Главная  Журналы 

[ 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

Конструкции, расчет микросхем

Бурное развитие радиоэлектроники и электронно-вычислительной техники выявило противоречия между сложностью решаемых задач, с одной стороны, и надежностью, массой, габаритами, потребляемой мощностью и стоимостью, с другой стороны.

Электронно-вычислительная аппаратура (ЭВА) первого поколения, построенная на электронных лампах, отличалась громоздкостью и крайне низкой надежностью. Значительный прогресс в ловышении надежности, снижении массы, габаритов и потребляемой мощности был достигнут благодаря применению дискретных полупроводниковых приборов, на базе которых строилась электронно-вычислительная аппаратура второго поколения.

Однако действительно революционные преобразования в области архитектуры, конструирования и производства ЭВА, позволившие в значительной степени разрешить вышеуказанные противоречия, произошли благодаря развитию в конце 60-х годов нового научно-технического направления в области электроники-микроэлектроники. Микроэлектроника возникла и развивается на базе последних достижений физики твердого тела, технологии полупроводникового производства и производства тонких и толстых пленок. Дальнейшее развитие получил модульный метод конструирования ЭВА. Микроэлектроника выдвинула новый принцип конструирования и производства модулей низшего ранга >- принцип конструктивно-технологической интеграции (объединения). Была создана элементная база электронной аппаратуры третьего и четвертого поколений - интегральные микросхемы (ИС).

В аппаратуре на дискретных элементах (резисторах, конденсаторах, диодах, транзисторах) каждый элемент имеет самостоятельное основание или корпус н конструктивно законченное оформление. В общем случае элементы изготовляются порознь и поставляются предприятиями-изготовителями «а предлриятия, выпускающие аппаратуру. С помощью проволочных выводов и печатной платы эти элементы объединяются в функциональный модуль.

В интегральных микросхемах элементы принципиальной электрической схемы и их электрические соединения реализуются с помощью пленочной или полупроводниковой технологии групповым методом на поверхности или в объеме общего диэлектрического или полупроводникового основания (подложки) и с целью герметизации и защиты от механических воздействий помещаются в общий корпус.

вания полупроводниковых ИС. Одиако в книге не приведены детальные методики проектирования активных элементов полупроводниковых ИС, потому что обычно разработка ИС и БИС частного применения осуществляется применительно к полупроводниковым структурам, формируемым по типовым технологическим процессам. В этом случае конструктор в основном решает топологические задачи, так как электрофизические параметры и геометрические размеры слоев в поперечном сечении полупроводниковой структуры заранее известны. Заданные электрические параметры активных и пассивных элементов обеспечиваются правильным выбором их топологии и соответствующих геометрических размеров полупроводниковых областей.

Кроме того, в учебнике рассматриваются только особенности применения ЭВМ при проектировании микросхем, так как основы автоматизированного размещения элементов, трассировки межсоединений и контроля качества топологии изучаются в предшествующем курсе «Автоматизация конструирования».

В заключение хотелось бы отметить, что в названии учебной дисциплины и соответственно книги применен не общепринятый для электроники термин «микроэлементы ЭВА». Под микроэлементами здесь подразумеваются микроминиатюрные навесные активные и пассивные электрорадиоэлементы (транзисторы, резисторы, конденсаторы, индуктивности и др.).

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры конструирования радиоэлектронной аппаратуры Таганрогского радиотехнического института, оказавшим помощь в подготовке рукописи, а также рецензентам кандидатам технических наук Б. И. Ермолаеву и Ю. Д. Кобцеву за ценные замечания, позволившие улучшить качество рукописи.



Применение прецизионной технологии изготовления элементов конструкции микросхемы дало возможность резко снизить массу и габариты базового модуля. Существенное сокращение количества контактов, высокая культура производства, герметизация и ма-л.ая масса модуля обеспечивают высокую надежность. Групповые методы массового производства даже при достаточно высоком уровне брака позволяют снизить стоимость функционального модуля. Снижение потребляемой мощности достигается за счет снижения питающих напряжений (1...5 В) и потребляемых токов, а также уменьшения размеров элементов микросхемы.

В соответствии с ГОСТ 17021-75 «Микросхемы интегральные. Термины и определения» приняты следующие основные определения.

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

Элемент интегральной микросхемы - это часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, конденсатора, диода, транзистора), которая вы- . полнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.

Компонент интегральной микросхемы - это часть ИС, реализующая функцию электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации. К компонентам относятся бескорпусные транзисторы и диоды, специальные типы навесных конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и трансформаторы.

Интегральные микросхемы классифицируются по различным признакам. В соответствии с ГОСТ 18682-73 «Микросхемы интегральные. Классификация и система условных обозначений» принято разделение микросхем на три группы: полупроводниковые (j; 5; 7); гибридные (2; 4; 6; 8) и прочие (3) (пленочные, вакуумные и др.).

Полупроводниковая интегральная микросхема - это ИС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. На рис. В.1, а и б показаны два варианта конструктивно-технологической реализации элементов электрической схемы (рис. В.1, в). В первом варианте (рис. В.1, а) резистор и транзистор сформированы в приповерхностном слое полупроводника. Одна из обкладок конденсатора также сформирована в приповерхностном слое полупроводника (/г+-слой), а вторая выполнена в виде тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность диэлектрика конденсатора (слой Si02). Во второ.м варианте (рис. В.1, б) транзистор сформирован в припо-

верхностном слое методами полупроводниковой технологии, а пассивные элементы \R я С изготовлены методом тонкопленочной технологии. Номера контактных площадок /, 2, 3, 4 соответствуют номерам выводов принципиальной схемы.


Рис. В.1. Структура (а,б), электрическая принципиальная схема (в) и конструкции (г) полупроводниковых интегральных микросхем:

/ - полупроводниковая подложка р-типа; 2 - металлизация торцевой области подложки; 3 - полупроводниковые резисторы (слой полупроводника р-типа); 4 - я-р-п-транзистор: 5 - конденсатор с термически выращенным диэлектриком SiOj; ff - изолирующая пленка бЮг; 7 - тонкопленочные резисторы; S - тоикопленочный конденсатор с напыленным диэлектриком

Часть полупроводниковой пластины (подложки), в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки, называется кристаллом интегральной микросхемы.

Полупроводниковые ИС характеризуются высокой надежностью, малыми массой и габаритами, возможностью применения групповых методов производства почти на всех стадиях изготовления. Современная технология позволяет формировать сотни тысяч элементов в объеме и на поверхности полупроводниковых кри-



сталлов. Для производства полупрс требуются

большие капитальные вложения, по разработке и

изготовлении экономически выгодна кооперация разработчиков аппаратуры и изготовителей полупро вых Ис!

В, основном применяется два ви полупроводниковых ИС, различающихся типом активных эл [

зисторах и на полевых транзистора;, изолированным затвором (МДП-транзисторах). В последнее появились комбинированные ИС - на биполярных и пол, транзисторах с р-«-пере-ходом, характеризующихся высоки хощиу сопротивлением, низким уровнем шумов и повышенн„ радиационной стойкостью.

Пленочная интегральная мтросхэлементы и межэлементные соединения которо заполнены в виде пленок. Методами пленочной технологии реаз ..я только пассивные элементы микросхем (резисторы, ко индуктивности).

В настоящее время пленочные актив элементы (транзисторы и диоды) отсутствуют. Это объясняете деградацией вольт-амперных характеристик и параметр активных элементов, сформированных на основе поликристалл!

Гибридная интегральная микросх .ркч

торой применяются пленочные nacctjj элементы п навесные компоненты (резисторы, конденсато, бескорпусные полупроводниковые приборы - диоды, тра> кристаллы полупроводниковых ИС). В гибридных ИС электрические связи между элементами, компонентами и криста осуществляются с помощью пленочного и (или) проволо. монтажа. Примеры реализации ГИС приведены на рис. В.З 33 g конструкции, изобра-


Р„с. В.2. Структура „ТТ/ГиноГ.- (б) « -""РУ-

1 - подложка; 2 - пленочные резисторы; 3 -пл» л *

л р „.транзистор с проволочными вочиый конденсатор; 4 - бескорпусиый J- к Ьодами; 5 - прослойка клея.

женной на рис. В.2, используются ngoHbie резисторы .R1 и R2 и конденсатор С, навесной бескорпз(.д>. транзистор с проволочными выводами и периферийные оь площадки /, 2, 3, 4. Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, пленочными коммутационк, проводниками н контактными площадками называется плато!»

Гибридная интегральная схема, как правило, выполняет определенное функциональное преобразование информации.

Широкое применение пленочных и гибридных ИС частного Применения обусловлено следующими их преимуществами: простотой изготовления; низкой стоимостью и малой трудоемкостью опе-


Рис. В.З. Конструкция многокристальной ГИС (БГИС): / - кристалл (бескорпусная полупроводниковая интегральная схема); 2, J - многослойные коммутационные платы; 4 - ободок; 5 - выводы корпуса; 6 - межплатные перемычки.

•раций; сравнительно невысокими первоначальными капитальными затратами, необходимыми для организации производства; малой длительностью производственного цикла от момента получения заказа до изготовления изделия; возможностью изготовления надежных элементов с достаточно широким диапазоном номиналов высокими рабочими характеристиками (точностью, стабильностью и др.), а также микросхем с повышенным уровнем рассеиваемой мощности.

Метод гибридизации открывает широкие возможности комплексного использования тонко- и толстопленочных элементов, разнообразных компонентов и кристаллов, пленочных коммутационных плат для создания достаточно сложных устройств в виде микроэлектронных модулей - больших гибридных интегральных •схем (БГИС) и микросборок (МСБ). МСБ относятся к устройствам частного применения, так как их используют для улучшения показателей миниатюризации конкретной РЭА и ЭВА. В отличие от гибридной интегральной схемы МСБ может не иметь собственного корпуса. Защита ее элементов и компонентов от внешних воздействий производится на уровне блока, состоящего из нескольких микросборок.

Для оценки сложности ИС вводится показатель степени интеграции k, который характеризуется количеством содержащихся в ней элементов и компонентов Л: k=]gN. Интегральная микросхема первой степени интеграции (ИС1) содержит до 10 элементов: второй степени интеграции (ИС2) - свыше 10 до 100; третьей степени интеграции (ИСЗ) - свыше 100 до 1000; четвертой степени интеграции - свыше 1000 до 10 000; пятой степени интеграции - свыше 10 000 до 100 000 элементов! ИС, содержащие свыше 100 элементов на кристалле или более 100 кристаллов с низким уровнем интеграции, расположенных на одной подложке, называются большими интегральными микросхемами (БИС).

Исходя из особенностей конструкции элементов защиты от внешних воздействий (влага, пыль, газы, механические воздейст-





[ 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