Плівкова інтегральна мікросхема - всі елементи та міжелементні з'єднання виконані у вигляді плівок:
- товстоплівна інтегральна схема;
- тонкопленочна інтегральна схема.
- Мікрозбірка (гібридна мікросхема) містить безкорпусні діоди, транзистори, у тому числі і безкорпусні інтегральні мікросхеми.Пасивні компоненти (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) зазвичай виготовляються методами тонкоплівкової або товстоплівкової технологій на загальній (як правило, керамічній) підкладці гібридної мікросхеми. Вся підкладка з компонентами міститься в єдиний герметизований корпус.
- У ряді гібридних мікросхем можна виділити суміщені мікросхеми, які крім напівпровідникового кристала містять тонкоплівкові (товстоплівкові) пасивні елементи, розміщені на поверхні кристала. Поєднані мікросхеми виготовляють у тому випадку, коли необхідні високі номінали та висока стабільність резисторів та ємностей. Ці вимоги легше забезпечити у вигляді плівкових елементів, ніж напівпровідникових.
На вигляд оброблюваного сигналу
Аналогові мікросхеми поділяються на дві групи. До першої групи відносяться мікросхеми універсального призначення: операційні підсилювачі, матриці транзисторів, діодів і так далі, до другої спеціалізовані аналогові ІС.
Цифрові мікросхеми призначені для реалізації логічних функцій та виконання обчислювальних операцій. Вхідні та вихідні сигнали таких мікросхем мають два значення: логічний нуль або логічна одиниця, кожному з яких відповідає певний рівень напруги.
Технологія виготовлення
Можна виділити такі основні технологічні етапи під час виробництва напівпровідникових інтегральних схем методом фотолітографії [9] :
- Виготовлення монокристалу. Дуже чистий кристалічний кремній (або інший напівпровідниковий матеріал, необхідний виготовлення інтегральних схем), вирощується у вигляді циліндра, з якого потім нарізаються пластини діаметром 60 — 150 мм і товщиною 0,2 — 0,4 мм.
- Після різання на пластинах утворюються дефекти та нерівності, для усунення яких пластини шліфують та полірують. Нерівності поверхні не повинні бути більшими за 4 мкм.
- Наступним етапом є формування шарів методом фотолітографії. На пластині спочатку утворюється шар оксиду кремнію, для чого в спеціальній герметичній камері при температурі близько 1000 °C пластина з одного боку обдувається потоком кисню, що призводить до утворення і нарощування шару оксиду кремнію. Далі наноситься шар фоторезиста - спеціального матеріалу, що змінює свої властивості під дією ультрафіолетових променів. Після нанесення фоторезиста його засвічують через спеціальну маску, яка містить необхідний малюнок елементів мікросхеми. Далі проводиться процес прояву та закріплення засвіченого шару фоторезиста методом теплової полімеризації.
- Далі йде процес травлення, де під дією спеціальних речовин видаляються незасвічені ділянки фоторезисту та оксиду кремнію. Пластини промиваються.
- Після промивання пластини направляють у дифузійну камеру, де на відкриті ділянки кремнію впливають потоком іонів речовини з іншим типом провідності. На кристалі формуються кишені з акцепторною чи донорною домішкою, що дозволяє відповідно до схеми сформувати потрібні елементи (транзистори, діоди тощо).
- Подальшим етапом є поділ пластини з вирощеними мікросхемами на окремі чіпи та встановлення їх у корпус.
Переважна більшість активних елементів сучасних цифрових мікросхем виготовляється за технологією КМОП (комплементарна структура метал – оксид – напівпровідник, англ.CMOS, complementary metal–oxide–semiconductor), яка передбачає використання польових транзисторів із ізольованим затвором з каналами різної провідності. Відмінною особливістю схем КМОП у порівнянні з біполярними технологіями (ТТЛ та ін) є дуже мале енергоспоживання у статичному режимі. Найчастіше вважатимуться, що енергія споживається лише під час перемикання логічних станів.
Типи виконання інтегральних мікросхем
За типом виконання інтегральні мікросхеми випускаються у двох конструктивних варіантах - корпусному та безкорпусному. Безкорпусна мікросхема (англ. unpackaged microcircuit) є відкритим кристалом, призначеним для монтажу в гібридну мікросхему або мікроскладання. Для захисту від зовнішніх впливів кристал зазвичай покривають лаком чи заливають компаундом.
Типи корпусів мікросхем
Найраніші інтегральні схеми упаковувалися в плоскі керамічні корпуси. Такий тип корпусів широко використовувався через його надійність і невеликий розмір. Надалі отримали розвиток корпусу DIP (англ. Dual In-line Package), що спочатку виготовлялися з кераміки, а потім із пластику. Мікросхеми в корпусах DIP призначалися для монтажу шляхом паяння отвори на платі. У 1980-х роках кількість контактів НВІС перевищила можливості DIP корпусів, що призвело до створення корпусів PGA (Pin Grid Array) і LCC (Leadless Chip Carrier).
Наприкінці 80-х, зі зростанням популярності поверхневого монтажу, з'являються корпуси SOIC (англ. Small-Outline Integrated Circuit), а також корпуси PLCC (англ. Plastic Leaded Chip Carrier). У 90-х роках починається широке використання корпусів типу PQFP (англ. Plastic Quad Flat Pack) та TSOP (англ.Thin Small-Outline Package ) Для інтегральних схем з великою кількістю висновків. з матрицею контактних майданчиків).
Корпуси BGA (англ. Ball grid array) існують з 1970-х років. В FCBGA кристал монтується в перевернутому вигляді і з'єднується з контактами корпусу через стовпчики (кульки) припою Монтаж методом перевернутого кристала дозволяє розташовувати контактні майданчики по всій площі кристала, а не тільки по краях [10] [11] .
Що таке інтегральна мікросхема
Інтегральна схема – це виріб з мікроелементів з високою мініатюризацією. найскладніших.
Використовуються ІС у створенні комп'ютерів, різної обчислювальної техніки та іншому устаткуванні, у тому числі промисловому та побутовому. один скачуваний файл про будову ІВ.
Що таке інтегральна схема
Інтегральні мікросхеми
За науковим визначенням, інтегральні мікросхеми – це окремі високотехнологічні пристрої (з величезною кількістю електронних компонентів, ув'язнених у маленькому корпусі), які виконують якусь функцію чи дію. Цих функцій може бути одна або кілька. Ось список деяких основних функцій, які виконують інтегральні мікросхеми:
- Перетворення сигналу (наприклад, з аналогового в цифровий та назад).
- Обробка сигналу (наприклад, посилення та очищення звуку)
- Дії віднімання, складання, множення та поділу сигналу (логічні мікросхеми)
Інтегральні мікросхеми являють собою виріб, виконаний у герметизованому (металевому, пластмасовому, керамічному, металокерамічному і так лалі) корпусі. Мікросхеми бувають різного виконання (прямокутні, трикутні, круглі) з різною кількістю висновків: від трьох (наприклад, на стабілізаторі LM7805 до кількох сотень на процесорах).
Інтегральні мікросхеми (і апаратура на них) мають незаперечні переваги:
- Висока технологічність і надійність. Адже всі мікросхеми виробляють на спеціалізованих заводах та фабриках із сучасною технологією виробництва. На лініях (повністю чи частково) автоматизованих. При виробництві мікросхеми (особливо у південно-східних країнах) застосовують і живу робочу силу, оскільки це дешевше, ніж купувати дорогі лінії. Інтегральні компоненти дозволяють знизити на два-три порядки витрати на виробництво, монтаж і складання різної апаратури. При конструюванні та створенні такої апаратури зменшується кількість різних паяних з'єднань, які найчастіше є причиною відмови апаратури.Мікросхеми є надійнішими, ніж дискретні елементи, оскільки помилки при монтажі зменшуються на 3-4 порядки. Легше і набагато швидше запаяти інтегральні компоненти (наприклад, один логічний елемент з 16 висновками), ніж паяти більше 20 дискретних елементів (які виконують ту саму функцію) з 60 висновками. Тільки мікросхеми забезпечують надійність систем управління у різних системах управління, у комп'ютерах, у навколоземному просторі на космічних станціях тощо.
- Інтегральні компоненти (і апаратура на них) малогабаритні та мають невелику вагу.
- Мікросхеми набагато скорочують процес розробки нового виробу (апарату), тому що можна використовувати готові, вже випробувані, мініатюрні блоки та вузли. І тому впровадження нового виробу у виробництво різко скорочується.
- Багато інтегральних елементів випускаються масово (наприклад, мікросхеми в домашніх дзвінках, іграшках, клавіатурах і мишках комп'ютерів тощо). Це набагато знижує собівартість мікросхеми та всього виробу в цілому.
- Інтегральні елементи скорочують кількість комплектуючих виробленого виробу, зменшують кількість операцій, що проводяться, що (в кінцевому рахунку) веде до спрощення організації сучасного виробництва.
Мікросхеми поділяють на два види: 1 – напівпровідникові інтегральні схеми; 2 – гібридні інтегральні схеми.
Напівпровідникові інтегральні елементи є кристалом, у глибині якого виконують всі елементи схеми. Ізоляція різних елементів здійснюють за допомогою (так званих) "p-n" переходів.
Гібридні інтегральні схеми виконуються за «плівковою» технологією та представляють пластину (підкладку) з діелектричного матеріалу.На неї нанесені (у вигляді плівок) плоскі компоненти (резистори, дроселі, конденсатори тощо) і з'єднання. Причому опір резисторів може бути 105 Ом, ємність конденсаторів 103 пФ, а дроселі мати індуктивність близько 10 мкГн – не більше.
Транзистори, діоди, магнітні елементи, конденсатори понад 103 пФ та електролітичні виконують за допомогою навісного монтажу. Гібридні інтегральні схеми мають більш високу точність параметрів (на один або два порядки вище) ніж напівпровідникові аналоги. Кількість елементів усередині кожного класу мікросхем може сягати кілька тисяч.
Інтегральна схема SMD
Ступінь інтеграції
- Залежно від рівня інтеграції застосовуються такі назви інтегральних схем:
- мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів у кристалі,
- середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів у кристалі,
- велика інтегральна схема (ВІС) - до 10000 елементів у кристалі,
- надвелика інтегральна схема (СВІС) - понад 10 тисяч елементів у кристалі.
Раніше використовувалися також тепер застарілі назви: ультравелика інтегральна схема (УБІС) – до 1 мільярда елементів у кристалі та гігавелика інтегральна схема (ГБІС) – понад 1 мільярд елементів у кристалі, але в даний час назва УБІС та ГБІС практично не використовується (наприклад, останні версії процесорів Itanium, 9300 Tukwila, містять два мільярди транзисторів), і всі схеми з числом елементів, що перевищує 10 000, відносять до класу НВІС.
Елемент інтегральної схеми
Частина інтегральної схеми, що реалізує функцію будь-якого електрорадіоелементу (резистора, діода, транзистора тощо).д.), причому ця частина виконана нероздільно від інших частин і не може бути виділена як самостійний виріб з точки зору вимог до випробувань, приймання, постачання та експлуатації. Компонент інтегральної схеми на відміну від елемента може бути виділений як самостійний виріб із зазначеної вище точки зору.
За конструктивно-технологічними ознаками інтегральні схеми зазвичай поділяють на:
У напівпровідниковій схемі всі елементи та міжелементні з'єднання виконані в обсязі або поверхні напівпровідника. У таких схемах компонентів немає. Це найпоширеніший різновид інтегральних схем.
Інтегральну схему називають гібридною, якщо вона містить компоненти та (або) окремі кристали напівпровідника. У плівкових інтегральних схемах окремі елементи та міжелементні сполуки виконуються на поверхні діелектрика (зазвичай використовується кераміка). При цьому застосовують різні технології нанесення плівок з відповідних матеріалів. За функціональними ознаками інтегральні схеми поділяють на аналогові (операційні підсилювачі, джерела вторинного електроживлення та ін.) та цифрові (логічні елементи, тригери тощо).
Коротка історична довідка
Перші досліди зі створення напівпровідникових інтегральних схем було здійснено 1953 р., а промислове виробництво інтегральних схем розпочалося 1959 р. У 1966 р. було розпочато випуск інтегральних схем середнього ступеня інтеграції (кількість елементів в одному кристалі до 1000). У 1969 р. були створені інтегральні схеми більшого ступеня інтеграції (великі інтегральні схеми, ВІС), що містять до 10000 елементів в одному кристалі.
[stextbox 1971 р. були розроблені мікропроцесори, а 1975 р.- Інтегральні схеми надвеликого ступеня інтеграції (надвеликі інтегральні схеми, НВІС), що містять більше 10000 елементів в одному кристалі. Корисно відзначити, що гранична частота біполярних транзисторів напівпровідникових інтегральних схемах досягає 15 ГГц і более.[/stextbox]
До 2000 р. очікується поява інтегральних схем, що містять до 100 млн МОП транзисторів в одному кристалі (йдеться про цифрові схеми). Система позначень. Умовне позначення інтегральних мікросхем включає основні класифікаційні ознаки.
- Перший елемент – цифра, що відповідає конструктивно-технологічній групі. Цифрами 1, 5, 6 та 7 у першому елементі позначаються напівпровідникові інтегральні мікросхеми. Гібридним мікросхемам присвоєно цифри 2, 4 та 8. Плівкові, вакуумні та керамічні інтегральні мікросхеми позначаються цифрою 3.
- Другий елемент, що визначає порядковий номер розробки серії, складається із двох (від 00 до 99) або трьох (від 000 до 999) цифр.
- Третій елемент, що позначає підгрупу та вид мікросхеми, складається з двох літер.
- Четвертий елемент, що означає порядковий номер розробки мікросхеми даної серії, складається з однієї чи кількох цифр.
До цих основних елементів позначень мікросхем можуть додаватися інші класифікаційні ознаки.
Будова інтегральної схеми
Додаткова літера на початку чотириелементного позначення вказує на особливість конструктивного виконання:
- Р - пластмасовий корпус типу ДІП;
- А – пластмасовий планарний корпус;
- Е - металополімерний корпус типу ДІП;
- С - склокерамічний корпус типу ДІП;
- І – склокерамічний планарний корпус;
- Н - керамічний «безвивідний» корпус.
На початку позначення для мікросхем, що використовуються в умовах широкого застосування, наводиться літера.
Серії безкорпусних напівпровідникових мікросхем починаються з цифри 7 а безкорпусні аналоги корпусних мікросхем позначаються буквою Б перед зазначенням серії.
Через дефіс після позначення вказується цифра, що характеризує модифікацію конструктивного виконання:
- 1 - з гнучкими висновками;
- 2 - з стрічковими (паучковими) висновками, у тому числі на поліамідному носії;
- 3 - з жорсткими висновками;
- 4 - на загальній пластині (нерозділені);
- 5 - розділені без втрати орієнтування (наклеєні на плівку);
- 6 - з контактними майданчиками без висновків.
Як утворюються інтегральні схеми?
Як виготовити чіп пам'яті чи комп'ютер? Процес виробництва починається з хімічного елемента – кремнію, який хімічно обробляється (легується) для надання різних електричних властивостей.
Сучасне виконання інтегральної схеми (одна з численних форм), встановлену на електронній платі пристрою. Це далеко не найпросунутіший варіант, а лише один із багатьох
Традиційно для потреб електроніки використовуються матеріали двох категорій:
[stextbox технічно все складніше, особливо коли справа стосується певних елементів середини таблиці Менделєєва (групи 14 та 15), зокрема, кремнію та германію. Що примітно — матеріали ізолятори здатні переходити до розряду провідників, якщо до цих матеріалів додати кілька домішок. Процес відомий як легування.[/stextbox]
Принцип легування хімічних елементів
Якщо додати кілька сурми кремнію, структура цього хімічного елемента насичується більшою масою електронів, ніж зазвичай.Забезпечується провідність електрики. Кремній, «легований» подібним чином, набуває характеристики N-типу. В іншому випадку, коли замість сурми додається бір, маса електронів кремнію зменшується, залишаючи своєрідні «дірки», які функціонують подібно до «негативно заряджених електронів».
Завдяки «діркам» позитивний електричний струм пропускається у протилежному напрямку. Такий різновид кремнію характеризується P-типом. Розташування областей кремнію N-типу і P-типу поруч одна з одною, сприяє створенню з'єднання, де відзначається поведінка електронів, характерне для електронних компонентів на основі напівпровідників:
Структурна інтегральна схема усередині чіпа
Отже, процес створення інтегральної схеми починається від монокристалу кремнію, що нагадує формою довгу суцільну трубу, «нарізану» тонкими дисками — пластинами. Такі пластини розмічуються на безліч однакових квадратних або прямокутних областей, кожна з яких представляє кремнієвий чіп (мікрочіп). Приклад внутрішньої структури інтегральної схеми демонструє можливості такої унікальної технології інтеграції повноцінних електронних схемотехнічних рішень.
Потім кожному такому чіпі створюються тисячі, мільйони і навіть мільярди компонентів шляхом легування різних ділянок поверхні — перетворення на кремній N-типу чи P-типу. Легування здійснюється у різний спосіб. Один із варіантів — розпилення, коли іонами легуючого матеріалу «бомбардують» кремнієву пластину.
Інший варіант - осадження з парової фази, що включає введення матеріалу, що легує, газовою фазою з подальшою конденсацією.В результаті такого введення домішкові атоми утворюють тонку плівку на поверхні кремнієвої пластини. Найточнішим варіантом осадження вважається молекулярно-променева епітаксия.
Звичайно, створення інтегральних мікросхем, коли упаковуються сотні, мільйони або мільярди компонентів у кремнієвий чіп розміром з ніготь, бачиться найскладнішим процесом. Можна уявити, який хаос принесе навіть невелика крупинка за умов роботи у мікроскопічному (наноскопічному) масштабі. Ось чому напівпровідники виробляються в лабораторних умовах бездоганно чистих. Повітря лабораторних приміщень ретельно фільтрується, а робітники обов'язково проходять захисні шлюзи та одягаються в захисний одяг.
Хто створив інтегральну схему?
Розробка інтегральної схеми приписується двом фізикам - Джеку Кілбі та Роберту Нойсу, як спільний винахід. Проте фактично Кілбі та Нойс виношували ідею інтегральної схеми незалежно одна від одної. Між вченими навіть існувала своєрідна конкуренція за права на винахід.
Джек Кілбі працював у "Texas Instruments", коли вченому вдалося реалізувати ідею монолітного принципу розміщення різних частин електронної схеми на кремнієвому чіпі. Вчений вручну створив першу у світі інтегральну мікросхему (1958), використавши чіп на основі германію. Компанія "Texas Instruments" через рік подала заявку на патент.
Тим часом представник іншої компанії Fairchild Semiconductor - Роберт Нойс, проводив експерименти з мініатюрними ланцюгами свого пристрою. Завдяки серії фотографічних та хімічних методів (планарний процес), вчений лише на рік пізніше Кілбі створив практичну інтегральну схему. Методика одержання також була оформлена заявкою на патент.
