.

Классификация интегральных схем

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. В 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 в 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. 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 входят 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.