Интегральные микросхемы (ИМС).

ИМС — устройство с высокой плотностью упаковки электрически связанных элементов, выполняющее определенную функцию обработки и преобразования электрических сигналов и представляющее единое целое с точки зрения конструктивно-технологических и эксплуатационных требований. Элемент это часть ИМС, выполненная неразрывно с кристаллом или под­ложкой, которую нельзя рассматривать как самостоятельное изделие.

ИМС подразделяют на:

-полупроводниковые, в которых все активные и пассивные элементы и их соединения выполнены в виде сочетания неразъемно связанных р-n-переходов в одном исходном полупроводниковом кристалле;

-гибридные, содержащие диэлектрическое основание (подложку), все пассивные элементы на поверхности которой выполняются в виде однослойных или многослойных пленок, соединенных пленочными проводниками, а полупроводниковые приборы, в том числе ИМС и другие компоненты (миниатюрные керамические конденсаторы, индуктивности и др.), размещены на подложке в виде дискретных навесных деталей.

Микросборка выполняет более сложную функцию и состоит из элементов, компонентов и ИМС.

Уровень интеграции это суммарное число элементов и компонентов N, входящих вИМС. Десятичный логарифм от уровня интеграции, округленный до ближайшего большего целого числа называется степенью интеграции ИМС К =lg N.

По характеру выполняемых функций различают аналоговые и цифровые ИМС.

Аналоговая ИМС выполняет функции преобразования и обработки электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции (усилители, генераторы гармонических сигналов, фильтры и др.).

Цифровая ИМС предназначена для преобразования и обработки электрических сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции (двоичный или другой цифровой код).

Обозначение ИМС содержит 4 элемента:

1) цифра — указываетет конструктивно-технологическую группу ИМС:

1, 5, 7 — п/п-вые; 2, 4, 6, 8 — гибридные; 3 — прочие;

2) две цифры от 00 до 99 — указывают на порядковый номер разработки серии ИМС. Первый и второй элементы образуют число, обозначающее серию ИМС. ИМС широкого применения имеют в начале обозначения букву К;

3) две буквы — обозначают функ­циональное назначение ИМС;

4) порядковый номер разработки микросхемы в данной серии. Например, К153УД5— операционный усилитель в виде полупроводниковой ИМС, серия 153, порядковый номер разработки в данной серии — пятый.

Гибридные ИМС.

В производстве гибридных ИМС используется пленочная технология, которая позволяет изготовлять с достаточно стабильными параметрами лишь пассивные элементы — резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки. Активные компоненты выполняют в виде дискретных приборов. Гибридные ИМС изготовляют групповым методом путем нанесения пленочных пассивных элементов на диэлектрическую подложку с последующим присоединением к этим элементам навесных активных компонентов, в том числе ИМС.

Достоинства:

-большие функциональные возможности;

- более высокий процент выхода годных изделий (60—80%)

Недостатки: меньшая плотность упаковки, надежность и себестоимость.

Подложки изготавливают из стекла, стеклокристаллических материалов-ситаллов и керамики с размерами от 6X15 до 48X60 мм при толщине 0,5—2 мм.

Резисторы изготавливают из хрома, тантала, нихрома и вольфрама.

Тонкие пленки наносят на подложку методы вакуумного напыления и катодного или ионно-плазменного распыления. Диапазон номинальных значений резисторов от 100 Ом до 50 кОм при номинальной мощности 0,2 Вт.

Рис. 3.7

Резисторы обычно имеют форму прямоугольника. Для реализации больших номиналов сопротивлений резисторам придают конфигурацию, имеющую Г- и П-образные отрезки.

Пленочный конденсатор имеет трехслойную структуру: два металлических слоя (обкладки конденсатора) с диэлектрическим слоем между ними.

Диапазон номинальных значений емкостей при приемлемых размерах пленочных конденсаторов составляет 10—10000 пФ при рабочем напряжении до 15 В. В случае необходимости использования в гибридных ИМС больших емкостей применяют дискретные конденсаторы.

Тонкопленочные индуктивные катушки выполняют на подложке в виде круглой или прямоугольной спирали.

Рис. 3.8

Максимальное значение индуктивности не превышает 5 мкГн при небольшой добротности (Q=50). В этой связи в гибридных ИМС часто применяют микроминиатюрные дискретные индуктивные катушки.

В качестве активных компонентов применяются дискретные полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, полупроводниковые ИМС, чаще в бескорпусном исполнении.

Объединение пленочных пассивных элементов и навесных компонентов в гибридную ИМС осуществляется пленочными проводниками и контактными площадками из золота, серебра, меди и алюминия. Крепление навесных компонентов с жесткими вы­водами к контактным площадкам осуществляют пайкой, ультразвуковой сваркой, лучом лазера и др. Компоненты с гибкими выводами припаи­вают или приклеивают с помощью эпоксидных клеев.

Полупроводниковые ИМС.

Для изготовления п/п-вых ИМС используют пластины кремния толщиной до 50 мкм и диаметром 50 – 100 мм, образующие подложку. На поверхности или в объеме таких подложек формируются элементы п/п-вой ИМС по планарной технологии, позволяющей групповым методом обрабатывать одновременно несколько десятков подложек с сотнями и тысячами полупроводниковых ИМС на каждой. Элементы имеют плоскую структуру: р-n-переходы и соответствующие контактные площадки выходят на одну плоскость подложки (рис. 3.1). Пленка из двуокиси кремния SiO₂ , нанесенная на поверхность подложки, служит для защиты р-n-переходов от внешних воздействий.

Рис. 3.1

В качестве диодов используют эмиттерный или коллекторный p-n-переходы интегральных транзисторов.

Диоды на основе коллекторного перехода имеют наибольшее допустимое обратное напряжение (до 50 В). Наименьший обратный ток и наибольшее быстродействие имеют диоды, в которых используется эмиттерный переход. Диод на основе эмиттерного перехода при закороченном коллекторном переходе часто применяется в качестве интегрального стабилитрона.

В качестве резисторов используют базовый или эмиттерный слой транзисторной струк­туры. В первом случае получают высокоомные резисторы, во втором – низкоомные, так как базовый слой имеет значительно меньшую концентрацию основных но­сителей, чем эмиттерный.

Рис. 3.5

Резистор отделен от других элементов не менее чем двумя запертыми p-n-переходами. Диффузионные резисторы на основе базового слоя биполярного транзистора имеют поверхностное удельное сопротивление порядка 100 – 300 Ом, на основе эмиттерного слоя – порядка 0,5 Ом/П. Диапазон сопротивлений от 10 Ом до 50 кОм, а занимаемая площадь примерно 0,125 мм², что в 40 – 50 раз превышает площадь интегрального транзистора.

В качестве конденсаторов полупроводниковых ИМС используют емкости обратно включенных p-n-переходов (барьерные емкости) биполярных транзисторов.

Рис. 3.6

Конденсатор на эмиттерном переходе (рис. 3.6) имеет наибольшую емкость на единицу площади (удельную емкость) 0,2 мкФ/см², и наименьшее пробивное напряжение, равное единицам вольт. Удельная емкость конденсатора на коллекторном переходе примерно в шесть раз меньше предыдущей, но пробивное напряжение такого конденсатора достигает десятков вольт.

Индуктивные элементы в п/п-вых ИМС не используются из-за больших трудностей реализации даже малых значений индуктивности.

После изготовления элементов поверхность пластины кремния покрывают слоем осажденного алюминия (методом вакуумного напыления) толщиной 0,5 – 2 мкм, который в ненужных местах стравливают. На поверхности п/п-ка остается требуемый рисунок алюминиевых проводников шириной около 10 мкм и контактные площадки. Соединение контактных площадок с выводами корпуса осуществляют с помощью золотых проволочек диаметром 25 – 50 мкм ультразвуковой или термокомпрессионной сваркой.

Элементы изолируют друг от друга обратно включенными p-n-переходами.

Достоинства: меньше габариты, масса и стоимость; большая надежность; большее быстродействие.

Недостатки: меньший процент выхода годных ИМС (5-30%); меньшие функциональные возможности.