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=10к, 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.