Общие сведения об интегральных устройствах
Общие сведения об интегральных устройствах
Надежность электронных устройств. Сложные современные электронные устройства содержат много активных (ламп, транзисторов, диодов) и пассивных (резисторов, конденсаторов, дросселей) элементов. Рост сложности электронных устройств требует повышения надежности элементов схем и электрических соединений между ними, миниатюризации элементов, снижения потребляемой мощности.
Повысить надежность устройства можно при значительном уменьшении числа комплектующих элементов и соединений за счет увеличения выполняемых ими функций при одновременном повышении их надежности работы. При использовании функционально сложных элементов вместо обычных транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов уменьшаются размеры и масса устройств, а также потребляемая мощность и стоимость.Новые комплектующие изделия созданы на основе элементной интеграции, т. е. объединения в одном сложном миниатюрном функциональном узле ряда простейших элементов (диодов, транзисторов, резисторов и т. п.). Эти изделия, полученные в результате объединения более простых активных и пассивных элементов и соединительных проводов, называют интегральными микросхемами (ИС). В интегральной электронике «проинтегрированы» процессы изготовления деталей и схем и их соединений в общих технологических процессах одного предприятия. В основе интегральной электроники лежит планарная технология, использующая полупроводниковые структуры, тонкие пленки металлов и диэлектриков, физические процессы в твердом теле.
Интегральная микросхема, или просто интегральная схема ИС, — микроэлектронное изделие, с высокой плотностью упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и кристаллов, выполняющее функцию преобразования и обработки сигналов. Под элементом ИС понимают такую ее часть, которая выполняет функцию одного простого радиоэлемента (например, резистора, конденсатора, диода, транзистора) и составляет нераздельное целое с кристаллом ИС или ее подложкой, т. е. не может рассматриваться как самостоятельное изделие. Интегральным элементом служит пленочный резистор, интегральный транзистор и т. д-. Компонентом ИС является ее часть, которая выполняет функцию одного или нескольких радиоэлементов и может рассматриваться как самостоятельное изделие. Интегральным компонентом служит бескорпусный транзистор, керамический конденсатор большой емкости, трансформатор. ;
Элементы конструкции. Основными элементами конструкции ИО являются следующие.
- Корпус, предназначенный для защиты ИС от внешних воздействий и ее соединения с внешними-электрическими цепями с помощью выводов. Выпускают также бескорпусные ИС, защита которых обеспечивается корпусом устройства, где они устанавливаются.
- Подложка — заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов, межэлементных или межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.
- Плата — вся подложка или ее часть, на поверхности котодой нанесены пленочные элементы, межэлементные и межкомпомпонентные соединения и контактные площадки.
- Полупроводниковая пластина — заготовка из полупроводникового материала (или пластина со сформированными элементами полупроводниковых микросхем), используемая для создания полупроводниковых ИС.
- Кристалл — частица пластины, которую получают после ее резки. Обычно элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки сформированы в объеме и на поверхности кристаллов. Контактные площадки, представляющие собой металлизированные участки на плате или кристалле, используются для подсоединения микросхемы к внешним выводам корпуса, а также контроля режимов схем и измерения их электрических параметров.
- Выводы бескорпусных ИС от контактных площадок кристалла могут быть жесткими (шариковые, балочные, столбиковые) или гибкими (проволочные, лепестковые). Жесткие выводы могут использоваться для механического крепления ИС, а гибкие — для соединения с внешними цепями.
Степени интеграции. В интегральной электронике неделимый элемент представляет функциональную электронную схему, выполняющую заданные функции. Степень интеграции ИС (т. е. показатель ее сложности) определяется числом содержащихся в ней элементов и компонентов и выражается коэффициентом, равним десятичному логарифму от числа элементов и компонентов N, входящих в ИС: Kи=lgN. В зависимости от значения Kи различают интегральные схемы со степенью интеграции: первой при KИ=1(N<10); второй при Ки=2 (N=11-100); третьей при Kи=3 (N=101-МООО); четвертой при Я„=4 (N= 10014-10000); пятой при Kи=5 (N=10001-НООООО), В соответствии с этим наименованием схемы часто обозначают ИС1, ИС2, ИСЗ, .... В больших интегральных схемах БИС улучшаются показатели электромагнитной совместимости, поскольку уменьшаются длины соединений между элементами, снижается восприимчивость схемных узлов к помехам из-за уменьшения уровня емкостных и индуктивных (перекрестных) наводок.
Плотность упаковки. При выборе элементной базы и построении электронной аппаратуры важна плотность упаковки элементов в ИС, являющаяся конструктивной характеристикой ИС. Плотность упаковки зависит: от размеров подложки, на поверхности или в толще которой формируется схема; от размеров элементов; уровня рассеиваемой мощности и других факторов. Под плотностью упаковки понимают отношение числа элементов и компонентов ИС к ее объему (без учета объема выводов).
С развитием микроэлектронной техники уменьшаются геометрические размеры активных элементов ИС, вследствие чего возрастает плотность упаковки (табл. 138).
Таблица 138
|
ГОДЫ х
|
Площадь элемента, мм2
|
Число транзисторов в кристалле
|
|
1966
|
0,013 — 0,032
|
50
|
|
1973
|
0,0013 — 0,00032
|
5000
|
|
1980
|
0,00006 — 0,0002
|
Более 100000
|
В настоящее время преимущество получили гибридные ИС. При малых геометрических размерах пленочных элементов и большой площади пассивных подложек на их поверхности можно разместить десятки — сотни кристаллов ИС. Таким путем создаются многокристальные схемы с большим числом активных и пассивных элементов в неделимом элементе. В этих комбинированных микросхемах можно разместить функциональные узлы, обладающие различными электрическими характеристиками.
Микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и состоящее из элементов, компонентов и интегральных микросхем (корпусных и бескорпусных), а также других радиоэлементов, называют микросборкой. Она может быть собрана в корпусе или без него.
Микроэлектронное изделие, которое кроме микросборок может содержать интегральные схемы и компоненты, составляет микроблок.