5 Бөлім. Үлкен интегралды схемалар (үис)

5.1. Үис жалпы сипаттамалары және негізгі параметрлері

Қазіргі заманғы микроэлектрониканың маңызды жаңалығы комплексті интеграция, яғни техноологиялық процестер интеграциясы болып табылады. Бұл комплексті орындаудың маңызды көрсеткіші элементтердің интеграция деңгейі микроэлектрониканың дамуына байланысты өсіп отырады. Егер алғашқы ИМС бірнеше бірлік немесе ондық элементтерден тұрса, қазіргі кезде олардың саны жүздеген, мыңдаған элементтерге жетті. Соңғы жылдарда интегралдық көрсеткіштердің өсуімен қатар интегралды микросхеманың функционалдық қиындығы да артты. Технологиялық процестердің бұдан әрі дамуы екі-үш есе көп интеграцияны алуға мүмкіндік береді. Бұл микросхемаларды жобалау әдістерінің өзгеруіне және құрылым түрлерінің өзгеруіне, функционалдық мүмкіндіктерінің артуына алып келеді.

Интеграция көрсеткішінің артуы активті және пассивті элементтерінің азаюымен үлкен көлемді подлодкаларды өңдеу технологиясының дамуымен, жаңа әрі дамыған активті элементтерді, сенімді технологияларды қолданумен және функционалдық артықшылықтарымен байланысты.

Элементтер санының артуы мен функционалдық тығыздығының артуы жоғары көрсеткішті интеграциясы бар микросхеманы – үлкен интегралды схеманы (ҮИС) жасауға алып келеді, яғни комплексті интеграциялы ҮИС жасауға негіз бола отырып, микроэлектроника дамуындағы жаңа кезеңдерді сипаттайды.

ҮИС терминінің анықтамасы үш түрлі факторға сәйкес келеді: сандық, сапалық және технологиялық. Сандық фактор ҮИС элементтер санын, сапалық фактор ҮИС функционалды аталымын, технологиялық фактор ҮИС жасауға кететін шығындарды сипаттайды.

ҮИС - үш немесе төрт интеграциялы, бір немесе бірнеше функционалдық құрылымнан, яғни мың элементтен кем емес функционалдық өнімнен тұратын интегралды микросхема.

ҮИС құрылымдық технологиялық және схемотехникалық ерекшеліктерін сипаттайтын параметрлері: интеграция деңгейі, функционалдық қиындығы, интеграция тығыздығы, функционалды тығыздығы және аөпараттық қиындығы.

Интеграция деңгейі подложкадағы микросхеманы құратын элементтер санының ондық логарифмі арқылы анықталады. Ол жоғары деңгейлі интеграциялы ИМС жалпы сипаттамасы болып табылады және технологиялық дамуға байланысты подложкадағы элементтер санының өсуін сипаттайды.

Функционалды қиындық - микросхемадағы бір айнымалыға келетін түрлендірулердің орта мәні:

(5.1)

Мұндағы -ИМС біркаскадты логикалық элементтер саны, - i-інші каскад шығысындағы тараптардың саны, U-ИМС кірісіне берілген айнымалылар саны.

Интегралды тығыздық - ҮИС алатын әр бірлік көлемге сәйкес келетін элементтер саны.

(5.2)

Мұндағы N – ИМС жалпы элементтерінің саны, S – ҮИС алатын көлемі, k - интеграция деңгейі.

Функционалды тығыздық - бірлік көлемге сәйкес келетін бір айнымалыға түрлендірулер саны.

Г=F/S (5.3)

Ақпараттық тығыздық ҮИС бір айнымалыларға түрлендіруге сәкес келетін элементтердің орта мәні.

(5.4)

Сонымен қатар аталып өткен параметрлерден басқа, ИМС функционолдық және электрлік (статикалық және динамикалық) , аналогты параметрлермен сипатталады: жүктемелік қабілеті, қолданылатын қуаты, бөгеуге қарсылығы, жылдам қозғалғыштығы және т.б.

Бұл параметрлері бойынша ҮИС микроэлектроникалық қондырғы мен орта деңгейлі интеграциялы ИМС арасындағы орынды алады.

ҮИС өзіндік ерекшелігі оның блоктар, түйіндер мен радиоэлектронды құрылғылар жасалатын қиын микросхема болуында. Сондықтан ҮИС кең әмбебаптыққа ие бола отырып, қондырғалардың арнайы түрлеріне жасалады. ҮИС мысалы ретінде жадысы 4кбит-тен асатын, арифметика логикалық және ЭВМ басқаратын схемаларды, сандық фильтрларды алуға болады.

ҮИСға өту радиоэлектронды қондырғылар құрудағы жаңа сапалы өзгерістерді талап етеді. Егер орта деңгейлі интеграциялы ИМС арасында ауқымды схемотехникалық есептеулерде қолданылатын белгілі бір типтік схемотехникалық шешімдерді алуға болатын болса, онда ҮИС технологиясында бұл мысалдар аз кездеседі. Сонымен қатар ҮИС белгілі бір схемалар емес, жобалау әдістерінің жалпы көріністеріне тән.

Функционалдық түйіннің технологиялық процесін дайындау оның параметрлерінің қолайлығын қамтамасыз етеді. Себебі есептеу жеке элементке емес, толық түйінге жүргізіледі. ҮИС элементтердің бірігуі түйіндердің жылдам қозғалғыштығын арттырады, бөгеуілдерге сезгіштігін төмендетеді; байланыс трактындағы сигнал жіберу кідірістерін (задержка) кемітіп, элементтерді сыртқы шудан қорғауы жақсарады.

ҮИС өткелдерін толығымен ашып қарастырайық. ИМС дайындалуда шалаөткізгішті пластинада бірдей микросхемалардың үлкен санын құрастырады. Содан кейін бұл пластинаны әрқайсысы бір немесе бірнеше микросхемасы бар жеке кристалдарға бөлшектейді. Корпусқа қондырылатын кристалдар оның сыртқы шығындарына жалғанады. Содан соң корпуста орналаспаған байланыстар арқылы алынған, ИМС жеке қондырғыларын қолдана отырып жасаған, қажетті жүйені алу үшін бастапқыда бір жалпы подложкада орналасқан микросхемаға біріктіреді. ҮИСда бұл операциялардың барлығы алынып тасталады.

Пленкадағы дайын ИМС жеке кристалдарға бөлінбейді, бастапқыда подложкадағы қажетті жүйелерге металлизацияны қолдану арқылы бірігеді.

ҮИС тек микросхемадағы интеграция деңгейін арттырып қоймай, аз шығын жұмсай отырып, сапалы көрсеткіштер алуға және радиоэлектронды қондырғыға үлкен сенімділік береді. ҮИСда сенімділікті арттыру бір түйіндегі байланыстар санын кеміту, технологиялық процестер санын азайту нәтижесінде болады.

ҮИС құнының қарапайым ИМСдағы түйіндерден төмен болуын интеграция деңгейін жоғарылататын және монтажды-жинақтық жұмыс көлемінің аз болу технологиялық процесіне байланысты түсіндіруге болады.