![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
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.
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.
|