2.2. Интегральные микросхемы (ис). Классификация

И СИСТЕМЫ ОБОЗНАЧЕНИЙ ИС

Терминология (ГОСТ 17467—79 «Микросхемы ин­тегральные. Основные размеры»).

Интегральная микросхема (ИС) — микроэлектронное изделие, вы­полняющее определенную функцию преобразования и обработки сигна­ла и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и/или кристаллов, кото­рое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и экс­плуатации рассматривается как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы — часть интегральной микро­схемы, реализующая функцию какого-либо ЭРЭ, ко­торая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации (к электрорадиоэле­ментам относятся транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.).

Компонент интегральной микросхемы — часть интегральной микро­схемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, кото­рая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

Кристалл интегральной микросхемы — часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и кон­тактные площадки.

Подложка интегральной микросхемы — заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных интегральных микросхем, межэлементных и/или межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата интегральной микросхемы — часть подложки (подложка) гибридной (пленочной) интегральной микросхемы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, межэлементные и межком-понентные соединения и контактные площадки.

Контактная площадка интегральной микросхемы — металлизиро­ванный участок на плате или на кристалле, служащий для присоедине­ния выводов компонентов и интегральных микросхем, перемычек, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Корпус интегральной микросхемы — часть конструкции интеграль­ной микросхемы, предназначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями по­средством выводов.

Тело корпуса — часть корпуса без выводов.

Позиция вывода — одно из нескольких равноотстоящих друг от друга местоположений выводов на выходе из тела корпуса, располо­женных по окружности или в ряду, которое может быть занято или не занято выводом. Каждая позиция вывода обозначается порядковым номером.

Шаг позиций выводов — расстояние между номинальным положе­нием осей (плоскостей симметрии) позиций выводов.

Установочная плоскость — плоскость, на которую устанавливается интегральная микросхема.

Ключ — конструктивная особенность, позволяет определить вывод 1. Вывод бескорпусной интегральной микросхемы — проводник, соеди­ненный с контактной площадкой кристалла интегральной микросхемы и предназначенный для электрического соединения и механического крепления бескорпусной интегральной микросхемы при ее соединении с внешними электрическими цепями. Выводы бескорпусной интеграль­ной микросхемы могут быть жесткими (шариковые, столбиковые, ба­лочные) и гибкими (лепестковые, проволочные). Гибкие выводы для механического крепления не применяются.

Полупроводниковая интегральная микросхема — интегральная мик­росхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполне­ны в объеме и на поверхности полупроводника.

Пленочная интегральная микросхема — интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок (частными случаями пленочных микросхем являются толсто­пленочные и тонкопленочные интегральные микросхемы).

Гибридная интегральная микросхема — интегральная микросхема, содержащая кроме элементов компоненты и/или кристаллы (частным случаем гибридной микросхемы является многокристальная ИС).

Аналоговая интегральная микросхема — интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов по закону непрерывной функции (частным случаем аналоговой интегральной мик­росхемы является микросхема с линейной характеристикой (линейная микросхема)).

Цифровая интегральная микросхема — интегральная микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяю­щихся по закону дискретной функции (частным случаем цифровой мик­росхемы является логическая микросхема).

Плотность упаковки интегральной микросхемы — отношение числа элементов и компонентов интегральной микросхемы к ее объему (объ­ем выводов не учитывается).

Степень интеграции интегральной микросхемы — показатель степе­ни сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Степень интеграции определяется по фор­муле

K=lgN,

где K - коэффициент, определяющий степень интегра­ции, округляемый до ближайшего большего целого числа, N – число элементов и компонентов, входящих в интегральную микросхему.

Серия интегральных микросхем — совокупность типов интегральных микросхем, которые могут выполнять различные функции, имеют еди­ное конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

Аналоговые и цифровые микросхемы разрабатываются и выпускаются предприятиями-изготовителями в виде серий. Каждая серия отличается степенью комплектности и содержит несколько микросхем, которые в свою очередь подразделяются на типономиналы. К серии микросхем согласно ГОСТ 17021—88 относят совокупность типов микросхем, которые могут выполнять различные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Как правило, с течением времени состав перспективных серий расширяется.

Тип интегральной микросхемы — интегральная микросхема конкретного функционального назначения и определенного конструктивно- технологического и схемотехнического решения, имеющая свое условное обозначение. Под типономиналом интегральной микросхемы понимается микросхема конкретного типа, отличающаяся от других микросхем того же типа одним или несколькими параметрами.

Группа типов микросхем — совокупность типов микросхем в пределах одной серии, имеющих аналогичные функциональное назначение и принцип действия, свойства которых описываются одинаковым или близким составом электрических параметров.

Все многообразие выпускаемых серий микросхем согласно принятой системе условных обозначений по конструктивно-технологическому исполнению делится на три группы: полупроводниковые, гибридные, прочие. К последней группе относят пленочные микросхемы, а также вакуумные и керамические.

По системе условных обозначений указанным группам соответствуют следующие цифры: 1, 5, 6, 7— полупроводниковые (7 – бескорпусные); 2, 4, 8 — гибрид­ные; 3 — прочие (пленочные, вакуумные, керамические и т. п.).

По характеру выполняемых функций в радиоэлектронной аппара­туре ИС подразделяются на подгруппы (например, генераторы, усили­тели, триггеры, преобразователи и т. д.) и виды (например, преобразо­ватели частоты, фазы, напряжения и т. п.). Разделение ИС на под­группы и виды приведено в [21, табл. 1.1].

По принятой системе обозначение ИС должно состоять из четырех элементов. Первый элемент — цифра, обозначающая группу ИС; второй (порядковый номер разработки) — три (от 000 до 999) или две цифры (от 00 до 99), обозначающие порядко­вый номер серии микросхем. Таким образом, первые цифры, образован­ные двумя элементами, определяют полный номер серии ИС. Третий элемент — две буквы, соответствующие подгруппе и виду; четвертый — условный номер ИС по функциональному признаку в дан­ной серии (одна или несколько цифр).

В качестве примера приведем условные обозначения полупровод­никовой и гибридной ИС. Запись 1500ЛА2 означает: 1—полупро­водниковая ИС, 500 — порядковый номер серии, ЛА — логический элемент И—НЕ, 2—порядковый номер данной схемы в серии по функ­циональному признаку; 217ТВ1: 2 —гибридная ИС, 17 — порядковый номер серии, ТВ — универсальный триггер JK-типа, 1 — порядковый номер данной схемы в серии по функциональному признаку.

В последнее время при четырехзначном номере серии первую цифру порядкового номера серии (или вторую цифру номера серии) устанавливают в зависимости от функционального назначения микросхем, входящих в серию. Так, цифра 0 определяет, что данная серия микросхем предназначена для комплектации бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Цифра 1 присваивается микросхемам аналоговым, цифра 4 — микросхемам операционных усилителей, цифра 5 — сериям цифровых микросхем; цифра 6 — серии микросхем памяти, как оперативной, так и постоянной, цифра 8 — сериям микропроцессоров.

Иногда в конце условного обозначения добавляется буква, опреде­ляющая технологический разброс электрических параметров данного типономинала. Конечная буква при маркировке может быть заменена цветной точкой. Цвет маркировочной точки указывается в технических условиях на микросхемы конкретных типов. Кроме того, в некоторых сериях перед условным обозначением указываются различные буквы, характеризующие условия приемки этих серий и особенности конструк­тивного исполнения.

Для микросхем, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения ставится буква «К», например К133ЛА1.

Для характеристики материала и типа корпуса перед цифровым обозначением серии могут быть добавлены буквы: Р – пластмассовый корпус типа ДИП (DIP); А – пластмассовый планарный корпус; М – металлокерамический корпус типа ДИП; С – стеклокерамический корпус типа ДИП; И – стеклокерамический планарный корпус; Н – керамический безвыводной корпус; Е – металлополимерный корпус типа ДИП.

Для бескорпусных микросхем перед обозначением добавляют бук­ву «Б» (Б155), а после него (или после дополнительного буквенного обозначе­ния) через дефис указывают цифру, характеризующую модификацию конструктивного исполнения: 1 —модификация с гибкими выводами; 2 — с ленточными (паучковыми) выводами (в том числе на полиамидной пленке); 3 — с жесткими выводами; 4 — на общей пластине (неразделенные); 5 — разделенные без потери ориентировки (например, наклеенные на пленку); 6 — с контактными площадками без выводов (кристалл). Пример условного обозна-чения бескорпусной микросхемы И—НЕ/ИЛИ—НЕ серии Б106-1 с гибкими выводами — Б106ЛБ1А-1.

Корпуса интегральных микросхем. Корпус интегральной микросхемы предназначен для защиты ее от внешних воздействий и обеспечения нормальной работы в течение всего срока службы микросхемы. Для выполнения своего функционального назначения корпус и его конструкция должны отвечать определенным требованиям: обеспечивать необходимую электрическую связь между элементами схемы и выводами; гарантировать электрическую изоляцию между выводами; выполняться из материалов по возможности наиболее инертных по отношению к химическим агрессивным составляющим окружающей среды (кислороду, влаге, солям); в некоторых случаях должна учитываться коррозия; иметь удобную для печатного монтажа конструкцию по габаритам и расположению выводов.

Немаловажно, что назначение корпуса — защищать кристалл микро-схемы от влияния света (и по возможности от другого внешнего облучения), а также поглощать собственное излучение элементов схемы и служить экраном от внешних магнитных полей (или создавать путь для замыкания магнитного потока).

Конструкция корпуса должна обеспечивать теплоизоляцию кристалла микросхемы, имея достаточную прочность, предохраняющую элементы микросхемы от различных повреждений во время монтажа и эксплуатации, быть технологичной в изготовлении и применении [5].

В соответствии с ГОСТ 17467—79 корпуса ИС делятся на пять типов, основные характеристики которых указаны в табл. 9. Основные типы корпусов приведены на рис. 35.

Рис. 35. Типы корпусов: а – тип 1; б – тип 2; в – тип 3; г – тип 4; д – тип 5

Таблица 9

Типы и подтипы корпусов микросхем

Тип	Под- тип	Форма проекции тела корпуса на плоскость основания	Расположение проекции выводов (выводных площадок) на плоскость основания	Расположение выводов (выводных площадок) относительно плоскос- ти основания	Вид корпуса
1	11	Прямоу- гольная	В пределах проекции тела корпуса	Перпендикулярное, в один ряд
	12			Перпендикулярное, в два ряда
	13			Перпендикулярное, в три ряда
	14			Перпендикулярное, по контуру прямоуголь-ника
	15		За пределами проекции тела корпуса	Перпендикулярное, в два ряда
2	21	Прямоу- гольная	За пределами проекции тела корпуса	Перпендикулярное, в два ряда
	22			Перпендикулярное, в четыре ряда в шахмат- ном порядке
3	31	Круглая	В пределах проекции тела корпуса	Перпендикулярное, по одной окружности
	32	Овальная
4	41	Прямоу- гольная	За пределами проекции тела корпуса	Параллельное, по двум противоположным сторонам
	42			Параллельное, по четы- рем сторонам
	43			Параллельное, отфор-мованное по двум сторонам
	44			Параллельное, отфор-мованное по четырем сторонам
	45			Параллельное, отфор-мованное под корпус по четырем сторонам

Окончание табл. 9

5	51	Прямоу- гольная	В пределах проекции тела корпуса	Перпендикулярное, для боковых выводных площадок; в плоскости основания для нижних выводных площадок
6	61	Квадратная	В пределах проекции тела корпуса	Перпендикулярное, в несколько рядов
	62			Перпендикулярное, в несколько рядов со сто- роны крышки корпуса

На корпус МС наносится маркировка в соответствии с ее условным обозначением и выполняется нумерация вы­водов относительно ключа или метки.

Для правильной установки МС на плату корпуса имеют ориентир (ключ), расположенный в зоне первого вывода (выводы нумеруются слева направо или по часовой стрелке со стороны расположения выводов). Ключ делается визуальным в виде металлизированной метки, выемки или паза в корпусе, выступа на выводе и пр. В поперечном сечении выводы корпусов имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму. Шаг между выво­дами составляет 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 и 2,5 мм в метрической системе или 2,54; 1,27 и т. д. в основной дюймовой [21].

Типы корпусов микросхем подразделяются на типоразмеры, каждому из которых присваиваются шифр, обозначающий тип корпуса, и двузначное число порядкового номера типоразмера. Затем через точку указывается ко­личество выводов корпуса. Например, корпус с 48 выводами и условным обозначением 4113.48—1 соответствует корпусу четвертого типа, 41-му подтипу с порядковым номером 13 и 48 выводам. Последняя цифра условного обозначе­ния — порядковый регистрационный номер.

Каждый тип корпуса имеет достоинства и недостатки. Корпус с планарными выводами для установки и монтажа требует на печатной плате почти вдвое больше площади, чем тех же размеров корпус, но с ортогональ­ным расположением выводов. Однако установка таких корпусов возможна с двух сторон платы. Жесткие штыревые выводы с ортогональной ориента­цией относительно плоскости основания позволяют устанавливать микро­схемы на плату без дополнительной поддержки даже при жестких вибрационных и ударных нагрузках. При совместной установке микросхем и ЭРЭ для упрощения монтажных работ следует рекомендовать корпуса со штыре­выми выводами. Пластмассовые корпуса дешевы, обеспечивают относительно хорошую защиту от механических воздействий, но хуже других типов корпусов за­щищают от климатических воздействий, перегрева, значительных механических воздействий [5].

Основной недостаток корпусных микросхем – это сравнительно большой объем вспомогательных конструктивных элементов: корпусов, выводов, элементов герметизации, теплоотвода и т. п., не несущих функциональной нагрузки. Их использование приводит к уменьшению на один-два порядка плотности компоновки элементов по сравнению с плотностью их размещения в кристалле или подложке.

Бескорпусные элементы. Бескорпусная ИС представляет собой изоля-ционную (ситалловую, керамическую или др.) подложку с нанесенной на ней одним из методов интегральной технологии схемой. Наивысшая плотность компоновки ЭС имеет место при использова­нии бескорпусных компонентов. Однако установка и монтаж бескорпусных компонентов не­посредственно на печатной плате не обеспечивают высокой плотности ком­поновки из-за низкой разрешающей способности монтажа (на сегодняшний день возможности печатного монтажа практически исчерпаны). Введение в конструкцию проме-жуточного элемента — подложки — устраняет этот не­достаток.

Бескорпусные активные компоненты фиксируются клеем на подлож­ке, на которой методом тонко- или толстопленочной технологии выполня­ются проводники, контактные площадки цепей входа и выхода, пленочные пассивные компоненты. Подобные конструкции называют микросборками. Фактически микросборки представляют собой бескорпусные гибридные МС индивидуального применения. Интегральные микросхемы микросборок не обязательно должны быть согласованы по входу и выходу. Пассивная часть схемы микросборки обеспечивает необходимую согласованность. По техноло­гии производства микросборки не отличаются от гибридных микросхем, а по функциональной сложности и степени интеграции соответствуют БИС. В отличие от универсальных БИС, используемых в разнообразной аппаратуре, микросборки разрабатывают под конкретную аппаратуру для получения вы­соких показателей ее микроминиатюризации, уменьшения потерь полезного объема аппаратуры. Хотя разрешающая способность толстопленочной тех­нологии ниже тонкопленочной, в ней сравнительно легко удается реализо­вать многослойные конструкции, повысить плотность компоновки.

Высокая насыщенность монтажа достигается использованием новых материалов и увеличением слоев коммутации. Материалом подложек мик­росборок могут быть некоторые виды стекол и керамики. Легкость получе­ния гладких поверхностей и дешевизна являются основными преимущест­вами стекол. Однако низкая теплопроводность, препятствующая рассеива­нию больших мощностей, хрупкость, трудность получения сложных форм подложек ограничивают их применение. Керамику отличают большая меха­ническая прочность, лучшая теплопроводность, хорошая химическая стой­кость, но и повышенная стоимость, и относительно грубая поверхность.

В качестве материалов подложек используются ситалл (материал на основе стекла), поликор (керамика на основе окиси алюминия), гибкие полиимидные пленки. Размеры ситалловых подложек обычно не превышают 48 x 60 мм, поликоровых — 24 x 30 мм.

Для увеличения механической жесткости и тепловой стойкости гибкие пленки чаще всего фиксируют на пластине из алюминиевого сплава. Макси-мальные размеры таких подложек составляют 100 x 100 мм, плотность развод-ки 5 линий/мм (минимальные ширина и зазоры между проводниками по 0,1 мм), шаг внутренних контактных площадок 0,3.. .0,5 мм, внешних — 0,625 мм [5].