14. Микросхемалардың конструктивті жүзеге асырылуы
Негізгі анықтамалар
ИМС элементі – қарапайым радиоэлемент (диод, транзистор, резистор және т.б.) функциясын атқаратын жүзеге асырушы ИМС бөлігі. Элемент ИМС-тан бөліне алмайды және жекелей түрде бұйым бола алмайды.
Компонент – құрастыруға дейін жекелей түрде бұйым бола алмайтын ИМС бөлігі (корпус, аспалы конденсатор, жартылай өткізгішті кристалл және т.б.).
Корпус – кристалды сыртқы әсерлерден қорғайтын және өзінің шығыстары арқылы оны сыртқы электрлік тізбектерімен байланыстыратын ИМС (интегралды микросхема) құрылымының бөлігі.
ИМС кристалы – ИМС элементтері, элементтер арасында байланыстыруы және байланыс алаңдары бар, оны үшбұрыштарға бөлгеннен кейін алынатын жартылайөткізгішті пластинаның бөлігі.
ИМС интеграциясының дәрежесі – К.
К= 1+ толық бөлігі lg(Ng), мұндағы Ng ИМС-ға кіретін элементтер мен компоненттердің жалпы саны. Әйтпесе К – бұл Ng шамасын белгілеуге арналған ондық цифрлардың саны. Мысалы Ng=32186 үшін К=5.
ИМС сериясы – конструктивті орындаумен біріккен және бірлескенде қолданылуға арналғанбаспа тақшалардың құрастыру технологиясын қоса, ортақ қолдануға арналған әртүрлі ИМС-дың жиынтығы.
Конструктивті орындау. Конструктивті орындаудың үш негізгі түрін ажыратады:
корпустық монолиттік микросхемалар;
корпуссыз монолиттік микросхемалар;
корпустық гибридті микросхемалар және көпкристалды модульдер.
Шартты белгілер жүйесі және ИМС таңбалануы (маркировка).
Таңбалану ИМС-дың корпусына және бумаға (упаковкаға) түсіріледі. Таңбалануда микросхеманың шартты белгісі, өндірушінің тауарлы белгісі және шығарылған күні болады.
Шартты белгілер жүйесінде 7 міндетті және 3 қосымша элементтер болады. Мысалды қарастырайық:
Шартты белгіленуде ГОСТ –қа сәйкес кириллица әріптері және араб цифрлары болуы мүмкін.
1 элемент – К әрпі өндірісті техникалық белгідегі микросхемаларды көрсетеді. ИМС қабылдау ОТК жүргізеді. К әрпінің болмауы арнайы белгідегі микросхемаларды көрсетеді, олардың қабылдауын тапсырыс берушінің Уәкілеттігі жүргізеді.
2 элемент – микросхема конструкциясын сипаттайтын әріп:
Б – корпуссыз микросхемалар;
Р – DIP пластмассалық корпустары;
M – шығысы төмен жақта болатын металдыкерамикалық немесе шыны керамикалық корпустар;
Е – шығысы төмен жақта болатын металдыполимерлі корпустар;
А – пластмассалы планарлық корпустар;
И – терезелі керамикалы пластмассалық корпустар;
Н – шығарулары жоқ кристалл тасушы (кристаллоносители).
Әріпсіз – планарлы металдыкерамикалық корпустар.
3 элемент – конструктивті-технологиялық түрде жасайтын топты көрсететін сан.
1 және 2 – кремнийлі микросхемалар. 6 – галлий арсениді. Ескі таңбалануда 3 элемент жоқ.
4 элемент – 3 сандар – микросхема сериясының рет саны.
5 элемент – функционалды түрдегі топ бөлігін көрсететін бір әріп.
6 элемент - функционалды түрдегі ИМС түрін анықтайын бір әріп.
7 элемент – бірден бастап 3 санға дейін – осы сериядағы функционалды признак бойынша жинақтаудың шартты номері. 3 санмен белгілеу сәйкес үш санды белгілеуі бар шетелдік функционалды ұқсастық болған жағдайда қолданылады. Жаңа құрастыруда (разработка) онша кездеспейді.
Таңбаланудың қосымша элементтері:
Таңбаланудың жетінші элементінен кейін электрлік параметрлері бойынша ИМС топтарын сұрыпталуын сипаттайтын әріп болуы мүмкін.
Әріптер А, Б және В болады. А әрпі – ең күшті параметрлері бар топ. Б – екінші сорт, В – үшінші. В әрпі – шынайы практикада онша кездеспейді.
Мысалы: КР1507ИЕ1А
Егер микросхемаларда шығару қадамы дюйммен болса, онда таңбалану Э әрпінен басталады, ол экспортты нұсқасын білдіреді.
Мысалы: ЭКР1507 ИЕ1.
Қалған барлық микросхемаларда шығару қадамы метрлік жүйеде болады.
Корпуссыз микросхемаларға дефиспен белгілеудің орнына орындалудың түрленуін (модификациясын) сипаттайтын сан енгізіледі. 6 түрлену болуы мүмкін:
1 – иілгіш сымды шығарулары бар кристалдар;
2 – полиимидті тасушылары бар кристалдар;
3 – қатты рамкадағы кристалдар;
4 – кесілмеген пластиналар;
5 – пластина кесілген және қабықшаға жабыстырылған;
6 – кассетадағы кристалдар.
Мысал: КБ1507ИЕ1-4
Корпуссыз микросхемаларда Э әрпі таңбаланудың басында ешқашан қолданылмайды, себебі әлі шығарулар жоқ. ЭКБ1507ИЕ1-4 таңбалануы дұрыс емес және қолданылуы мүмкін емес.
Егер микросхемалар корпус типімен ажыратылса, онда кристалдардың бір типін қолданады, бірақ әртүрлі серияға жатады, онда таңбаланудың 5, 6 және 7 элементтері бірдей болады.
Мысалы: 133ТМ2, К533ТМ2, К1533ТМ2 – бұл микросхемалардың әртүрлі сериядағы бір кристалл.
Интегралды микросхемаларға арналған корпустар
Корпустар екі белгі бойынша ажыратылады:
тақшаларда құрастыру (монтаж) технологиясы бойынша;
корпусты жасау технологиясы және құрылымы бойынша.
Корпустың типі тақшалардағы монтаждау технологиясымен анықталады. Корпустың 6 типін ажыратады.
1 Тип – тақшаға корпус денесінің шектердегі проекциялары негізге перпендикуляр орналасқан шығарулары бар тікбұрышты корпус.
2 Тип – тақшаға корпус денесінің проекциясының сыртында қалыпқа келтірілген 2 немесе 4 қатардағы шығарулары бар тікбұрышты корпус.
3 Тип – тақшаға корпус денесінің шектердегі проекциялары негізге дөңгелек бойынша перпендикуляр орналасқан шығарулары бар дөңгелек корпус.
4 Тип – негіздердің шегінен шығатын шығарулары планарлы орналасқан тікбұрышты корпус. Шығарулар корпустың екі немесе төрт жағында болуы мүмкін.
5 Тип – тікбұрышты жазық шығарусыз кристалл тасушы. Дәнекерлеуге (для пайки) арналған контактілер корпус денесінің периметрінде орналасқан.
5 тип корпустарында 4 типтегі сияқты технологиялық шығарулар болуы мүмкін. Технологиялық шығарулар (выводы) микросхемаларды бақылағанда және тексергенде қолданылады. Тақшаға (плата) құрастырудан бұрын шығарулар кесіледі, ал тақшамен электрлік байланыстар корпустің периметрі бойынша металданған контактілер арқылы жүзеге асырылады.
6 Тип - тікбұрышты жазық шығарусыз кристалл тасушы, дәнекерлеу үшін контактілер тақшадағы негіздің проекциясы шегінде корпустың негізінде орналасады. Шетел классификациясында бұл корпустар BGA (Boll Grid Array) типінде.
Корпустың конструктивті-технологиялық варианттарының 4 түрі белгілі:
Пластмассалық корпустар. Микросхемалардың кристалдары қатты рамкаға бекітіледі, кейін эпоксидті лакпен қорғалады, кейін пластмассаға қысылып жасалады (престеледі). Микросхемаларды өлшеу алдында рамканың артық бөлшектері кесіледі. Шығарулар корпустың пластмассалық денесінің байланысының арқасында ұсталып тұрады. Бұл жинақтаудың ең арзан түрі. Технология 2, 4 және 5 типтегі корпустарды жасауды қамтамасыз етеді.
Металды-керамикалық корпустар. Корпустың керамикалық денесінде изоляцияланған және өткізгіш қабаттар нығыздалған. Композицияның құрамына алюминий оксиді, кремний оксиді, металдық ұнтақтар кіреді. Күйгеннен кейін корпус денесі қаттыланады. Өткізгіш қабаттарға гальваникалық түрде металл (никель немесе алтын) тұнбаланады. Металлдық рамка керамиканың өткізгіш қабатына жабылған металлмен ерітіліп жабыстырылады. Кристалл корпустың қуысында құрастырылады және металды қақпақпен бітеледі. Металдыкерамикалық корпустар микросхемалардың ең жақсы бітеулікті және сенімділікті қамтамасыз етеді. Арнайы белгідегі аппаратурада кең түрде қолданылады. Технология 2,4,5,6 типтердегі корпустарға қолданылады.
Металлдық шынылы корпустар. Корпустың металдық негізін және металдық қақпағын жіңішке қағаздарды қалыптау (штампока) бойынша алады. Негізде корпустың металдық шығарулары қойылатын тесікшелер жасалады және негізіне жеңіл ерігіш шынымен ерітіліп жабыстырылады. Шыны изоляция, герметизация және корпус шығаруларын бекіту функцияларын атқарады. Кристалл корпустың қуысында құрастырылады және металды қақпақпен бітеледі. Қақпақтың герметизациясы электр пісірумен (электросварка) немесе қалайы –қорғасынды дәнекері бар дәнекерлеуішпен атқарылады. Металдық корпустар ең жақсы жылу бергішті қамтамасыз етеді себебі корпустың көп бөлігі металдық. Қымбат технология, 1,3,4 типтегі корпустар үшін қолданылады.
Шынылыкерамикалық корпустар. Корпустарды дайындауда екі керамикалық шыныаяқтар (чашка) және металдық рамкалар қажет етіледі. Рамка корпустың негізіне айна арқылы ерітіліп жабыстырылады. Кристалл негізде (основание) құрастырылады және рамкамен бірге қосылады. Микросхеманың герметизациясы шыныға керамикалық қақпаны ерітіп жабыстыру арқылы жүргізіледі. Микросхеманың герметикалық құрастыруының ең арзан әдісі болып табылады. Бірақ бұл әдісте екі елеулі кемшілік бар. Шынымен балқытудың температурасы 4000 – 4500С. Микросхеманың кристалдары мұндай температураға әрдайым шыдай бермейді және азаяды (деградацияланады). Балқытылатын шыны жоғары температурада микросхемада өткізгіштерді активті түрде бұзатын металл оксидтерінің буын шығарады. Корпустың жоғарғы бөліктің жартысында .......корпустың түрленуі бар. Бұл жағдайда кристалл шынымен пісірілген соң осы тесікке құрастырылады және металды қақпақпен бітеледі. Корпус осыған байланысты қымбат болады және металдыкерамикалық құрылымға қарағанда бағасының артықшылығын жоғалтады. Айтылған кемшіліктер шынылыкерамикалық корпустардың таралуын қатты шектейді. Технология 2 және 4 типтер үшін қолданылады.
Корпустардың шетел классификациясында корпустардың ағылшын тілді атауларында аббревиатура болатын белгілеулер латын әріптерімен қолданылады. Мысалы, QFP (Quadrate Flat Package). Корпустардың келесі түрлері кең таралған:
DIP, PDIP, SOIC (2 типке сәйкес келеді);
QFP, LQFP, TQFP (4 типке сәйкес келеді);
PLCC, QFN (5 типке сәйкес келеді);
BGA (6 типке сәйкес келеді).
Корпустардың атаулары (номенклатура) және оларға сәйкес келетін белгілеулер тұрақты түрде кеңейеді, және таңбаланудың мағынасын түсіндіру үшін арнайы анықтамалықтар немесе өндірушіден техникалық мәлімет қажет етіледі.
Көпкристаллды модульдер, корпуссыз және қоспалы (гибридные) микросхемалар
Аэроғарыштық және әскери техникада әрдайым оның құрылымын қиындатудың арқасында электронды аппаратураның габариттерін кішірейту тенденциялары әрдайым анық байқалды. Ол үшін көпкристаллды модульдер (ККМ) және қоспалы микросхемалар (ҚОМС) қолданылады. ККМ мен ҚОМС арасында қатты шекара жоқ. Олардың жасалуы үшін өздері бітпеген өнімдер болып табылатын корпуссыз микросхемалар қолданылады. ККМ және ҚОМС құрылымдарында 1 немесе 4 типтегі металлды шынылы корпус, өткізгіштері бар кварцты, керамикалық немесе полимерлі тақшалары, үздіксіз құрауыштар (конденсаторлар, индукторлар), корпуссыз микросхемалардың жартылайөткізгіш кристалдар және тақшамен бірігетін аспалы құрауыштар бар. ККМ-да әдетте аспалы құрауыштар ретінде тек жартылайөткізгіш кристалдар қолданылады. ҚОМС-та аспалы құрауыштар мен қабықшалы (пленочный) элементтердің әртүрлі жиындары қолданылады. Арнайы белгідегі шағын габаритті цифрлық және аналогтық аппараттарды жасау үшін ККМ-ді қолданады. ҚОМС – бұл аса жоғары жиілікті (АЖЖ) аппаратураның бөлігі. Мысалы, радиолокаторлар немесе ғарыштық байланыстың жүйелері. Радиотехникада АЖЖ ретінде диэлектрлік тақшаларда қабықшалы элементтер ретінде аса эффективті құрылатын толқынөткізгіштер, резонаторлар, аттенюаторлар қолданылады. АЖЖ құрылғыларда микросхемалардың корпустары сигналдарға бұрмалаулар енгізеді. Сондықтан ҚОМС – бұл АЖЖ құрылғыларының блоктарына аса эффективті құрылым болып табылады.
ККМ үшін әдетте металлдыкерамикалық корпустардың технологиясы бойынша жасалатын көпқабатты металлдыкерамикалық тақшалар қолданылады. Микросхемалардың кристалдары желімді немесе дәнекерді пайдалану арқылы тақшаға құрастырылады. Корпуссыз микросхемалардың тақшамен байланысуы сымды немесе металданған полиимидті тасушыны пайдалану арқылы роботтандырылған автоматты дәнекерлеумен орындалады. Тақшаға кристалдардың аударылған монтаждалуы жиі қолданылады. Ол үшін жартылайөткізгіш кристалдардың контактілі алаңдарында (площадка) дәнекерлеу (пайка) үшін металл (никель немесе алтын), ал тақшаларда контактілердің орнына дәнекерлеу түйіршіктері (шарики припоя) болуы тиіс. Робот-манипуляторы дәнекерлеу түйіршіктері контактілі алаңдарымен cәйкес келу үшін аударылған кристалды дәлме-дәл белгілейді. Одан кейін инфрақызыл сәулеленуі бар кристалдың аз уақытты қызуы байқалады. Дәнекерлеу түйіршіктері бір уақытта электрлік байланыстардың және тасымалдағыш құрылымның элементтерінің қызметін атқарады. Аударылған монтаж кристалдан жақсы жылу бергішті қамтамасыз етпейді, монтажға арналған құрылғы өте қымбат. ККМ прогрессивті технологиясы көпқабатты полимерлі байланыстарды қолданады. Бұл технологияда керамикалық тақша тек кристалдарды және жылу бергішті бекіту ретінде қолданылады. Барлық байланысу жүйесі қақтамалы (фольгированной) полиимидті қабықша негізіндегі көпқабатты байланыстырғышта жүзеге асырылады. Полимерлі байланыстырғыштардың технологиясы металдыкерамикалық тақшалар технологиясына қарағанда айтарлықтай арзан.
ҚОМС үшін екі жағынан жылтыратылған кварцты немесе керамикалық пластиналар қолданылады. Пластинаның кері жағында бірыңғай металдық қабат – жерге тұйықталу (заземление) жағылады. Пластинаның жұмыстық жағында маскалар арқылы шаңдану әдісімен толқынөткізгіштер, конденсаторлар, резисторлар, қоректену тізбегі және экрандалған жерге қосылған облыстар қалыптасады. Кейін тақшаға аспалы элементтер құрылады: жартылайөткізгіш кристалдар, диэлектрлік резонаторлар, фериттер немесе басқа АЖЖ құрауыштар. Аспалы құрауыштардың тақшамен (плата) байланысуы ККМ-дағы әдістер сияқты орындалады (сыммен дәнекерлеу, полимерлі байланыстырғыш, дәнекерлеу түйіршіктерінде аударылған монтаж).
Жағдайлар қатарында көп кристалды модульдер технологиясы өндірістік-техникалық белгідегі микросхемаларды жасау үшін қолданылды. «Пентиум» сериясындағы бірінші процессорлар бірнеше кристалдардан құрылды және олардың кэш-жадысы жекелей кристалдарда болды. Осы кезде сыртқы кэш-жадысы жоқ кристалдар сияқты «Целерондар» да пайда болды. Қазір ККМ-нің технологиялық бағыты «жүйе корпустың ішінде» деген ұранмен дамып келеді және «кристалдағы жүйеге» аралық өтпелі кезең сияқты қарастырылады. Қазіргі автоматты құрылғылар ЭТБ (электрлік техника бұйымдары) шығаруларының айтарлықтай көлемінде баспа тақшаларындағы жүйелердің деңгейіне дейін ККМ құнын азайтуға мүмкіндік береді. ККМ техникалық сипаттамалары (габариттер, салмақ, материал сыйымдылығы, сенімділік) баспа тақшаларындағы аппаратураға қарағанда айтарлықтай күшті.