6.2 Класифікація інтегральних мікросхем

Інтегральні мікросхеми поділяють за технологією виготовлення, ступенем інтеграції, функціональним призначенням. За принципами будови та технологією виготовлення ІМС поділяють на такі основні типи: напівпровідникові, плівкові, гібридні, суміщені.

Напівпровідниковою називають ІМС, яка має один кристал напівпровідника, в об’ємі і на поверхні якого спеціальними техно­логічними методами сформовані всі елементи, міжелементні з’єднання і контактні площинки.

Як приклад на рис.6.1, а показано елементи напівпровідникової ІМС, які відповідають фрагменту електронної схеми, (рис.6.1, б).

О сновними активними елементами напівпровідникових ІМС можуть бути БТ, або ПТ. Тому розрізняють біполярні та МДН-інтегральні схеми. Такі схеми складають основу сучасної мікроелектроніки.

Перевагами напівпровідникових ІМС є більш висока надійність (менше число контактних з’єднань), більша механічна міцність, що зумовлена меншими розмірами елементів (приблизно на порядок), менша собівартість завдяки ефективному використанню переваг групової технології.

Напівпровідникові IMC (особливо цифрові) з БТ вирізняються високою швидкодією, а з МДН-транзисторами – високою щільністю упакування, мінімальною потужністю споживання та низькою вартістю виготовлення. Аналогові ІМС з ПТ мають великий вхідний опір (більше 10⁹ Ом).

Виробництво напівпровідникових IMC вимагає особливих виробничих приміщень, складного обладнання, строгого виконання технологічних операцій. Тому виготовлення таких ІМС стає економічно доцільним лише при масовому виробництві (мільйони штук в рік на одному комплекті обладнання). Через це за напівпровідниковою технологією виготовляють цифрові ІМС та IMC для реалізації стандартних аналогових функцій, а також високонадійні мікросхеми для побудови радіоелектронної апаратури з найвищою щільністю упакування.

Плівкова ІМС - це мікросхема, елементи та міжелементні з’єднання якої виконано за до­помогою плівок необхідної форми з різними електрофізичними властивостями на поверхні діелектричної підкладки або діелектричної плівки. Залежно від способу формування плівок і відповідно їхніх товщин розрізняють тонкоплівкові ІМС (товщина плівок 1...2 мкм) та товстоплівкові ІМС (товщина плівок 10...20 мкм і більше). Плівкова технологія не дозволяє одержувати активні елементи із задовільни­ми параметрами. Суто плівкові схеми є пасивними IMC (зазвичай - це переважно резистивні подільники напруги, набір резисторів та конденсаторів, резистивно-емнісні схеми). Плівкові інтегральні елементи найбільш часто використовують разом з мініатюрними дискретними електро-радіоелементами - компонентами.

Тонкоплівкові ІМС мають ряд переваг перед товстоплівковими: без пригонки можна одержати більш вузькі допуски на номінали елементів (резисторів і конденсаторів), досягається більш висока щільність упакування елементів на підкладці.

У дуже складних аналогових схемах з малими допусками на номінали елементів, де необхідна надвисока стабільність резисторів, переважно використовують тонкоплівкові ІМС. Слід зауважити, що при обмеженій кількості виготовлення плівкових IMC недоцільно налагождувати їх виробництво, яке потребує великих капітальних затрат. У цьому випадку перевагу віддають товстоплівковій технології.

Товстоплівкова технологія має такі переваги перед тонкоплівковими: меншу вартість при розробці та виготовлені в дрібносерійному виробництві, потребує значно менших капітальних затрат при організації виробництва (простіше обладнання, менш жорсткі вимоги до виробничих приміщень), забезпечує більшу механічну міцність, високу волого-, корозійну та теплову стійкість, а також менші паразитні ємності та взаємовплив елементів.

Гібридною ІМС називають ІМС, яка має діелектричну основу, пасивні елементи (R, С, L) на її поверхні формують у вигля­ді одношарових або багатошарових плівкових структур, з’єднаних нерозривними плівковими провідниками, а напівпровідникові при­лади (активні елементи), в тому числі безкорпусні ІМС (кристали) та інші компоненти (мініатюрні конденсатори, резистори й індуктивності великих но­міналів) розміщені на основі у вигляді дискретних навісних де­талей. Структуру такої ІМС, що відповідає фрагменту електронної схеми (рис. 6.1, б), показано на рис. 6.2. До гібридних належать також мікросхеми, які складаються з кількох кристалів, з’єднаних між собою і змонтованих в одному корпусі (багатокристальні ІМС).

Г ібридні ІМС поступаються напівпровідниковим за надійністю, щільністю упакування та собівартістю, але мають в ряді випадків особливі схемотехнічні переваги завдяки широкій номенклатурі навісних компонентів (транзисторів, мікроіндуктивностей, конденсаторів великої ємності та ін.).

Гібридна технологія дуже гнучка. Вона дозволяє порівняно швидко створювати електронні пристої, що виконують досить складні функції. Комплект обладнання для виготовлення гібридних ІМС дешевше, ніж для виготовлення напівпровідникових ІМС, а сам технологічний процес набагато простіший, тому освоєння гібридної технології посильне практично для будь-якого радіоелектронного підприємства.

Перевагою гібридної технології є також більш високий відсоток виходу придатних ІМС (60...80 % порівняно з 5...30% для напівпровідникових). Завдяки малим паразитним ємностям та надійну ізоляцію між елементами і компонентами гібридна IMC має кращі електричні властивості. За такі схеми найчастіше створюють аналогову апаратуру, в якій використовують конденсатори великої ємності, високоомні, високостабільні або прецизійні резистори.

У суміщених ІМС активні елементи виконані в поверхневому шарі напівпровідникового кристала (як в напівпровідниковій ІМС), а пасивні нанесені за допомогою плівок на попередньо ізольовану поверхню того ж кристалу (рис. 6.3).

Т аку технологію використовують для створення ІМС з високими номіналами і високою стабільністю опорів та ємностей, що легше забезпечити плівковими елементами, ніж напівпровідниками.

При виготовлені всіх типів ІМС міжз’єднання елементів виконують за допомогою тонких металевих смужок, які напиляються або наносяться на поверхню підклади і в потрібних місцях контактують з елементами. Процес нанесення цих з’єднувальних смужок називають металізацією, а сам “рисунок” міжз’єднань – металевим розведенням.

За характером виконуваних функцій ІМС поділяють на дві категорії: аналогові та цифрові.

Аналогові ІМС (АІС) виконують функції перетворення та обробки електричних сигналів, які змінюються за законом неперервної функції. Їх застосовують як підсилювачі, генератори гар­монічних сигналів, детектори, стабілізатори напруги, фільтри тощо.

Цифрові ІМС ( ЦІС) (призначені для обробки та перетворення електри­чних сигналів, що змінюються за законом дискретної функції. Активні елементи в таких ІМС працюють у ключовому режимі і забезпечують два стани схем: “Відкрито” і “Закрито” (насичення та відсікання, логічний 0, логічна 1).

Кількісно рівень розвитку інтегральної техніки та складності ІМС визначають показником, який називається ступенем інтеграції (К). Він враховує сумарне число елементів і компонентів N, які знаходять­ся в ІМС і визначається за формулою К = lgN. При цьому ІМС із числом елементів близько 10 - це мікросхеми першого ступеня інтеграції, із числом від 11...100 – другого ступеня, з числом елементів 101...1000, 1001...10000, 10001...100000 – мікросхеми третього, четвертого і п’ятого ступенів інтеграції відповідно. При обчисленні К його заокруглюють до найближчого більшого ці­лого числа.

Широко вживають також терміни: мала інтегральна схема (МІС), середня (СІС), велика (ВІС), надвелика (НВІС).

Мала інтегральна схема має до 100 елементів включно. До СІС належать цифрові ІМС із число елементів 101 ... 1000 включно і аналогові ІМС із числом елементів 101...500 включно.

Більшість аналогових ІМС відносяться до МІС та СІС. Виготовляють гібридні ВІС та НВІС.

Цифрові ІМС, які містять логічні елементи, тригери і прості цифрові пристрої, являють собою малі та середні мікросхеми, а складні обчислювальні комплекти (мікропроцесори) та запам’ятовувальні пристрої - великі та надвеликі ІМС.

Досягнення мініатюризації ІМС оцінюють за щільністю упакування. Її визначають відношенням сумарної кількості елементів ІМС та (чи) елементів, які є в складі компонентів, до об’єму ІМС.