ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Брянский государственный технический университет

УТВЕРЖДАЮ Ректор университета

_______ А.В. Лагерев

____________ 2010 г.

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов очной формы обучения специальностей 210106 – «Промышленная электроника»

и 210104 – «Микроэлектроника и твердотельная электроника»

Брянск 2010

УДК 621.382 + 621.3.049.77

Микроэлектроника: методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов очной формы обучения специальностей 210106 – «Промышленная электроника» и 210104 – «Микроэлектроника и твердотельная электроника». – Брянск: БГТУ, 2010. – 42 с.

Разработал: А.А. Малаханов, канд. техн. наук, доц.

Рекомендовано кафедрой «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» БГТУ (протокол № 9 от 18.12.09)

Темплан 2010 г., п. 1

Издательство Брянского государственного технического университета 241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49. Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

4

ВВЕДЕНИЕ

Повышение технического уровня автоматизированных систем управления, средств связи, робототехнических систем привело к глубоким качественным изменениям процессов проектирования и эксплуатации электронных устройств преобразования информации и электроэнергии. Особенностью современного этапа развития электроники является все более тесная интеграция ее с микроэлектроникой.

Знание основ микроэлектроники необходимо инженеру для рационального выбора и применения элементной базы при создании радиоэлектронной аппаратуры, обоснованного задания технических требований на разработку функционально-специализированных изделий микроэлектроники, а также их схемотехнического проектирования.

Целью данных лабораторных работ является ознакомление студентов с конструктивно-технологическими, а также схемотехническими особенностями наиболее широко применяемых интегральных микросхем.

Термины и определения

Микросхема – микроэлектронное устройство, рассматриваемое как единое устройство, имеющее высокую плотность расположения элементов и (или) компонентов.

Интегральная микросхема (ИМС) – микросхема, все или часть элементов которой нераздельно связаны электрически и между собой так, что устройство рассматривается как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы – часть интегральной мик-

росхемы, выполняющая функцию какого-либо радиоэлемента, которая выполнена нераздельно от подложки или кристалла и не может быть выделена как самостоятельное изделие.

Примечание. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и т.п.

Компонент интегральной микросхемы – часть ИМС, реализую-

щая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие; так в полупроводниковой ИМС транзистор является элементом, а в гибридной ИМС компонентом.

Пленочная интегральная микросхема – интегральная микросхема,

элементы которой выполнены в виде пленок. Пленочные ИМС могут быть тонкопленочными и толстопленочными.

5

Тонкопленочная интегральная микросхема – пленочная ИМС с толщиной пленок до 10-6 м. Элементы тонкопленочной ИМС наносятся преимущественно методами термовакуумного осаждения и катодного распыления.

Толстопленочная интегральная микросхема – пленочная ИМС с толщиной пленок свыше 10-6 м. Элементы толстопленочной интегральной микросхемы наносятся на подложку методами трафаретной печати (толстопленочной технологии) путем продавливания паст (проводящих, диэлектрических, резистивных) через специальный сетчатый трафарет. Нанесенные на подложку пасты высушиваются, а затем вжигаются в подложку.

Гибридная интегральная микросхема – интегральная микросхема,

содержащая кроме элементов компоненты и (или) кристаллы. Кристалл – часть полупроводниковой пластины, в объеме и на

поверхности которой сформированы все элементы полупроводниковой интегральной микросхемы.

Корпус интегральной микросхемы – часть конструкции ИМС,

предназначенная для защиты от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями с помощью выводов.

Подложка интегральной микросхемы – заготовка, предназначен-

ная для нанесения на нее гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата интегральной микросхемы – часть подложки (подложка)

гибридной (пленочной) ИМС, на поверхности которой сформированы все пленочные элементы, соединения и контактные площадки.

Контактная площадка – металлизированный участок на плате, служащий для соединения выводов элементов, компонентов, кристаллов, перемычек, а также для контроля электрических параметров и режимов функционирования.

Бескорпусная интегральная микросхема – кристалл полупровод-

никовой ИМС, предназначенный для монтажа в гибридную интегральную схему.

Микросборка – микросхема, состоящая из различных элементов и (или) интегральных микросхем, которые имеют отдельное конструктивное оформление и могут быть испытаны до сборки и монтажа в изделие.

6

Классификация и система обозначений микросхем

Серия интегральных микросхем – совокупность интегральных микросхем, выполняющих различные функции, имеющих единую кон- структивно-технологическую основу и предназначенных для совместного применения в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).

Условное обозначение ИМС состоит из пяти элементов.

Первый элемент – цифра, обозначающая группу микросхем по конструктивно-технологическому исполнению. По этому признаку ИМС подразделяют на три группы, которые обозначаются: полупроводниковые – 1,5,7; гибридные – 2, 4, 6, 8; прочие (пленочные, керамические, вакуумные и др.) – 3.

Второй элемент – две цифры, обозначающие порядковый номер разработки (регистрации) данной серии.

Примечание. Первый и второй элементы (три или четыре цифры) обозначают серию ИМС. Для микропроцессорных ИМС могут быть четыре цифры.

Третий элемент – две буквы, обозначающие подгруппу и вид по функциональному назначению. По характеру выполнения электрических функций микросхемы подразделяются на подгруппы и виды.

Четвертый элемент – цифра, обозначающая порядковый номер разработки микросхемы по функциональному признаку в этой серии.

Пятый элемент – буква, обозначающая различие по какому-либо, параметру одинаковых микросхем (например, по номиналу источника питания).

Если микросхемы выпускают для широкого применения, в их условное обозначение добавляется индекс "К", который ставится в самом начале условного обозначения. Например, гибридная ИМС общего назначения 224 серии, выполняющая функции усилителя низкой частоты, обозначается как К224УН1; полупроводниковая ИМС общего назначения 506 серии, выполняющая логические функции И-ИЛИ-НЕ, обозначается как К506ЛР2Б.

Тип микросхемы – микросхема конкретного функционального назначения, имеющая свое условное обозначение.

Типономинал микросхемы – микросхема конкретного типа, отличающаяся от других ИМС одним или несколькими параметрами.

Для характеристики сложности микросхем используют два параметра: степень интеграции и плотность упаковки.

где N - число элементов полупроводниковой ИМС.

Обычно величину К округляют до ближайшего целого числа по известному правилу.

По степени интеграции микросхемы разделяют:

–на малые интегральные схемы (МИС) – схемы со значением К от 1 до 2;

–большие интегральные схемы (БИС) – схемы со значением К от

3 до 4;

–сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) – схемы со значением К от 5 и выше.

Плотность упаковки W определяют по формуле:

где V – объем микросхемы без учета выводов.

Аппаратура, принадлежности и техника безопасности

Для выполнения лабораторных работ № 1-5 используется следующая аппаратура: лабораторный макет, состоящий из кассет с образцами (кристаллы, микросхемы, пленки и т.п.), микроскопа, соединенного через цифровую фотокамеру с ЭВМ, объектмикрометра, укрупненного технологического маршрута изготовления ИМС и альбомов электрических схем, структур и топологий кристаллов ИМС.

Номер кассеты состоит из двух групп цифр: 1-я цифра в 1-й группе цифр обозначает номер лабораторной работы, 2-я цифра обозначает номер кассеты в данной лабораторной работе; 1-я цифра во второй группе цифр обозначает номер варианта, 2-я цифра обозначает номер образца.

Для выполнения лабораторных работ № 6-8 используется ЭВМ с установленным программным обеспечением для математического моделирования и анализа электронных схем.

Внимание! К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие вводный инструктаж перед началом занятий.

Пластины с образцами микросхем хрупки. После рассмотрения пластин сразу же вставьте их в кассету. Недопустимо касаться поверхности микросхем, окуляров микроскопа и объектива фотоаппарата.

Запрещается включение (выключение) оборудования без разре-

8

шения преподавателя или учебного мастера. О замеченных неисправностях оборудования, а так же п ри получении травм необходимо незамедлительно сообщить преподавателю.

ТРЕБОВАНИЯК ОТЧЕТУ

Отчет по лабораторной работе должен содержать цель работы; краткие теоретические сведения; результаты выполнения задания в форме таблиц, эскизов топологии, электрических принципиальных и функциональных схем, значений расчетных и (или) визуальных оценок, выводов по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №1

ИЗУЧЕНИЕ ГИБРИДНЫХИНТЕГРАЛЬНЫХМИКРОСХЕМ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы – изучение элементной базы, топологии и конструкции гибридных интегральных микросхем (ГИС).

Задачи работы:

1. Изучить типы ГИС и определить их количественные парамет-

ры.

2.При помощи микроскопа, фотокамеры и ЭВМ сфотографировать топологию и обозначить элементы принципиальной электрической схемы.

3.Определить параметры пленочных элементов ГИС.

Продолжительность работы – 4 часа.

2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Внимательно рассмотрите каждую микросхему.

2.Определите тип микросхемы – пленочная или гибридная, тонко- или толстопленочная.

3.По обозначению ГИС определите номер серии.

4.Найдите на ГИС ключ, пассивные, активные, технологические

иконструктивные элементы.

9

5.Определите количественные параметры ГИС – степень интеграции К и плотность упаковки W. Для расчета используйте данные из табл. 1.1.

6.Результаты занесите в форму (табл. 1.2).

Таблица 1.1

Функциональное назначение ГИС

Таблица 1.2

Характеристики и параметры ГИС

7.Приведите эскиз топологии микросхемы и обозначте на топологии элементы принципиальной электрической схемы.

8.Выполните оптические измерения конструктивных параметров пленочных элементов микросхем, для чего необходимо:

10

определить цену деления шкалы окуляра микроскопа по объектмикрометру;

поместить в поле зрения микроскопа топологию измеряемого элемента и выполнить отсчет:

–для резистора – длины l и ширины b;

–для МДП-конденсатора – длины l0 и ширины b0 верхней обкладки;

нанести эти размеры в микрометрах на фотографии топологии. 9. Определите отношение номиналов двух резисторов и емкостей

конденсаторов, используя результаты оптических измерений.

10.Покажите результаты преподавателю и оформите отчет.

3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какими параметрами характеризуются микросхемы?

2.Какие конструкции пленочных резисторов, конденсаторов и индуктивных элементов вам известны?

3.Что такое топология интегральной микросхемы?

4.Что такое активные и пассивные элементы ИМС?

5.Каким требованиям должны удовлетворять подложки микро-

схем?

6.Каково назначение различных типов подложек?

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №2

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы – изучение элементной базы, топологии и конструкции полупроводниковых интегральных микросхем схем(ПИМС).

Задачи работы:

1.Изучить конструкцию семи типов полупроводниковых ИМС по заданному варианту.

2.Изучить конструкцию и зафиксировать эскизы топологии трех активных и одного пассивного элементов полупроводниковых ИМС по заданному варианту.