Lektsia_15

Лекція 15

Тема: «Мікроелектроніка. Інтегральні мікросхеми, їх типи, переваги, технологія плівочних ІМС».

Мета: «Розглянути основні поняття мікроелектроніки, типи інтегральних мікросхем, їх переваги, плівочні інтегральні мікросхеми; навчитися визначати тип інтегральної мікросхеми по її вигляду».

Література: Л2, ст. 320..327.

Основні питання:

1. Мікроелектроніка. Інтегральні мікросхеми, їх класифікація, переваги.

2. Напівпровідникові та плівочні ІМС.

1. Мікроелектроніка. Інтегральні мікросхеми, їх класифікація, переваги.

Мікроелектроніка – це галузь електроніки, яка займається мікромініатюризацією електронної апаратури з метою зменшення її об’єму, маси, коштовності, підвищення надійності і економічності на основі комплексу конструктивних, технологічних і схемних методів.

Інтегральна мікросхема (ІМС) — це виріб, який виконує певну функцію перетворення і обробки сигналу, має велику щільність упакування електрично з'єднаних елементів, що являють собою єдине ціле, виготовлені в єдиному технологічному процесі і розміщені в єдиному, герметизованому корпусі.

Основні параметри інтегральних мікросхем:

• щільність упакування (кількість елементів в одиниці об'єму);

• ступінь інтеграції (кількість елементів у мікросхемі).

По ступені інтеграції інтегральні мікросхеми діляться на:

I ступінь інтеграції - до 10 елементів;

II ступінь інтеграції - від 10 до 100 елементів;

III ступінь інтеграції - від 100 до 1000 елементів і т.д.

По своєму функціональному призначенню мікросхеми діляться на два класи:

• інтегральні логічні схеми, які найбільш розповсюджені в цифровій обчислювальній техніці. Вони оперують з імпульсними електричними сигналами, які в залежності від рівня їх амплітуди можуть приймати два дискретних значення «0» та «1»;

• аналогові інтегральні схеми, в яких відбувається неперервне перетворення сигналів, що надходять, па відповідним параметрам – амплітуді, частоті, формі, тривалості і т.д.

Переваги апаратури на ІМС:

1. Висока надійність і технологічність. Застосування ІМС різко зменшує витрати праці на зборку і монтаж апаратури, зменшує кількість паяних з'єднань, — найменш надійних елементів електронної апаратури.

2. Мала маса і габарити.

3. Скорочення часу на розробку виробу, оскільки застосовуються готові вузли та блоки.

4. ІМС випускаються масово і тому відносно дешеві.

2. Напівпровідникові та плівочні ІМС.

Майже всі сучасні пристрої інформаційної електроніки створюються на базі ІМС, які можна поділити на напівпровідникові і гібридні.

На рис. 1 зображено креслення зовнішнього вигляду стандартної ІМС на 16 виводів. Приклад фрагменту напівпровідникової ІМС показано на рис. 2. На рис. 2, а показана частина електронної схеми, яка складається з резистора, діода та біполярного транзистора, а на рис. 2, б — розріз напівпровідникового кристалу, в товщі якого вміщені вказані схемні елементи. Ізоляція елементів один від одного створюється за допомогою р —n переходів подачею на підложку р-типу найбільшого від'ємного потенціалу. Поверхня напівпровідника покрита ізоляційним шаром його окислу, який за своїми властивостями є діелектриком. В потрібних місцях окисел протравлений і поверхня кристалу покрита золотою або алюмінієвою плівкою, яка забезпечує з'єднання між елементами. З'єднання ці виготовляють шляхом вакуумного напилення через маску відповідної форми. Готовий кристал розміщують у герме­тизованому металевому або пластмасовому корпусі з виводами у зовнішнє коло. З'єднання мікросхеми із зовнішніми виводами здійснюють золотими або алюмінієвими провідниками діаметром біля 10 мкм.

Рис. 1

Рис. 2

Виготовлення таких ІМС дуже складне. Тому їх випуск може бути налагодже­ний тільки на великих спеціалізованих підприємствах на базі добре автоматизованої якісної технології. Витрати на розробку нового типу ІМС великі, тому економічно виправдовується лише випуск їх великими серіями по 10⁴ екземпляри і більше. Маса і габарити таких ІМС дуже малі. Щільність упакування елементів в ІМС може досягати до 500 ел/см³ і більше. При кількості елементів N > 10³ ІМС називають великою інтегральною схемою (ВІС). Середній термін безвідмовної роботи пристрою, який містить 10⁸—10⁹ елементів досягає 5—10 тисяч годин.

Рис. 3

Гібридні ІМС створюються на базі плівкової технології. За допомогою плівок товщиною біля одного мікрометра створюються резистори (рис. 3, а) з опором до 10⁵ Ом, плівкові конденсатори (рис. 3, б) з ємністю до 10000 пФ та дроселі (рис. 3, в) з малою індуктивністю не більше 10 мкГн. Безкорпусні напівпровідникові прилади, конденсатори великих номіналів і магнітні елементи вико­нуються навісними і приклеюються до плати в певних місцях. Плата з плівковими та навісними елементами розташовується в герметизованому корпусі з певною кількістю виводів.

Масогабаритні показники гібридних мікросхем гірші, ніж у напівпровідникових, але технологія їх виготовлення значно простіша, а вартість розробки менша. їх можна випускати малими серіями для рішення локальних задач.

Функції перетворення та обробки сигналів, що їх виконують ІМС, дуже різноманітні. Прикладами таких функцій можуть бути перетворення аналогової інформації (тобто неперервного сигналу постійної напруги на вході) у цифрову форму (тобто у відповідне число, код якого виставляється на виходах ІМС) і зворотне перетворення цифрового сигналу в аналоговий сигнал; перетворення частоти в постійну напругу; перетворення постійної напруги у змінну з певною частотою; перетворення постійної напруги у змінну трифазну напругу певних частот для керування електромікродвигунами; перетворення інтенсивності світлового сигналу в час експозиції фотоматеріалів і т. п. На базі ІМС виготовляють також операційні підсилювачі, логічні та цифрові пристрої.

В останні роки створені ВІС, які не втрачають своєї універсальності, програмовані ІМС. Користувач може по-різному використовувати такі ІМС, запрограмувавши її функції. До таких ІМС відносяться постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП) програмовані інтерфейси, програмовані контролери та мікропроцесорні пристрої на базі відповідних комплексів ІМС.

Контрольні питання:

1. Що вивчає мікроелектроніка?

2. Що представляє собою інтегральна мікросхема?

3. Назвіть основні параметри мікросхем.

4. Які переваги ІМС?

5. На чому заснований принцип роботи напівпровідникових ІМС?

6. В чому особливості плівочних ІМС?

7. Що таке велика інтегральна схема?

4