Общие сведения об интегральных схемах

Микроминиатюризация. Успехи в развитии полупроводниковых приборов, стремление к уменьшению габаритов и массы приборов и к. повышению надежности аппаратуры привели к появлению новой области науки и техники - микроэлектроники. Применение полу­проводниковых приборов в различных схемах микроэлектроники на первых этапах ее развития потребовало разработки микродиодов и микротранзисторов, отличавшихся от обычных приборов миниа­тюрными размерами и более тщательной технологией изготовления полупроводниковой структуры.

Вначале микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) шла по пути создания микромодулей - функционально законченных узлов, которые представляют собой наборы плат, с дискретными активными (диоды, транзисторы) и пассивными (резисторы, конден­саторы и др.) элементами, собранными в виде этажерок или стол­биков, залитых эпоксидной смолой с целью герметизации и поддержания теплового режима. В пла­те отдельные элементы, а в столбике платы соединяются между собой проводниками по определенной схеме. Таким образом, от­дельный микромодуль выполняет функции устройства, определяемо­го заданной схемой.

Основными недостатками микромодулей являются их высокая стоимость из-за сложности процесса сборки и большого процента брака и относительно невысокая надежность, обусловлен­ная большим числом соединений как внутри компонентов (самосто­ятельных изделий), так и между ними, а также тем, что комплектующие изделие элементы изготавливались отдельно обычными методами. Вследствие этого микро­модули не получили широкого применения, но сама микромодуль­ная техника явилась важным этапом при переходе к более совер­шенным методам создания микроэлектронной аппаратуры.

Значительное повышение надежности РЭА при одновременном снижении ее стоимости оказалось возможным при применении интегральной технологии, совмещающей процессы изготовления входящих в функциональный узел радиоэлементови процессы объединения их в функционально завершенную конструктивную структуру, – при групповых методах изготовления РЭА. При групповом методе на одном и том же технологическом оборудовании одновременно в течение единого технологического цикла изготавливается все или большинство входящих в состав функционального узла деталей, выполняющих функции активных и пассивных элементов и электрических соединений между ними. Изготовленные по интегральной технологии изделия называют интегральными микросхемами (ИМС или сокращенно ИС). Использование групповых методов изготовления ИМС позволило осуществить высокую степень автоматизации процессов сборки и повысить степень интеграции (количество одновременно изготавливаемых элементов в одной микросхеме).

Развитие интегральной техники и технологии явилось основой для нового, научно-технического направления в электронике – микроэлектроники, решающей с помощью сложного комплекса физических, химических, схемотехнических, технологических и др. методов и приемов проблемы создания высоконадежных и экономичных функциональных узлов и устройств.

Можно выделить два основных направления развития современной микроэлектроники – интегральную микроэлектронику и функциональную микроэлектронику.

Интегральная микроэлектроника реализуется в виде ИМС и использует активные и пассивные компоненты и элементы.

В функциональной микроэлектронике изделия изго­товляются в одном монокристалле полупроводника и выпол

няют функции законченных функциональных электрических схем, но в отличие от ИС в них нельзя выделить отдельные части кристалла, идентичные оп­ределенным элементам схемы. В функциональных схемах могут использоваться различные физические принципы и явления, основанные на разнообразных свойствах твердого тела, например эффекты Пельтье, Холла, Зеебека, Ганна и др.

Виды ИС. Интегральные микросхемы – это микроэлектронные изделия, выполняющие определенные функции преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации рассматриваются как целое.

По конструктивно-технологическому признаку интегральные микросхемы разделяют на полу­проводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные.

Полупроводниковые ИС изготовляются на одной полупроводни­ковой подложке (чаще всего из монокристаллического кремния) путем применения методов локальной диффузии легирующих примесей в монокристаллический полупроводник. Они содержат соединенные между собой и неотдели­мые друг от друга активные и пассивные элементы, выполненные на основе планарных транзисторных структур внутри и на поверхности подложки. Стоимость полупроводниковых интегральных схем при массовом их производстве сравнима со стоимостью дискретного транзистора, что чрезвычайно важно в тех случаях, когда используется большое количество идентичных схем (например, при производстве микропроцессоров электронно-вычислительных машин).

В пленочных ИС все элементы и межэлементные соединения выполняются только в виде пленок, нанесенных путем вакуумного напыления через специальные теневые маски, а также посредством электрических методов на поверхность диэлектрика. Недостатком пленочных схем является значительная нестабильность параметров активных элементов.

К гибридным относятся ИС, содержащие кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы полупроводниковых ИС). В этих микросхемах пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и др.) изготовляются на основе

пленочной технологии, т.е. путем на­пыления металлических или диэлектрических пленок на изолиру­ющую подложку, а активные компоненты используются как навес­ные детали. Устройства на гибридных ИС вследствие высокого качества активных и пассивных элементов имеют лучшие характеристики по сравнению с аналогичными устройствами на полупроводниковых ИС.

В совмещенных ИС активные элементы выполняются внутри полупроводника, а пассивные элементы, внутрисхемные соединения и электрические выводы изготавливаются на поверхности полупроводника методами пленочной технологии.

По числу элементов различают ИС первой степени интеграции (1-10 элементов), второй степени интеграции (11-100), третьей (10²-10³) и т.д.

По характеру выполняемых функций – цифровые и аналоговые.

По роду и виду выполняемых функций ИС – усилители (УНЧ, УВЧ), преобразователи (фазы и др. ) и т.д.

Каждая ИМС в свою очередь характеризуется рядом параметров – функциональных, характеризующих ее возможности; рабочего режима - совокупность условий, необходимых для функционирования ИМС; допустимого уровня воздействия окружающей среды, не нарушающего функции в пределах параметров ресурса; конструктивных, характеризующих габаритные и соединительные размеры.