Интегральная микросхема

Интегральная микросхема - (ИС) - это совокупность электрически связанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке).

Интегральная микросхема выполняет определенные функции  обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Электрические  сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой), дискретной и цифровой форме.

Аналоговые и дискретные сигналы обрабатываются аналоговыми  или линейными микросхемами, цифровые сигналы – цифровыми микросхемами. Аналоговые микросхемы предназначены для работы с непрерывными во времени сигналами. К их числу можно отнести усилители высокой, звуковой и промежуточной частот, операционные усилители, стабилизаторы напряжения и др. Для аналоговых микросхем характерно то, что входная и выходная электрические величины могут иметь любое значение в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут быть одного из двух уровней напряжения: высокого или низкого.  Существует целый класс устройств и соответственно микросхем называемых аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми и, служащих для преобразования сигналов из одной формы в другую.

История

7 мая 1952 года британский  радиотехник Джеффри Даммер впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории  заявку на прототип интегральной схемы (ИС).

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой  промышленности состоялся прорыв. Джек Килби  запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска. Курт Леговец  изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированых на одном кристалле полупроводника. Роберт Нойс  изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни . 27 сентября 1960 года группа Джея Ласта создала первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни.

Не существует единого  мнения о том, кто именно является изобретателем ИС. Американская пресса 1960-х годов признавала изобретателями ИС четырёх человек: Килби, Леговца, Нойса и Эрни. В 1970-е годы список изобретателей сократился до двух имён: Килби и Нойс, а в популярной литературе — до одного Килби ^[⇨]. Именно Килби был удостоен в 2000 году Нобелевской премии по физике «за личный вклад в изобретение интегральной схемы».

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.

Уровни проектирования

• Логический — логическая схема
• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехнические схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы)
• Электрический — принципиальная электрическая схема
• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.^[3]
• Программный уровень —позволяет программисту программировать разрабатываемую модель используя виртуальную схему.

Классификация

Степень интеграции

В зависимости от степени  интеграции применяются следующие  названия интегральных схем:

• малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле,
• средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле,
• большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле,
• сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также  теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 млрд элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 млрд элементов в кристалле, но в настоящее время^{[когда?]} название УБИС и ГБИС практически не используется и все схемы с числом элементов, превышающим 10 тыс., относят к классу СБИС.

Технология изготовления

Гибридная микросборка STK403-090, извлечённая из корпуса

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).
• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
• толстоплёночная интегральная схема;
• тонкоплёночная интегральная схема.
• Гибридная микросхема (также микросборка) — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.
• Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

 

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, разреза полупроводникового кристалла, в толще которого выполнены  указанные схемные элементы.

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

 Разделение элементов  друг от друга осуществляется  с помощью переходов, смещенных в обратном направлении. Для этого к подложке 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 5 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.

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

Конденсатор состоит из трех пленочных слоев: металл — диэлектрик — металл. За счет малой толщины  диэлектрика емкость пленочных  конденсаторов достигает 8 и более. Дроссели могут быть выполнены в виде спирали (рис. 1.17, в); они имеют небольшую индуктивность. 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.