Лекція 6 інтегральні мікросхеми та оптоелектронні прилади

6.1 Інтегральні мікросхеми

Інтегральна мікросхема (ІМС) - це виріб, який виконує певну функцію перетворення і обробки сигналу, має велику щільність упакування електрино з'єднаних елементів, що являють собою єдине ціле, виготовлені в єдиному технологічному процесі і розміщені в єдиному, герметизованому корпусі.

Переваги апаратури на ІМС:

1. Висока надійність і технологічність. Застосування ІМС різко зменшує витрати праці на зборку і монтаж апаратури, зменшує кількість паяних з'єднань, — найменш надійних елементів електронної апаратури.

2. Мала маса і габарити.

3. Скорочення часу на розробку виробу, оскільки застосовуються готові вузли та блоки.

4. ІМС випускаються масово і тому відносно дешеві.

Майже всі сучасні пристрої інформаційної електроніки створюються на базі ІМС, які можна поділити на напівпровідникові і гібридні.

На рис. 6.1 зображено креслення зовнішнього вигляду стандартної ІМС на 16 виводів. Приклад фрагменту напівпровідникової ІМС показано на рис. 6.2. На рис. 6.2, а показана частина електронної схеми, яка складається з резистора, діода та біполярного транзистора, а на рис. 6.2, б - розріз напівпровідникового кристалу, в товщі якого вміщені вказані схемні елементи. Ізоляція елементів один від одного створюється за допомогою р - n-переходів подачею на підложку p-типу найбільшого від'ємного потенціалу. Поверхня напівпровідника покрита ізоляційним шаром його окислу, який за своїми властивостями є діелектриком. В потрібних місцях окисел протравлений і поверхня кристалу покрита золотою або алюмінієвою плівкою, яка забезпечує з'єднання між елементами. З'єднання ці виготовляють шляхом вакуумного напилення через маску відповідної форми. Готовий кристал розміщують у герме­тизованому металевому або пластмасовому корпусі з виводами у зовнішнє коло. З'єднання мікросхеми із зовнішніми виводами здійснюють золотими або алюмінієвими провідниками діаметром біля 10 мкм.

Рис. 6.1 Інтегральна мікросхема

Рис. 6.2 Фрагмент інтегральної мікросхеми

Виготовлення таких ІМС дуже складне. Тому їх випуск може бути налагодже­ний тільки на великих спеціалізованих підприємствах на базі добре автоматизованої якісної технології. Витрати на розробку нового типу ІМС великі, тому економічно виправдовується лише випуск їх великими серіями по 10⁴ екземпляри і більше. Маса і габарити таких ІМС дуже малі. Щільність упакування елементів в ІМС може досягати до 500 ел/см³ і більше. При кількості елементів N > 10³ ІМС називають великою інтегральною схемою (ВІС). Середній термін безвідмовної роботи пристрою, який містить 10⁸-10⁹ елементів досягає 5-10 тисяч годин.

Гібридні ІМС створюються на базі плівкової технології. За допомогою плівок товщиною біля одного мікрометра створюються резистори (рис. 12.23, а) з опором до 10⁵ Ом, плівкові конденсатори (рис. 6.3, б) з ємністю до 10000 пФ та дроселі (рис. 6.3, в) з малою індуктивністю не більше 10 мкГн. Безкорпусні напів­провідникові прилади, конденсатори великих номіналів і магнітні елементи вико­нуються навісними і приклеюються до плати в певних місцях. Плата з плівковими та навісними елементами розташовується в герметизованому корпусі з певною

кількістю виводів.

Масогабаритні показники гібридних мікросхем гірші, ніж у напівпровідникових, але технологія їх виготовлення значно простіша, а вартість розробки менша. їх можна випускати малими серіями для рішення локальних задач.

Рис. 6.3 Приклади плівкової технології

Функції перетворення та обробки сигналів, що їх виконують ІМС, дуже різно­манітні. Прикладами таких функцій можуть бути перетворення аналогової інформації (тобто неперервного сигналу постійної напруги на вході) у цифрову форму (тобто у відповідне число, код якого виставляється на виходах ІМС) і зворотне перетворення цифрового сигналу в аналоговий сигнал; перетворення частоти в постійну напругу; перетворення постійної напруги у змінну з певною частотою; перетворення постійної напруги у змінну трифазну напругу певних частот для керування електричними мікродвигунами; перетворення інтенсивності світлового сигналу в час експозиції фото­матеріалів і т. п. На базі ІМС виготовляють також операційні підсилювачі, логічні та цифрові пристрої.

В останні роки створені ВІС, які не втрачають своєї універсальності. Це програмовані ІМС. Користувач може по-різному використовувати такі ІМС, запрогра­мувавши її функції. До таких ІМС відносяться постійні запам'ятовуючі пристрої (ПЗП) програмовані інтерфейси, програмовані контролери та мікропроцесорні пристрої на базі відповідних комплексів ІМС.