8

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения курса «Проектирование и конструирование интегральных микросхем» студентами специальностей, связанных с разработкой интегральных устройств твердотельной электроники и содержит основные разделы изучаемой дисциплины. В по-

собии рассматриваотся вопросы проектирования гибридных микросхем, полупроводниковых микросхем на биполярных и МДП-транзисторах, базовых матричных кристаллов, элементов постоянных запоминающих устроиств. При разработке учебного пособия ставилась задача достаточно полного и доступного изложения материала. Здесь содержатся данные, необходимые для выполнения студентами курсового проекта по разработке топологии интегральной микросхемы.

Для успешного изучение курса необходимо также знание основ полупроводниковой технологии и принципов работы полупроводниковых приборов.

9

1 ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Интегральная микросхема (ИМС) – это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле. Термин «интегральная микросхема» отражает суммирование, объединение значительного числа элементов и соединяющих их проводников в единую конструкцию (конструктивная интеграция), выполнение функций преобразования более сложных по сравнению с функциями отдельных дискретных приборов (схемотехническая интеграция), создание одновременно всех элементов и межэлементных соединений в едином технологическом цикле(технологическая интеграция). Микросхемы изготовляют групповым методом по материалосберегающей технологии, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем.

По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные.

В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки. На рис. 1.1 а, б показаны два варианта изготовления фрагмента полупроводниковой интегральной схемы (ИС), содержащего транзистор, два резистора и конденсатор. В первом варианте транзистор, оба резистора и одна из обкладок конденсатора сформированы в полупроводниковой подложке. Во втором варианте все пассивные элементы выполнены по тонкопленочной, а транзистор по полупроводниковой технологии.

Элемент интегральной микросхемы– это ее неотделимая составная часть, выполняющая какую-либо функцию. Поэтому транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы микросхемы называют интегральными, в отличие от отдельно изготовляемых транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов, которые в этом случае называют дискретными.

10

Рис. 1.1 - Варианты конструктивно-технологического исполнения интегральных микросхем: а - полупроводниковая; б – совмещенная;

в– гибридная; г – схема электрическая принципиальная; 1-4 – выводы

иконтактные площадки; 5 – подложка; 6 – резисторы; 7 – транзисторы;

8 – конденсаторы; 9 – пленка

По типу используемых основных активных элементов полупроводниковые микросхемы подразделяют на биполярные и полевые (на МДП-транзисторах). Выпускаются также комбинированные биполярно-полевые полупроводниковые микросхемы, в которых, наряду с биполярными, используются и полевые транзисторы с p-n-переходом, характеризующиеся высоким входным сопротивлением и низким уровнем шумов.

В пленочной интегральной микросхеме все элементы и со-

единения между ними выполнены в виде пленок. В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и индуктивности.

В зависимости от толщины пленок и способа создания элементов микросхемы подразделяют натонко- и толстопленочные. К первым относят микросхемы, толщина пленок в которых не превышает 1мкм. (Проводящая металлическая пленка называется тонкой, если ее толщина меньше длины свободного пробега в ней электронов.) Тонкопленочные элементы формируют различными методами: термического испарения материалов в вакууме, электрохимического осаждения из газовой фазы.

логии в пластине кремния, а часть пассивных элементов– по тонкопленочной технологии. Пассивные элементы располагают на гладких поверхностях защитного диэлектрика, не содержащих ступенек. Необходимость создания совмещенных микросхем вызвана тем, что тонкопленочные резисторы по сравнению с полупроводниковыми обладают более высокими номиналами сопротивлений и точностью изготовления, меньшими величинами паразитных параметров, низким термическим коэффициентом сопротивления, а тонкопленочные конденсаторы, в отличие от полупроводниковых, могут работать при любой полярно-

сти. При производстве совмещенных микросхем приходится вводить дополнительные операции нанесения тонких пленок и принимать дополнительные меры защиты тонкопленочных резисторов.

В гибридной микросхеме в качестве активных элементов используются навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов – пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники. Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка. Довольно часто в составе гибридной микросхемы используют не только пленочные, но и миниатюрные дискретные конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы. Их называют навесными компонентами. Этим подчеркивается, что они изготавливаются отдельно и представляют собой самостоятельные изделия, которые могут приобретаться изготовителем гибридных микросхем как покупные изделия.

Частью конструкции микросхемы является ее подложка. Она выполняет функции: механического основания, изоляции элементов друг от друга, теплоотвода. Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин. Для полупроводниковых микросхем используют монокристаллические полупроводниковые (кремний, арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир, шпинель) подложки. На последних в дальнейшем формируют слой полупроводникового

12

материала, в котором создают элементы микросхем. Их круглая форма определяется способом получения монокристаллических слитков методом вытягивания их из расплава. Для тонкопленочных и гибридных микросхем используют подложки из стекла, стеклокристаллического материала (ситалла) и керамики.

Часть подложки, отведенную под одну микросхему, отделенную от других частей вместе со сформированными на ней элементами, в полупроводниковой технологии называют кристаллом, а в пленочной технологии – платой.

В настоящее время микросхемы выпускают в корпусном и бескорпусном исполнениях. Корпуса герметичны и защищают микросхемы от воздействия окружающей среды. Бескорпусные микросхемы предназначены для работы в составе радиоэлектронных устройств, которые целиком размещаются в герметизируемых объемах. Их покрывают лаком или заливают компаундами для защиты от внешних воздействий.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, то она называется цифровой (логической). К аналоговым относятся микросхемы, предназначенные для преобразования и обработки сигнала, изменяющегося линейно.

Показателем сложности микросхемы являетсястепень интеграции K, которая характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентовN:K=lgN, где K округляется до ближайшего большего целого числа.

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные (в том числе, гибридные). По степени интеграции полупроводниковые микросхемы на биполярных транзисторах уступают интегральным микросхемам на МДП-транзисторах.

По применимости в аппаратуре различают микросхемы заказные, полузаказные и общего назначения. К заказным относятся микросхемы, созданные по функциональной схеме заказчика и предназначенные для определенной радиоэлектронной аппаратуры. К полузаказным относятся микросхемы, разработанные на основе базовых матричных кристаллов (БМК),

13

имеющих набор электрически соединенных и не соединенных элементов, и предназначенных для определенных РЭА. К ИМС общего назначения относятся микросхемы, предназначенные для многих видов РЭА, в том числе и бытового назначения.

Микросхемы выпускаются в виде серий, к которым относится ряд типов микросхем с различным функциональным -на значением, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного использования. Каждый тип микросхем имеет свое условное обозначение. Система условных обозначений(маркировка) микросхем, выпускаемых отечественными предприятиями для устройств широкого применения, состоит из шести элементов.

Например: К Р 1 118 ПА 1Б

1 2 3 4 5 6

1 – элемент показывает, что микросхема предназначена для устройств широкого применения;

2 – характеристика материала и типа корпуса: E – металлополимерный корпус;

P – пластмассовый корпус с двухрядным расположением выводов;

M – металлокерамический или керамический корпус; C – стеклокерамический корпус;

Б – бескорпусные микросхемы;

3– элемент (одна цифра) указывает группу микросхемы по коструктивно-технологическому признаку:

1, 5, 6, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 8 – гибридные;

3– прочие;

4– элемент (две или три цифры) определяет порядковый номер разработки серии;

5– элемент (две буквы) определяет функциональное назначение схемы;

6– порядковый номер разработки внутри серии. Следующие затем буквы от А до Я указывают допуск на разброс по электрическим параметрам.