Файл: ПЗ-2 ОРТиЭ Микросхемы и Реле.doc

ПЛАН
Практического занятия для студентов 2 курса факультета Судовождение и Управление судном дневной формы обучения.
Учебная дисциплина: ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ.
Тема 2: Пз-2		Интегральные микросхемы. Исполнительные устройства радиоэлектронных систем.
Учебная цель:				Ознакомить студентов с основными характеристиками, классификацией, компонентами и принципами построения электронных схем на интегральных элементах, технологией изготовления интегральных микросхем и исполнительных устройств электроники.
Время: 2 часa. Дата: 05.02.2014 группа СВ-212д.
	время		содержание		примечание
	5		Проверка наличия студентов, объявление темы и учебной цели занятия.
	20		Введение. Общие сведения о цифровых интегральных схемах.
	20		Элементы и компоненты гибридных интегральных микросхем. Технология производства гибридных интегральных микросхем.
	30		Исполнительные устройства радиоэлектронных систем. Реле.
	10		Включение реле с электронные схемы.
	5		Заключительная часть.

Старший преподаватель А. Рассохин.

В настоящее время весьма актуальной задачей является техническое перевооружение, быстрейшее создание и повсеместное внедрение принципиально новой радиоэлектронной техники. В решении этой задачи одна из ведущих ролей принадлежит цифровой технике. Интегральные микросхемы в настоящее время являются одним из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Применение микросхем облегчает расчет и проектирование функциональных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, ускоряет процесс создания принципиально новых аппаратов и внедрения их в серийное производство. Широкое использование микросхем позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры. Отечественной электронной промышленностью освоен выпуск широкой номенклатуры микросхем, ежегодно создаются десятки и сотни тысяч новых приборов для перспективных радиоэлектронных средств. В поиске и выборе элементной базы и схемотехнических решений существенную помощь может оказать систематизированная информация о существующих интегральных микросхемах. Справочные сведения о микросхемах составлены на основе данных, зафиксированных в государственных стандартах и технических условиях на изделия

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Условные обозначения ИС, выпускаемых отечественной промышленностью, состоят из четырех основных элементов.
Первый элемент - цифра, обозначающая группу по технологическому признаку, к первой группе относятся полупроводниковые ИС (цифры 1,5,6,7), ко второй - гибридные ИС (цифры 2,4,8), к третьей - прочие (цифра 3). 
Второй элемент обозначает порядковый номер серии.
Третий элемент состоит из двух букв и определяет функциональное назначение ИС. Первая из букв определяет подгруппу, а вторая - вид ИС. Соответствующие данные по функциональному назначению ИС приведены в таблице 1.
Четвертый элемент - порядковый номер разработки ИС данного 
функционального типа

---

Рис 1. Пример условного обозначения ИС 1533ТМ2

Таблица 1. Подгруппы и виды ИС.

Подгруппа	Вид	Обозначение
А  Формирователи	импульсов прямоугольной формы импульсов специальной формы  адресных токов  разрядных токов  прочие	АГ  АФ  АА  АР  АП
Б  Схемы задержки	пассивные  активные  прочие	БМ  БР  БП
В  Схемы вычислительных средств	микроЭВМ  микропроцессоры  микропроцессорные секции  схемы микропрограммного упра- вления  функциональные расширители  схемы синхронизации  схемы управления прерыванием  схемы интерфейса  схемы управления памятью  функциональные преобразовате- ли информации  схемы сопряжения с магистра-  лью  времязадающие схемы  микрокалькуляторы  контроллеры  комбинированные схемы  специализированные схемы  прочие	ВЕ  ВМ  ВС  ВУ  ВР  ВБ  ВН  ВВ  ВТ  ВФ  ВА  ВИ  ВХ  ВГ  ВК  ВЖ  ВП
Г  Генераторы	гармонических сигналов  прямоугольных сигналов  линейно изменяющихся сигналов сигналов специальной формы  шума  прочие	ГС  ГГ  ГЛ  ГФ  ГМ  ГП
Д  детекторы	амплитудные  импульсные  частотные фазовые  прочие	ДА  ДИ  ДС ДФ  ДП
Е  схемы источников вторичного питания	выпрямители  преобразователи  стабилизаторы напряжения не-  прерывные  стабилизаторы напряжения им-  пульсные  стабилизаторы тока  схемы управления импульсными  стабилизаторами напряжения  системы источников вторичного питания  прочие	ЕВ  ЕМ  ЕН  ЕК  ЕТ  ЕУ  ЕС  ЕП
И  схемы цифровых устройств	регистры  сумматоры  полусумматоры  счетчики  шифраторы  дешифраторы  комбинированные  арифметико-логические устрой- ства  прочие	ИР  ИМ  ИЛ  ИЕ  ИВ  ИД  ИК  ИА  ИП
К	тока коммутаторы  и ключи напряжения прочие	КТ  КН КП
Л  логические элементы	И  НЕ  ИЛИ  И-НЕ  ИЛИ-НЕ  И-ИЛИ  И-НЕ.ИЛИ-НЕ  И-ИЛИ-НЕ  И-ИЛИ-НЕ.И-ИЛИ  ИЛИ-НЕ.ИЛИ  расширители  прочие	ЛИ  ЛН  ЛЛ  ЛА  ЛЕ  ЛС  ЛБ  ЛР  ЛК  ЛМ  ЛД  ЛП
М  модуляторы	амплитудные  частотные  фазовые  импульсные  прочие	МА  МС  МФ  МИ  МП
Н  наборы элементов	диодов  транзисторов  резисторов  конденсаторов  комбинированные  функциональные  прочие	НД  НТ  НР  НЕ  НК  НФ  НП
П  преобразователи  сигналов	частоты  длительности  напряжения (тока)  мощности  уровня  аналого-цифровые  цифроаналоговые  код-код  синтезаторы частоты  делители частоты аналоговые  делители частоты цифровые  умножители частоты аналоговые прочие	ПС  ПД  ПН  ПМ  ПУ  ПВ  ПА  ПР  ПЛ  ПК  ПЦ  ПЕ  ПП
Р  схемы Запоминающих  устройств	матрицы ОЗУ  матрицы ПЗУ  ОЗУ  ПЗУ с возможностью однократ-  ного программирования  ПЗУ масочные  ЗУ на основе ЦМД  ПЗУ с возможностью многократ- ного электрического перепрог- раммирования  ПЗУ с ультрафиолетовым стира- нием и электрической записью  информации  ассоциативные ЗУ прочие	РМ  РВ  РУ  РТ  РЕ  РЦ  РР РФ  РА РП
С  схемы сравнения	амплитудные  временные  частотные  компараторы напряжения  прочие	СК  СВ  СС  СА  СП
Т  триггеры	ОЛ-триггеры  КЫ-триггеры  В-триггеры  Т-триггеры  динамические  Шмитта  комбинированные  прочие	ТВ  ТР  ТМ  ТТ  ТД  ТЛ  ТК  ТП
У  усилители	высокой частоты  промежуточной частоты  низкой частоты  широкополосные  импульсных сигналов повторители  считывания и воспроиведения  индикации  постоянного тока  операционные усилители  дифференциальные  прочие	УВ  УР  УН  УК  УИ УЕ  УЛ  УМ  УТ  УД  УС  УП
Ф  фильтры	верхних частот  нижних частот  полосовые  режекторные  прочие	ФВ  ФН  ФЕ  ФР  ФП

---

Первый и второй элементы совместно обозначают серию ИС, перед которой могут быть поставлены буквы, характеризующие конструкцию корпуса. Для ИС, разрабатываемых после введения ГОСТ 17467-88.2., перед обозначением серии ставится буква Н, если корпус керамический, буква Ф, если корпус пластмассовый. Буква, характеризующая корпус перед обозначением серии не ставится, если ИС выполнена в металлостеклянном или металлокерамическом корпусах. Для ИС коммерческого применения условное обозначение начинается с буквы К, а в экспортном варианте - с букв ЭК. После условного номера разработки может быть поставлена буква, если в пределах одного типа выпускаются ИС с различными электрическими параметрами.

Реализация принципов, идей, методов полупроводниковой микроэлектроники привела к созданию БИС и СБИС, представляющие собой целые устройства и даже системы, размещенные в одном полупроводниковом кристалле. Однако не все устройства можно изготовить с помощью полупроводниковой технологии.

Параллельно с полупроводниковым развился и совершенствовался другой конструктивно-технологический вариант создания микроэлектронных устройств, основанный на технологии тонких (до 1 мкм) и сравнительно толстых (10 – 50 мкм) пленок.

Чисто пассивные пленочные ИМС не получили широкого распространения из-за ограниченных возможностей по выполнению ими функций обработки сигналов, а реализация пленочных активных элементов оказалась невозможной из-за низкой воспроизводимости их характеристик. Сочетание полупроводниковых микросхем, активных полупроводниковых приборов с пассивными пленочными элементами и пленочной коммутацией позволила создать микроэлектронные устройства с широким набором функциональных возможностей.

Интегральные микросхемы, в которых, на ряду с пленочными элементами, сформированными по групповой тонко- или толстопленочной технологии, содержатся имеющие самостоятельное конструктивное исполнение полупроводниковые активные компоненты (ИМС, транзисторы, диоды), изготовлены по полупроводниковой технологии, называют гибридными интегральными микросхемами (ГИС).

ГИС по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов); позволяют использовать любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы.

Если для создания микроэлектронного изделия необходимы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

---

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия – рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными входными цепями.

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Подложки ГИС

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и служат теплоотводом. Материал подложки должен обладать следующими свойствами и характеристиками: 1) высоким сопротивлением изоляции и электрической прочностью; 2) большим коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи теплоты от тепловыделяющих элементов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу микросхемы; 3) достаточной механической прочностью; 4) устойчивостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок; 5) стойкостью к воздействию нагрева в процессе нанесения тонких пленок и термообработки толстых пленок; 6) способностью к механической обработке (резке и т.д.).

Структура материала подложки и состояние ее поверхности влияют на параметры пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов, т.к. микронеровности уменьшают толщину резисторных и диэлектрических пленок. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Толстые пленки имеют толщину 10 – 50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных ИМС могут иметь микронеровности до 1 – 2 мкм.

Элементы ГИС

ГИС состоит из изолирующего основания (подложки), на поверхности которого размещены пленочные элементы (резисторы, конденсаторы, спирали индуктивности, проводники и контактные площадки), а также навесные бескорпусные миниатюрные активные (транзисторы, диоды, полупроводниковые ИМС и БИС) и пассивные (конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.) компоненты. Для защиты ГИС помещают в корпус.

Пленочные резисторы. Пленочный резистор располагают на поверхности диэлектрической подложки, конструктивно он состоит из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок. Размеры контактной области должны выбираться такими, чтобы при наихудших сочетаниях геометрических размеров резистивного слоя и контактных площадок резистивная и проводящая пленки перекрывались, обеспечивая малое переходное сопротивление контакта в низкоомных резисторах. В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные материалы – керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Cr и SiO). Широко распространены пленки хрома и тантала. На основе керметов, в состав которых входят хром и монооксид кремния, получают высоомные резисторы. Для изготовления толстопленочных резисторов применяют пасты, состоящие из порошка стекла, наполнителя и органической связки. Наиболее широко используют свинцовые и цинковые боросиликатные стекла. В качестве наполнителя резистивных паст применяют серебро, палладий и их сплавы.

---

Подгоняемые резисторы. Применяют плавную и ступенчатую подгонку сопротивления резисторов. Плавная подгонка обеспечивает точность до сотых долей процента, ступенчатая – до единиц процентов.

Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных резисторов осуществляют, изменяя или удельное поверхностное сопротивление, или форму резистивной пленки. Удельное поверхностное сопротивление изменяют путем термического, химического или механического воздействия на материал пленки. Форму резистивной пленки корректируют путем удаления части резистивного материала.

Ступенчатая подгонка сопротивления осуществляется удалением металлических перемычек в подгоночных секциях.

Наиболее распространен способ плавной подгонки, связанный с изменением геометрии резистора лазерным лучом. В процессе подгонки часть пленки удаляется и сопротивление увеличивается. При лазерной подгонке сначала производят грубую подгонку выжиганием пленки поперек, затем точную – вдоль резистора; выжигание резистивной пленки под углом позволяет совместить грубую и точную подгонку.

Пленочные конденсаторы. Такие конденсаторы относятся к числу наиболее распространенных элементов ГИС. Конструктивно эти конденсаторы представляют собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл (МДМ) и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала.

К конструкции конденсаторов предъявляются следующие конструктивно-технологические требования: минимальные габариты; воспроизводимость характеристик в процессе производства; совместимость технических процессов изготовления конденсаторов с технологическими процессами изготовления других элементов ГИС.

Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие – диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и сопротивление изоляции; малые – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости и диэлектрические потери, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхем.

Диэлектрик конденсатора формируется методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления.

Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния SiO и германия GeO, оксиды алюминия Al2O3, тантала Ta2O5, титана TiO2 и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция. При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость.

Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, хорошую адгезию, обладать низкой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.

---