Вопрос 36. Интегральной микросхемой

Интегральной микросхемой, или сокращено ИМС, называют монолитное изделие, предназначенное для исполнения функций заданного каскада или целой системы, компоненты которого соединены между собой определенным образом, и которые нельзя отделить один от другого демонтажными операциями.

Микроэлектроника – это одно из направлений электроники, которое призвано создать миниатюрную высоконадежную аппаратуру с малой потребляемой мощностью, низкой стоимостью и прочим.

Различают аналоговые микросхемы, которые непрерывно отслеживают и воздействуют на сигнал, и цифровые микросхемы, которые дискретно преобразуют и обрабатывают информацию.

Микроэлектроника является новым направлением электроники, позволяющим с помощью сложного комплекса физико-химических, технологических, конструктивных и схемотехнических методов решить проблему создания высоко надежных и экономичных элект­ронных элементов и устройств.

В соответствии с принятой терминологией микросхема — это микроэлектронное изделие, имеющее плотность монтажа не менее пяти элементов в одном кубическом сантиметре объема, занимае­мого схемой, и рассматриваемое как единое конструктивное целое.

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

Гибридная интегральная микросхема — это интегральная мик­росхема, часть элементов которой имеет самостоятельное конструк­тивное оформление.

Полупроводниковая интегральная микросхема — интегральная микросхема, элементы которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводникового материала.

В зависимости от количества элементов в схеме различают:

1. ИМС первой степени интеграции, содержащие до 10 элементов;

2. ИМС второй степени интеграции, содержащие от 10 до 100 элементов;

3. ИМС третьей степени интеграции, содержащие от 100 до 1000 элементов и т. д.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов принято называть большими интегральными схемами (БИС).

Повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеют определенные пределы. Интеграция свыше нескольких десятков тысяч элементов оказы­вается, экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой. Поэтому весьма перспективным направлением дальнейшего развития электронной техники является функциональная микроэлектроника, позволяющая реализовать определенную функ­цию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов. В функциональной микроэлектронике используются разнообраз­ные физические явления, положенные в основу оптоэлектроники, акустоэлектроники, криоэлектроники, хемотроники, магнетоэлектроники и др.

В таблице 1 приведена классификация ИС по степени интеграции в зависимости от типа ИС и применяемого класса транзисторов.

Таблица 1.

Наименование ИС	Тип ИС	Класс транзистора	Число элементов на кристалле
ИС	Цифровая Аналоговая	Биполярный Униполярный Биполярный	1…100 1…30
СИС (средняя ИС)	Цифровая Аналоговая	Униполярный Биполярный Униполярный Биполярный	101…1000 101…500 31…100
БИС (большая ИС)	Цифровая Аналоговая	Униполярный Биполярный Униполярный Биполярный	1001…10000 501…2000 101…300
СБИС (сверхбольшая ИС)	Цифровая Аналоговая	Униполярный Биполярный Униполярный Биполярный

2. Гибридная интегральная микросхема.

В современных гибридных интегральных схемах пассивные эле­менты (резисторы, конденсаторы, контактные площадки и внутри-темные соединения) изготавливают путем последовательного наращивания на подложку пленок из различных материалов, а активные элементы (диоды, транзисторы и др.) выполняют в виде отдельных (дискретных) навесных деталей (в миниатюрном или бескорпусном оформлении).

В зависимости от толщины пленок различают толстопленочные (1, 25 мкм часто достигающих 20 мкм) и тонко пленочные гибридные микросхемы (до 1 мкм). Существенным недостатком толстопленочных микросхем является нестабильность номинальных значений величин пассивных микро­элементов и относительно низкая плотность монтажа. Тонкие пленки обеспечивают плотность монтажа до 200 элементов/см³ и высокую точность элементов.

Основными конструктивными элементами гибридной интеграль­ной микросхемы являются:

1. подложка, на которой размещаются пассивные и активные эле­менты;

2. пассивная часть с планарным (в одной плоскости) расположе­нием пленочных проводников, контактных площадок, резисторов и конденсаторов;

3. навесные бескорпусные полупроводниковые приборы с гибкими проволочными выводами или с жестко фиксированной системой вы­водов:

4. навесные миниатюрные пассивные элементы (конденсаторы больших номиналов, трансформаторы, дроссели), которые применяются как исключение;

5. корпус для герметизации микросхемы и закрепления ее выводов.

Подложки. В качестве материала подложки наиболее часто используют стекло и керамику, также сапфир и ситалл. Выбор этот обусловлен малой удельной электропроводностью, химической стойкостью и высокой электрической прочностью.

Всегда обладают прямоугольной конфигурацией и толщиной порядка от 0, 2 мм до 1 мм. Подложки не должны вступать в химические реакции с материалами пленок, обязаны обладать низкой степенью шероховатости поверхности, должны обладать высоким электрическим сопротивлением.

Нанесение пленок на подложку осуществляют через трафарет, называемый маской. Выполнение пленочных конденсаторов и особенно катушек индуктивности по очень весомым причинам не рекомендуют, однако в отдельных случаях без них все же не обойтись.

Для обеспечения хорошего сцепления пленок с подложкой последние подвергаются тщательной полировке, травлению в кислотах и промывке. Кроме того, перед нанесением пленок подложки очищают путем ионной бомбардировки непосредственно в установке для напыления.

Проводники и контактные площадки. Проводники служат для соединения отдельных элементов микросхемы друг с другом, а контактные площадки – для соединения пленочных и навесных элементов с проводниками, а также для связи с внешними выводами микросхемы.

Толстопленочные контактные площадки выполняют, например, вжиганием паст, содержащих алюминий, медь, тантал или в редких случаях золото. Чтобы улучить адгезию металлических покрытий к подложке, на ней сначала формируют промежуточный слой никеля, который обладает лучшей адгезией, чем другие металлы, а уже на этот слой наносят требуемый материал.

Основными требованиями к пленочным проводникам и контактным площадкам являются: высокая электрическая проводимость; хорошая адгезия к подложке и хорошая способность к пайке или к сварке; малое переходное сопротивление между проводящим слоем и другими элементами микросхемы; химическая инертность по отно­шению к другим слоям.

Для напыления проводников и контактных площадок рекомен­дуются золото, серебро, медь, алюминий и никель. Для улучше­ния адгезии токопроводящих материалов к подложке напыляют подслой хрома, титана, молибдена, железа и др.

В конструкции пленочной микросхемы часто возникает необхо­димость пересечения одного проводника с другим. Пересечение представляет собой, по существу, микроконденсатор, так как между проводниками возникает паразитная емкостная связь. Для изоля­ции между проводниками применяется в большинстве случаев двуоокись кремния и халькогенидное стекло. Каждое пересечение должно иметь сопротивление проводников не более 0, 8 Ом/см, а емкость не более 2 пФ.

Минимально допустимые размеры контактной площадки, предназначенной для контроля номиналов пленочных элементов, состав­ляют 0, 3 X 0, 3 мм, для подпайки навесных элементов — 0, 7 X 0, 7 мм, для сварки 0, 4 X 0, 4 мм. Минимально допустимые рас­стояния между контактными площадками 0, 5 мм. Контактным пло­щадкам рекомендуется придавать наиболее простую форму, например Г-, Т- и П-образную.

Резисторы. Пленочные резисторы изготавливаются из материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением и низ­ким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС): хрома, нихрома, тантала, металлокерамики, специальных проводящих красок на основе углерода и др.

Обычно пленочные резисторы имеют прямоугольную форму, а также в виде меандра. Для получения стабильных пленочных сопротивлений толщина пленки берется 0, 01...1 мкм. Очень тонкие пленки (0, 005 мкм) значительно изменяют свои параметры в процессе изготовления и эксплуатации схемы. Кроме того, последующее воздействие воздуха вызывает поверхностное их окисление, которое приводит к изменению сопротивления. В более толстых пленках это окисление сказывается меньше. Однако пленки толщи­ной более 1 мкм не обеспечивают достаточно прочного сцепле­ния с подложкой.

С целью повышения сопротивления резистора его выполняют в виде соединенных друг с другом многочисленных элементарных одинаковых участков Г-образной или П-образной конфигурации, которые повторяют до тех пор, пока не будет получено необходимое сопротивление, что показано на рис.1.

Конденсаторы. Пленочные конденсаторы состоят из трех слоев: двух металлических обкладок (электродов) и диэлектрического слоя между ними. В качестве материалов обкладок чаще всего используют алюминий, а также золото, серебро, тантал, медь и ДР. Диэлектриками служат моноокись кремния, моноокись германия, пятиокись тантала, боросиликатное и алюмосиликатное стекло и т.д. Емкость пленочных конденсаторов обычно составляет от 10 пФ до 20 нФ.

Индуктивности. В тонкопленочных схемах применяют пленочные индуктивности в виде однослойной спирали. В качестве материала спирали используют золото, так как оно обладает хорошей проводимостью. Наиболее целесообразная форма индуктивности – квадратная. Поскольку изготовление тонко пленочных индуктивностей связано с большими трудностями, в тонко пленочных схемах применяют главным образом дискретные микро катушки индуктивности с сердечником из порошкового железа или специальных ферритов. Индуктивность таких пленочных катушек не превышает 10 мкГн.

Активные элементы. Изготовление активных компонентов наслоением пленок вызывает большие трудности.

В гибридных интегральных микросхемах в качестве активных элементов применяют дискретные полупроводниковые приборы. По способу герметизации они делятся на бескорпусные и корпусные. Так как бескорпусные приборы имеют малые габариты и массу, применение их в гибридных интегральных микросхемах следует считать наиболее целесообразным и перспективным.

Конденсаторы с емкостью более 20 нФ и катушки индуктивности обычно не выполняют на подложке ГИС, а задействуют как навесные компоненты. В больших ГИС – сокращенно БГИС – в качестве внешних деталей применяют бескорпусные полупроводниковые микросхемы.

По способу монтажа в микросхему бескорпусные полупровод­никовые приборы можно разделить на две группы: приборы с гиб­кими выводами и приборы с жесткими объемными выводами.

Диаметр проволочных выводов составляет обычно 30—40 мкм. Выводы к контактным площадкам подсоединяются различными методами, главными из которых являются термокомпрессионный и ультразву­ковой. Метод термокомпрессии основан на одновременном воздействии тепла и давления на область контакта. Метод ультразвуковой сварки основан на одновременном воздействии колебаний ультразвуковой частоты, возбуждающих в свариваемых деталях, и давления в области сварки.