Лекция

Общие сведения об интегральных микросхемах План

1. Конструктивно-технологические особенности микросхем

2. Классификация изделий микроэлектроники

3. Система условных обозначений микросхем

4. Корпуса интегральных микросхем

1 Конструктивно-технологические особенности микросхем

Важнейшей тенденцией развития радиоэлектронной аппаратуры является непрерывное возрастание функциональной и конструктивной сложности аппаратуры. При этом увеличивается число радиоэлементов и компонентов, которые входят в законченное устройство. С повышением сложности аппаратуры снижается ее наиболее важный показатель качества — надежность. Надежность определяется как вероятность безотказной работы элемента, устройства за определенное время функционирования или характеризуется интенсивностью отказов (средней частотой отказов). Интенсивность отказов  определяет количество отказов, происходящих на протяжении одного часа, и она измеряется в 1/ч. Вероятность безотказной работы отдельного элемента Р и интенсивность отказов  связаны между собою соотношением:

P=e ^{–λ t},

где t — время функционирования элемента, за которое определяется вероятность безотказной работы.

Из теории надежности следует, что вероятность безотказной работы целого устройства (аппарата, комплекса аппаратуры) определяется общей вероятностью безотказной работы всех N элементов, которые его составляют.

Устройство, состоящее из 100 элементов с интенсивностью отказов 10^-3 (которая характерная, например, для электронных ламп), имеет вероятность безотказной работы на протяжении 1 часа Р=exp(-0,1)=0,905, а за 10 часов - Р=0,368, что явно недостаточно. Радикальное решение этой проблемы стало возможным только с появлением в 60-х годах интегральных микросхем (ИМС) и нового научно-технического направления - микроэлектроники.

Быстрое и широкое развитие микроэлектроники обусловлено высокой надежностью ИМС. Повышенная надежность ИМС в сравнении с электронными узлами на дискретных компонентах объясняется совместимостью материалов элементов и компонентов; отсутствием малонадежных внутренних межэлементных паяных соединений (все соединения между элементами внутри микросхемы получаются в процессе ее изготовления); групповой технологией изготовления; стабильностью и повторяемостью электрических параметров, невозможностью неверного применения элементов и компонентов, входящих в состав ИМС; защищенностью элементов; герметизацией и другими факторами, которые действуют в комплексе.

Интенсивность отказов микросхем лежит в пределах =10^-7...10^-9, причем, это значение относится ко всей ИС, а в нее может входить более 10⁷ элементов. Вследствие этого устройства микроэлектронной аппаратуры, которые объединяют до 10⁸...10¹⁰ элементов, оказываются работоспособными и имеют целиком приемлемую надежность. Это важнейшее преимущество микроэлектронной элементной базы, в особенности больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Интегральные микросхемы характеризуются высокой плотностью размещения элементов на кристалле (более 10⁴ см^-2).

С другой стороны, например, надо построить электронное устройство, содержащее 10⁸ дискретных транзисторов (это количество транзисторов, которое содержат три кристалла микросхемы Pentium — 4). Каждый транзистор характеризуется средней мощностью 15 мВт, средним размером 1 см³ , средним весом 1г, интенсивностью отказов 10^-6 1/ч и стоимостью 50 коп. Как следствие, получим устройство, которое рассеивает мощность 1,5 МВт, занимает объем 100 м³, имеет массу 100 т, а стоимость только транзисторов будет равняться 50 млн. грн. Для сборки этого устройства нужно не менее 10 человеко-лет, а средняя частота выхода из строя составляет один отказ за 40 секунд. Работать такое устройство определенно не будет.

Объединение (интеграция) в одной микросхеме 10⁴ …10⁸ элементов не только повышает надежность радиоэлектронной аппаратуры, но уменьшает ее габариты, вес, потребляемую мощность и стоимость.

Низкая стоимость микросхем, если сравнивать с аналогичными по выполняемым функциям устройствами на дискретных элементах, обусловлена групповым характером технологии создания элементов ИС и межэлементных соединений в них. Основные затраты приходятся на разработку микросхем и на подготовку производства (изготовление шаблонов, комплектацию оборудования, затратные материалы и др.), так, что при крупно серийном производстве (более миллиона штук в год) стоимость ИС, содержащей более 10⁵ транзисторов, сопоставима со стоимостью одного транзистора в корпусе.

Суть групповой технологии состоит в одновременном поэтапном формировании структур всех элементов, входящих в ИС. Групповая технология ИС основана на процессах литографии; локального перелегирования полупроводника и травления различных слоев через окна в масках; нанесения тонких слоев разных материалов на подложку и др. Несмотря на высокую стоимость оборудования для проведения этих процессов, именно они определяют экономическую целесообразность развития микроэлектроники.

Важнейшим параметром радиоэлектронной аппаратуры является стойкость к механическим воздействиям, она оценивается числом значений земного ускорения g, которое может быть приложено к конструкции. Поэтому большое значение имеют маленькие размеры конструкций ИС в сравнении с деталями бывшей, например, ламповой аппаратуры. Уменьшение размеров компонентов в 10…100 раз обеспечивает увеличение допустимых механических воздействиям в 10²...10⁴ раз. Это объясняет тот факт, что ИС при испытаниях практически без отказов выдерживают ускорения, которые доходят до 20000 g.

Микросхемы являются основной элементной базой современной радиоэлектронной аппаратуры.