1.3 Корпуса микросхем.

Каждый вид корпуса характеризуется габаритными и присоединенными размерами, числом выводов и расположением их относительно плоскости основания корпуса. Выводы ИС могут лежать в плоскости основания корпуса (планарные выводы) или быть перпендикулярными ему (штыревые выводы). Планарные выводы по сечению, как правило, прямоугольные, штыревые – круглые или прямоугольные.

Интегральные микросхемы выпускаются в корпусах и в бескорпусном вариантах.

В соответствии с ГОСТ 17467-88 корпуса ИС делятся на 6 типов.

Условные обозначения корпуса микросхемы состоит из шифра типоразмера, включая поджим корпуса и двузначное число, обозначающее порядковый номер типоразмера, цифрового индекса, порядкового регистрационного номера. Вводится также буквенное обозначение в соответствии с латинским алфавитом.

Типы и подтипы определяются:

1) формой проекции тела корпуса на плоскость основания.

2) по положению выводов корпуса.

Шаг позиций выводов имеет размеры от 0.625 до 2.5 мм.

Выводы корпусов в поперечном сечении могут быть круглыми, квадратными или прямоугольными.

Корпуса, разработанные до 1989 года, имеют старые условные обозначения.

Например: 201.14-2 – прямоугольный, тип 2, типоразмер 01, 14 выводов, 2 модификация. Поэтому в механической документации встречаются и старые и новые обозначения, а иногда и нестандартные до разработки ГОСТа на корпуса.

1.4 Параметры микросхем.

Каждая микросхема оценивается рядом параметров, обусловленных внутренней структурой и конструктивным исполнением. Некоторые из этих параметров касаются конкретной микросхемы, другие характеризуют все изделия данной серии. Если в условиях эксплуатации эти параметры будут выдержаны, завод изготовитель гарантирует нормальную работу микросхем. Значения параметров, как правило, задаются с запасом и не исчерпывают физических возможностей микросхемы, однако превышать их не следует, особенно те, от которых зависят работоспособность и надежность приборов.

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам:

1) быстродействию (задержка переключения);

2) напряжению питания;

3) потребляемой мощности;

4) коэффициент разветвления по выходу;

5) коэффициент объединения по входу;

6) помехоустойчивости;

7) энергии переключения;

8) надежности;

9) стойкости к климатическим и механическим воздействиям.

Рис. 1 Оценка задержки сигналов.

а) Входной импульс;

б) выходной импульс и инверсный;

в) выходной импульс без инверсий.

Быстродействие характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование. Это один из важнейших параметров, так как он определяет время обработки информации.

Инерционность полупроводниковых приборов и емкости служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронт импульсов растягивается. Когда частота смены входных сигналов невелика, можно считать, что переключение происходит мгновенно, а при повешенных частотах приходится считаться с искажениями импульсов. Фронты искаженных прямоугольных импульсов представляют собой участки кривых, но для простоты их принято заменять кусочками прямых.

Для оценки временных свойств микросхем существует несколько параметров, на практике обычно пользуются так называемой задержкой распространения сигнала, которая представляет собой интервал времени между входным и выходным импульсами, измеренными на уровне 0.5 времени задержки распространения сигнала при включении t^1.0t при выключении t^0.1 близки, но не равны. Обычно пользуются усредненным параметром.

, которое называют средним временем задержки распространения.

Вкл.-выкл. – ;

Выкл.-вкл. – ;

- используют при расчете временных характеристик цепочек соединенных последовательно. По этому параметру ИС можно разделить на:

1) Сверхбыстродействующие – <5 нс, Р_потерь = 50..100 мВт

2) Быстродействующие – 50.. 10 нс, Р_потерь = 20..50 мВт

3) Среднего – 10..100 нс, Р_потерь = 1..30 мВт

4) Малого – 100 и > нc, Р_потерь = 1 мВт

Иногда пользуются близкими параметрами – временем, задержкой включения t^1.0 и выключения t^0.1, они измеряются на уровнях 0.1 и 0.9 соответственно.

К_раз – логического элемента определяет максимальное число идентичных элементов, которое может быть подключено к выходу данной схемы. При этом должна обеспечиваться устойчивая передача сигналов «0» или «1» при воздействии дестабилизирующих факторов: изменение температуры, уменьшение номиналов источника питания в пределах допустимого.

Нагрузочная способность выражается целым положительным числом (К_раз = 2,4,6,10 и т. д.). Чем выше нагрузочная способность элемента, тем выше его логические возможности, тем меньше требуется для построения вычислительного устройства. Однако увеличивать бесконечно параметр К_раз нецелесообразно, т.к. это ведет к снижению быстродействия, увеличению мощности потребления, ухудшению частотных характеристик и помехоустойчивости.

Поэтому в состав серии ИС входят обычно элементы с низкой нагрузочной способностью (К_раз=2..10 основные логические элементы) и с высокой нагрузочной способностью (К_раз=20..50). Это дает возможность разработчику проектировать военную технику с оптимальным соотношением между потребляемой мощностью и количеством ИС в машине.

ИС с низкой нагрузочной способностью (К_раз=2..10 основные логические элементы).

Более мощные схемы обладают повышенным по сравнению с маломощными схемами быстродействием. Снижение микросхемами мощности потребления при сохранении высокого быстродействия – одна из задач микроэлектроники.

P_пот – средняя мощность потребления, важнейший параметр ИС.

Лог. ИС может находиться:

1) в стадии включения;

2) в состоянии "Включено";

3) в состоянии "Выключено";

4) в состоянии выполнения.

Каждое из этих состояний характеризуется различной мощностью потребления. При этом в зависимости от места логического элемента мощность потребления будет происходить в основном при переключении из одного состояния в другое для одного типа элементов и в состоянии "Вкл". Р_вкл для другого типа элементов характеризуются средним значением Р_потр.

–в состоянии "Выкл"

–в состоянии "Вкл".

По мощности потребления ИС делят на:

Мощные – 30 мВт < Р_пот.ср. < 300мВт;

Средние – 3 мВт < Р_пот.ср. < 30 мВт;

Маломощные – 0.3 мВт < Р_пот.ср. < 3 мВт;

Микроваттные – 1 мкВт < Р_пот.ср. < 300мкВт;

Нановаттные – Р_пот.ср. < 1 мкВт.

Используются некоторые дополнительные временные параметры, обусловленные принципом действия. Например: время задержки переключения, максимальная частота переключения и другие.

Коэффициент разветвления по выходу (коэффициент нагрузки).

К_раз – характеризует нагрузочную способность микросхемы. Этот параметр определяет максимальное число выходных элементов данной серии, которыми можно нагружать выходы микросхемы без нарушения ее нормального функционирования.

Коэффициент объединенный по выходу (К_об) – определяет максимально возможное число входов ИС, по которым реализуется логическая функция.

Для простейших логических элементов это число равноценных входов по И либо ИЛИ. Логические элементы массового производства выпускаются с 2,3,4 и 8 выходами. Когда возникает надобность в большем числе входов, применяют специальные ИС – расширители числа входов, которые не имеют самостоятельного применения, либо используют несколько однотипных элементов, которые соединяют с учетом законов булевской алгебры.

Более сложные устройства имеют и другие выходы: адресные, упаковочные, разрешающие, входы синхронизации и так далее. По отношению к индивидуальным каскадам каждый такой вход обычно представляет такую же нагрузку как и логические (информационные) входы. Увеличение К_об ведет к потере частотных характеристик, уменьшению помехоустойчивости, увеличению мощности потребления.

Помехоустойчивость или, как ее еще называют, шумовой иммунитет определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и непосредственно связана с ее передаточной характеристикой.

Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность которых больше времени переходных процессов, а динамическую – с кратковременными помехами. Для обоих видов помехоустойчивости может учитываться воздействие напряжение низкого и высокого уровней.

Статической помехоустойчивостью по низкому уровню:

где – максимально допустимое напряжение низкого уровня на выходе нагрузочной микросхемы.

–максимально допустимое напряжение низкого уровня на входе нагружающей ИС.

–отпирающая помеха.

Помехоустойчивость по высокому уровню:

здесь – напряжение высокого уровня на выходе нагруженной ИС.

–минимальное допустимое напряжение высокого уровня на нагружающем выходе.

–запирающая помеха.

Так логическая ИС может находится в одном из двух устойчивых состояний, то различают:

1) Помехоустойчивость закрытой схемы по отношению к отпирающим помехам.

2) Помехоустойчивость открытой схемы по отношению к запирающим помехам.

Часто используют не абсолютные значение напряжений максимально допустимых помех по входу, а их отношение к минимальному перепаду напряжения на выходе элемента при его переключении.

–коэффициент статической помехоустойчивости.

Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищенности микросхем от помех.

Динамическая помехоустойчивость выше, чем статическая, так как при кратковременных помехах сказываются паразитные емкости и инерционные процессы в микросхеме.

Динамическая помехоустойчивость в справочных данных не указывается, так как зависит не только от типа микросхемы, но и от условий ее разработки.

Энергия (работа) переключения определяется как

–средняя потребляемая мощность.

–среднее время задержки распространения.

Параметр характеризует качество разработки и исполнения микросхемы.

Для большинства семейств цифровых микросхем энергия переключения находится в пределах от 0.1 до 500 пДж. Чем меньше этот параметр, тем выше качество разработки. С другой стороны для микросхем с высокой помехоустойчивостью большая энергия является благом, так как импульсы помех даже большей амплитуды, но недостаточной энергии не создают ложных срабатываний.

Надежность характеризуется 3 взаимосвязанными показаниями:

1) Интенсивностью отказов X;

2) Наработкой на отказ Т;

3) Вероятностью безотказной работы P(t) в течение заданного времени t.

В ИС отсутствует перегрев, они мало подвержены вибрации и ударам, технология производства обеспечивает высокое качество продукции, и поэтому их надежность во много раз выше, чем у изделий, собранных из отдельных деталей.

Стойкость микросхем к механическим и климатическим воздействиям очень высока. Они способны работать нормально при интенсивных механических нагрузках и в неблагоприятных условиях: при повышенной влажности (до 98% при 25°С) и в большом температурном диапазоне (от -10 до +70°С для ИС широкого применения и от -60 до +125°С - специального).

Кроме того, когда это требуется, учитываются такие микросхемы, число изделий в серии, особые условия эксплуатации, возможность сопряжения с изделиями других серий и другие показания.