§ II.7.2. Основные принципы проектирования устройств

дискретной и интегральной электроники

1. При проектировании устройств дискретной и интегральной электроники (ИМС) важную роль играют вопросы их унификации и пригодности к крупносерийному производству.

2. Различают два основных структурных класса ИМС: гибридные и полупроводниковые. Полупроводниковые ИМС разрабатывают и выпускают специализированные предприятия электронной промышленности. Они же разрабатывают и поставляют бескорпусные приборы для гибридных микросхем для гибридных микросхем, разработчиками которых обычно являются предприятия, проектирующие и производящие МЭА. Наиболее доступными, с точки зрения изготовления, и более экономичными гибридными ИМС, являются толстопленочные. Затем появились тонкопленочные технологии, более прогрессивные.

3. Основными компонентами полупроводниковых ИМС являются биполярные и полевые транзисторы.

4. Различают технологии изготовления ИМС: биполярные - ТТЛ; полевые – на структурах МДП; ЭСЛ - на элементах инжекционной логики, каждый из которых в наиболее распространенном варианте содержит многоколлекторный n-p-n транзистор, выполняющий функции вентильного элемента и p-n-p транзистор, используемый в качестве нагрузки. МДП – обеспечивают более высокую степень интеграции.

5. В новейших типах ИМС, при достигнутом уровне интеграции, могут быть реализованы практически любые схемные решения, без ущерба для их габаритов и массы, если не превышается допустимый уровень рассеивания мощности и обеспечивается устойчивость к самовозбуждению.

6. Проблема теплоотвода:

Вследствие высокого уровня интеграции компонентов проблема отвода теплоты является одной из основных проблем современной микроэлектроники.

Мощность, рассеиваемая одним логическим элементом (ТТЛ, КМОП???), не превышает 10÷30 МВт. Минимальная мощность, рассеиваемая одним активным элементом, примерно равна 100 МВт. При плотности размещения компонентов 6·10⁴ эл/см³ мощность, рассеиваемая в объеме 1 см³, Р_ср>6 Вт. Таким образом, мощность, рассеиваемая ИМС содержащей 100 логических элементов, достигает 10÷30 МВт, а при создании аналоговых ИМС 1÷3 МВТ. Следовательно, даже при сравнительно небольших уровнях интеграции активных элементов уже требуется обеспечивать дополнительный теплоотвод, поскольку для большинства серийно выпускаемых ИМС Р_ср≈0,5 Вт. При теоретически достижимой максимальной плотности размещения компонентов(???) в объеме 1 см³, равной 10¹¹ мощность рассеяния составит 10⁷ Вт. (10 мегават??? – Что это будет?. Теплоотвод как обеспечить? Сколько надо затратить тепла, чтобы обеспечить такую температуру в 1 см³, например, стали).

Экспериментально установлено, что при снижении мощности, потребляемой ИМС, на 50 МВт происходит снижение температуры кристалла на 10ºС. (Отсюда следует, что при теоретически достижимой максимальной плотности размещения компонентов в объеме 1 см³, равной 10¹¹, ИМС, занимающая объем 1 см³, разогреется до температуры миллиард градусов. ????)

По величине потребляемой мощности различают следующие типы ИМС:

Мощные – 0,025≤Р_п≤0,25 Вт

Средней мощности – 0,3·10^-3 ≤ Р_п ≤ 3·10^-3 Вт

Маломощные - 10^-4 ≤ Р_п ≤ 10^-2 Вт

Микромощные, в том числе микроваттные - 10^-7 ≤ Р_п ≤ 10^-4 Вт

Нановаттные 10^-9 ≤ Р_п ≤ 10^-7 Вт

Снижение потребляемой мощности достигается применением взаимодополняющих транзисторов, импульсных рабочих режимов с большой скважностью, специальных схемных решений.

7. Проблема наличия сильных паразитных связей между компонентами.

Если в микромодулях и ИС выполненных по гибридной технологии на пассивных подложках, ухудшение изоляции между компонентами, которое и приводит к усилению паразитных связей, обусловлено главным образом повышенной плотностью их размещения, по в полупроводниковых ИМС качественно изменяется характер межкомпонентных связей.

В настоящее время в п/п микросхемах в основном применяются два способа изоляции компонентов: с использованием обратно смещенных p-n переходов (ТТЛ – технология)и с использованием диэлектрических свойств двуокиси кремния (КМОП – технология).

Первый способ получил более широкое распространение, так как он повышает процент выхода годных микросхем и сопряжен с меньшими материальными затратами. К недостаткам данного метода относится ухудшение частотных свойств и импульсных характеристик ИМС, так как обратно смещенные переходы имеют сравнительно большие емкости. Следует также иметь в виду, что сопротивление изоляции в рассматриваемом случае не является стабильным, так как обратные токи смещенных переходов в сильной степени зависят от температуры и радиационных воздействий.

Второй способ изоляции компонентов, основанный на применении диэлектрической пленки двуокиси кремния, позволяет на порядок уменьшить паразитные емкости межкомпонентных связей и повысить стабильность сопротивления изоляции. Однако и в этом случае качество изоляции все же заметно хуже, чем при применении пассивной подложки.

Наличие сильных паразитных связей между компонентами микросхем значительно затрудняет их моделирование и возможности проведения экспериментальной проверки параметров разработанных схем. Существует острая необходимость разработки всё более совершенных методов математического моделирования ИМС и повышения точности расчета их параметров и характеристик.

В настоящее время отсутствуют приемлемые решения по созданию катушек индуктивности для интегральных микросхем, невелики емкости конденсаторов, имеются определенные трудности при подборе сопротивлений резисторов. Поэтому вполне естественным является применение в схемах частотной избирательности и в цепях временной коррекции элементов RC взамен элементов LC. Важное значение имеет также использование «эффекта парности» транзисторов, изготовленных в одном кристалле. В этом случае разброс параметров микросхем не превышает 3-5%. Благодаря этому дифференциальные интегральные усилители обладают лучшей симметрией, чем усилители дискретной электроники. Данное обстоятельство определило широкое распространение в интегральной электронике дифференциальных схем и открыло благоприятные возможности для крупносерийного производства операционных усилителей высокой точности и интегральных дифференциальных усилителей постоянного тока, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям различного рода и имеющих малый дрейф нуля.

Преобладание в устройствах интегральной электроники активных компонентов и широкое использование обратных связей выдвинуло в качестве одной из важных задач разработку методов обеспечения требуемой устойчивости ИМС аналогового типа к самовозбуждению.

Характерной особенностью микроэлектроники является также возможность создания активных компонентов с большим числом переходов и, в частности, многоэмиттерных транзисторов, а также составных транзисторов и каскодных схем. Это позволяет существенно упростить разработку ряда типов устройств дискретного и отчасти аналогового действия.

Т.о., проектирование элементной базы третьего и четвертого поколений является сложной проблемой. Поэтому в подавляющем большинстве случаев недопустимо копировать для интегрального исполнения схемы узлов и блоков аналогичного назначения, выполненных элементной на базе дискретной электроники. Вместе с тем методы расчета параметров и характеристик большинства типов ИМС и МЭА в целом могут быть выполнены с использованием в основном того же аппарата, который применяется для РЭА, выполненной на элементной базе первого и второго поколений, но с учетом специфики решений интегральной электроники. При этом должна быть повышена точность расчетов и усовершенствованы методы математического и физического моделирования ИС. Что же касается методики проектирования ИМС, то она должна, в возможно большей степени, опираться на аппарат системотехники.