Микросхемы, элементы, компоненты

1. Терминология в микроэлектронике согласно ГОСТ 17021—88.

Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, выпол­няющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требова­ний к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматрива­ется как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы - это часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента. (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки, зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Примеры интеграль­ных элементов: пленочный резистор в гибридной микросхеме, тран­зистор в полупроводниковой микросхеме.

Компонент интегральной микросхемы - часть интегральной мик­росхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент является частью гибридной микросхемы.

Цифровая интегральная микросхема - микросхема, предназна­ченная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Аналоговая интегральная микросхема - микросхема, предназна­ченная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

2. Элементы конструкции микросхем

При разработке технической документации или при составлении описаний конструкций микросхем ГОСТ обязывает пользоваться об­щими терминами (корпус, подложка, плата, пластина, кристалл), а также некоторыми специальными, которыми определяются особен­ности внутреннего строения микросхем.

Корпус - часть конструкции интегральной микросхемы, пред­назначенная для защиты микросхемы от внешних воздействий и для соединения с внешними электрическими цепями посредством выво­дов. Типы и размеры корпусов микросхем, а также расположение и число их выводов стандартизованы (см. ГОСТ 17467—79).

Подложка - заготовка из диэлектрического материала, пред­назначенная для нанесения на нее элементов гибридных и пленочных интегральных микросхем межэлементных и (или) межкомпонентных соединений, а также контактных площадок.

Плата - часть подложки (или вся подложка) гибридной интег­ральной микросхемы, на поверхности которой нанесены пленочные элементы микросхемы, межэлементные и межкомпонентные соедине­ния и контактные площадки.

Полупроводниковая пластина - заготовка из полупроводниково­го материала, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. При производстве микросхем этим терми­ном называют не только первоначальную заготовку, но и пластину со сформированными элементами полупроводниковых микросхем. Этот термин используется в течение всего технологического процес­са - от его начала до разделения группового изделия на отдельные кристаллы.

Кристалл - часть пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэле­ментные соединения и контактные площадки.

Базовый кристалл - часть полупроводниковой пластины с опре­деленным набором сформированных элементов, в том числе электри­чески соединенных и не соединенных между собой, предназначенный для дальнейшего проектирования микросхемы.

Основное отличие термина кристалл от термина базовый кри­сталл заключается в отсутствии в последнем законченных межэле­ментных соединений, которые будут выполнены при дальнейшем про­ектировании.

Базовый матричный кристалл (БМК.) - базовый кристалл интег­ральной микросхемы с регулярным, в виде матрицы, расположением не соединенных и (или) соединенных между собой элементов, без межэлементных соединений. Термины базовый кристалл и базовый матричный кристалл появились значительно позднее, чем вышел ГОСТ 17021—75. Они были введены ГОСТ 27394—87.

Контактная площадка - металлизированный участок на плате или кристалле, или корпусе интегральной микросхемы, служащий для присоединения выводов компонентов и кристаллов, перемычек, а также для контроля ее электрических, параметров и режимов.

Бескорпусная интегральная микросхема - кристалл микросхе­мы, предназначенный для монтажа в гибридную интегральную мик­росхему или микросборку. Этот термин в последнее время приобрел большое значение в связи с тем, что такие микросхемы широко при­меняются при создании микросборок и микроблоков. Если в обыч­ной микросхеме корпус служит для защиты от внешних воздейст­вий, то бескорпусная микросхема такой собственной защиты (по крайней мере, от механических воздействий) не имеет. Для соедине­ния с внешними электрическими цепями бескорпусная микросхема имеет собственные выводы, а ее полная защита обеспечивается кор­пусом устройства, в которое эта микросхема установлена.

Вывод бескорпусной интегральной микросхемы - проводник, со­единенный электрически с контактной площадкой кристалла и меха­нически с его поверхностью. Главным назначением вывода является обеспечение электрического контакта одной из цепей бескорпусной микросхемы при ее соединении с внешними электрическими цепями. По выводам от бескорпусной микросхемы отводится значительная часть тепла. Выводы бескорпусной микросхемы могут быть жестки­ми (шариковые, столбиковые, балочные) или гибкими (лепестковые, проволочные). Жесткие выводы могут использоваться для механичес­кого крепления бескорпусной микросхемы без ее приклеивания. Гиб­кие выводы бескорпусной микросхемы для механического крепления не применяются.

3. Простые и сложные микросхемы

В настоящее время стандартизированы количественные и качест­венные меры определения сложности микросхем. Количественный фактор соответствует порядку числа элементов на кристалле микро­схемы или в ее корпусе.

В ГОСТ 17021—88 термин степень интеграции интегральной мик­росхемы определен как показатель степени сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компо­нентов, причем степень интеграции микросхемы N=10^к, где К—ко­эффициент, показывающий степень интеграции, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа; N - число эле­ментов, в том числе содержащихся в составе компонентов, входящих в интегральную микросхему. В соответствии с этой формулой мик­росхема первой степени интеграции содержит до 10 элементов и компонентов, микросхема второй степени интеграции - от 11 до 100 эле­ментов и компонентов. Соответственно микросхема, имеющая в своем составе от 101 до 1000 элементов и компонентов, называется микросхемой третьей степени интеграции. Аналогично микросхемы, имеющие число элементов и компонентов от 1001 до 10 000, - микросхемы четвертой степени интеграции, а от 10001 до 100000 и от 100001 до 1 000000 - микросхемы пятой и шестой степеней интегра­ции и т. д.

Количественную меру сложности цифровых микросхем опреде­ляют иногда числом логических элементов (ЛЭ), или вентилей, из которых состоит интегральная микросхема. Под логическим элемен­том в этом случае понимают устройства, выполняющие операции булевой (логической) алгебры в двоичной системе. Логический элемент в зависимости от назначения, типа логики, технологии изготовления микросхемы может состоять из различного числа элементов (как правило, от 5 до 15). При качественной оценке понятий сложности микросхем (малая, средняя, большая, сверх­большая) определения зависят от числа элементов и компонентов, технологии изготовления и функционального назначения микросхем. Необходимо отметить, что аналоговые БИС, насыщены элементами во много раз меньше, чем цифровые (особенно униполярные).

Микросхема, имеющая время задержки распространения сигнала 8,5 нс/лэ или нижнюю границу рабочего диапазона тактовых частот не менее 300 МГц, называется сверхскоростной интегральной микросхемой (ССИС). При построении РЭА и при выборе ее элементной базы большое значение имеет плотность упаковки. Плотностью упаковки интегральной микросхемы называется отношение числа компонентов и элементов микросхемы, в том числе содержащихся в соста­ве компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов.

В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибрид­ными. В ГОСТ 1702.1—88 даются следующие определения этим трем разновидностям микросхем.

Полупроводниковая микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника.

Пленочная микросхема - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены только в виде пленок проводящих, резистивных и диэлектрических материалов. Вариантами пленочных являются тонкопленочные и толстопленочные микросхемы. Различие между тонкопленочными и толстопленочными микросхемами может быть количественным и качественным. К тонкопленочным условно относят микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм, а к толстопленочным — микросхемы с толщиной пленок 15 – 20 мкм. Качественные различия определяются технологией изготовления пленок. Элементы тонкопленочной микросхемы наносятся на подложку, как правило, с помощью катодного распыления и термовакуумного осаждения, а элементы толстопленочной микросхемы изготавливаются преимущественно методом шелкографии с последующим вжиганием.

Гибридная микросхема - микросхема, содержащая кроме элементов простые и сложные компоненты (например, кристаллы полупроводниковых микросхем). Одним из видов гибридной микросхемы является многокристальная микросхема.

В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговые микро­схемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, из­меняющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем этих микросхем является микросхема с линейной характеристикой, или линейная микросхема.

С помощью цифровых микросхем преобразуются и обрабатываются сигналы, изменяющиеся по закону дискретной функции. Частным случаем цифровых микросхем является ло­гическая микросхема, выполняющая операции с двоичным кодом, ко­торые описываются логической алгеброй.

Одновременно с понятием БИС в ГОСТ 17021—88 присутствуют два термина: БИС и базовый комплект БИС. Это обстоятельство выз­вано необходимостью совместной комплексной разработки и приме­нения БИС, представляющих собой узлы и блоки РЭА. Большие интегральные схемы, составляющие комплект, хотя и выполняют раз­личные функции, но совместимы по конструктивному исполнению и электрическим параметрам. Они позволяют использовать при построении микроэлектронной аппаратуры общие «архитектурные» приемы. Минимальный состав комплекта БИС, необходимый для решения определенного круга аппаратурных задач, называется базовым.

Как отклик на появление микропроцессорной техники в 1981 г. ГОСТ 17021—88 были введены четыре термина. Микропроцессор (МП) определен как программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им. Это устройство изготовлено на основе одной или нескольких БИС. Микропроцессорной названа микросхема, выполняющая функцию МП или его части. Совокупность этих и других микросхем, совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим параметрам, названа микропроцессорным комплектом (МПК). По аналогии с базовым комплектом БИС базовым МПК называется ми­нимальный состав такого комплекта, необходимый для построения основных узлов МП или контроллера.