1.9. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема (ИМС) — это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рассматриваться как единое целое, выполнены в едином технологическом процессе и заключены в герметизированный корпус.

Электронная аппаратура на ИМС обладает следующими большими преимуществами:

1. Высокой надежностью и технологичностью, поскольку ИМС изготовляют на специализированных предприятиях на основе хорошо автоматизированной современной технологии. При создании аппаратуры на ИМС резко снижаются затраты труда на сборку и монтаж аппаратуры, уменьшается число паяных соединений, которые являются одним из наименее надежных элементов электронных узлов. Поэтому аппаратура на ИМС намного надежнее, чем аппаратура на дискретных элементах, меньше вероятность ошибок при монтаже. Только ИМС обеспечили высокую надежность, необходимую для создания систем управления космическими аппаратами и современных больших вычислительных систем.

2. Аппаратура на ИМС обладает малыми массой и габаритами.

3. При создании аппаратуры из готовых ИМС резко сокращается время на разработку изделия, так как используются готовые узлы и блоки, упрощается внедрение в производство.

4. Применение аппаратуры на ИМС массового выпуска снижает стоимость изделия, так как уменьшаются расходы на монтаж и наладку устройства, да и сами микросхемы стоят дешевле заменяемых ими схем на дискретных компонентах, так как выпускаются по наиболее совершенной и производительной технологии.

5. Создание аппаратуры на ИМС упрощает организацию производства за счет уменьшения числа операций и сокращения числа комплектующих изделий.

В силу этих преимуществ практически все современные устройства информационной электроники создаются с применением ИМС. Можно отождествить современную информационную электронику и микросхемотехнику. В последние годы наметилась тенденция внедрения достижений микроэлектроники и в энергетическую электронику.

Интегральные микросхемы делятся на два сильно отличающихся друг от друга класса: 1) полупроводниковые ИМС; 2) гибридные ИМС.

Полупроводниковая ИМС полупроводниковый кристалл, в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность полупроводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединения между элементами схемы. На рис. 1.16, а показана часть схемы, состоящая из резистора, диода и транзистора, а на рис. — разрез полупроводникового кристалла, в толще которого выполнены указанные схемные элементы.

Рис. 1.16. Фрагмент схемы и ее реализация в виде полупроводниковой ИМС

элементов друг от друга осуществляется с помощью переходов, смещенных в обратном направлении. Для этого к подложке -типа прикладывается наиболее отрицательный потенциал. После создания слоя окисла на поверхности и нанесения соединений кристаллы полупроводника помещают в герметизированный корпус, имеющий выводы во внешнюю цепь.

Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью до используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Наиболее предпочтительными элементами являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа, затем другие полупроводниковые приборы.

Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС невыполнимы.

2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элементы на одном кристалле имеют практически идентичные параметры.

3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном предприятии.

4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС велики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями (104 экземпляров и выше). Чем выше тираж изделия, тем дешевле оно обходится изготовителю.

5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния (размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема: пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра (рис. 1.17, а), что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать .

Рис. 1.17. Компоненты пленочных ИМС: а — резистор: б — конденсатор; в — индуктивность

Пленочные конденсаторы имеют структуру, разрез которой показан на рис. . Конденсатор состоит из трех пленочных слоев: металл — диэлектрик — металл. За счет малой толщины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов достигает и более. Дроссели могут быть выполнены в виде спирали (рис. 1.17, в); они имеют небольшую индуктивность, не более . Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются навесными: эти элементы приклеиваются в определенных местах к плате, осуществляется их контактирование с элементами пленочной схемы, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами:

1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМО значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи. Технология толстопленочных ИМС сравнительно проста, и их выпуск может быть налажен в стенах лаборатории или производственного участка.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями (сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т. е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж.

Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т. е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно невысок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС.

Число компонентов, заключенных в одном корпусе ИМС, называют степенью интеграции N.

Рис. 1.18. Зависимость относительной стоимости от степени интеграции N для ИМС различных годов выпуска

Рис. 1.19. Воздействие дефектов кристаллической решетки на выпуск ИМС малой (а) и большой (б) степени интеграции

На рис. 1.18 показаны зависимости стоимости полупроводниковой ИМС С, отнесенной к степени интеграции N, от N. Эти зависимости приведены для различных годов выпуска ИМС. Кривые показывают, что имеется область , при которой отношение имеет минимальное значение. При уменьшении N от указанного значения стоимость увеличивается, так как возрастают затраты на упаковку ИМС в корпус, пайку выводов и т. п. При увеличении N стоимость также возрастает по двум причинам. Во-первых, более сложные ИМС выполняют более сложную, а значит, и более специализированную функцию, а это приводит к снижению тиража ИМС и увеличению ее стоимости. Во-вторых, при большом значении N ИМС занимают значительную площадь на пластине полупроводника. При ИМС называется большой интегральной схемой (БИС).

На рис. 1.19, а показана пластина полупроводника, на которой изготавливаются девять ИМС малого или среднего уровня интеграции. На рис. показана такая же пластина, на которой расположена только одна большая ИМС (БИС).

Если на пластине имеется локальный дефект (показан на рис. 1.19, а и б крестиком), то в первом случае придется забраковать 1/9 часть изготовленных ИМС, а в случае БИС негодным окажется изделий. Поэтому оптимальное значение N зависит от уровня технологии изготовления ИМС и по мере совершенствования технологических процессов повышается, в настоящее время для выпускаемых БИС 105.

Большим достижением современной электроники в последние годы стало преодоление упомянутого препятствия на пути увеличения N: найдены способы создания сложных БИС, которые при этом не теряют своей универсальности. Это программируемые ИМС. Потребитель может по-разному использовать ИМС, запрограммировав ее функции. Подобные ИМС будут рассмотрены в дальнейшем: это постоянные запоминающие устройства (§ 4.6) и микропроцессоры (§ 4.12, 4.13). Современный этап развития электроники характеризуется все усиливающимся применением БИС вплоть до создания однокристальных ЭВМ. Эта тенденция обусловлена повышением основных технико-экономических показателей электронных устройств управления при использовании БИС (см. гл. 4).