Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983




НазваниеСправочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983
страница1/35
Дата публикации26.02.2013
Размер4.36 Mb.
ТипДокументы
skachate.ru > Журналистика > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   35
МИКРОСХЕМЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Справочное пособие
© Издательство «Энергия», 1978

© Издательство «Радио и связь», 1983

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
XXVI съезд КПСС выдвинул среди других задачу тех­нического перевооружения производства, быстрейшего создания и повсеместного внедрения принципиально новой техники и материа­лов. В решении этой задачи важная роль принадлежит современной Микроэлектронике. В планах экономического развития нашей страны указан ряд важнейших технических областей, таких как, например, Встроенные системы автоматического управления, где уже сегодня должна широко внедряться самая современная микроэлектронная элементная база, микропроцессоры и микро-ЭВМ.

Проникнув в разнообразные виды радиоэлектронной техники — от сложнейших управляющих комплексов до бытовых приборов и устройств, интегральные микросхемы значительно расширили сферу применения радиоэлектронных средств и обеспечили высокий техни­ко-экономический эффект от их внедрения. В связи с этим возникает необходимость в ознакомлении широкого круга читателей, интере­сующихся успехами полупроводниковой электроники и имеющих опыт работы в данной области, с номенклатурой и с практическими вопросами применения интегральных микросхем, выпускаемых оте­чественной промышленностью, с особенностями конструирования ра­диоэлектронной аппаратуры на их основе.

Первое издание книги вышло в 1978 г. За прошедшее время достигнуты значительные успехи в развитии микроэлектронной эле­ментной базы. Популярные серии микросхем пополнились сложными микроэлектронными функциональными узлами с высокой степенью интеграции. Разработаны и освоены в серийном производстве новые серии аналоговых и цифровых микросхем, построенные на перспек­тивных схемотехнических принципах и имеющие улучшенные функ­циональные и электрические характеристики.

В практику разработки радиоэлектронной аппаратуры все шире внедряются программно-управляемые универсальные микроэлектрон­ные устройства — микропроцессоры. Выпускаемые серийно комплек­ты микропроцессорных интегральных схем по своим функциональ­ным возможностям и электрическим характеристикам удовлетворяют требованиям многих областей применения: аппаратуры автоматиче­ского управления, связи, измерительной техники, бытовых приборов и т. д. Появились первые однокристальные микро-ЭВМ.

Значительно расширена номенклатура микроэлектронных опера­ционных усилителей, микросхем для запоминающих устройств, ана­лого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и др.

Накоплен большой практический опыт по применению микро­схем в радиоэлектронной аппаратуре, в том числе и радиолюби­тельской.

Указанные изменения, произошедшие после выхода в свет пер­вого издания книги, обусловили необходимость ее второго издания, переработанного и дополненного.

В предлагаемой читателям книге даны общие сведения об инте­гральных микросхемах, выпускаемых промышленностью, рассмотрены принципы их функциональной классификации, приведены коли­чественные значения основных параметров, изложены конструктив­ные особенности микросхем. Рассмотрен состав основных серий ана­логовых и цифровых микросхем, приведены примеры реализации на них функциональных узлов. Изложены особенности и примеры при­менения микросхем в радиолюбительских разработках.

Рассмотрены также особенности проектирования, конструирова­ния и эксплуатации аппаратуры на микросхемах.

В целом задачей книги является показ возможностей отечест­венных микросхем, а также условий их применения на базе обоб­щения практического опыта.

Во втором издании книги существенно обновлены все главы, включен материал по микросхемам, выпущенным отечественной про­мышленностью в последние годы, значительное внимание уделено тем из них, в рекомендациях по применению которых особенно остро нуждаются радиолюбители. В книгу введены две новые гла­вы, посвященные микропроцессорам, большим интегральным схемам памяти, аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователям, даны описания и принципы реализации новых устройств промыш­ленной и бытовой техники.

Глава 1 написана Батушевым В. А., гл. 2 — Вениаминовым В. Н., гл. 3 и § 7.6 — Ковалевым В. Г., гл. 4 и 5 — Лебедевым О. Н., гл. 6, 7 (кроме § 7.6) и 8 — Мирошниченко А. И., § 7.3 — написан совместно Ковалевым В. Г. и Мирошниченко А. И.

При подготовке второго издания были учтены критические за­мечания, пожелания и рекомендации многочисленных читателей, приславших письма. Авторы выражают признательность канд. техн. наук Бедрековскому М. А. за ценные замечания, сделанные им при рецензировании книги.

Авторы надеются, что книга будет с интересом встречена ши­роким кругом радиолюбителей.

Отзыв о книге просим присылать по адресу: 101000, Москва, Главпочтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая ра­диобиблиотека.
Авторы
Глава первая

^ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
1.1. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА-СОВРЕМЕННЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ УЗЕЛ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Полевые и биполярные транзисторы, полупроводниковые диоды и резисторы, конденсаторы и прочие электронные приборы и радиодетали часто называют элементами радиоэлектронной аппара­туры (РЭА), или электрорадиоэлементами, так как они составляют основу функциональных структур, реализующих обусловленные на­значением аппаратуры алгоритмы формирования, преобразования хранения, обработки и воспроизведения сигналов.

Предприятия электронной промышленности выпускают типовые электрорадиоэлементы в широком ассортименте в качестве комплек­тующих изделий. Изготовление же аппаратуры заключается факти­чески в сборке ее из готовых электрорадиоэлементов с применением межсоединений и конструктивных элементов, обеспечивающих не­обходимое пространственное расположение частей аппаратуры, со­единение их в единую функциональную структуру, защиту от воз­действий окружающей среды и поддержание теплового режима. Отдельные группы электрорадиоэлементов, совместно выполняющие единую функцию, могут из технологических или эксплуатационных соображений объединяться при этом в конструктивно завершенные сборочные единицы, называемые функциональными узлами (рис. 1.1). Узлы в свою очередь могут объединяться в субблоки, субблоки — в блоки (см. гл. 8) и т. д.



Рис. 1.1. Функциональный узел Рис. 1.2. Интегральная микро­схема
В последние 20 лет получила широкое распространение иная технология изготовления функциональных узлов, при которой про­цессы изготовления входящих в узел электрорадиоэлементов и про­цессы объединения их в функциональную конструктивно завершен­ную структуру совмещаются. Эта технология получила название интегральной (от латинского integre — целый, неразрывно связан­ный). Функциональные узлы РЭА, изготовляемые методом инте­гральной технологии, были названы интегральными микросхемами (ИС) (рис. 1.2). Приставка «микро» подчеркивает характерную осо­бенность интегральной технологии — высокий уровень миниатюри­зации, достигаемый в ее изделиях.

Проблема миниатюризации традиционна для радиоэлектроники, но значение ее непрерывно растет по мере расширения областей применения РЭА, усложнения радиооборудования и повышения ответственности выполняемых им функций. Для функциональных узлов аппаратуры удобным показателем уровня миниатюризации является плотность упаковки, характеризуемая отношением числа элементов, содержащихся в узле, к объему, занимаемому узлом.

Опыт показал, что при сборке маломощных функциональных узлов из готовых электрорадиоэлементов не удается поднять плот­ность упаковки выше 2 эл/см3 даже при использовании самых ми­ниатюрных полупроводниковых приборов и пассивных элементов. Интегральная же технология позволяет получить в тысячи раз большую плотность упаковки при невысокой стоимости и большой надежности. Эта замечательная черта интегральной технологии, открывшая широкие возможности миниатюризации радиоэлектрон­ных изделий, и явилась причиной широкого и быстрого внедрения ИС в РЭА, где они в настоящее время стали основным типом функционального узла.

Переход от традиционных методов сборки функциональных узлов аппаратуры из готовых типовых электрорадиоэлементов к принципиально новой технологии, совмещающей процессы изго­товления элементов и процессы объединения их в конструктивно завершенную функциональную структуру, стал возможным лишь благодаря полупроводниковой технологии, освоившей значительное количество новых весьма эффективных приемов и процессов. Ре­зультаты этого перехода оказались столь существенными, что зна­меновали подъем всей электроники на качественно новый уровень, Появление ИС — это фактически создание новой, более совершенной элементной базы РЭА. Интегральная технология изменила представ­ление об оптимальных функциональных структурах радиоэлектрон­ных устройств и их функциональном базисе. Она вызвала к жизни новые принципы и способы конструирования аппаратуры, оказывает глубокое влияние на все этапы изготовления радиоэлектронных устройств и на способы их эксплуатации, невиданно расширяет сфе­ру их применения. Произошло формирование специальной отрасли электроники, разрабатывающей проблемы конструирования и про­изводства электронных изделий на базе интегральной технологии. Эта отрасль получила название микроэлектроники.
^ 1.2. УСТРОЙСТВО ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
1.2.1. Полупроводниковые интегральные микросхемы
Наибольшее распространение получили ИС, у которых все эле­менты и межэлементные соединения выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — бипо­лярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.) [5]. Межсоединения выполняют напы­лением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора тран­зистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выво­дами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.



Рис. 1.3. Основные части микросхемы


Рис. 1.4. Интегральный бипо­лярный транзистор, изолиро­ванный электронно-дырочным переходом

Рис. 1.5. Интегральный много-эмиттерный транзистор


Изготовление полупроводниковых микросхем осуществляют групповым методом, при котором на одной пластине 1 (рис. 1.3) одновременно создают большое число (до 300 — 500) одинаковых функциональных структур (наборов элементов и межсоединений). Одновременной обработке подвергается до 20 пластин. После вы­полнения всех операций по формированию элементов и межсоеди­нений пластину разрезают на отдельные платы 2, называемые кри­сталлами. Каждый кристалл содержит одну функциональную струк­туру. Его закрепляют на основании корпуса 3, контактные площадки соединяют с выводами микросхемы с помощью тонких проводничков, затем на основание надевают крышку корпуса 4 и корпус герметизируют, чем обеспечивается защита кристалла от воздействий окружающей среды.

Рассмотрим теперь особенности устройства элементов полупро­водниковых микросхем, которые обусловлены необходимостью изо­ляции элементов от тела кристалла, обладающего заметной элек­трической проводимостью. Изоляцию элементов осуществляют либо с помощью дополнительного электронно-дырочного перехода, находя­щегося под обратным напряжением, либо с помощью тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния. Первый способ более прост и дешев и поэтому наиболее распространен, но он не позво­ляет получить ток утечки на тело кристалла менее 10 нА и емкость элемента по отношению .к телу кристалла менее 2пФ. Второй способ более сложен и дорог, но снижает ток утечки в тысячи раз, а емкость — в десятки раз.

Биполярные транзисторы. Структура транзистора, изолирован­ного электронно-дырочным переходом, показана на рис. 1.4. Элек­трод коллектора К расположен в интегральных транзисто­рах на верхней поверхности кристалла, там же находятся элек­троды эмиттера Э и базы Б. Чтобы в этих условиях обеспечить низкоомный путь для коллекторного тока к электроду коллектора K, под n-областью коллектора создают скрытый слой n+, обладаю­щий повышенной проводимостью. Изо тирующий переход образуется вдоль линии, разделяющей «-область коллектора и «+-область его скрытого слоя от р+-областей и р-области тела кристалла.



Рис. 1.6. Интегральные полу­проводниковые диоды (схема соединения)

Рис. 1.7. Интегральный МДП-транзистор


Транзисторы полупроводниковых микросхем могут иметь не сколько отдельных эмиттеров при одной базе и одном коллекторе. Такие транзисторы называются многоэмиттерными. Их устройство показано на рис. 1.5, а способы использования рассмотрены в гл 4 Если в полупроводниковой микросхеме применяют диэлектриче­скую изоляцию элементов, то транзисторы имеют такую же двух­переходную структуру, как и их дискретные аналоги.

Значения параметров интегрального биполярного транзистора определяются, как обычно, концентрационным профилем структуры, площадью переходов, электрофизическими параметрами материала. Максимальный коллекторный ток может достигать 50 мА коэффи­циент передачи тока базы от 20 до 50, обратные токи переходов менее 10 нА, максимальное коллекторное напряжение до 40 В ппе-дельная рабочая частота до 1000 МГц. Освоены способы изготов­ления транзисторных структур имеющих коэффициент передачи тока базы до нескольких тысяч [13].

^ Полупроводниковые диоды. Для упрощения технологического цикла диоды изготавливают на основе транзисторных структур Для быстродействующих диодов используют эмиттерный переход пои соединенном с базой коллекторе (рис. 1.6,а). Для диодов, которые должны иметь большое пробивное напряжение, используют коллек­торный переход, а эмиттер соединяют с базой (рис 1 66) Во вто­ром случае скорость переключения получается в десятки раз ниже из-за большего значения неравновесного заряда, накапливающегося не только в области базы, но и в области коллектора а также из-за большей емкости перехода.

МДП-транзисторы. Эти приборы не нужно специально изолиро­вать от тела кристалла, так как у них область «сток — канал — исток» уже изолирована от тела кристалла электронно-дырочным переходом, образующимся вдоль линии, разделяющей р-область тела кристалла от л+-области истока, л-области канала и л+-области стока, и этот переход имеет обратное смещение в рабочем режиме (рис. 1.7). Площадь, занимаемая на подложке МДП-структурой оказывается при этом в сотни раз меньше, чем у биполярных струк­тур, что позволяет получить значительно большую плотность разме­щения элементов на подложке.

Интегральные МДП-транзисторы имеют следующие значения параметров: ток стока до 10 мА, напряжение стока до 30 В вход­ное сопротивление — десятки МОм, предельная частота — сотни МГц Таким образом, интегральные МДП-транзисторы являются сравни­тельно низкочастотными элементами, что обусловлено большими межэлектродными емкостями.

Конденсаторы. В полупроводниковых микросхемах применяют в основном р — n-конденсаторы, в качестве которых используют кол­лекторный переход 1 транзисторной структуры (рис 1 8) Эмиттер-ную область в данном случае не формируют. Изолирующий р — n-пе­реход 2 отделяет р — «-конденсатор от тела кристалла. Выводами конденсатора являются алюминиевые электроды 3, 4 Конденсаторы, один вывод которых должен быть соединен с телом кристалла, могут выполняться на основе изолирующего перехода.

Емкость р—n-конденсатора определяется площадью перехода и обычно не превышает 100 пФ. Добротность низкая — не более 10 отклонение от номинала большое — до 30%, температурный коэф­фициент емкости до 10~3 град-1. v



Рис. 1.8. Интегральный конден­сатор Рис. 1.9. Диффузионный рези­стор
Малый диапазон емкостей, низкая добротность, высокий темпе­ратурный коэффициент и зависимость емкости от приложенного на­пряжения не позволяют в ряде случаев использовать р — n-конден-саторы. Тогда применяют пленочные конденсаторы типа «металл — диэлектрик — металл». Их выполняют последовательным напылением трех тонких слоев (проводящего, изолирующего и проводящего) на изолирующую пленку двуокиси кремния, находящуюся на поверхно­сти полупроводниковой пластины. Емкость таких конденсаторов до­стигает 500 пФ при отклонении от номинала не более 5 — 10%, доб­ротность — до 100, температурный коэффициент до 10~4 град-1, рабочее напряжение — до 60 В.

Применяют также конденсаторы типа МДП, у которых нижнюю обкладку образует эмиттерный слой транзисторной структуры, ди­электриком является пленка двуокиси кремния, а верхняя обклад­ка — металлическая. Вследствие большого сопротивления потерь нижней (полупроводниковой) обкладки такие конденсаторы несколь­ко уступают конденсаторам с металлическими обкладками, но проще их в изготовлении. По сравнению с парамерами р — n-конденсаторов параметры МДП-конденсаторов значительно выше.

Резисторы. Для формирования в полупроводниковой пластине области, обладающей требуемым электрическим сопротивлением, обычно используют базовый слой транзисторной структуры (рис. 1.9) и, иногда, эмиттерный или коллекторный слои. Такие резисторы на­зываются диффузионными. Алюминиевые межсоединения 1 имеют контакт с резистивным элементом 2 через окна в изолирующей плен­ке двуокиси кремния. Электронно-дырочный переход 3 изолирует резистивный элемент от тела кристалла.

Поскольку такие параметры диффузионных слоев, как толщи­на, концентрация и распределение примеси, задаются требованиями к транзисторным структурам, необходимое сопротивление резистив-ного элемента может быть получено лишь путем выбора слоя и его ширины и длины. Эмиттерный слой, имеющий более высокую кон­центрацию примесей, используют для получения резисторов с малым сопротивлением (от 2 до 30 Ом), а базовый слой — с большим со­противлением (от 100 Ом до 20 кОм). Отклонение от номинала достигает 20%, предельная частота — до 100 МГц, максимальное рабочее напряжение 5 и 20 В соответственно и температурный ко­эффициент 1-10-4 град-1 и 1-10-3 град-1, соответственно.

В полупроводниковых микросхемах обычно применяют диффу­зионные резисторы, но если требуемый номинал сопротивления не может быть с их помощью реализован, то в качестве резистивного элемента используют дорожки из пленки высокоомного металла на­пыленные, как и межсоединения, на изолирующую пленку двуокиси кремния, покрывающую поверхность кристалла. Эти резисторы на­зываются пленочными, их устройство рассмотрено в § 1.2.2.



Рис. 1.10. Крис­талл полупровод­никовой микросхе­мы
В качестве резисторов в полупроводниковых микросхемах используют также канал МДП-транзистора. Сопротивление при этом может регулироваться изменением напряжения, подаваемого на за­твор (минимальное сопротивление около 10 Ом).

Размещение элементов, межсоединений и контактных площадок на поверхности и внутри кристалла полупроводниковой микросхемы иллюстрирует рис. 1.10. На рис. 1.10,а показана принципиальная схема функционального узла, выполненного в виде данной микросхе-мы. Это логический элемент ИЛИ-НЕ, состоящий из двух тран­зисторов Т, и Т2 и трех резисторов R,, R2 и я3. Принцип действия этого элемента рассмотрен в гл. 4. На рис. 1.10,6 показан кристалл полупроводниковой микросхемы, представляющий собой данный функциональный узел (вид сверху). Обозначения те же что и на принципиальной схеме. Области, занятые транзисторными структу­рами, отмечены буквами Т, и Т2, выводы их эмиттеров — Э коллек­торов-K, баз -Б, пленочные резисторы Rь R2, R3 (отмечены точ­ками). Межсоединения и контактные площадки 1, 2, 3, 4, 5 отме­чены штриховкой. Область, занимаемая элементами на кристалле имеет размеры 1x1 мм. На рис l.l0.e показан разрез кристалла по А-А. Видны эмиттерная n+-область транзистора Т1 и вывод его эмиттера Э, базовая р-область и ее вывод Б, коллекторная n-область и ее вывод K, а также изолирующий слой двуокиси крем­ния на поверхности подложки (заштрихован) и пленочные резисто­ры R1 и R3 (отмечены точками).

Рассмотренная полупроводниковая микросхема имеет пять элр ментов: два транзистора и три резистора. В выпускаемых промышленностью микросхемах число элементов на кристалле значительно больше, иногда оно исчисляется десятками и даже сотнями тысяч.
1.2.2. Пленочные интегральные микросхемы
Второй разновидностью микросхем являются пленочные микро­схемы, подразделяемые на тонкопленочные и толстопленочные. Бо­лее совершенны и шире распространены тонкопленочные микросхе­мы. Их выполняют на диэлектрической подложке (из стекла, ситал-ла, керамики), элементами их являются резисторы и конденсаторы. Иногда используют индуктивные элементы.

Резисторы изготавливают напылением на подложку 3 (рис. 1.11) через трафарет тонкой пленки высокоомного материала (нихром, тантал, сплав МЛТ) нужной конфигурации. Концы полученного ре-зистивного элемента 1 соединяют с пленочными контактными пло­щадками 2, выполняемыми из металла, обладающего высокой элек­тропроводностью (алюминий, медь, золото).

Электрическое сопротивление такого резистора может быть от 10 Ом до 1 МОм в зависимости от толщины, ширины и длины ре-зистивной полоски, а также удельного сопротивления материала. Отклонение от номинала 5 — 10 %; применяя подгонку, можно полу­чить отклонение менее 0,1 %. Температурный коэффициент сопро­тивления (50 — 500)-10-6 град-1. Допустимая удельная мощность рассеяния составляет 1 — 3 Вт/см2. Благодаря малой собственной индуктивности тонкопленочные резисторы имеют частотный диапазон до 1000 МГц.

Конденсаторы выполняют на диэлектрической подложке 1 (рис. 1.12) последовательным напылением трех слоев: металл — ди­электрик — металл. Металлические слои 3, образующие обкладки конденсатора, изготовляют обычно из алюминия. В качестве диэлек­трика 2 используют окись кремния, окись алюминия, боросиликатное стекло и др. Емкость такого конденсатора в зависимости от площа­ди обкладок, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектри­ка составляет от 100 до 5000 пФ при рабочем напряжении до 60 В. Температурный коэффициент емкости (35 — 400)10~в град-1, частот­ный диапазон до 300 — 500 МГц.

Индуктивные элементы могут быть выполнены в виде однослой­ных многовитковых спиралей, однако индуктивность их не превы­шает 20 мкГн при добротности не более 50.

На базе пленочной технологии до сих пор не удалось создать достаточно надежные транзисторы или другие активные элементы, поэтому пленочные микросхемы имеют ограниченное самостоятель­ное применение и большей частью составляют основу гибридных микросхем.



Рис. 1.11. Интегральный пле­ночный резистор

Рис. 1.12. Интегральный пле­ночный конденсатор


1.2.3. Гибридные интегральные микросхемы
Гибридные микросхемы изготавливают на диэлектрической под­ложке, их пассивные элементы R, С, L, межсоединения и контакт­ные площадки выполняют по пленочной технологии, т. е напыле­нием. Применяют групповой метод обработки, при котором на одну подложку наносят до 16 — 18 идентичных групп элементов и меж­соединений, затем подложку разрезают на части — платы каждая из которых содержит элементы и межсоединения одного функцио­нального узла.

Транзисторы для гибридных микросхем изготавливают отдель­но, в целях экономии объема в бескорпусном оформлении иногда в виде сборки. Их параметры имеют примерно те же численные зна­чения, что и у дискретных аналогов. Бескорпусные транзисторы защищают от воздействий внешней среды специальным влагостой­ким покрытием.

Монтаж транзистора 1 (рис. 1.13) на плате осуществляют тер­мокомпрессионной сваркой шариковых 3 или балочных 5 выводов с контактными площадками 2 либо с помощью проволочных вы­водов.

Общий вид платы гибридной микросхемы показан на рис 1 ^ 14 а, На диэлектрическую подложку наносят через трафарет резистивные полоски Ri, R2, Rз из высокоомного материала, затем через другой трафарет распылением металла, имеющего высокую электропровод­ность, наносят нижнюю обкладку О, конденсатора С, межсоедине­ния и контактные площадки 1 — 5. Далее через третий трафарет на­носят пленку диэлектрика конденсатора Д и, наконец, через четвер­тый трафарет наносят последний слой — верхнюю обкладку конден­сатора 02. Транзистор Т приклеивают к подложке и проволочными выводами подсоединяют к соответствующим контактным площадкам.

На рис. 1.14,6 показана принципиальная схема рассмотренного устройства. Оно функционально незавершено, поскольку может быть использовано (в усили­теле с общим эмиттером, в эмиттерном повторителе и т. п.) лишь при подключении к нему ряда внешних элементов. Та­кая функциональная незавер­шенность обычно возникает из-за трудностей выполнения некоторых элементов (напри­мер, катушек) в виде, при­годном для монтажа внутри микросхемы. Иногда микро­схему специально оставляют функционально незавершенной, чтобы расширить сферу ее использования.

Рассмотренная микросхема имеет один транзистор, один конденсатор и три резистора.

Выпускаемые промышленностью гибридные микросхемы во многих случаях значительно сложнее, число их элементов может достигать нескольких сотен.



Рис. 1.13. Монтаж бескорпусного транзистора в гибридной микро­схеме



Рис. 1.14. Плата гибридной микросхемы
Гибридные микросхемы могут выполняться и на основе толсто­пленочной технологии, более дешевой, но, как уже указывалось, менее совершенной. Подложка для толстопленочной микросхемы имеет размеры 16X10X1 или 10X10X1 мм и выполняется из высо­коглиноземистой керамики, имеющей хорошую адгезию к наносимым материалам. Элементами толстопленочной микросхемы являются резисторы и конденсаторы, их выполняют так же, как и межсоеди­нения, путем нанесения на поверхность подложки через сетчатый трафарет специальных проводящих, резистивных и диэлектрических паст, подвергаемых после нанесения термической обработке. Полу­чаемые таким образом резисторы могут иметь сопротивление от 5 Ом до 70 кОм с разбросом (после подгонки) до 1 %, при удель­ной мощности рассеяния до 0,5 Вт/см2. Конденсаторы имеют емкость рт 60 до 350 пФ, добротность до 50, пробивное напряжение до 150 В. Температурный коэффициент у резисторов ±5-10~4 град-1, конденсаторов 4-10~4 град-1. Бескорпусные транзисторы и диоды монтируют в толстопленочных гибридных микросхемах обычным способом.
^ 1.3. МИКРОСХЕМЫ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ ИНТЕГРАЦИИ
По числу содержащихся в корпусе микросхем элементов разли­чают шесть степеней интеграции: первая степень — от 1 до 101; вторая — от 10 до 102; третья — от 102 до 103; четвертая — от 103 до 104; пятая — от 104 до 105; шестая — от 105 до 106 элементов.

Интегральные микросхемы, содержащие более 100 элементов, принято называть микросхемами повышенного уровня интеграции, используется также термин «большие интегральные схемы» (БИС) он соответствует четвертой-пятой степеням интеграции

Микросхемы повышенного уровня интеграции имеют по сравне­нию с микросхемами малого уровня интеграции значительно лучшие габаритные характеристики, меньшую стоимость в расчете на один функциональный элемент, а также ряд других преимуществ благо­даря которым удается существенно улучшить основные технико-эко­номические характеристики аппаратуры.

Во-первых, значительно уменьшается число соединений в аппа­ратуре из-за большей функциональной сложности самих микросхем. Усредненные расчеты показывают, что микросхема, например с пятью логическими элементами нуждается в пяти внешних выво­дах на один элемент для обеспечения необходимых функциональных связей в устройстве. При увеличении количества логических элемен­тов в микросхеме до 50 число внешних выводов уменьшается до двух на элемент. Известно, что в микроэлектронной аппаратуре кон-тактные соединения являются одной из основных причин ее отказов. Поэтому их уменьшение при использовании микросхем повышенной степени интеграции позволяет повысить надежность аппаратуры на один-два порядка по сравнению с аппаратурой на микросхемах ма­лой степени интеграции.

Во-вторых, сокращается общая длина соединений между эле­ментами, снижаются паразитные емкости нагрузок и, следовательно повышается быстродействие аппаратуры. При применении элементов со средней задержкой переключения 2 не реализовать их быстродей­ствие можно только в том случае, если общая длина межсоедине­нии не будет превышать 4 см, тогда задержка в межсоединениях будет примерно на порядок меньше, чем в элементе Отсюда сле­дует, что создание устройств со сверхвысоким быстродействием принципиально возможно только на базе микросхем повышенного уровня интеграции, в которых длину соединений можно довести до 1 см, снизив тем самым задержку распространения сигнала между элементами до 0,05 — 0,1 не.

Вместе с отмеченными достоинствами микросхемы повышенного уровня интеграции имеют целый ряд особенностей, которые ослож­няют их разработку, изготовление и применение. Например воз­растание удельной рассеиваемой мощности при увеличении степени интеграции требует принятия специальных мер по обеспечению теп-лоотвода, а при удельной мощности выше 20 Вт/см2 — применения принудительного охлаждения. Важной задачей при этом становится разработка функциональных структур, применение функциональных элементов и режимов, которые давали бы возможность снизить за­траты энергии, приходящейся на одну выполняемую функцию

Повышение степени интеграции в большинстве случаев приво­дит к увеличению сложности функций, выполняемых микросхемой, С одной стороны, это положительный фактор, так как при исполь­зовании более сложных микросхем упрощается проектирование и изготовление аппаратуры. В то же время стоимость ремонта может существенно возрасти. Меньшая универсальность микросхемы повы­шенной степени интеграции ограничивает необходимый объем их выпуска, а следовательно, увеличивает их стоимость. (Последнее не относится к программно-управляемым микросхемам, для которых повышение степени интеграции не уменьшает универсальности.)

При повышении плотности упаковки усиливается электромагнит­ная связь между элементами за счет близкого расположения межсоединений и самих элементов, что приводит к понижению помехо­устойчивости микросхем. Появляются значительные трудности при изготовлении малых по размерам корпусов с большим количеством выводов, что существенно сдерживает увеличение степени инте­грации.

Тем не менее повышение уровня интеграции микросхем являет­ся прогрессивным направлением их развития, направлением, которое помогает существенно улучшить как функциональные, так и эксплуа­тационные показатели РЭЛ.

Существует два направления в разработке микросхем повышен­ного уровня интеграции. Одно из них базируется на гибридной тех­нологии, использующей бескорпусные микросхемы малой степени интеграции и пленочную технологию их соединения на диэлектри­ческой подложке. Бескорпусные микросхемы по сравнению с их ана­логами в корпусах меньше по объему и массе примерно в 70 раз и по занимаемой площади в 30 раз. Устанавливают их на много­слойную подложку, иногда называемую коммутационной платой. Соединения наносят либо по тонкопленочной, либо по толстопленоч­ной технологии. Гибридная технология получила широкое распро­странение для изготовления микросхем повышенной степени инте­грации благодаря сравнительно низкой стоимости проектирования и изготовления микросхем малой степени интеграции, хорошо отрабо­танному технологическому процессу и высокому проценту выхода годных изделий.

Другое направление в разработке и производстве микросхем повышенной степени интеграции использует полупроводниковую тех­нологию. Все элементы изготавливают в объеме полупроводниковой пластины и затем соединяют в требуемую схему с помощью тонких проводящих пленочных полосок, нанесенных на поверхность окис­ленной пластины. Межсоединения выполняют обычно по методу избирательного монтажа, при котором предварительно осуществляют на каждой пластине проверку годности элементов, после чего с по­мощью ЭВМ составляют схему межсоединений и затем только осу­ществляют межсоединения.

Полупроводниковые микросхемы повышенной степени интегра­ции изготавливают главным образом на основе МДП-транзисторов. Это объясняется их преимуществами перед микросхемами на бипо­лярных транзисторах: втрое меньшим числом технологических опе­раций и на порядок большей плотностью размещения элементов на подложке.

Однако по быстродействию они уступают микросхемам на би­полярных транзисторах. Поэтому основную область их применения составляет аппаратура сравнительно невысокого быстродействия.
^ 1.4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Практические возможности интегральной технологии в настоя­щее время таковы, что большинство маломощных функциональных узлов РЭА может быть реализовано в виде микросхем. Однако промышленное производство микросхем определенного типа целе­сообразно лишь тогда, когда данный тип находит массовое приме­нение в РЭА. При малом объеме сбыта затраты на разработку и подготовку производства могут существенно повысить стоимость микросхемы и применение ее в аппаратуре окажется нецелесообраз­ным по экономическим причинам. Эти соображения обусловливают необходимость ограничения номенклатуры микросхем.

Следует отметить также, что микросхемы относятся к комплек­тующим изделиям: они не имеют самостоятельного функционально­го назначения, а применяются лишь в совокупности с другими изде­лиями как составные части более сложных и притом весьма разно­образных устройств. Поэтому круг требований к микросхемам со стороны потребителей оказывается чрезвычайно широким. Удовлет­ворение этих требований представляется трудной задачей, так как интегральные микросхемы отличаются большой сложностью и для их производства требуются уникальное оборудование, уникальные технологические процессы и высокая квалификация персонала.

Эффективное решение проблемы возможно лишь при плановом развитии номенклатуры микросхем и их стандартизации. Государ­ственные стандарты определяют функциональную классификацию и типы изделий, ряды разрешенных значений основных параметров изделий (параметрические ряды) и ряды габаритных и присоедини­тельных размеров, типов и размеров корпусов, значений питающих напряжений (размерные ряды).

Функциональная классификация интегральных микросхем опре­делена государственным стандартом ГОСТ 18682 — 73. Интегральные микросхемы по роду выполняемой функции разбиты на подгруппы (усилители, преобразователи, триггеры и т. д.), внутри каждой подгруппы микросхемы подразделены по виду выполняемой функ­ции (усилители высокой частоты, преобразователи фазы, триггеры RS и т. д.). В соответствии с функциональной классификацией микросхемам присваивают определенные наименования.

Интегральные микросхемы выпускаются промышленностью в ви­де серий, включающих микросхемы, предназначенные для совместно­го использования в РЭА. Все микросхемы, входящие в одну серию, имеют один тип корпуса, одинаковые напряжения питания, показа­тели надежности, допустимые уровни воздействий.

При выборе микросхем для аппаратуры определенного типа необходимо руководствоваться не только функциональным назна­чением микросхемы, но и значениями параметров, характеризующих свойства микросхемы и режимы работы. Обычно указываются сле­дующие виды параметров: функциональные параметры микросхемы, характеризующие ее возможности; параметры рабочего режима, определяющие совокупность условий, необходимых для правильного функционирования микросхемы; допустимые уровни воздействий окружающей среды, не нарушающие нормального функционирова­ния микросхемы в пределах гарантированного ресурса; конструктив­ные параметры, характеризующие габаритные и присоединительные размеры.

Конкретные значения параметров и указания по применению приводятся в нормативно-технической документации на изделие и в справочниках. При решении вопроса о применении той или иной микросхемы в проектируемой аппаратуре необходимо исходить из ее параметров и указаний по применению, приведенных в указанной документации.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   35

Похожие:

Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconВопросы составлены на основе следующих книг: Ктувим, Эстер, стр....
Доктор Йом Тов Левинский, «Наши праздники», издательство «Ахиасаф», Тель-Авив, 1991
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconМ. Н. Ушкар микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре...
Это порождает множество вариантов построения микропроцессорных устройств, выполняющих функции некоторой части рэа
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconВ. С. Волков радиолюбительский измерительный прибор © Издательство «Радио и связь»
В предлагаемой читателям брошюре описан комбинированный прибор, поз­воляющий совместно с электронным осциллографом и широкополосным...
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconВопросы составлены на основе следующих книг: Ктувим, Теелим, Псалмы...
Ктувим, Теелим, Псалмы 122-137, стр. 82-88, Издательство Мосад арав Кук, Иерушалаим, 5738-1978
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconНиколай Николаевич Кравцов Радиолюбительские конструкции супергетеродинов...
Постепенно накапливая опыт, они перехо­дят к более сложным и совершенным конструкциям супергетеродинного типа. Высокая чувствительность...
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconЦифровой измерительный комплекс © Издательство «Радио и связь», 1986 предисловие
Регулировка радиоаппаратуры, получение требуемых параметров невозмож­ны без применения измерительных приборов различного назначения....
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconЛбер проект атман трансперсональный взгляд на человеческое развитие...
У36 Проект Атман: Трансперсональный взгляд на человеческое развитие / К. Уилбер; Пер с англ под ред. А. Киселева. — М: ООО «Издательство...
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconДмитрий Петрович Бриллиантов портативные любительские телевизоры...
Здесь рассматриваются самые миниатюрные переносные телевизоры с размерами эк­ранов 16 см по диагонали и менее, которые можно изготовить...
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconВладимир Григорьевич Гнеушев Андрей Лаврентьевич Попутько Тайна Марухского ледника
Издательство просит отзывы об этой книге и пожелания присылать по адресу: Москва, Центр, проезд Сапунова, д №13/15, издательство...
Справочное пособие © Издательство «Энергия», 1978 © Издательство «Радио и связь», 1983 iconПрограммно-методическое обеспечение образовательного процесса моу...
Авт сост. А. А. Позднякова. – М.: Ооо «Издательство аст»: Ооо «Издательство Астрель», 2002 г

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
skachate.ru
Главная страница