3.4. Мікроелектронні вироби

У мікроелектроніці є два напрями розвитку - дискретна й інтегрована мікроелектроніка.

Уніфіковані функціональні модулі й мікромодулі

Дискретна мікроелектроніка - це модульне і мікромодульне конструювання радіоапаратури на основі дискретних елементів (звичайних радіо­деталей)

Модульне збирання апаратури полягає в ущільненні монтажу при використанні звичайних малогабаритних навісних радіодеталей. Найпростішим елементом при цьому є модуль, який являє собою функціонально закінчений вузол.

Модуль може бути плоский і об'ємний. Повністю складений модуль герметизують що значно підвищує надійність, механічну міцність і вологостійкість модуля.

Показником міри мініатюризації радіоапаратури є щільність монтажу, тобто кількість радіодеталей, розміщених в 1 см³ об'єму пристрою. Так, в радіоапаратурі кращих конструкцій з використанням малогабаритних ламп щільність монтажу досягає 0,1 ел/см³; в апаратурі модульної конструкції при використанні напівпро­відникових приладів -1-2 ел/см³.

Мікромодульне збирання апаратури базується на використанні мікроелементів (субмініатюрних радіодеталей). Мікромодуль являє собою мініатюрний замінний функціональний вузол: підсилювач, генератор або інший каскад.

Зменшення габаритів і маси мікромодуля досягають за рахунок мінімальних розмірів елементів та щільного їх укладання. Кожен мікроелемент - це тонка пластинка (0,3 мм), на якій змонтовано до чотирьох радіодеталей (напівпровідників, резисторів, конденсаторів, котушок індуктивності).

Квадратна ізоляційна пластинка мікроелемента має 12 контакт­них виводів, зроблених у вигляді металізованих пазів (по три з кожного боку квадрата, до яких підведено виводи радіодеталей). Мікроелементи електрично з'єднуються між собою в мікромодулі впаюванням у металізовані пази з'єднувальних провідників. Складе­ний мікромодуль подібний до етажерки, горизонтальними полицями якої є мікроелементи, а вертикальними стояками - з'єднувальні провідники. Щільність монтажу мікромодульної апаратури 10+20 ел/см³. Застосовують їх у малопотужній апаратурі зв'язку в діапазонах довгих, середніх і коротких хвиль, в обчислювальних пристроях, як правило, у не дуже складній радіоапаратурі.

Інтегровані мікросхеми

Інтегрована мікросхема (ІМС) - це мікро-електронний пристрій, який має високу щільність розміщення неподільно виконаних елементів і компонентів, які з'єднані між собою таким чином, що з точки зору технічних вимог, випробувань, торгівлі чи експлуатації розглядаються як єдиний виріб

Термін "інтегрована" підкреслює інтеграцію фізичних ефектів, радіоелектронних функцій (перетворення і обробки сигналів), елементів та компонентів на одному кристалі чи підшарку, а також повну чи часткову інтеграцію технологічних процесів виготовлення інтегрованої мікросхеми (далі по тексту "мікросхема"). Активні (транзистори та діоди) та пасивні елементи (резистори, конденсатори та ін.) конструктивно та електрично з'єднані між собою.

Всі елементи мікросхеми виготовляються в єдиному техноло­гічному циклі на пластині, мають загальну герметизацію та захист від механічних та кліматичних впливів. Для встановлення мікросхеми в конструкцію приладів використовують зовнішні виводи з певною системою нумерації.

Конструктивно інтегрована схема являє собою пристрій невеликих розмірів і маси приблизно таких, як у окремо взятого транзистора, вміщеного в металевий, пластмасовий чи керамічний герметичний корпус круглої або прямокутної форми. їх виробництво здійснюється на основі прогресивних технологій з використанням лазерного напилювання і нагрівання, осадження у вакуумному середовищі, дозованого дифундування одних речовин в інші й т.п.

Інтегровані мікросхеми можуть бути плівковими, гібридними і напівпровідниковими (твердими). Розміщення пасивних елементів з напівпровідниковими елементами мікросхеми дозволяє одержати суміщені інтегровані мікросхеми. Досягнення мікроелектроніки дозволили створити інтегровані мікросхеми з підвищеним ступенем інтеграції мікроелементів на одній підкладці. Такі мікросхеми називаються великими інтегрованими схемами (ВІС). Плівкові інтегровані мікросхеми

Плівкова мікросхема являє собою схему, елементи якої утворені сукупністю плівок різних матеріалів, нанесених на загальну підкладку.

На практиці широко застосовуються плівкові мікросхеми, що складаються з резисторів, конденсаторів і з'єднувальних провідників. Складові частини плівкових мікросхем (плівкові елементи) одер­жують шляхом послідовного нанесення на підкладку плівок зі струмопровІдних, магнітних, діелектричних та інших матеріалів.

Плівкові елементи мають ряд переваг порівняно з начіпними об'ємними мікроелементами. Так, наприклад,' резистори мають менший рівень шумів та великий питомий опір, конденсатори -підвищену стабільність, гарний температурний коефіцієнт.

Властивості плівок багато в чому залежать від фізичних і хімічних властивостей підкладок. Як підкладки використовуються спеціальні сорти скла (С-41-1, С-48-3), високоглиноземиста кераміка (22ХС), ситал (СТ-1, СТ-50-1), берилієва кераміка.

Плівки по товщині поділяються на товсті (кілька десятків мікронів) і тонкі (одиниці мікронів).

Товсті плівки наносять на підкладку методом шовкографії, випалювання й електрохімічного осадження. Перевагою товстоплів-кових мікросхем є можливість застосування для їхнього виготовлення найпростішої технології без використання дорогого устаткування.

Тонкі плівки, на відміну від товстих, дозволяють створювати прецизійні пасивні елементи з параметрами більш широкого діапа­зону, однак їхнє виробництво вимагає великих витрат на спеціальне

вакуумне устаткування. Нанесення тонких плівок здійснюється шля­хом термічного випаровування у вакуумі, розпилення бомбардув­анням іонами і хімічним осадженням.

Найбільш легкими щодо виконання компонентами тонкоплів-кових мікросхем є резистори. Для одержання резистивних плівок можуть використовуватися тантал, хром, вольфрам, титан, платина, ніхром та інші метали. Опір резистора залежить від питомого опору металу, форми і товщини плівки. Діапазон тонкоплівкових резисторів становить від одиниць Ом до одиниць Мом, потужність розсіювання резисторів - 1 Вт/см² площі резистивної плівки. Найчастіше рези­стори виготовляють шляхом вакуумного напилювання плівки зі сплаву хрому і нікелю на підкладку при температурі 300°С. Виводи резисторів звичайно напиляють з використанням алюмінію, міді чи

золота.

Виготовлення активних елементів (діодів, транзисторів) із плівок не одержало практичного застосування через складність виконання і низьких параметрів. Тому для цієї мети широко використовуються гібридні інтегровані мікросхеми.

Гібридні інтегровані мікросхеми

Гібридна мікросхема являє собою мікросхему, у якій на підкладці методами товсто- і тонкоплівкової технології виготовля­ються пасивні елементи і струмопровідні провідники, а активні елементи підключаються до схеми вже готовими.

Гібридні мікросхеми широко використовуються для мікро­мініатюризації такої радіоапаратури, як радіоприймачі, магнітофони, телевізори, відеомагнітофони, різні підсилювачі. Пояснюється це тим, що гібридні мікросхеми мають менший об'єм, ніж мікромодулі, більш технологічні у виготовленні. Крім того, їхні активні елементи можуть працювати при більших напругах, порівняно з плівковими мікросхемами, а також підсилювати напругу і потужність на високих і надвисоких частотах.

Напівпровідникові інтегровані мікросхеми

Напівпровідникові мікросхеми являють собою функціональні вузли, які виконані на одному кристалі напівпровідника різними технологічними прийомами обробки напівпровідникових матеріалів. Мініатюризація з використанням напівпровідникових мікросхем є більш складним процесом, ніж мініатюризація із застосуванням плівкових і гібридних мікросхем. Основними напівпровідниковими матеріалами, використовуваними для виготовлення твердих мікросхем, є кремній, германій і сапфір. Найбільшого поширення набули мікросхеми, виконані на кристалі кремнію, оскільки його фізико-хімічні властивості кращі ніж германію.

На підкладці за допомогою напівпровідникової технології (методами дифузії, гальванічного осадження, вакуумного напилю­вання, травлення, фотолітографії) одержують ділянки з різною про­відністю, що еквівалентні ємності, або активним опорам, або напів­провідниковим приладам різного типу. Зміна концентрації домішок у різних частинах монокристалічної пластини дозволяє за один технологічний цикл одержати багатошарову структуру, що відтворює задану електричну схему.

Нині частіше використовуються групові методи виготовлення напівпровідникових інтегрованих мікросхем, які дозволяють за один технологічний цикл одержати кілька сотень заготівок мікросхем. Найбільшого поширення набув груповий планарний метод, який полягає у тому, що елементи мікросхем (діоди, транзистори, конденсатори, резистори) розташовуються в одній площині чи на одному боці підкладки. Найпоширенішим методом виготовлення елементів у мікросхемі (поділу ділянок мікросхеми) є ізоляція окисною плівкою, одержаної в результаті термообробки поверхні кристала (підкладки).

Діоди і транзистори у напівпровідникових мікросхемах мають найпростішу технологію виготовлення. Для створення на напів­провідниковій пластині активних елементів застосовують планарну і планарно-епітаксиальну технології (з рівномірним розподілом домішок у напівпровідниковому шарі).

Звичайно, технологія одержання напівпровідникових інте­грованих схем містить у собі 15...20, а іноді й більше операцій. Після одержання всіх компонентів схеми і витравлення плівки окислу з тих місць, де будуть знаходитися виводи компонентів, напівпровідникова схема покривається плівкою алюмінію методом напилювання чи гальванічного осадження. Внутрішньосхемні з'єднання одержують за допомогою фотолітографії з наступним травленням.

У процесі єдиного технологічного циклу на підкладці виготовляють велику кількість однотипних інтегрованих схем, після чого пластини розрізають на окремі кристали, кожний з яких містить готову мікросхему. Кристали приклеюють до власника корпуса, а електричні контакти мікросхеми методами запаювання, зварювання і термокомпресії з'єднують з виводами дротовими перемичками.

Готові мікросхеми, за необхідності, герметизують. Промисловість випускає широку номенклатуру напівпровідникових інтегрованих мікросхем.

Молекулярні функціональні пристрої

Молекулярна електроніка - це розділ електроніки, який вирішує комплекс фізичних, хімічних, схематичних і технологічних проблем з метою створення мікромініатюрної електронної апаратури шляхом створення різноманітних ефектів і фізичних явищ в молекулах твердого тіла.

Технологія виготовлення молекулярних функціональних при­строїв має багато спільного з технологією виготовлення провідни­кових інтегрованих схем. Різниця полягає у тому, що в молекулярних пристроях не можна ототожнювати окремі структурні зони з елементами радіосхеми; ці пристрої можна оцінити тільки в цілому за функціями, що вони виконують.

При створенні електронних схем особливі вимоги висуваються до чистоти матеріалу, внутрішньої побудови кристалічної ґратки, оскільки навіть найдрібніші домішки та зміни побудови значно впливають на фізико-електричні параметри матеріалу.

Впровадження прозорих магнітних кристалів нового типу дозволяє створювати пристрої керування різного призначення. Ці пристрої можуть замінити існуючі аналоги електронних, електро­оптичних, акустичних та інших приладів. Один функціональний блок, створений в моноліті твердого тіла, може здійснювати пере­творення складних функцій, замінюючи цілу схему, що складається із дискретних, активних і пасивних елементів.

Суміщені інтегровані мікросхеми. Великі інтегровані мікросхеми (ВІС)

Подальшим розвитком технології виробництва мікросхем з'явилося створення схем з великою інтеграцією мікроелементів. У суміщеній інтегрованій мікросхемі елементи виконуються в об'ємі та на поверхні напівпровідникової підкладки шляхом комбінування технологій виготовлення напівпровідникових і плівкових мікросхем.

У монокристалі кремнію - підкладці - методами дифузії, трав­лення й іншими одержують всі активні елементи (діоди, транзистори й тощо), а потім на цю підкладку, покриту щільною плівкою двоокису кремнію, напилюють пасивні елементи (резистори, конденсатори, котушки індуктивності) і струмопровідні провідники. Технологія одержання суміщених мікросхем дозволяє виготовляти пасивні елементи із широкими діапазоном номінальних значень їх величин.

Для одержання контактних площадок і виводів мікросхеми на підкладку осаджують шар алюмінію. Підкладка зі схемою кріпиться на внутрішній основі корпуса, а контактні площадки на монокристалі з'єднуються провідниками з виводами корпуса мікросхеми. Готові мікросхеми звичайно герметизуються.

Суміщені інтегровані мікросхеми конструктивно можуть бути виконані у вигляді моноблока досить малих розмірів. Наприклад, двокаскадний високочастотний підсилювач, що складається з двох транзисторів і шести пасивних елементів, розміщується на моно­кристалі кремнію розміром 0,012x0,06 мм.

Створено напівпровідникові великі інтегровані мікросхеми (ВІС), що мають на кристалі кремнію розміром 1,45x1,6 мм до 10000 і більше мікроелементів (транзисторів, діодів, резисторів, конден­саторів й ін.), виконуючи функції до 300 окремих інтегрованих мікросхем. Ведуться також роботи по створенню ВІС із ще більш високим ступенем інтеграції. Використання ВІС при виготовленні радіоелектронної апаратури дозволяє різко зменшити її габарити, масу, знизити вартість, значно підвищити надійність і прискорити збирання.

Класифікація інтегрованих мікросхем

За конструктивно-технологічним виконанням інтегровані мікросхеми поділяються на плівкові, напівпровідникові, гібридні, інші мікросхеми.

За способом обробки сигналу інтегровані мікросхеми поділя­ються на цифрові, аналогові, аналогово-цифрові. Цифрові мікросхеми призначені для перетворення і обробки сигналів, що змінюються за законом дискретної функції, аналогові - для перетворення і оброб­лення сигналів, що змінюються за законом неперервної функції.

За функціональним призначенням мікросхеми поділяються на такі групи: генератори, фоточутливі схеми із зарядовим зв'язком, комутатори та ключі, багатофункціональні схеми, модулятори, набори елементів, перетворювачі сигналів, схеми джерел вторинного електроживлення, схеми затримки та схеми порівняння, підсилювачі, фільтри, формувачі, схеми запам'ятовувальних пристроїв, схеми цифрових пристроїв та схеми обчислювальних засобів.

Маркування мікросхем

Перший елемент - це цифра, що характеризує групу мікросхеми за конструктивно-технологічним виконанням, (цифрами 1, 5, 6, 7

позначають напівпровідникові ІС, цифрами 2, 4 - гібридні, 3 -плівкові тощо);

другий елемент - це цифра, що характеризує підгрупу мікро­схеми за конструктивно-технологічним виконанням, (так, гібридні мікросхеми поділяють на такі підгрупи: 1 - товстоплівкові; 2 - тонко-плівкові; 3 - комбіновані; 4-9-резерв);

третій елемент - це дві цифри, що позначають порядковий номер розробки серії мікросхеми;

четвертий елемент - це дві літери, що характеризують групу та вид мікросхеми за функціональним призначенням;

п'ятий елемент - це дві цифри, що позначають порядковий номер розробки мікросхеми за функціональним призначенням у даній серії.

Перед умовним позначенням мікросхем наводиться скорочена назва держави-виробника, наприклад, У - Україна.

Приклад умовного позначення напівпровідникової мікросхеми -програмованого контролера керування динамічним запам'ятовувачем прямого доступу з симетричною комплементарною структурою:

5 - цифра, що позначають групу за конструктивно-техноло­ гічним виконанням;

7 - цифра, що позначають підгрупу за конструктивно-техноло­ гічним виконанням;

0,4 - дві цифри, що позначають порядковий номер розробки серії мікросхеми;

ВГ - дві літери, що характеризують групу та вид мікросхеми за призначенням;

03 - дві цифри, що позначають порядковий номер розробки мікросхеми за функціональним призначенням у даній серії.

Складання та монтаж побутової радіоелектронної апаратури на мікросхемах

Конструювання мікроелектронної апаратури має ряд специ­фічних особливостей, основна з яких полягає у тому, що найменшою неподільною одиницею конструкції є мікросхема. Якщо в мікромо­дулях мікроелемент ще існує як окрема деталь до моменту збирання, то метод плівкової технології припускає виконання більшості елементів безпосередньо в процесі виготовлення мікросхеми, а в пристроях молекулярної електроніки просто неможливо виділити окремі елементи, аналогічні дискретним елементам схеми.

При компонуванні радіоапаратури на інтегрованих схемах найскладнішй-М є об'єднання всіх мікросхем в одну систему із збере­женням переваг, властивих інтегрованим мікросхемам.

У табл. 7.2 наведені порівняльні дані ступеня інтеграції блоку радіоапаратури залежно від його конструктивного виконання.

Таблиця 2

Ступінь інтеграції блоків радіоапаратури різного конструктивного виконання

Конструктивне виконання	Ступінь інтеграції (кількість деталей на 1 дм3 об'єму)
Каскад на лампах пальчикового типу	ЗО. ..100
Каскад на напівпровідникових приладах	1000... 2000
Каскад в мікромодульному виконанні	(100. ..200) тис.
Тверда мікросхема	(5. „10)млн
ВІС	Більше 20 млн

Проте використовувати усі переваги інтегрованих схем і в першу чергу високий ступінь інтеграції поки повністю не вдається.

Радіоелектронна апаратура може виготовлятися як на інтегро­ваних мікросхемах, розміщених в корпусах, так і на безкорпусних інтегрованих мікросхемах. При застосуванні мікросхем в плоских прямокутних корпусах найоптимальнішою є конструкція блоків з використанням багатошарової друкованої плати (див. рис. 7.7).

Безкорпусний метод конструювання дозволяє виключити етап розміщення кристалів мікросхеми в окремі корпуси. У цьому випадку кристали мікросхем розташовуються на загальній підкладці, де здійснюється комутація їх з'єднань. Цей метод дозволяє у декілька разів збільшити щільність компоновки та істотно скоротити зовнішню комутацію провідників.

Рис. 7. Конструкція блоків мікросхем

Основні технологічні операції виготовлення радіоелектронної апаратури безкорпусним методом складаються із: хіміко-заготовчої, напилення, фотолітографії, виготовлення трафаретів багатошарової друкарської плати та допоміжних пристроїв; збирання і монтаж; приймально-здавальні та конструкторські випробування.

На сьогодні при виробництві радіоелектронної апаратури на мікросхемах все більшого застосування набули функціонально-вузло­вий метод збирання, який у загальних рисах можна охарактеризувати як збирання мікроелектронних приладів у скомпоновані блоки (модулі), які є закінченими функціональними пристроями або служать компо­нентами для подальшого збирання радіоапаратури. Розробка радіо­електронної апаратури за функціонально-вузловим методом різко скорочує терміни проектування, дозволяє швидко вводити зміни в конструкцію апаратури як у процесі розробки дослідних зразків, так і при серійному виготовленні, значно зменшує трудомісткість вироб­ництва за рахунок впровадження механізації і автоматизації вироб­ництва, а також за рахунок спрощення випробувань та методів контролю.