Файл: Лекция о бщие сведения о.pdf

Схемы и электроника
Часть 2
Лекция 1. Общие сведения о
микросхемах и технологии их
изготовления
Лектор: старший преподаватель кафедры Э и Р Нуштаева О.Х.

общие сведения о
микросхемах
и технологии их изготовления
Микросхемы
(МС)
выполняют функции преобразования, хранения, обработки, передачи и приема информации.
Микросхемой (интегральной микросхемой
— ИМС) называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании.

Интегральная микросхема –
микроэлектронное изделие, выполняющее определённые функции преобразования, хранения, обработки информации и имеющая высокую плотность упаковки электрически соединенных между собой элементов и компонентов и представляющая единое целое с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации.

1952 — Джэффри Даммер, идея интегральной схемы («брусок без проводов»)
1958 — Джэк Килби, первая интегральная схема
(пять элементов, генератор)
2000 — Джэк Килби, Нобелевская премия за создание интегральной схемы

Серия ИМС – набор типов ИМС, выполняющих различные функции и имеющих единое конструктивно- технологическое исполнение

классификация микросхем

полупроводниковые
имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала, в поверхностном слое которого методами
литографии и избирательного легирования создаются транзисторы,
диоды,
резисторы и
конденсаторы,
а соединения между ними формируются по поверхности кристалла тонкопленочной технологией
Бывают
однокристальные
(монолитные)
и
многокристальные (микросборки).

гибридно-пленочные
состоят из пленочных пассивных элементов,
коммутационных проводников, нанесенных непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусных полупроводниковых кристаллов
(транзисторов,
диодов,
диодных матриц, несложных ИМС), монтируемых на той же подложке

Интегральные микросхемы
Цифровые
Аналоговые
Комбинированные
По
функциональному
назначению
КМОП
ТТЛ
Комбинированные
По технологии
изготовления
По
конструктивному
исполнению
Классификация

Примеры

В зависимости от вида активных элементов микросхемы делятся на:
биполярные, униполярные (МДП или МОП) и биполярно-полевые

степень интеграции
Степень интеграции характеризуется числом элементов в
ИМС.
Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые
ИМС
с регулярной структурой:
схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые ЗУ.

Степень интеграции КИ микросхемы определяется числом N содержащихся в ней элементарных схем;
КИ = [lg iV] + 1
где [lg iV] — целая часть lgN.
Таким образом, микросхема, содержащая

до 10 схем, имеет первую степень интеграции (малая ИС),

до 100 схем — вторую (средняя ИС),

до 1000 схем — третью (БИС),

свыше 1000 схем — сверхбольшую ИС (СБИС).

Степень интеграции –
показатель сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов K=lgN
K

2 – малая степень интеграции
2
4 средняя степень интеграции (СИС)
4
5 большая степень интеграции (БИС)
K>5 сверхбольшая (СБИС)

Элемент –
часть ИС, в которой реализуется функция какого-либо радиоэлемента
(транзистора, диода, резистора, конденсатора и т.д.) и которую нельзя отделить от кристалла и рассматривать как самостоятельное изделие с точки зрения измерения параметров, упаковки и эксплуатации.
Компонент – часть ИС, с помощью которой можно реализовать функцию какого-либо радиоэлемента.

Подложка ИС – заготовка, предназначенная для изготовления на ней элементов гибридных и плёночных ИС, межэлементных и межкомпонентных соединений, контактных площадок.
Плата ИС – часть подложки (или вся подложка), на поверхности которой выполнены плёночные элементы, контактные площадки и линии соединений элементов и компонентов.

Полупроводниковая пластина – заготовка, используемая для создания ИС (иногда пластина с выполненными на ней элементами).
Кристалл ИС – часть пластины, полученная после её резки, когда на одной пластине выполнено несколько функциональных устройств.
Вывод ИМС – проводник, соединенный электрически с контактной площадкой кристалла и механически с его поверхностью

Контактные площадки –
металлизированные участки на кристалле, предназначенные для присоединения к выводам корпуса ИС.
Корпус – часть конструкции ИС, которая защищает кристалл от внешних воздействий. Типы и размеры корпусов, а также число вводов и их расположение стандартизированы. На корпусе имеется
“ключ” или корпус выполняется несимметричной формы, что эквивалентно ключу, который необходим для правильного нахождения выводов микросхемы.

Примеры корпусов микросхем

Классификация типов корпусов для обычного
монтажа

Классификация типов корпусов для
поверхностного монтажа

DIP (Dual In-line Package)
Выводы расположены перпендикулярно плоскости корпуса
вдоль двух противоположных сторон.
Корпус может быть изготовлен из ударопрочного пластика
(PDIP) или из специальной керамики (CDIP).

SDIP (Shrink DIP)
Корпус типа DIP с уменьшенным шагом выводов

SDIP (Shrink DIP)
Корпус типа DIP с уменьшенным шагом выводов

QFI (Quad Flat I-leaded Package)
Выводы расположены перпендикулярно плоскости
корпуса, но в отличие от корпусов типа DIP, выводы
прижаты к корпусу

SIP (Single In-line Package)
Выводы расположены вдоль одной стороны в направлении,
совпадающим с плоскостью корпуса

HSIP (SIP with Heat Sink)
Корпус типа SIP с металлическим теплоотводом

ZIP (Zigzag In-line Package)
Направление выводов совпадает с плоскостью корпуса.
Выводы расположены с одной стороны по линии "зиг-заг"

ИМС в корпусах для поверхностного монтажа (Surface
mount type)
SOP(Small Outline Package)
Корпус с двусторонним расположением G-образных
выводов

27
SSOP (Shrink SOP)
Корпус типа SOP с уменьшенным шагом выводов

28
TSOP(Thin Small Outline Package)
От корпуса SOP отличается уменьшенной толщиной
корпуса

29
TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package)
От корпуса SOP отличается уменьшенной толщиной
корпуса и уменьшенным шагом выводов

30
HSOP(SOP with Heat Sink)
Корпус SOP с теплоотводом

31
PSOP (Power Small Outline Package)
Корпус SOP с теплоотводом в виде металлической
пластины под корпусом ИМС

32
РQFP (Plastic Quad Flat Packagе)
Корпус прямоугольной формы с G-образными выводами,
расположенными по четырем сторонам корпуса

33
TQFP(Thin Quad Flat Package)
Корпус РQFP с уменьшенной толщиной корпуса

34
Корпуса J-lead package
Корпуса этой группы имеют загнутые под плоскость
корпуса выводы (отсюда символ J в названии)
SOJ (Small Outline J-leaded Package)
Корпуса с двусторонним расположением выводов

35
QFJ (Quad Flat J-leaded Package), PLCC (Plastic Leaded Chip
Carrier),
JLCC (J-Leaded Ceramic Chip Carrier)
Выводы расположены по периметру корпуса

36
BGA (BALL GRID ARRAY)
Выводы микросхем данной группы представляют собой
матрицу шариков, размещенных непосредственно под
корпусом
CBGA (Ceramic Ball Grid Array)
Квадратный или прямоугольный керамический корпус
(рис.7.22). Типовое количество выводов – до 500

37
CPGA (Ceramic Pin Grid Array)
Керамический квадратный или прямоугольный корпус с
жесткими выводами, расположенными на нижней стороне
корпуса, перпендикулярно плоскости корпуса

38
CCGA (Ceramic Column Grid Array)
Керамический корпус с выводами, представляющие собой
столбики из припоя, расположенные в виде матрицы на
нижней стороне корпуса

39
QFN (Quad Flat Non-leaded Package)
Металлизированные участки расположены по всем
четырем сторонам малогабаритного квадратного корпуса

40
PQFN (Power Quad Flat No Leads)
Прямоугольный или квадратный корпус с теплоотводом на
нижней стороне

41
DFN (Dual Flat No Leads)
Металлизированные участки расположены по двум
длинным сторонам корпуса

42
Диффузионный резистор п/п ИМС

43
Диффузионный конденсатор п/п ИМС

44
МОП-конденсатор

45
Вертикальный транзистор типа n-p-n

46
Вертикальный транзистор типа n-p-n

47
Горизонтальный транзистор типа p-n-p

48
Транзистор Шоттки

49
Полевой транзистор технологии
«Кремний на изоляторе»
“SOI MOSFET” (Silicium on isolator).

50
Задание для самостоятельной работы
1.
Система условных обозначений отечественных ИМС
2. Система условных обозначений зарубежных фирм (на примере одной фирмы)


По функциональному назначению ИС делят на логические
(цифровые), линейно-импульсные и линейные (аналоговые).
Логические ИС используют в ЦВМ, устройствах дискретной автоматики и других цифровых устройствах. К логическим ИС
принадлежат микропроцессорные схемы, схемы памяти и другие интегральные схемы,
выполняющие логические функции. Линейно-импульсные и линейные ИС применяются в аналоговых вычислительных машинах и в устройствах преобразования информации. К этим ИС относятся различные преобразователи, операционные усилители, компараторы и другие схемы.

По конструктивному оформлению ИС делят на корпусные с
выводами, корпусные без выводов и бескорпусные.

По технологии изготовления
ИС
разделяют на
полупроводниковые и гибридные.

Элементы электрической схемы
полупроводниковых
ИС
формируют в
объеме и
(или)
на поверхности полупроводникового материала (подложки).

В гибридных ИС пассивную часть схемы выполняют в виде пленок, наносимых на поверхность диэлектрического материала
(подложки), а активные элементы, имеющие самостоятельное конструктивное оформление, крепят к поверхности подложки.

Серии микросхем

Ряд отдельных функциональных микросхем, объединенных по виду технологии изготовления, напряжениям источников питания, входным и выходным сопротивлениям и уровням сигналов, конструктивному оформлению и способам крепления или монтажа, образуют серию ИС.

Условное обозначение серии ИС:
первый элемент —конструктивно-технологическая разновидность серии: полупроводниковые схемы— 1,
5, 6, 7; гибридные микросхемы — 2, 4, 8; прочие
(вакуумные, пленочные, керамические и т.д.) —3;
второй элемент — регистрационный порядковый номер серии.
Примеры: серия 1801, серия 217.

Условное обозначение ИС

Состоит из четырехзначного цифрового условного обозначения серии, двух букв, обозначающих подгруппу и вид микросхемы, и порядкового номера разработки микросхемы по функциональному признаку в данной серии.

В начале условного обозначения микросхем могут быть буквы: Б – для бескорпусных ИС; буквы К, КМ,
КН, КР и КА характеризуют условия их приемки на заводе-изготовителе.

Условное обозначение ИС может содержать букву (от
А до Я), по которой производят различие ИС одного типа по какому-либо параметру.
Примеры: К133ЛР1, Б747ИК1А-1, К1802ВС1.

55
Производство интегральных микросхем
Основные этапы:
1.
Изготовление монокристалла
2. Разрезка монокристалла на пластины и их подготовка
3. Формирование слоев
4. Металлизация
5. Резка пластин
6. Установка в корпус

56
Изготовление монокристалла методом
Чохральского
1-
Тигель с расплавом
2.
– печь
3
– затравка
4
– холодильник
5
– механизм вытягивания

57
Разрезка монокристалла на пластины

58
Схема формирования слоев методом фотолитографии

59
Нанесение защитной пленки диэлектрика SiO
2

60
Нанесение фоторезистива

61
Формирование рисунка

62
Фотошаблон

63
Установка EUV-литографии

64
Установка EUV-литографии

65
Травление

66
Схема установки травления, промывки и сушки
1
– ротор
2
– днище камеры с отверстием
3
– форсунка сушки
4
– форсунка травления и отмывки
5
– платформа с пластинами
6
– съемная крышка

67
Формирование слоев (диффузия)

68
Рабочая камера диффузионной печи