Для повышения надежности РЭА ее элементы эксплуатировались в облегченных режимах (при заниженных против номинальных токах и напряжениях), применялись сложные схемы резервирования. Увеличить надежность аппаратуры можно путем значительного уменьшения числа комплектующих элементов и соединений за счет увеличения их функциональной сложности при одновременном повышении надежности работы. Эта задача решается в основном использованием качественно новых принципов изготовления электронной аппаратуры путем отказа от применения дискретных компонентов электронной аппаратуры и комплекту1рщих изделий в виде интегральных схем (ИС).

Характеристика ИС. В интегральных схемах формирование активных (транзисторы, диоды), пассивных (резисторы, конденсаторы) и соединительных элементов происходит на поверхности или в объеме полупроводникового монокристалла или на поверхности диэлектрической подложки. Эти процессы изготовления элементов схем и их соединений «проынтегрированы» (объединены) в едином технологическом цикле в стенах одного предприятия. Каждая ИС выполняет функции многих элементов при значительном снижении числа внутрисхемных соединений. Создание специальной технологии при изготовлении ИС, применение особо чистых материалов, использование минимального количества внутрисхемных соединений, защищенных прочным покрытием позволили значительно повысить надежность РЭА и преодолеть противоречия между возросшими требования)у(и к надежности электронных систем и их усложнением.

Комплексное изготовление различных элементов интегральных схем позволило сократить нерациональные технологические операции, резко уменьшить массу и объем электронных изделий, снизить потребление ими электрической энергии и стоимость электронной аппаратуры.

Интегральная схема представляет собой микроэлектронное изделие, способное выполнять определенную функцию преобразования и обработки сигнала (или накопления информации) и содержит не менее пяти нераздельно связанных и электрически соединенных элементов и компонентов.

Под элементом интегральной микросхемы (ИМС) понимают такую ее часть, которая выполняет функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, конденсатора, диода, транзистора) и составляет с кристаллом (подложкой) неразделенное изделие.

Компонент ИМС представляет ее часть, которая выполняет функцию какого-либо радиоэлемента. Однако эта часть в начальной стадии производства представляет собой самостоятельное изделие, устанавливаемое в ИМС в процессе дальнейшего ее изготовления. Компонент в принципе может быть отделен от изготовленной ИМС.

Под кристаллом ИМС понимают пластинку (обычно из мопо- кристаллического кремния), в объеме и на поверхности которой

сформированы элементы микросхемы, ьжэлементные соединения и контактные площадки.

Уровень интеграции. С точки зрения интеграции (объединения) элементов основными параметрами ИМС являются плотность упаковки и уровень (степень) интеграции. Плотность упаковки оценивается числом элементов электронной схемы в 1 см объема ИМС. Уровень интеграции ИМС определяется количеством входящих в нее элементов.

В отечественной практике уровень интеграции принято характеризовать коэффициентом /Си, равным десятичному логарифму от числа элементов Пэ, т. е. /Си=1&Пэ. В соответствии со значением этого коэффициента по числу элементов Пэ различают ИМС первой степени интеграции /Си=1 (Пэ=£10), второй /Си=2 {пэ от 11 до 100), третьей Ки=3 {пэ от 101 до 1000) и т. д. Их иногда обозначают ИС1, ИС2, ИСЗ.

В зарубеж1юй практике оценку степени интеграции ведут по числу вентилей на кристалле (малая степень интеграции МИС - до 10 вентилей, средняя СИС - до 100 вентилей, большая БИС - до 1000 вентилей, а при числе вентилей свыше 1000 получаем сверхбольщую интегральную схему СБИС). В БИС улучшаются показатели электромагнитной совместимости (вследствие уменьшения длины соединений между ее элементами), снижается восприимчивость схемных узлов к помехам из-за уменьшения уровня емкостных и индуктивных (перекрестных) наводок.

§ 9.2. Классификация ИМС по методу изготовления

Основные направления развития микроэлектроники на современном этапе определяются технологией производства ИМС. По конструктивно-технологическому признаку изготовления ИМС можно разделить на монолитные и гибридные.

В монолитных ИМС все элементы выполняются на одной общей (обычно кремниевой) подложке. Монолитные ИМС удовлетворяют требованиям массового производства с высокой степенью интеграции. Их характеристики некритичны к разбросу параметров пассивных элементов, температурной нестабильности, влиянию паразитных связей. Монолитные ИМС обладают высокой надежностью из-за пассивации элементов в процессе производства и сравнительно малого числа сварных соединений, представляющих Одну из основных причин отказов ИМС.

Полупроводниковые ИМС. Монолитные ИМС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника, называют полупроводниковыми (ПИМС) (рис. 9.1, цифрами обозначены соответствующие электрической схеме токоотводы). В качестве основы используют кремниевые монокристаллические пластины толщиной 0,25- 0,4 мм.

конденсатор

Резистор

транзистор g

SiO,

Рис. 9.1. Монолитная (полупроводниковая) интегральная микросхема

Активные и пассивные элементы микросхемы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы) избирательно формируют в одном монокристалле, применяя планарную технологию, известную из технологии дискретных полупроводниковых приборов. Межэлементные соединения в микросхеме выполняются как в объеме, так и на поверхности монокристалла полупроводника путем создания инверсных слоев определенной конфигурации или методом вакуумного напыления узких токопроводящих дорожек (алюминия, золота) на оксидированную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния. В местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмигтера, базы, коллектора транзистора и т. д.), имеются окна в пленке оксида. Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные контактные площадки. Методом напыления иногда изготовляют также резисторы и конденсаторы.

Изготовление ПИМС осуществляется групповым методом, при котором на одной пластине I (рис. 9.2) одновременно формируют большое число (500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межэлементных соединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. Затем пластину разрезают на отдельные платы 2 (кристаллы), содержащие одну или несколько функциональных структур, и закрепляют на основании корпуса 5, соединяя тонкими проводниками контактные площадки микросхемы с внешними токоотводами. Корпус 4 микросхемы герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействия окружающей среды.

/ 5) 2 нмс

Рис. 9.2. Групповой метод изготовления ИМС:

о -пластина с элементами ИМС (два транзистора, диод, резистор); б-соединение элементов внутри. ИМС; в и г - ИМС в корпусе