Integrert mikrokrets(eller bare en integrert krets) er et sett med, som regel, et stort antall sammenkoblede komponenter (transistorer, dioder, kondensatorer, motstander, etc.), produsert i en enkelt teknologisk syklus (dvs. samtidig), på samme bærer konstruksjoner - substrat- og utføre en viss funksjon av informasjonstransformasjon.

Begrepet "integrert krets" (IC) gjenspeiler det faktum å kombinere (integrere) individuelle deler - komponenter - til en strukturelt enkelt enhet, samt det faktum at funksjonene som utføres av denne enheten er mer komplekse enn funksjonene til individuelle komponenter.

Komponenter som er en del av IP og dermed ikke kan skilles fra den som uavhengige produkter kalles elementer IP eller integrerte elementer. De har noen særegenheter sammenlignet med transistorer, etc., som er produsert i form av strukturelt separate enheter og kobles til en krets ved lodding.

Utviklingen av elektronikk er basert på den kontinuerlige komplikasjonen av funksjonene som utføres av elektronisk utstyr. På visse stadier blir det umulig å løse nye problemer med de gamle midlene eller, som de sier, på grunnlag av de gamle element base, for eksempel ved bruk av vakuumrør eller diskrete transistorer. Hovedfaktorene som ligger til grunn for endringen av elementbasen er: pålitelighet, dimensjoner og vekt, kostnad og kraft.

Et trekk ved mikroelektroniske produkter er en høy grad av kompleksitet av funksjonene som utføres, for hvilke kretser opprettes der antall komponenter er i millioner. Derfor er det klart at det er umulig å sikre pålitelig drift når komponenter kobles til manuelt. Den eneste måten å løse det på er å bruke kvalitativt ny høyteknologi.

For produksjon av integrerte kretser brukes en gruppeproduksjonsmetode og planteknologi.

Gruppemetode produksjon består i det faktum at for det første produseres et stort antall integrerte kretser samtidig på en plate av halvledermateriale; for det andre, hvis den teknologiske prosessen tillater det, behandles dusinvis av slike plater samtidig. Etter fullføringen av IC-produksjonssyklusen kuttes waferen i to innbyrdes perpendikulære retninger i separate krystaller, som hver er en IC.

Planteknologi- dette er en slik organisering av den teknologiske prosessen når alle elementer og deres komponenter skapes i en integrert krets ved å danne dem gjennom et plan.

En eller flere teknologiske operasjoner i produksjonen av IC-er består i å koble individuelle elementer til en krets og koble dem til spesielle kontaktputer. Derfor er det nødvendig at pinnene til alle elementer og kontaktputer er i samme plan. Denne muligheten er gitt av planteknologien.

Endelig operasjon - emballasje- dette er plasseringen av IC i etuiet med tilkobling av kontaktputene til bena på IC (fig. 2.20).

Pris Dén IC (én krystall) kan forenkles som følger:

hvor EN- kostnadene for forskning og utviklingsarbeid på opprettelsen av IS; V- kostnader for teknologisk utstyr, lokaler, etc .; MED- driftskostnader for materialer, elektrisitet, lønn, per plate; Z- antall plater produsert før avskrivning av anleggsmidler; X- antall krystaller på platen; Y- forholdet mellom brukbare IC-er og mengden satt i produksjon i begynnelsen av den.

I tillegg til de åpenbare kommentarene til kostnader, bør følgende bemerkes. Øke Y oppnås ved å skape mer og mer moderne teknologi, kanskje den mest komplekse og reneste blant mange av de nyeste bransjene. Vekst i antall krystaller X på platen kan oppnås på to måter: ved å øke størrelsen på platen og redusere størrelsen på de enkelte elementene. Begge retninger brukes av utviklere.

Avslutningsvis bemerker vi at alle konstantene som er inkludert i formelen verken er konstante eller avhengige av hverandre, så analysen for minimumskostnaden er faktisk kompleks og multifaktoriell.

IP-klassifisering. IP-klassifisering kan gjøres i henhold til ulike kriterier, vi vil her begrense oss til kun ett. I henhold til produksjonsmetoden og den resulterende strukturen, skilles to fundamentalt forskjellige typer integrerte kretser: halvleder og film.

Halvleder IC er en mikrokrets, hvis elementer er laget i det nære overflatelaget av et halvledersubstrat (fig. 2.21). Disse IC-ene utgjør ryggraden i moderne mikroelektronikk.

Film IC- dette er en mikrokrets, hvis elementer er laget i form av forskjellige typer filmer avsatt på overflaten av et dielektrisk substrat (fig. 2.22). Avhengig av metoden for påføring av filmene og den tilhørende tykkelsen, skilles de tynn film IS (filmtykkelse opp til 1-2 mikron) og tykk film IS (filmtykkelse fra 10-20 mikron og over). Siden til nå ingen kombinasjon av avsatte filmer har gjort det mulig å oppnå aktive elementer som transistorer, inneholder film-ICer bare passive elementer (motstander, kondensatorer, etc.). Derfor er funksjonene som utføres av rene film-ICer ekstremt begrensede. For å overvinne disse begrensningene, er en film-IC supplert med aktive komponenter (separate transistorer eller IC-er), plassert på samme underlag og koblet til filmelementene. Da oppnås en IC, som kalles hybrid.

Hybrid IC(eller GIS) er en mikrokrets som er en kombinasjon av passive filmelementer og aktive komponenter plassert på et vanlig dielektrisk substrat. De diskrete komponentene som utgjør en hybrid IC kalles hengslet, og understreker dermed deres isolasjon fra den viktigste teknologiske syklusen for å få filmdelen av ordningen.

En annen type "blandet" IC, som kombinerer halvleder- og filmintegrerte elementer, kalles kombinert.

Kombinert IC er en mikrokrets der aktive elementer er laget i det nære overflatelaget av en halvlederkrystall (som i en halvleder IC), og passive blir avsatt i form av filmer på en forhåndsisolert overflate av den samme krystallen (som i en film IC).

Kombinerte IC-er er fordelaktige når høye karakterer og høy stabilitet av motstander og kapasiteter er nødvendig; disse kravene er lettere å oppfylle med filmelementer enn med halvledere.

I alle typer IC-er utføres sammenkoblingen av elementer ved hjelp av tynne metallstrimler, sprayet eller avsatt på overflaten av underlaget og på de riktige stedene i kontakt med elementene som skal kobles til. Prosessen med å påføre disse slipsremsene kalles metallisering, og selve "tegningen" av sammenkoblinger - metall ledninger.

Halvledere Til ny IP... For øyeblikket skilles følgende halvleder-ICer ut: bipolar, MOS (metall-oksid-halvleder) og BIMOS. Sistnevnte er en kombinasjon av de to første, og de kombinerer sine positive egenskaper.

Teknologien til halvleder-ICer er basert på doping av en halvleder (silisium) wafer med vekselvis donor- og akseptorurenheter, som et resultat av at tynne lag med forskjellige typer ledningsevne dannes under overflaten. p-n-overganger ved grensene til lag. Separate lag brukes som motstander og p-n- koblinger - i diode- og transistorstrukturer.

Platen må dopes lokalt, dvs. i separate områder atskilt med tilstrekkelig store avstander. Lokal legering utføres ved hjelp av spesielle masker med hull gjennom hvilke urenhetsatomer trenger inn i platen på de ønskede stedene. Ved fremstilling av halvleder-ICer spilles rollen til masken vanligvis av en film av silisiumdioksyd SiO 2, som dekker overflaten av silisiumplaten. I denne filmen er det nødvendige settet med hull av forskjellige former gravert ved hjelp av spesielle metoder, eller, som de sier, de nødvendige tegning(ris. 2.22). Hullene i maskene, spesielt i oksidfilmen, kalles vinduer.

La oss nå kort beskrive komponentene (elementene) til halvleder-ICer. Hovedelementet i bipolare ICer er n-p-n-transistor: hele den teknologiske syklusen er orientert mot produksjonen. Alle andre elementer skal produseres, hvis mulig, samtidig med denne transistoren, uten ytterligere teknologiske operasjoner.

Hovedelementet i MIS IC er MIS-transistoren. Fremstillingen av andre elementer er også innstilt på basistransistoren.

Elementene i en bipolar IC må isoleres fra hverandre på en eller annen måte slik at de ikke samhandler gjennom krystallen.

MOS IC-elementer trenger ikke spesiell isolasjon fra hverandre, siden det ikke er noen interaksjon mellom tilstøtende MOS-transistorer. Dette er en av hovedfordelene med MOS IC-er fremfor bipolare.

Et karakteristisk trekk ved halvleder-ICer er at det ikke er noen induktorer og dessuten transformatorer blant elementene. Dette skyldes at det til nå ikke har vært mulig å bruke noe fysisk fenomen som tilsvarer elektromagnetisk induksjon i et fast stoff. Derfor, når de utvikler IC-er, prøver de å implementere den nødvendige funksjonen uten å bruke induktorer, noe som i de fleste tilfeller er vellykket. Hvis det imidlertid er nødvendig med en induktor eller en transformator, må de brukes som eksterne komponenter.

Dimensjonene til krystallene i moderne halvleder-ICer når 20x20 mm 2. Jo større dysearealet er, desto mer kompleks, multi-element IC kan plasseres på den. Med samme krystallareal kan antall elementer økes ved å redusere størrelsen og avstanden mellom dem.

Den funksjonelle kompleksiteten til IS er vanligvis preget av grad av integrasjon, de. antall elementer (oftest transistorer) på krystallen. Maksimal grad av integrasjon er 10 byte per brikke. Økningen i graden av integrasjon (og med den kompleksiteten til funksjonene som utføres av IC) er en av hovedtrendene innen mikroelektronikk.

For å kvantifisere graden av integrasjon brukes en betinget koeffisient k= lg N. Avhengig av betydningen kalles integrerte skjemaer annerledes:

k ≤ 2 (N ≤ 100) - integrert krets (IC);

2 ≤ k ≤ 3 (N ≤ 1000) - integrert krets med middels grad av integrasjon (SIS);

3 ≤ k ≤ 5 (N ≤ 10 5) - stor integrert krets (LSI);
k> 5 (N> 10 5) - veldig stor integrert krets (VLSI).

Nedenfor er de engelske symbolene og deres betydning:

IC - Integrert krets;

MSI - Medium Scale Integration;

LSI - Storskala integrasjon;

VLSI - Very Large Scale Integration.

I tillegg til graden av integrering bruker de også en slik indikator som pakkingstetthet- antall elementer (oftest transistorer) per arealenhet av krystallen. Denne indikatoren, som hovedsakelig karakteriserer teknologinivået, er for tiden opp til 500-1000 elementer / mm 2.

Hybride IC-er. Film, og dermed hybrid, IC-er, avhengig av produksjonsteknologi, er delt inn i tykk- og tynnfilm.

Tykkfilm-GIS (vi vil betegne dem som TsGIS) er veldig enkle å produsere. Den dielektriske substratplaten påføres limer av ulik sammensetning. Ledende pastaer gir sammenkoblinger av elementer, kondensatorplater og ledninger til hylsterstifter; resistiv - oppnå motstander; dielektrisk - isolasjon mellom kondensatorplater og generell beskyttelse av overflaten til det ferdige GIS. Hvert lag skal ha sin egen konfigurasjon, sin egen tegning. Derfor, i produksjonen av hvert lag, påføres pastaen gjennom sin egen maske - sjablong- med vinduer på de stedene hvor limen av dette laget skal komme. Etter det limes tilleggskomponenter og terminalene kobles til kontaktputer.

Tynnfilm-GIS (vi vil betegne dem som TcGIS) er produsert ved hjelp av en mer kompleks teknologi enn TsGIS. Klassisk tynnfilmteknologi kjennetegnes ved at filmene avsettes på underlaget fra gassfasen. Etter å ha dyrket den neste filmen, endrer de den kjemiske sammensetningen av gassen og dermed de elektrofysiske egenskapene til den neste filmen. Således oppnås ledende, resistive og dielektriske lag vekselvis. Konfigurasjonen (figuren) av hvert lag bestemmes enten av en sjablong, som i tilfellet med TSGIS, eller av en maske, som en oksidmaske i halvleder-ICer (se fig. 1.4).

Hengslede elementer i TkGIS, som i TsGIS, limes til overflaten av den ferdige filmdelen av kretsen og kobles til de tilsvarende kontaktputene til elementene.

Graden av integrering av GIS kan ikke vurderes på samme måte som ved halvleder-ICer. Det er imidlertid et begrep stort GIS(eller BGIS), som betyr at GIS ikke inkluderer individuelle transistorer, men hele halvleder-ICer som hengslede komponenter.

I denne artikkelen vil vi snakke om mikrokretser, hvilke typer er det, hvordan de er ordnet og hvor de brukes. Generelt, i moderne elektronisk teknologi er det vanskelig å finne en enhet som ikke bruker mikrokretser. Selv de billigste kinesiske lekene bruker en rekke plane, sammensatte fylte sjetonger, som har i oppgave kontrollfunksjonen. Dessuten blir de for hvert år mer og mer komplekse inne, men lettere å betjene og mindre i størrelse utenfor. Vi kan si at det er en konstant utvikling av mikrokretser.

En mikrokrets er en elektronisk enhet eller en del av den som er i stand til å utføre en bestemt oppgave. Hvis det var nødvendig å løse et slikt problem, som mange mikrokretser løser, på diskrete elementer, på transistorer, ville enheten, i stedet for et lite rektangel som måler 1 centimeter x 5 centimeter, okkupere et helt kabinett, og ville være mye mindre pålitelig . Men slik så datamaskinene ut for et halvt hundre år siden!

Elektronisk styreskap - foto

Selvfølgelig, for at mikrokretsen skal fungere, er det ikke nok bare å levere strøm til den, den såkalte " kroppssett”, Det vil si de hjelpedelene på brettet, sammen med hvilke mikrokretsen kan utføre sin funksjon.

Chip body kit - tegning

På bildet ovenfor er selve mikrokretsen uthevet i rødt, alle andre deler er hennes " kroppssett". Svært ofte varmes mikrokretser opp under arbeidet, det kan være mikrokretser av stabilisatorer, mikroprosessorer og andre enheter. I dette tilfellet, slik at mikrokretsen ikke brenner ut, må den festes til radiatoren. Mikrokretser som skal varmes opp under drift utformes umiddelbart med en spesiell varmeavlederplate - en overflate som vanligvis er plassert på baksiden av mikrokretsen, som skal passe tett til radiatoren.

Men i forbindelsen vil selv en nøye polert radiator og en plate fortsatt ha mikroskopiske hull, som et resultat av at varmen fra mikrokretsen vil bli mindre effektivt overført til radiatoren. For å fylle disse hullene brukes en varmeledende pasta. Den som vi satte på dataprosessoren før vi festet radiatoren oppå den. En av de mest brukte pastaene er CBT-8.

Forsterkere på mikrokretser kan loddes bokstavelig talt på 1-2 kvelder, og de begynner å fungere umiddelbart, uten behov for kompleks tuning og høy kvalifisering av tuneren. Separat vil jeg si om mikrokretsene til bilforsterkere, fra kroppssettet er det noen ganger bokstavelig talt 4-5 deler. For å sette sammen en slik forsterker, med en viss nøyaktighet, er det ikke nødvendig med et trykt kretskort (selv om det er ønskelig), og du kan montere alt ved overflatemontering, rett på pinnene til mikrokretsen.

Det er sant at etter montering er det bedre å umiddelbart plassere en slik forsterker i etuiet, fordi et slikt design er upålitelig, og i tilfelle en utilsiktet kortslutning av ledningene, kan mikrokretsen lett brennes. Derfor anbefaler jeg alle nybegynnere, la dem bruke litt mer tid, men lag et kretskort.

Regulerte strømforsyninger på mikrokretser - stabilisatorer er enda enklere å produsere enn tilsvarende på transistorer. Se hvor mange deler som erstattes av den enkleste LM317 mikrokretsen:

Mikrokretser på kretskort i elektroniske enheter kan loddes enten direkte til utskriftssporene eller plantes i spesielle stikkontakter.

Uttak for dip-chip - foto

Forskjellen er at i det første tilfellet, for at vi skal erstatte mikrokretsen, må vi først fordampe den. Og i det andre tilfellet, når vi setter mikrokretsen i stikkontakten, er det nok for oss å få mikrokretsen ut av stikkontakten, og den kan enkelt erstattes med en annen. Et typisk eksempel på å bytte ut en mikroprosessor i en datamaskin.

Også, for eksempel, hvis du monterer en enhet på en mikrokontroller på et trykt kretskort, og ikke ga programmering i krets, kan du, hvis du loddet ikke selve mikrokretsen inn i kortet, men kontakten den er satt inn i , så kan mikrokretsen tas ut og kobles til et spesielt programmererkort ...

Stikkontakter for forskjellige mikrokontrollerhus for programmering er allerede loddet i slike brett.

Analoge og digitale mikrokretser

Mikrokretser finnes i ulike typer, de kan være både analoge og digitale. Førstnevnte, som navnet tilsier, fungerer med en analog bølgeform, mens sistnevnte fungerer med en digital bølgeform. Det analoge signalet kan ha mange former.

Et digitalt signal er en sekvens av enere og nuller, høy- og lavnivåsignaler. Et høyt nivå gis ved å legge på 5 volt eller en spenning nær dette til pinnen, et lavt nivå er ingen spenning eller 0 volt.

Det er også mikrokretser ADC (analog - digital omformer) og DAC (digital - analog omformer) som konverterer signalet fra analogt til digitalt, og omvendt. Et typisk eksempel på en ADC brukes i et multimeter for å konvertere elektriske målte verdier og vise dem på multimeterskjermen. I figuren nedenfor er ADC en svart blob, som sporene passer til fra alle sider.

Mikrokontrollere

Relativt nylig, sammenlignet med produksjonen av transistorer og mikrokretser, ble produksjonen av mikrokontrollere etablert. Hva er en mikrokontroller?

Dette er en spesiell mikrokrets, den kan produseres i begge Dyppe så inn SMD utførelse, i hvilket minne et program kan skrives, den såkalte Hex fil... Dette er en kompilert fastvarefil som er skrevet i en spesiell programkodeeditor. Men det er ikke nok å skrive fastvaren, du må overføre den, flashe den inn i minnet til mikrokontrolleren.

Programmerer - bilde

For dette formålet tjener Programmerer... Som mange vet, finnes det mange forskjellige typer mikrofinansenheter - AVR, PIC og andre, for forskjellige typer trenger vi forskjellige programmerere. Det finnes også, og alle vil kunne finne og lage en passende med tanke på kunnskap og evner. Hvis du ikke vil lage programmereren selv, kan du kjøpe en ferdig i nettbutikken eller bestille fra Kina.

Figuren over viser en mikrokontroller i en SMD-pakke. Hva er fordelene med å bruke mikrokontrollere? Tidligere, når vi designer og monterer en enhet på diskrete elementer eller mikrokretser, satte vi driften av enheten ved en viss, ofte kompleks forbindelse på et trykt kretskort med mange deler. Nå er det nok for oss å skrive et program for en mikrokontroller, som vil gjøre det samme programmatisk, ofte raskere og mer pålitelig enn en krets uten å bruke mikrokontrollere. Mikrokontrolleren er en hel datamaskin, med I/O-porter, muligheten til å koble til en skjerm og sensorer, samt kontrollere andre enheter.

Selvfølgelig vil forbedringen av mikrokretser ikke stoppe der, og vi kan anta at om 10 år vil det virkelig være mikrokretser fra ordet " mikro"- usynlig for øyet, som vil inneholde milliarder av transistorer og andre elementer, flere atomer i størrelse - da vil etableringen av de mest komplekse elektroniske enhetene bli tilgjengelig selv for uerfarne radioamatører! AKV.

Diskuter artikkelen CHIPS

) var den første som fremmet ideen om å kombinere mange standard elektroniske komponenter i en monolitisk halvlederkrystall. Gjennomføringen av disse forslagene i disse årene kunne ikke finne sted på grunn av utilstrekkelig teknologiutvikling.

På slutten av 1958 og i første halvdel av 1959 skjedde et gjennombrudd i halvlederindustrien. Tre personer som representerte tre privateide amerikanske selskaper løste tre grunnleggende problemer som hindret utviklingen av integrerte kretsløp. Jack Kilby fra Texas Instruments patenterte prinsippet om forening, skapte de første, ufullkomne, IC-prototypene og brakte dem til masseproduksjon. Kurt Legovets fra Sprague Electric Company oppfunnet en metode for elektrisk isolering av komponenter dannet på en enkelt halvlederkrystall (p-n-junction isolation (eng. P – n kryssisolasjon)). Robert Noyce av Fairchild Semiconductor oppfant en metode for elektrisk tilkobling av IC-komponenter (aluminiummetallisering) og foreslo en forbedret versjon av komponentisolasjon basert på den nyeste planteknologien av Jean Ernie (eng. Jean hoerni). Den 27. september 1960 ble Jay Lasts gruppe (eng. Jay sist) opprettet på Fairchild Semiconductor den første brukbare halvleder ER basert på ideene til Noyce og Ernie. Texas Instruments, som eide patentet for Kilbys oppfinnelse, utløste en patentkrig mot konkurrenter, som endte i 1966 med en minnelig avtale om krysslisensiering av teknologier.

De tidlige logiske IC-ene i nevnte serie ble bygget bokstavelig talt fra standard komponenter, hvis størrelser og konfigurasjoner ble spesifisert av den teknologiske prosessen. Kretsdesignerne som designet de logiske IC-ene til en bestemt familie opererte med de samme typiske diodene og transistorene. I 1961-1962. designparadigmet ble brutt av hovedutvikleren Sylvania Tom Longo, for første gang ved hjelp av ulike konfigurasjon av transistorer avhengig av deres funksjoner i kretsen. På slutten av 1962 Sylvania lanserte den første familien av transistor-transistor-logikk (TTL) utviklet av Longo – historisk sett den første typen integrert logikk som klarte å få fotfeste i markedet i lang tid. I analoge kretser ble et gjennombrudd av dette nivået gjort i 1964-1965 av utvikleren av operasjonsforsterkere Fairchild Bob Widlar.

Den første hybride tykkfilm-integrerte kretsen i USSR (serie 201 "Tropa") ble utviklet i 1963-65 ved Research Institute of Precision Technology ("Angstrem"), serieproduksjon siden 1965. Spesialister fra NIEM (nå NII "Argon") deltok i utviklingen.

Den første integrerte halvlederkretsen i USSR ble opprettet på grunnlag av en planteknologi utviklet tidlig i 1960 ved NII-35 (da omdøpt til NII Pulsar) av et team som senere ble overført til NIIME (Mikron). Opprettelsen av den første innenlandske integrerte silisiumkretsen var fokusert på utvikling og produksjon med militær aksept av TS-100-serien med integrerte silisiumkretser (37 elementer - tilsvarende kretskompleksiteten til utløseren, en analog av den amerikanske IC-serien SN-51 firmaer Texas Instruments). Prototypeprøver og produksjonsprøver av integrerte silisiumkretser for reproduksjon ble hentet fra USA. Arbeidet ble utført ved NII-35 (direktør Trutko) og Fryazinsky-halvlederanlegget (direktør Kolmogorov) på en forsvarsordre for bruk i en autonom høydemåler for et ballistisk missilstyringssystem. Utviklingen inkluderte seks typiske integrerte silisiumplankretser i TS-100-serien og med organisering av pilotproduksjon tok tre år ved NII-35 (fra 1962 til 1965). Ytterligere to år ble brukt på å mestre fabrikkproduksjon med militær aksept i Fryazino (1967).

Parallelt ble arbeidet med utviklingen av en integrert krets utført i det sentrale designbyrået ved Voronezh-halvlederanlegget (nå -). I 1965, under et besøk til VZPP av Minister of Electronic Industry A.I. fullført innen slutten av året. Emnet ble vellykket sendt til statskommisjonen, og en serie på 104 mikrokretser med diode-transistorlogikk ble den første faste prestasjonen innen solid-state mikroelektronikk, noe som ble reflektert i ordren fra departementet for økonomisk utvikling og handel av 30.12.1965 nr. 403.

Designnivåer

For tiden (2014) er de fleste av de integrerte kretsene designet ved hjelp av spesialiserte CAD-systemer, som tillater automatisering og betydelig fremskyndelse av produksjonsprosesser, for eksempel oppnåelse av topologiske fotomasker.

Klassifisering

Integrasjonsgrad

Avhengig av graden av integrasjon, brukes følgende navn på integrerte kretser:

• liten integrert krets (MIS) - opptil 100 elementer i en krystall,
• medium integrert krets (SIS) - opptil 1000 elementer i en krystall,
• stor integrert krets (LSI) - opptil 10 tusen elementer i en krystall,
• veldig stor integrert krets (VLSI) - mer enn 10 tusen elementer i en krystall.

Tidligere ble også de nå utdaterte navnene brukt: ultra-storskala integrert krets (UBIS) - fra 1-10 millioner til 1 milliard elementer i en krystall og noen ganger en gigabyte integrert krets (GBIS) - mer enn 1 milliard elementer i en krystall. For tiden, på 2010-tallet, brukes navnene "UBIS" og "GBIS" praktisk talt ikke, og alle mikrokretser med mer enn 10 tusen elementer er klassifisert som VLSI.

Produksjonsteknologi

• Halvledermikrokrets - alle elementer og interelementforbindelser er laget på en halvlederkrystall (for eksempel silisium, germanium, galliumarsenid, hafniumoksid).

• Filmintegrert krets - alle elementer og interelementforbindelser er laget i form av filmer:
  • tykk-film integrert krets;
  • tynnfilm integrert krets.
• Hybrid IC (ofte kalt mikromontering), inneholder flere brikkeløse dioder, brikkeløse transistorer og (eller) andre elektroniske aktive komponenter. En mikroenhet kan også inkludere brikkeløse integrerte kretser. Passive mikromonteringskomponenter (motstander, kondensatorer, induktorer) produseres vanligvis ved bruk av tynnfilm- eller tykkfilmteknologier på et vanlig, vanligvis keramisk, hybrid mikrokretssubstrat. Hele underlaget og komponentene er plassert i en enkelt forseglet innkapsling.
• Blandet mikrokrets - i tillegg til en halvlederkrystall, inneholder den tynnfilm (tykkfilm) passive elementer plassert på overflaten av krystallen.

Type behandlet signal

Produksjonsteknologi

Logikktyper

Hovedelementet i analoge mikrokretser er transistorer (bipolar eller felteffekt). Forskjellen i teknologien for produksjon av transistorer påvirker egenskapene til mikrokretser betydelig. Derfor er produksjonsteknologien ofte angitt i beskrivelsen av mikrokretsen for å understreke de generelle egenskapene til mikrokretsens egenskaper og evner. Moderne teknologier kombinerer bipolare transistor- og felteffekttransistorteknologier for å forbedre ytelsen til mikrokretser.

• Mikrokretser på unipolare (felt) transistorer er de mest økonomiske (med tanke på strømforbruk):
  • MOS-logikk (metall-oksid-halvlederlogikk) - mikrokretser dannes fra felteffekttransistorer n-MOS eller s-MOS-type;
  • CMOS-logikk (komplementær MOS-logikk) - hvert logikkelement i mikrokretsen består av et par komplementære (komplementære) felteffekttransistorer ( n-MOS og s-MOS).
• Brikker på bipolare transistorer:
  • RTL - motstand-transistor-logikk (foreldet, erstattet av TTL);
  • DTL - diode-transistor logikk (foreldet, erstattet av TTL);
  • TTL - transistor-transistor logikk - mikrokretser er laget av bipolare transistorer med multi-emitter transistorer ved inngangen;
  • TTLSh - transistor-transistor-logikk med Schottky-dioder - forbedret TTL, som bruker bipolare transistorer med Schottky-effekt;
  • ESL - emitterkoblet logikk - på bipolare transistorer, hvis driftsmodus er valgt slik at de ikke går inn i metningsmodus, noe som øker hastigheten betydelig;
  • IIL - Integral Injection Logic.
• Mikrokretser som bruker både felteffekt og bipolare transistorer:

Ved å bruke samme type transistorer kan mikrokretser lages ved hjelp av forskjellige metoder, for eksempel statisk eller dynamisk. CMOS og TTL (TTLSh) teknologier er den vanligste mikrokretslogikken. Der det er nødvendig å spare strømforbruk, brukes CMOS-teknologi, der hastighet er viktigere og det ikke kreves strømforbruk, brukes TTL-teknologi. Det svake punktet til CMOS-mikrokretser er sårbarhet for statisk elektrisitet - det er nok å berøre utgangen til mikrokretsen med hånden, og dens integritet er ikke lenger garantert. Med utviklingen av TTL- og CMOS-teknologier nærmer mikrokretsene seg når det gjelder parametere, og som et resultat er for eksempel 1564-serien med mikrokretser laget ved hjelp av CMOS-teknologi, og funksjonaliteten og plasseringen i kabinettet ligner på TTL. teknologi.

Mikrokretser produsert ved hjelp av ESL-teknologi er de raskeste, men også de mest energikrevende, og ble brukt i produksjon av datamaskiner i tilfeller der den viktigste parameteren var beregningshastigheten. I USSR ble de mest produktive datamaskinene av typen EC106x produsert på ESL-mikrokretser. Denne teknologien brukes sjelden nå.

Teknologisk prosess

Ved fremstilling av mikrokretser brukes metoden for fotolitografi (projeksjon, kontakt, etc.), mens kretsen er dannet på et substrat (vanligvis av silisium) oppnådd ved å kutte silisiumenkelkrystaller i tynne skiver med diamantskiver. På grunn av de små lineære dimensjonene til elementene i mikrokretsløp, ble bruken av synlig lys og til og med nær ultrafiolett stråling forlatt når de ble eksponert.

Følgende prosessorer ble produsert ved bruk av UV-lys (ArF excimer-laser, bølgelengde 193 nm). I gjennomsnitt introduserte industriledere nye teknologiske prosesser i henhold til ITRS-planen hvert annet år, mens antall transistorer per arealenhet ble doblet: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), 14 nm produksjon startet i 2014 forventes utviklingen av 10 nm-prosesser rundt 2018.

I 2015 var det anslag på at innføringen av nye tekniske prosesser vil bremse opp.

Kvalitetskontroll

For å kontrollere kvaliteten på integrerte kretser er såkalte teststrukturer mye brukt.

Avtale

En integrert mikrokrets kan ha en komplett, uansett hvor kompleks, funksjonalitet – opp til en hel mikrodatamaskin (single-chip mikrodatamaskin).

Analoge kretser

• Filtre (inkludert piezofiltre).
• Analog multiplikatorer.
• Analoge dempere og variable forsterkere.
• Strømforsyningsstabilisatorer: spennings- og strømstabilisatorer.
• Kontroller mikrokretser for bytte av strømforsyninger.
• Signalomformere.
• Synkroniseringsopplegg.
• Ulike sensorer (f.eks. temperatur).

Digitale kretser

• Bufferomformere
• (Mikro) prosessorer (inkludert CPU for datamaskiner)
• Mikrokretser og minnemoduler
• FPGA (Programmable Logic Integrated Circuits)

Digitale integrerte kretser har en rekke fordeler fremfor analoge:

• Redusert strømforbruk knyttet til bruk av pulserende elektriske signaler i digital elektronikk. Når du mottar og konverterer slike signaler, fungerer de aktive elementene til elektroniske enheter (transistorer) i en "nøkkel"-modus, det vil si at transistoren enten er "åpen" - som tilsvarer et høynivåsignal (1), eller "lukket" " - (0), i det første tilfellet er det ikke noe spenningsfall i transistoren, i det andre - det flyter ingen strøm gjennom den. I begge tilfeller er strømforbruket nær 0, i motsetning til analoge enheter, der transistorene er i en mellomliggende (aktiv) tilstand det meste av tiden.
• Høy støyimmunitet digitale enheter er assosiert med en stor forskjell mellom høyt (for eksempel 2,5-5 V) og lavt (0-0,5 V) nivåsignaler. En statusfeil er mulig ved et slikt interferensnivå at et høyt nivå tolkes som lavt og omvendt, noe som er usannsynlig. I tillegg kan digitale enheter bruke spesielle koder for å rette feil.
• En stor forskjell i nivåene av tilstander til høy- og lavnivåsignaler (logisk "0" og "1") og et ganske bredt spekter av deres tillatte endringer gjør digital teknologi ufølsom for den uunngåelige spredningen av parametrene til elementene i den integrerte teknologien , eliminerer behovet for å velge komponenter og justere justeringselementene i digitale enheter.

Analog-digitale kretser

• digital-til-analog (DAC) og analog-til-digital omformere (ADC);
• transceivere (for eksempel grensesnittomformer Ethernet);
• modulatorer og demodulatorer;
  • radiomodemer
  • dekodere for tekst-TV, VHF-radio-tekst
  • Rask Ethernet og optiske transceivere
  • Ringe opp modemer
  • digitale TV-mottakere
  • optisk musesensor
• strømmikrokretser for elektroniske enheter - stabilisatorer, spenningsomformere, strømbrytere, etc.;
• digitale attenuatorer;
• faselåst sløyfe (PLL);
• generatorer og gjenopprettere av klokkesynkroniseringsfrekvens;
• basismatrisekrystaller (BMC): inneholder både analoge og digitale kretser;

Chip-serien

Analoge og digitale mikrokretser produseres i serie. En serie er en gruppe mikrokretser som har en enkelt strukturell og teknologisk design og er beregnet for felles bruk. Mikrokretser av samme serie har som regel samme spenning på strømforsyninger, er matchet i inngangs- og utgangsmotstander, signalnivåer.

Boliger

Spesifikke navn

Mikroprosessoren utgjør kjernen i datamaskinen, tilleggsfunksjoner, som kommunikasjon med periferiutstyr, ble utført ved hjelp av spesialdesignede brikkesett (brikkesett). For de første datamaskinene ble antallet mikrokretser i sett talt i titalls og hundrevis, i moderne systemer er det et sett med en eller to eller tre mikrokretser. Nylig har det vært trender med gradvis overføring av brikkesettfunksjoner (minnekontroller, busskontroller PCI Express) inn i prosessoren.

Elementbase av alle digitale enheter(TSU) [ Digitale enheter] sminke integrerte kretser (ER) [ Integrert krets (IC)], som også kalles mikrokretser (MS) eller sjetonger (mikrobrikker ) [Chip (Mikrobrikke)].

Integrerte kretser Er elektroniske enheter laget på tynne halvlederskiver, som inneholder elektroniske elementer og laget inne i et hus av en bestemt type.

Siden oppfinnelsen deres i USA i 1959, har IC-er blitt stadig bedre og blitt mer sofistikerte. Rask fremgang innen produksjon av integrerte kretser har ført til en kraftig økning i produksjonsvolumet og en nedgang i kostnadene. Som et resultat av bruk av MS ble det mulig ikke bare i komplekse spesialiserte enheter (som datamaskiner), men også i en rekke måleinstrumenter, kontroll- og overvåkingssystemer. Kretsen av MS-forbrukere utvides stadig.

Det karakteristiske ved kompleksiteten til IS er integreringsnivå evaluert av begge antall grunnleggende logiske elementer(LE) [ Logikk(al)Element/Komponent/Port/Enhet] eller antall transistorer som er plassert på krystallen.

Avhengig av integreringsnivået er IS-er delt inn i flere kategorier: MIS, SIS, LSI, VLSI, UBIS (henholdsvis liten, middels, stor, ekstra stor, ultra-stor IS).

IIA [SSI = Liten/Standardskalaintegrasjon- liten / standard grad (nivå) av integrering] er en MS med et svært lite antall elementer (flere tiere). MIS-er implementerer de enkleste logiske transformasjonene og er veldig allsidige - selv ved hjelp av én type LE (for eksempel NAND), kan du bygge et hvilket som helst kontrollsenter.

ICU [MSI = Integrasjon i middels skala- gjennomsnittlig grad (nivå) av integrasjon] er en MS med en grad av integrasjon fra 300 til flere tusen transistorer (vanligvis opp til 3000). I form av SIS produseres slike kretser som lavbitregistre, tellere, dekodere, addere osv. Nomenklaturen til SIS bør være bredere og diversifisert, siden deres allsidighet er redusert sammenlignet med MIS. I den utviklede serien med standard IC-er er det hundrevis av typer ICS.

BIS [LSI = Storskala integrering- stor (høy) grad (nivå) av integrasjon] - MS med antall logiske porter fra 1000 til 5000 (i noen klassifikasjoner - fra 500 til 10000). De første LSI-ene ble utviklet på begynnelsen av 70-tallet av forrige århundre.

VLSI [VLSI = Svært storskala integrasjon- svært stor (høy) grad (nivå) av integrering eller GSI = Integrasjon i gigantisk skala- gigantisk (superstor, ultrahøy) grad (nivå) av integrering] - dette er MC-er som inneholder fra 100 000 til 10 millioner på en krystall ( VLSI) eller mer enn 10 millioner ( GSI) transistorer eller logiske porter.

UBIS [ULSI = Ultra storskala integrasjon- ultra-stor (ultra-høy) grad (nivå) av integrasjon] - dette er MC-er, der antall transistorer på en brikke er fra 10 millioner til 1 milliard. Slike kretser inkluderer moderne prosessorer.

Dataene ovenfor om MC-er med forskjellige grader av integrasjon er oppsummert i tabell 1 for klarhet. 1.

1 integrerte kretser (IC)

Hovedbasen for moderne diskret mekanikk er integrert mikroelektronikk. Overgangen til IC har betydelig endret måtene å konstruere elektronisk utstyr på, siden mikrokretsprodukter er komplette funksjonelle enheter, det være seg logiske elementer for å utføre enkle operasjoner eller dataprosessorer, bestående av mange tusen elementer.

1. Terminologi

I samsvar med GOST17021-88 "Integrerte mikrokretser. Begreper og definisjoner".

Integrert mikrokrets (IC ) - et mikroelektronisk produkt som utfører en viss funksjon av signalkonvertering og prosessering og har en høy pakningstetthet av elektrisk tilkoblede elementer (eller elementer og komponenter) og (eller) krystaller, som betraktes som en helhet fra et testsynspunkt, krav til aksept, levering og drift.

Halvleder integrert krets - en integrert mikrokrets, der alle elementer og interelementforbindelser er laget i volumet og på overflaten av halvlederen.

Film integrert krets - en integrert mikrokrets, der alle elementer og forbindelser mellom elementer er laget i form av filmer (et spesielt tilfelle av film-ICer er tykkfilm- og tynnfilm-ICer).

Hybrid integrert krets - en integrert mikrokrets som inneholder, i tillegg til elementer, komponenter og (eller) krystaller (et spesialtilfelle av en hybrid IC er en multichip IC).

Tynnfilmteknologi - Hovedmaterialer:

Substrat - for å påføre og lage en tegning av kretsen (sitall, keramikk);

Ledende film - kobber, aluminium, gull;

Resistivt materiale - metaller og deres legeringer, tinnoksid, dielektriske stoffer, blandinger.

Tykkfilm - hovedsakelig som kommuteringstavler.

For tiden er det integrerte mikrokretser med 6 grader av integrasjon (tabell 1).

Liten integrert krets (MIS) - IS som inneholder opptil 100 elementer og (eller) komponenter inkludert (1..2 grader).

Medium integrert krets (SIS ) - IC-er som inneholder over 100 til 1000 elementer og (eller) komponenter for digitale IC-er og over 100 til 500 - for analoge IC-er (2..3 grader).

Stor integrert krets (LSI) - IC som inneholder over 1000 elementer og (eller) komponenter for digitale IC-er og over 500 - for analoge IC-er (3..4 grader).

Ekstra stor integrert krets (VLSI) - IC-er som inneholder over 100 000 elementer og (eller) komponenter for digitale IC-er med vanlig struktur, over 50 000 - for digitale IC-er med uregelmessig struktur, og over 10 000 - for analoge IC-er (5..7 grader).

Merk: Digitale IC-er med en vanlig struktur inkluderer minnekretser og kretser basert på grunnleggende matrisesignaler, med en uregelmessig struktur for å konstruere en krets av databehandlingsfasiliteter.

Ultrarask integrert krets (SSIS ) - digital IC, hvis funksjonshastighet ikke er mindre enn 1 * 10 13 Hz / cm 3 per logisk element.

Funksjonell hastighet forstås som produktet av driftsfrekvensen til et logisk element, lik inversen av den firedoble verdien av den maksimale gjennomsnittlige signalutbredelsesforsinkelsen med antall logiske elementer per 1 kvadratcentimeter av krystallområdet.

3 Klassifisering av integrerte kretser etter integrasjonsnivåer.

Tabell 1 - Klassifisering av IP etter integrasjonsnivåer

Ste- Level Antall elementer og komponenter i en mikrokrets

stump integ- Digitale mikrokretser Analog

integrasjon på MOS - på bipolare mikrokretser

walkie talkie transistorer transistorer

1..2 MIS<= 100 <= 100 <= 100

2..3 SIS> 100<= 1000 > 100 <= 500 > 100 <= 500

3..4 LSI> 1000<= 10000 > 500 <= 2000 > 500

4..5 VLSI> 100000> 50000> 10000

Analog integrert krets - en integrert mikrokrets designet for å konvertere og behandle signaler i henhold til loven om en kontinuerlig funksjon (en mikrokrets med en lineær karakteristikk - en lineær IC er et spesialtilfelle av en analog IC).

Digital IC - integrert mikrokrets, designet for å konvertere og behandle signaler som endres i henhold til loven om en diskret funksjon (et spesialtilfelle av en digital IC er en logisk mikrokrets)

Integrasjonsgrad av en integrert krets - en indikator på graden av kompleksitet til en mikrokrets, preget av antall elementer og komponenter som er inneholdt i den.

Bestemt av formelen: k = lgN,

hvor k er koeffisienten som bestemmer graden av integrasjon, avrundet til nærmeste høyere heltall.

N er antall elementer og komponenter som er inkludert i den integrerte mikrokretsen.

Integrated Circuit Series - et sett med typer integrerte kretser som kan utføre ulike funksjoner, har en enkelt design og teknologisk design og er beregnet for felles bruk.

På det laveste nullnivået i det konstruktive hierarkiet til EVA av enhver type og formål, er det IS-er som utfører logiske, hjelpe-, spesielle funksjoner, så vel som memoreringsfunksjoner. For tiden produserer industrien et stort antall integrerte kretser som kan klassifiseres i henhold til en rekke egenskaper.

2 Klassifisering av mikrokretser og symboler

Avhengig av produksjonsteknologi IC-er er delt inn i 4 typer: halvleder; film; hybrid; kombinert

Elementene i den elektriske kretsen til halvleder-IC-er er dannet i bulk eller på overflaten av halvledermaterialet (substratet). Dannelse av aktive og passive elementer ved å introdusere på en bestemt måte konsentrasjonen av urenheter med forskjellig antall av en enkeltkrystallplate.

Figur 1 - Klassifisering av integrerte kretser

I hybride ICer er den passive delen laget i form av filmer påført overflaten av det dielektriske materialet (substratet), og de aktive elementene, som har en uavhengig design, er festet til overflaten av substratet.

Avhengig av tilkoblingsmetodene til aktive åpne rammeelementer, er aktive IC-er tilgjengelige med fleksible og stive ledninger.

En rekke halvleder-IC-er er kombinerte IC-er.

I kombinerte IC-er er aktive elementer laget inne i et halvledersubstrat, og den passive delen er i form av metallfilmer på overflaten.

Etter funksjonelt formål IP kan deles inn i:

1) digital; 2) analog.

Digitale IC-er brukes i digitale datamaskiner, diskrete automatiseringsenheter, etc. Disse inkluderer mikroprosessorkretser, minnekretser og IC-er som utfører logiske funksjoner.

Lineære og lineære puls-ICer brukes i analoge datamaskiner og.

Disse inkluderer forskjellige operasjonsforsterkere, komparatorer og andre kretser.

Grunnlaget for klassifiseringen digital mikrokretser setter tre tegn:

1) visningen av komponentene i den logiske kretsen som logiske operasjoner utføres på inngangsvariablene;

2) en metode for å koble halvlederenheter til en logisk krets;

3) typen forbindelse mellom logiske kretser.

På dette grunnlaget kan logiske IC-er klassifiseres som følger:

1) kretser med direkte forbindelser på MOS-strukturer - NSTLM (MOS - metall - oksid - halvleder eller MIS metallisolator - halvleder).

2) kretser med motstand - kapasitive koblinger - RTL; RETL - kretser, hvis inngangslogikk utføres på motstandskretser. RETL og RTL er moralsk utdaterte og brukes ikke i nye utviklinger;

3) kretser, hvis inngangslogikk utføres på dioder - DTL;

4 kretser, hvis inngangslogikk utføres av en multi-emitter transistor - TTL;

5) kretser med koblede emittere - ESL, eller PTTL - logikk på strømbrytere;

6) injeksjonsintegrert logikk IIL eller I 2 L - basert på det, opprettes mikrokretser med høy grad av integrering av høy hastighet og lavt energiforbruk;

7) kretser basert på felles tilkobling av et par transistorer med kanaler med forskjellige typer ledningsevne, de såkalte komplementære strukturer. (CMOS - strukturer).

I den konvensjonelle betegnelsen til IS er den strukturelle og teknologiske utformingen indikert med tallet:

1, 5, 6, 7 - halvleder; 2, 4, 8 - hybrid;

3 andre - (film, vakuum, etc.).

Av arten av ytelsen til funksjoner i REA er IC-er delt inn i undergrupper (for eksempel generatorer, forsterkere, etc.) og typer (for eksempel frekvensomformere, faser, spenninger), er undergruppen indikert med de tilsvarende bokstavene , (for eksempel HS-generatoren (G) av harmoniske signaler ( C), ND-sett (H) dioder (D))

4 Chip tilfeller

GOST 17467-88 inneholder termer relatert til IC-konstruksjonen.

Kroppskropp - en del av saken uten spor.

Utgangsposisjon - en av flere like langt fra hverandre plasseringen av posisjonene til terminalene ved utgangen fra kroppskroppen, plassert i en sirkel eller på rad, som kan eller ikke kan være okkupert av terminalen. Hver utgangsposisjon er angitt med et sekvensielt nummer.

Installasjonsplan - planet som IC er installert på.