновременно десятки полупроводниковых пластин, каждая из которых содержит сотни ПМС с сотнями элементов в кристалле, связанных в заданные электронные цепи. При такой технологии обеспечивается высокая идентичность электрических характеристик микросхем.
Пленочными интегральными (или просто пленочными схемами ПС) называют ИС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок. Интегральные схемы подразделяют, на тонко- и толстопленочные. Эти схемы могут иметь количественное и качественное различие. К тонкопленочным условно относят ИС с толщиной пленок до 1 мкм, а к толстопленочным — ИС с толщиной пленок выше 1 мкм. Качественное различие определяется технологией изготовления пленок. Элементы тонкопленочной ИС наносят на подложку с помощью термовакуумного осаждения и катодного распыления. Элементы толстопленочных ИС изготовляют преимущественно методом шелкографии с последующим вжиганием.
Гибридные интегральные микросхемы (ГИС) представляют собой сочетание навесных активных радиоэлементов (микротранзисторов, диодов) и пленочных пассивных элементов и их соединений. Обычно ГИС содержат: изоляционные основания из стекла или. ке-, рамики, на поверхности которых сформированы пленочные проводники, резисторы, конденсаторы небольшой емкости; навесные бескорпусные активные элементы (диоды, транзисторы); навесные пассивные элементы в миниатюрном исполнении (дроссели, трансформаторы, конденсаторы большой емкости), которые не могут быть выполнены в виде пленок. Такую изготовленную ГИС герметизируют в пластмассовом или металлическом корпусе.
Резисторы сопротивлением от тысячных долей ома до десятков килоомов в ГИС изготовляют в виде тонкой пленки нихрома или тантала. Пленки наносят на изоляционную основу (подложку) и подвергают термическому отжигу. Для получения резисторов с сопротивлением в десятки мегаомов используют металлодиэлектрическив смеси (хрома, монооксида кремния и др.).
Средние размеры пленочных резисторов-(1 — 2)Х10~3 см2.
Конденсаторы в ГИС выполняют из тонких пленок меди, серебра, алюминия или золота. Напыление этих металлов производят с подслоем хрома, титана, молибдена, обеспечивая хорошую адгезию с изоляционным материалом подложки. В качестве диэлектрика в конденсаторах используют пленку из оксида кремния, бериллия, двуоксида титана и т. д. Пленочные конденсаторы изготовляют емкостью от десятых долей пикофарады до десятков тысяч пикофарад размером от 10~3 до 1 см2.
Проводники ГИС, с помощью которых осуществляют межэлементные соединения -и подключение к выводным зажимам, выполняют в виде тонкой пленки золота, меди или алюминия с подслоем никеля, хрома, титана, обеспечивающем высокую адгезию к изоляционному основанию. Гибридные интегральные схемы, у которых толщина пленок, образующихся при изготовлении пассивных элементов, до 1 мкм с шириной 100 — 200 мкм,-относят к тонкопленочным. Такие пленки получают методом термического напыления на поверхности подложек в вакууме с использованием трафаретов, масок. Гибридные интегральные схемы с толщиной 1 мкм и более относят к толстопленочным и изготовляют путем напыления на подложки токопроводящих или диэлектрических паст через сетчатые трафареты с последующим их вжиганием в подложки при высокой температуре. Эти схемы имеют большие размеры и массу пассивных элементов. Навесные активные элементы состоят из гибких или жестких «шариковых» выводов, которые пайкой или сваркой присоединя-, ют к пленочной микросхеме.
Плотность пассивных и активных элементов при их многослойном расположении в ГИС, выполненной по тонкопленочной технологии, достигает 300 — 500 элементов на 1 см3, а плотность монтажа электронных устройств на ГИС — 60 — 100 элементов на 1 см3. При такой плотности монтажа объем устройства, содержащего-107 элементов, составляет 0,1 — 0,5 м3, а время безотказной работы — 103 — 104 ч. -
Основным преимуществом ГИС является возможность частичной интеграции элементов, выполненных по различной технологии (биполярной, тонко- и толстопленочной и др.) с широким диапазоном электрических параметров (маломощные, мощные, активные, пассивные, быстродействующие и др.).
В настоящее время перспективна гибридизация различных типов интегральных схем. При малых геометрических размерах пленочных элементов и большой площади пассивных подложек на их поверхности можно разместить десятки — сотни ИС и других компонентов. Таким путем создают многокристальные гибридные ИС с большим числом (несколько тысяч) диодов, транзисторов в неделимом элементе. В комбинированных микросхемах можно разместить функциональные узлы, обладающие различными электрическими характеристиками.
Сравнение ПМС и ГИС. Полупроводниковые микросхемы со степенью интеграции до тысяч и более элементов в одном кристалле получили преимущественное. распространение. Объем производства ПМС на порядок превышает объем выпуска ГИС. В некоторых устройствах целесообразно применять ГИС по ряду причин.
Технология ГИС сравнительно проста и требует меньших первоначальных затрат на оборудование, чем полупроводниковая технология, что упрощает создание нетиповых, нестандартных изделий и аппаратуры.
Пассивная часть ГИС изготовляется на отдельной подложке, что позволяет получать пассивные элементы высокого качества и создавать высокочастотные ИС.
Технология ГИС дает возможность заменять существующие методы многослойного печатного монтажа при размещении на подложках бескорпусных ИС и БИС и других полупроводниковых компонентов. Технология ГИС предпочтительна для выполнения силовых ИС на большие мощности. Предпочтительно также гибридное исполнение интегральных схем линейных устройств, обеспечивающих пропорциональную зависимость между входными и выходными сигналами. В этих устройствах сигналы изменяются в широком интервале частот и мощностей, поэтому их ИС должны обладать широким диапазоном номиналов, не совместимых в едином процессе изготовления пассивных и активных элементов. Большие интегральные схемы БИС допускают объединение различных функциональных узлов, в связи с чем они получили широкое распространение в линейных устройствах.
Преимущества и недостатки интегральных схем. Преимуществом ИС являются высокая надежность, малые размеры и масса. Плотность активных элементов в БИС достигает 103 — 104 на 1 см3. При установке микросхем в печатные платы и соединении их в блоки плотность элементов составляет 100 — 500 на 1 см3, что в 10 — 50 раз выше, чем при использовании отдельных транзисторов, диодов, резисторов в микромодульных устройствах.
Интегральные схемы безынерционны в работе. Благодаря небольшим, размерам в микросхемах снижаются междуэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводов, что позволяет использовать их на сверхвысоких частотах (до 3 ГГц) и в логических схемах с малым временем задержки (до 0,1 не).
Микросхемы экономичны (от 10 до 200 мВт) и уменьшают расход электроэнергии и массу источников питания.
Основным недостатком ИС является малая выходная мощность (50 — 100 мВт).
В зависимости от функционального назначения ИС делят на две основные категории — аналоговые (или линейно-импульсные) и цифровые (или логические).
Аналоговые интегральные схемы АИС используются в радиотехнических устройствах и служат для генерирования и линейного усиления сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции в широком диапазоне мощностей и частот. Вследствие этого аналоговые ИМС должны содержать различные по номиналам пассивные и по параметрам активные элементы, что усложняет их разработку. Гибридные микросхемы уменьшают трудности изготовления аналоговых устройств в микроминиатюрном исполнении. Интегральные микросхемы становятся основной элементной базой для радиоэлектронной аппаратуры.
Цифровые интегральные схемы ЦИС применяются в ЭВМ, устройствах дискретной обработки информации и автоматики. С помощью ЦИС преобразуются и обрабатываются цифровые коды. Вариантом этих схем являются логические микросхемы, выполняющие операции над двоичными кодами в большинстве современных ЭВМ и цифровых устройств.
Аналоговые и цифровые ИС выпускаются сериями.В серию хо-дят ИС, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначаются для совместного применения. Каждая серия содержит несколько различающихся типов, которые могут делиться на типономиналы, имеющие конкретное функциональное назначение и условное обозначение. Совокупность типономиналов образует тип ИС.
