9.8. НЕИЗБЕЖНОСТЬ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Современные схемы управления насчитывают сотни и тысячи полупроводниковых приборов. Особенно сложные схемы применяют в электронных вычислительных машинах.

Даже в карманном микрокалькуляторе, примерно 10 тысяч полупроводниковых деталей.

Электроника, автоматика, вычислительная техника остро нуждаются в миниатюрных полупроводниковых приборах и устройствах, которыми можно оснастить самолеты, ракеты, космические корабли. Подсчитано, что если электронное оборудование современного самолета выполнить так же, как выполняется домашний телевизор, то никакого полезного груза такой самолет поднять не сможет.

Усложнение схем управления остро поставило вопрос о надежности. Действительно, чем больше деталей соединено в схему, тем надежнее должна быть выполнена каждая деталь, для того чтобы обеспечить работоспособность всего устройства.

Таким образом, перед современной полупроводниковой электроникой были поставлены две задачи: создание сверхминиатюрных приборов и резкое повышение их надежности.

Посмотрим, какими методами эти задачи были решены. Развитие полупроводниковой техники тесно связано с успехами и особенностями технологии. Первые устройства с полупроводниковыми приборами выполнялись по традиционной технологии. Все приборы размещались на плате или панели и соединялись между собой проводами. Провода припаивались к выводам полупроводниковых приборов.

Такой метод был очень трудоемок (пайка велась вручную) и малопроизводителен. Электронные устройства отличались низкой надежностью.

На смену ему пришел метод печатного монтажа. Изоляционную плату покрывают проводящей металлической фольгой. Слой фольги протравливают или вырезают, в результате чего на нем образуется рисунок токопроводящих дорожек, заменяющих электрические провода. Полупроводниковые приборы закрепляют на плате. Для их выводов просверливают маленькие отверстия. После этого все выводы можно одновременно припаять к токопроводящим дорожкам. Для этого достаточно опустить плату в ванночку с расплавленным оловом.

Производительность изготовления электронных устройств значительно возросла. Появилась возможность автоматизировать почти все технологические процессы.

Логическим развитием идеи печатного монтажа явились «гибридные интегральные микросхемы».

Слово «интегральные» здесь нужно понимать как объединение. В одном корпусе объединяется, концентрируется большое число полупроводниковых приборов. Это дает огромную экономию объема полупроводниковых устройств. Дело в том, что каждый диод или транзистор имеет собственный корпус как бы домик, в котором живет кристалл полупроводника. Объем этого домика в сотни раз превышает объем отдельного кристалла. Если все кристаллы «поселить» в один общий дом, объем всего устройства уменьшится. Так родилась идея монтировать на плате только кристаллы диодов и транзисторов, соединяя их «напечатанными» токоведущими дорожками.

Вторая технологическая идея — «напечатать» резисторы таким же образом, как делаются токоведущие дорожки в схеме. На пластинку наносится тонкая пленка из нихрома (сплав никеля и хрома).

Рис. 9.20. Тонкопленочный резистор (а) и конденсатор (б)

Для того чтобы получить нужное сопротивление резистора, достаточно изменить толщину пленки. Большое сопротивление получают за счет изгиба пленки в форме меандра (рис. 9.20, а).

Точно таким же способом делают пленочные конденсат торы (рис. 9.20, б). Между двумя слоями проводящей пленки напыляется слой диэлектрика. Получается конденсатор с двумя обкладками. Такой способ изготовления микросхем называют пленочной технологией. Название это связано с тем, что все соединения, конденсаторы и резисторы выполняют в виде пленок.

Для изготовления пленочных микросхем применяют специальные маски, через которые напыляют пленки (рис. 9.21). Сначала тщательно измеряют и нумеруют стеклянную или керамическую пластинку. Она служит основанием микросхемы.

На эту подложку через первый трафарет напыляют токопроводящие дорожки.

Затем меняют трафареты и последовательно напыляют резисторы, обкладки конденсаторов и слой диэлектрика в конденсаторах.

После этого устанавливают диоды и транзисторы (их часто называют навесными деталями или дискретными элементами микросхемы). Размеры дискретных элементов соизмеримы с пленочными резисторами и конденсаторами. Припаять выводы к таким маленьким деталям простым паяльником невозможно. Для этого применяют луч лазера или ультразвуковую сварку.

Рис. 9.21. Набор масок-трафаретов для изготовления гибридной микросхемы

Но на этом изготовление микросхемы не заканчивается. Ее нужно изолировать от влияния внешней среды. Для этого микросхему помещают в герметичный корпус. Окончательная технологическая операция — контроль.

Микросхемы обычно характеризуются плотностью монтажа, т. е. количеством элементов (диодов, транзисторов, резисторов и т. д.) на единицу объема. В полупроводниковых устройствах с печатным монтажом приходится 1 элемент на 1 см3. Плотность монтажа в гибридных схемах примерно в 100 раз выше. Это означает, что в 1 см3 размещается 100 диодов, резисторов и других полупроводниковых Приборов.

Еще большая плотность монтажа может быть получена в полупроводниковых интегральных микросхемах. Здесь удается на 1 см3 объема разместить от одной до десяти тысяч деталей.

Для получения такой удивительной миниатюризации необходимы специальные технологические приемы. Эти приемы связаны с «планарной» технологией, которая позволяет выполнить в одном полупроводниковом кристалле готовую электронную схему, состоящую из нескольких транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов.

Технологию называют «планарной» потому, что в ней предусматривается воздействие на свойства полупроводникового кристалла со стороны плоской поверхности. На этой поверхности формируются -переходы, образующие диоды, транзисторы, резисторы и другие элементы схемы (рис. 9.22). Для этого разработаны специальные технологические приемы.

Рис. 9.22. Структура полупроводниковой микросхемы

Размеры кристалла полупроводника очень малы. Это квадратная или прямоугольная пластинка с размерами стороны от 1,5 до 5 мм. На поверхности пластинки размещают несколько сотен элементов.

Каждый элемент имеет размеры в несколько десятков микрометров. Напомним, что микрометр — это одна миллионная доля метра или одна тысячная миллиметра,

Одной из самых сложных проблем планарной технологии является изоляция одного прибора от другого на поверхности полупроводникового кристалла. Для этого предназначены «карманы», изолированные от остального массива кристалла -переходами. Эти переходы находятся постоянно под обратным напряжением и имеют очень большое сопротивление. В карманах при дальнейшей обработке образуются все элементы, составляющие микросхему. Иногда карманы отделяют тонким изоляционным слоем, сформированным в теле кристалла.

Сделать это гораздо труднее, но такой изоляционный слой имеет большее сопротивление.

Специальными, очень тонкими технологическими приемами в карманах кристалла создают все необходимые полупроводниковые приборы. Для этого используют микроминиатюрные маски, фотопечать, травление и другие физические и химические методы обработки кристалла.

Очень большие сложности возникают при соединении отдельных элементов схемы между собой. Для этого поверхность кристалла покрывают слоем диэлектрика, на который напыляют пленку проводящего материала. Толщина этой пленки составляет примерно 1 мкм. Желательно, чтобы токопроводящие дорожки не имели пересечений.

Пересечение проводников на поверхности кристалла доставляет много хлопот и конструкторам, и технологам. Для этого нужно расположить элементы схемы на поверхности кристалла некоторым наилучшим образом. Когда элементов очень много, на помощь приходит ЭВМ.

Интегральная микросхема — это не просто соединение нескольких десятков очень маленьких транзисторов. Это — готовое электронное изделие: усилитель, генератор или логическая схема для электронной вычислительной машины. Само слово «интеграция» теперь - понимается как объединение усилий и средств для достижения совместной цели.

Таким образом, происходит переход от отдельных деталей к готовому электронному устройству. В этом есть огромные преимущества: удешевление производства, уменьшение размеров.

Нужно сказать, что микросхемы выгодно выпускать только очень большими партиями. Только тогда сказываются преимущества автоматизированного производства.

Таким образом, интегральная технология означаетпереход к массовым стандартным решениям.

Обычно здесь проводят аналогию со строительством. Из кирпичей или бревен можно построить практически любое здание. Здесь фантазия архитектора почти не ограничена. Однако строят такие дома долго, и стоят они очень дорого. Гораздо быстрее и дешевле строить дома из готовых железобетонных панелей. Но тогда возникает стандартное домостроение. Дома получаются одинаковые. Впрочем, обсуждение этого вопроса не входит в задачи нашей книги.

Микросхемы играют в электронике такую же роль, как стандартные панели в строительстве.

Из них можно собрать очень сложные электронные устройства, например электронную вычислительную машину.

Для этого микросхемы объединяются в серии. Все микросхемы, включенные в одну серию, выпускаются по единой технологии. Входные и выходные напряжения у них согласованы. Поэтому они могут работать в составе общего электронного устройства.

В начале этого параграфа мы говорили о надежности очень больших схем с полупроводниковыми приборами. Но если проанализировать причины неисправностей (отказов) таких систем, то можно увидеть, что основная доля их вызвана отказами в соединениях, которые выполняются при помощи пайки. Отсутствие ручного труда также повышает надежность микросхемы. Ведь людям свойственно ошибаться.

В результате по мере усложнения микросхемы надежность устройства не снижается, а повышается.

В этом — одна из причин повышения «степени интеграции» в микроэлектронике. Появляются большие интегральные схемы (БИС), которые имеют от 100 до 1000 элементов, и даже сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), в которых число элементов превышает 1000.