книги из ГПНТБ / Шляпоберский В.И. Основы техники передачи дискретных сообщений

(транзисторы, диоды, резисторы и т. п.), идущие для их построения, не могут использоваться автономно и изго­ товляются специально для применения в микромодуль­ ных элементах. Эти изделия имеют одинаковые конструк­ цию и технологию изготовления и не имеют климатичес­ кой и механической защиты. Последняя осуществляется при изготовлении мпкромодуля в целом.

Конструктивной основой микромодульных элементов является керамическая пластина размером 10X10 мм, на которой располагаются входящие в микромодуль ком­ поненты. Обычно на одной пластине располагаются ком­ поненты одного вида, соединения между которыми и с выходными контактными площадками осуществляются печатным монтажом. Микромодульный элемент образу­ ется соединением между собой определенных унифици­ рованных пластин. При этом они конструктивно образуют многоэтажное «здание» в форме параллелепипеда («эта­ жерки»), в котором соединительные шины являются од­ новременно и выводами мпкромодуля. После заливки компаундом, обеспечивающим климатическую и механи­ ческую защиту компонента, микромодуль помещается в кожух. Так как конструкция пластин унифицирована, то

Такие системы характеризуются тем, что все компонен­ ты, составляющие элемент (транзисторы, диоды, резис­ торы), изготавливаются по единой технологии в общем технологическом процессе, по завершении которого обра­ зуется единый функциональный узел (элемент). При этом параметры компонента определяются спецификой того элемента (функционального узла), в котором они присутствуют. Климатическая и механическая защита осуществляется в целом на элемент.

Таким образом, система интегральных элементов от-

70

личается от рассмотренных выше систем тем, что она базируется не на использовании самостоятельных компо­ нентов, а эти компоненты конструктивно и технологичес­ ки создаются (интегрируются), образуя функциональный

понятие о транзисторах, диодах, резисторах в системах интегральных элементов полностью заменяется понятием о функциональных узлах в виде интегральных схем. Все это оказалось возможным благодаря созданию специ­ альных методов технологии.

В зависимости от способа реализации система интег­ ральных элементов включает два класса интегральных схем: монолитные (твердые) и гибридные.

Монолитные (твердые) интегральные схемы образу­ ются путем создания в исходном монолитном полупро­ водниковом материале (как правило, кремнии, реже гер­ мании) зон с различными электрическими свойствами (транзисторы, диоды, резисторы), соединяемых между собой нанесением проводящего слоя определенной кон­ фигурации.

Гибридные интегральные схемы образуются соедине­ нием отдельных микроминиатюрных компонентов, распо­ лагаемых на изолирующей подложке. При этом активные и нелинейные компоненты (транзисторы, диоды) изготав­ ливаются методами твердых схем, а пассивные компо­ ненты (резистор, конденсаторы) — нанесением на под­ ложку тонких пленок материалов с определенными элек­ трическими свойствами. Отдельные компоненты между собой соединяются проводниками с помощью термоком­ прессионной сварки или нанесением на подложку рисун­ ка, полученного металлизацией.

Прежде чем перейти к сравнительной характеристике различных систем элементов, рассмотрим кратко и не­ сколько упрощенно технологию изготовления монолитных интегральных схем. В качестве исходного материала (подложки) используется пластина из монокристалличе­ ского кремния (Si) с проводимостью р-типа. Поверх­ ность пластины шлифуется по 13-му классу точности, за­ тем покрывается защитным слоем двуокиси кремния

') Здесь под функциональным узлом понимается логический эле­ мент. Как будет показано ниже интегральный элемент может содер­ жать несколько независимых функциональных узлов.

71

образом включенный транзистор. Перед диффузией каждого вида примеси вытравливают часть поверхности защитного слоя (окно) S i 0 2 фотолитографическими ме-

') Такой процесс образования слоев с проводимостью опреде­ ленного типа называется эпитаксией.

72

тодами. Для этого слой S i 0 2 покрывается равномерно слоем материала, называемого фоторезистом, поверх ко­ торого накладывается стеклянная контактная .маска (фо­ тошаблон) определенной конфигурации. В процессе экс­ позиции и облучения ультрафиолетовым лучом происхо­ дит полимеризация слоя фоторезиста. Под действием проявителя фоторезист удаляется только с неэкспониро­

проведения диффузии является удаление фоторезиста органическим растворителем. После введения (диффу­ зии) примесей определенного вида, например акцептор­

ся эмиттеры транзисторов. Применяемая в этом случае маска имеет меньшие окна (рис. 2.26г). Рассматривае­ мая технология, при которой формированию каждого элемента схемы предшествует вскрытие защитного слоя

границы р-я-перехода, или наносимые поверх блоя дву­ окиси кремния пленки из резистивного материала. После окончания всех процессов диффузии на поверхности пла­

пластины покрывается алюминиевой пленкой, которая в

сколько сотен интегральных схем. Для формирования одной инте­ гральной схемы используется примерно 1 мвдг площади креммиевой пластины.

73

графическим методом алюминий удаляется со всех участ­ ков, где он <не'нужен (рис. 2.265) ' ) .

Для соединения схемы на пластине с выходными кон­ тактами элемента к контактным площадкам пластины привариваются тонкие золотые проводочки.

По своим электрическим параметрам (быстродейст­ вию, надежности, потреблению электроэнергии), а также по габаритам и стоимости системы интегральных элемен­ тов превосходят системы элементов на дискретных ком­ понентах и микромодули. Это обусловлено их малыми габаритами, короткими выводами, значительно меньшим числом паек и более широкими возможностями автома­ тизации процесса производства.

Если сравнивать гибридные и монолитные интеграль­ ные схемы, то при мелкосерийном производстве первые получаются дешевле, поскольку не требуют изготовления дорогостоящих масок. Однако при крупносерийном про­ изводстве они становятся менее выгодными из-за того, что в технологический процесс входит ручная сборка. По плотности упаковки, т. е. по числу интегрируемых эле­ ментов на единицу площади, и по надежности преиму­ щество на стороне твердых интегральных схем. Таким образом, из всех систем как логических, так и линейных элементов наиболее перспективными являются твердые интегральные схемы. Однако увеличение выпуска твер­ дых интегральных схем и снижение их стоимости тесным образом связаны с решением задачи увеличения процен­ та выхода годных структур с одной кремниевой плас­ тины.

Так как рассмотренные выше операции по изготовле­ нию интегральных схем аналогичны технологическим операциям, используемым для изготовления кремниевых транзисторов, а достигнутый к настоящему времени про­

пластинки процент выхода годных интегральных схем и их надежность будут такими же, как и для транзисторов [3]. (Доведение надежности твердых интегральных схем, содержащих 20—40 компонентов, до надежности тран­ зистора при прочих равных условиях более чем на поря­ док повышает надежность аппаратуры.)

') В целях упрощения описания процесса изготовления твердых интегральных схем была опущена операция травления, с помощью которой достигается изоляция различных компонентов друг от друга.

74

напряжений. Ко второй группе относятся параметры, оп­ ределяющие эксплуатационные характеристики устрой­ ства. Это — надежность, потребляемая мощность, объем, масса, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям и, наконец, стоимость.

Рассмотрим основные из перечисленных параметров. Быстродействие характеризует динамические свойств ва логической схемы и оценивается временем задержки

и временем нарастания (спада) выходного сигнала. Для определения временных характеристик интегральных твердых схем рассмотрим выходной сигнал (рис. 2.27), который одновременно является входным сигналом по­ следующей схемы. Примем следующие условные обозна-

') Т Л П Т применяются только Б интегральном исполнении.

75

тельность фронта выходного сигнала, формируемая при переходе схемы из состояния 1 в состояние 0; — дли ­ тельность фронта выходного сигнала, формируемая при

между моментом достижения входным сигналом уровня

определяются временем изменения выходного сигнала от UB до Un или от Un до UB соответственно.

Современные интегральные твердые схемы рассчиты­ ваются таким образом, чтобы при каскадном включении параметры выходного импульса практически не зависели от числа последовательно включенных схем и от пара­ метров входного сигнала, т. е. чтобы обеспечивалась ре­ генерация входного сигнала логической схемой. В зави­ симости от быстродействия интегральные твердые схемы делятся на низкоакоростные i(/3 cp^50 не), среднеакоро-

тимым напряжением, наводимым на входе схемы вслед­ ствие емкостных и индуктивных связей, а также по це­ пям питания и земле, гарантирующим нормальную ра­ боту схемы. Однако сравнивать различные схемы по аб­ солютному значению помехоустойчивости, выраженному

76

в милливольтах (L/*°JJ ) , нельзя, так как схемы работают при различных питающих напряжениях, токах и размахах логического сигнала.

Для оценки помехоустойчивости интегральных схем следует пользоваться отношением абсолютной помехоус­ тойчивости к размаху логического сигнала U*™/Uc. Эта величина для большинства современных интегральных твердых схем равна примерно 0,5, т. е. их помехоустой­ чивость по отношению к помехам, создаваемым за счет паразитных связей, примерно одинакова. Основным ис­ точником возникновения помех является падение напря­ жения на общих для группы схем сопротивлениях земля­ ной шины (активном и индуктивном). С этой точки зре­ ния современные интегральные твердые схемы обладают различной помехоустойчивостью, численные значения ко­

входных сигналов. Величина М ограничивается сложно­

каким числом аналогичных схем может быть натружена

ментным соединениям, снижению рабочих мощностей и применению прогрессивной технологии изготовления ин­ тенсивность отказов современных интегральных твердых

мощью этого элемента реализуется логическая операция

77

£\гат^2 мВт; рабочий диапазон температур — от —60 до + 85°С. На функциональных и принципиальных схе­ мах элемент изображается, как показано на рис. 2.286.

•к

объединения по входу используется дополнительный ба­ зовый элемент (рис. 2.29а и б), который вместе с основ-

от 4 до 8 базовых элементов, заключенных в один кор­ пус. Схемы Т Л Н С применяются, как правило, для по­ строения низкоскоростных устройств (/такт^ЮО кГц) с малым потреблением электроэнергии.

7Р

Дб фиксируется на уровне, меньше 0,4 В: выходной сиг­ нал элемента будет иметь высокий уровень, что соответ­

сигнал элемента будет иметь низкий уровень — логичес­ кий нуль. '

По среднему времени задержки выходного сигнала рассматриваемая схема относится к среднескоростным интегральным твердым схемам и может применяться в устройствах, частота тактовых генераторов которых не превышает 1 МГц.

Недостатком данной схемы, как и вообще всех схем диодно-транзисторной логики, является наличие двух ис­ точников питания.

Промышленные образцы интегральных твердых схем Д Т Л содержат в одном-монокристалле, как правило, два базовых элемента.

На рис. 2.31 показаны образцы выпускаемых про­ мышленностью интегральных схем: на рис. 2.31а приве­ ден базовый элемент, в катаром схема Д Т Л реализована

79