XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших. Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так далее) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые). Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:

Преобразование сигнала (например, из аналогового в цифровой и обратно).

Обработка сигнала (например, усиление и очистка звука)

Действия вычитания, сложения, умножения и деления сигнала (логические микросхемы)

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова. Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:

Маломасштабная интеграция (SSI)

Среднемасштабная интеграция (MSI)

Крупномасштабная интеграция (LSI)

Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)

Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)

Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:

цифровые часы,

карманные калькуляторы,

космические ракеты,

спутниковая навигация и многое другое.

Классификация

По степени интеграции

малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле

средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле

большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле

сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле

По технологии изготовления

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок

Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой) — содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и (или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла, содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

По виду обрабатываемого сигнала

Аналоговые — предназначены для обработки и преобразования сигнала, поступающего непрерывно. Аналоговые микросхемы имеют высокие показатели производительности.

Цифровые — необходимы для обработки специального сигнала, выраженного в цифровом коде. Имеют значительное количество преимуществ перед другими видами: меньшие затраты на употребление электроэнергии, кроме того, имеют большую устойчивость к возникновениям помех.

Аналого-цифровые — являются настоящим гибридом двух, представленных выше, микросхем. Они пользуются большой популярностью из-за повышенных показателей производительности, кроме того, они совмещают положительные характеристики сразу двух видов микросхем.

Производство

Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему.

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью 0,1 м2. На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями. Серия — это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Корпуса интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа. (рис. 1)

Рис. 1. Интегральные микросхемы

Микросборка с бескорпусной микросхемой, разваренной на печатной плате. (рис. 2)

Рис. 2 Бескорпусная микросхема

Корпус микросхемы — это конструкция, предназначенная для защиты кристалла микросхемы от внешних воздействий, а также для удобства монтажа микросхемы в электронную схему. Содержит собственно корпус из диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников для электрического соединения кристалла с внешними цепями посредством выводов, маркировку.

Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для упрощения технологии монтажа производители микросхем стараются унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.

Иногда микросхемы выпускают в бескорпусном исполнении — то есть кристалл без защиты. Бескорпусные микросхемы обычно предназначены для монтажа в гибридную микросборку. Для массовых дешевых изделий возможен непосредственный монтаж на печатную плату.

Заключение

В заключение можно сказать, что интегральная схема является одним из важнейших элементов одной большой электронной системы. В случае ухудшения качества микросхемы, нарушается весь порядок работы одного электронного устройства или электроприбора, что немаловажную роль играет в организации жизни современного человека.

Список литературы

https://hmelectro.ru/poleznye_statyi/integralnye-mikroshemy-eto

https://electroinfo.net/shemy/chto-takoe-integralnaja-mikroshema.html

https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/940793

https://book.ggpek.by/promel/teor/1-5-integralnye-mikroskhemi#:~:text=Интегральная%20схема%20—%20это%20микроминиатюрное,эксплуатационных%20требований%20как%20единое%20целое

https://ru.wikipedia.org/wiki/Интегральная_схема#История

Код для цитирования: Скопировать