Современный научно-технический прогресс тесно связан с развитием микроэлектроники. Успехи электроники является результатом создания различных по своим свойствам полупроводниковых приборов.
Электроника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранения информации. Электроника изучает принципы построения, работы и области использования электронных приборов и устройств.
Приведем классификацию основных отраслей электроники.
- Физическая электроника — отрасль электроники, изучает электронные и ионные процессы в вакууме, газах и полупроводниках, на границе раздела вакуум-газ или жидкое тело — твердое тело.
- Техническая электроника — отрасль электроники, изучающая строение электронных приборов и процессы их изготовления.
- Промышленная электроника — отрасль электроники, изучает использование электронных приборов в промышленности и аппаратуре.
Главными этапами развития электроники являются: вакуумная (электронные лампы, электровакуумные, фото-электронные приборы, рентгеновские и газоразрядные трубки) твердотельная (полупроводниковые и оптоэлектронные приборы, интегральные микросхемы, микропроцессоры, микроЭВМ ) квантовая (лазеры, мазеры, дальномеры, линии оптической связи, радиоастрономия, голография).
Микроэлектроника — отрасль науки, которая охватывает проблемы исследования, конструирование, изготовление и использование микроэлектронных изделий, причем под микроэлектронным изделием понимают электронное устройство с высокой степенью интеграции.
Микроминиатюризация — это направление электроники, который обеспечивает реализацию электронных схем, блоков и аппаратуры в целом с использованием микроминиатюрных радиодеталей и узлов.
Можно выделить шесть периодов развития интегральных микросхем. Первый период приходится на начало 60-х годов, он характеризуется низкой степенью интеграции, количество элементов ИМС достигает 100, минимальный размер элемента — 100 мкм. Второй период — конец 60 — начало 70-х годов, количество элементов ИМС от 100 до 1000, минимальный размер элемента — 100 — 3 мкм. Третий период развития ИМС — вторая половина 70-х годов, — характеризуется быстрым темпам производства микросхем, количество элементов от 1000 до 10000, минимальный размер элемента — 1 мкм. Четвертый период приходится на начало 80-х годов, он характеризуется разработкой сверхбольших ИМС, минимальный размер элемента — 0,1 мкм. На пятом этапе развития ИМС — 80 — 90-е годы широко используются микропроцессоры на базе больших и сверхбольших интегральных микросхем. Современный шестой этап развития ИМС характеризуется дальнейшим развитием и применением приборов функциональной электроники.
Классификация, характеристика и система условных обозначений основных типов интегральных микросхем (ИМС)
Бурное развитие микроэлектроники, усложнения радиоэлектронной аппаратуры привели к необходимости совершенствования и создания новых микроэлектронных изделий с большим количеством элементов. Появились интегральные микросхемы (ИМС) — микроэлектронные изделия, выполняющие функцию обработки сигнала и (или) накопления информации, которые имеют высокую плотность размещения конструктивно неразделимых и электрически соединенных элементов, компонентов и кристаллов, которые по требованиям к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как неделимые. Преимуществами ИМС являются: малые размеры, масса и потребляемая мощность, высокие надежность и быстродействие.
Элемент ИМС — конструктивно неотделимая часть ИМС, которая реализует функцию одного из радиоэлементов (например, диода, транзистора, резистора, конденсатора) и по требованиям к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации не может рассматриваться как самостоятельное изделие, поэтому его нельзя испытывать, упаковывать и эксплуатировать.
Компонент ИМС — часть ИМС, которая реализует функцию одного из радиоэлементов и относительно требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты изготавливают отдельно и устанавливают в микросхему при выполнении сборочных операций. К простым компонентам относятся безкорпусные диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы, малогабаритные индуктивности и трансформаторы и тому подобное. Сложные компоненты — это бескорпусные ИМС, функциональные микросхемы и др.
Базовый кристалл ИМС — конструктивно выделенная часть полупроводниковой пластины с определенным набором сформированных элементов, электрически соединенных и (или) не соединенных между собой, которая используется для создания ИМС посредством изготовления межэлементных соединений.
Классификация изделий микроэлектроники:
| Интегральные
микросхемы |
Функциональные приборы
и микросхемы |
Микрокомпоненты |
|---|---|---|
| полупроводниковые | тепловые | многослойные печатные платы |
| пленочные | оптоэлектронные | кабели |
| совместимые | электрохимические | индикаторы |
| БИС | механические | микропереключатели |
| СВЧ-ИМС | на эффекте Ганна | элементы конструкций |
| микропроцессоры | ионные | |
| пьезокерамические | акустические |
Для классификации ИМС можно использовать различные критерии: степень интеграции, физический принцип работы активных элементов, выполняемую функцию, быстродействие, потребляемую мощность, применимость в аппаратуре и др.
По степени интеграции интегральные микросхемы делятся на типы: простые (не больше 10 элементов) средняя (от 10 до 100 элементов); большие (БИС) (от 100 до 1000 элементов; сверхбольшие (СБИС) — более 1000 элементов.
По характеру функций, которые они выполняют : цифровые микросхемы (триггеры, шифраторы, компараторы) аналоговые микросхемы (усилители, генераторы сигналов).
Но наиболее распространенной является классификация по конструктивно-технологическим признакам, так как при этом в названии микросхемы содержится общая информация о ее конструкцию и технологию изготовления.
Полупроводниковой интегральной микросхемой называется ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. Полупроводниковая интегральная микросхема чаще всего представляет собой кристалл кремния, в поверхностном слое которого с помощью методов полупроводниковой технологии сформированы области, которые эквивалентны элементам электрической схемы, и соединения между ними.
Пленочной интегральной микросхемой называется ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок. Пленочные ИМС имеют подложку (плату) из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Подложки представляют собой диэлектрические пластинки толщиной 0,5-1,0 мм, тщательно отшлифованы и отполированы.
Гибридной интегральной микросхемой называется ИМС, в которой пассивные элементы пленочные, а активные дискретные. Дискретные элементы — это миниатюрные, чаще всего бескорпусные диоды и транзисторы, представляющие собой самостоятельные элементы, которые приклеиваются (припаиваются) в соответствующих местах к подложке и соединяются тонкими проводниками с пленочными элементами схемы. Гибридные ИМС применяются часто как части высокочастотных усилительных каскадов.
Большая ИМС (БИС) — это микросхема, содержащая более 1000 элементов и (или) компонентов для цифровых и более 500 — для аналоговых ИМС. В БИС применяются многослойные структуры с несколькими подкладками, которые расположены параллельно друг другу в несколько этажей. Такая система соединения элементов называется многоуровневым или многослойным разведением.
Сверхбольшая ИМС (СБИС) -содержит более 100 тыс. элементов и (или) компонентов для цифровых ИМС с нерегулярной структурой построения и более 10 тыс. — для аналоговых ИМС. К цифровых ИМС с регулярной структурой построения относятся схемы запоминающих устройств. Большие и сверхбольшие ИМС являются сложными микросхемами, в которых реализуются блоки и даже целые системы. По этим причинам они не имеют широкой универсальности и предназначены преимущественно для конкретных типов аппаратуры.
Гибридная БИС (ГБИС) — это микроэлектронные устройства высокой степени интегрированности, при изготовлении которого компонуют пленочную многослойную коммутационную плату на диэлектрической подложке и бескорпусные дискретные компоненты и ИМС, изготовленные отдельно. Гибридный способ создания БИС является универсальным, так как он сочетает преимущества пленочной и полупроводниковой технологий, обеспечивает возможность использования ИМС, различающихся как по функциональному назначению, так и по конструктивному исполнению.
Все интегральные микросхемы подвергают герметизации для их защиты от внешних воздействий. По конструктивно-технологическим признакам герметизации различают корпусные (вакуумная герметизация) и бескорпусные (покрытие эпоксидным или другими лаками) ИМС. По признаку использования в аппаратуре — изделия широкого и специального применения (на заказ потребителя).
Важной конструктивной признаком интегральной микросхемы является тип подложки. По этому признаку все известные ИМС можно разделить на два класса: микросхемы с активной подкладкой, микросхемы с пассивной подкладкой. К первому классу относят микросхемы, в которых все элементы или их часть выполнена внутри самой подложки — пластины из полупроводникового материала, а ко второму — микросхемы, элементы которых расположены на поверхности подложки, выполненной из диэлектрического материала.
В таблице ниже приведена классификация интегральных микросхем по конструктивно-технологическим признакам. Для ИМС любого типа основными и наиболее сложными элементами являются транзисторы, по физическому принципу делятся на биполярные и униполярные. В полупроводниковых интегральных микросхемах применяют биполярные и полевые транзисторы, изготовленные по планарной технологии. В гибридных ИМС — бескорпусные дискретные биполярные и полевые транзисторы, изготовленные на основе кремния по эпитаксиально-планарной технологии, диоды, бескорпусные микросхемы (чипы).
Классификация ИМС по конструктивно-технологическим признакам:
| НИМС | ПИМС | ГИМС | БИС | СВЧ |
|---|---|---|---|---|
| на основе арсенид галлия | тонкопленочные | тонкопленочные с активными и пассивными дискретными элементами | ||
| на основе кремния | толстопленочные | тонкопленочные с активными и пассивными дискретными элементами | СБИС | |
| на основе карбида кремния | ГБИС | |||
| многокристальные |
Интегральные микросхемы стали основой элементной базы для всех видов электронной аппаратуры. Для конструирования различной аппаратуры (цифровой, аналоговой и аналогово-цифровой) необходимы не отдельные микросхемы, а функционально полные системы (серии) микросхем.
Поэтому элементную базу микроэлектронной аппаратуры составляют серии ИМС — совокупность микросхем, выполняющих различные функции, имеют единую конструктивно-технологическую основу и предназначены для применения в разнообразной аппаратуре.
Под типономиналом интегральной микросхемы понимают ИМС, которая имеет конкретное функциональное назначение и свое условное обозначение.
Состав серии определяется в основном функциональной полнотой отдельных микросхем, удобством построения сложных устройств и систем и типом стандартного корпуса.
Все интегральные микросхемы, выпускаемые в соответствии с принятой системы условных обозначений, по конструктивно-технологическим исполнением делятся на три группы: полупроводниковые, гибридные и другие.