§ II.7.3. Основные критерии миниатюризации и оптимизации изделий микроэлектроники

Рис. 2. Основные критерии миниатюризации и оптимизации изделий МЭ

Эффективность процесса миниатюризации изделий МЭ и ИС в значительной степени определяется физическими свойствами решений и характером той электронной системы, в которой они применяются, что требует комплексного подхода к проектированию конкретного изделия и всего технологического процесса. Основными объектами оптимизации, поэтому, являются элементная база (спецификация) и схемотехника.

Это значит, что ещё до начала разработки конкретного изделия и его схемотехнического решения должны быть определены структура, параметры и характеристики системы, для которой оно предназначено. Другими словами, изделие должно разрабатываться в комплексе с другими элементами системы, а не приспосабливаться к ранее разработанной и устоявшейся структуре. Отсюда серийность выпуска: ИС 155, 230, 580 и иных серий.

Оптимизация схемотехнических решений предполагает выбор гармоничной структуры изделия, при которой основные узлы и блоки выполняются на однородной элементной базе; оптимальной схемной реализации; учет функциональных ограничений и допустимых нагрузок; разбиение устройства на унифицированные узлы, блоки, схемные решения, допускающие использование и компоновку других систем при минимальном объеме дополнительного оборудования (адаптивность).

Создание элементной базы микроэлектроники требует её оптимизации по однородности использования (по установке, включению, электропитанию); обеспечению устойчивости к внешним воздействиям при минимальных затратах на дополнительную защиту; определение целесообразного уровня интеграции компонентов.

Конструктивная оптимизация ИМС должна осуществляться и в направлении уменьшения размеров, и в направлении решения задач электрического и механического сопряжения компонентов при монимальном объеме межсоединений и крепежных элементов.

Оптимизация технологии заключается в необходимости обеспечить простоту изготовления при соблюдении необходимой точности и заданной воспроизводимости электрических и конструктивных характеристик изделия при минимальных затратах на контроль качества. При этом важнейшими показателями технологичности становятся: уровень автоматизации производства, контроля и его экономичность.

Таким образом, основными критериями миниатюризации являются:

- уровень материальных затрат на изготовление изделия и его стоимость при серийном производстве;

- надежность;

- уровень миниатюризации;

- уровень унификации и стандартизации;

- качество функционирования (точность, стабильность, устойчивость и т.п.);

- высокий уровень автоматизации процессов изготовления и эфеективность использования оборудования (окупаемость затрат);

- серийность;

- высокая степень новизны решения.

Всё это требует комплексного подхода и высоких затрат, но, вместе с тем, неуклонно ведёт к повышению качества изделий.

§ II.7.4. Ограничения и проблемы электроники твердого тела

Имеются четыре главные проблемы, порождаемые массовостью применения МЭА и степенью интеграции – это организационная, надёжности, научного задела и контроля.

Организационная проблема

Существенно усложняются взаимоотношения между поставщиком и потребителем, поскольку стирается грань между разработчиком изделий ЭТ (ИС, БИС, МП) и разработчиком аппаратуры. Тот кто сегодня является только потребителем изделий полупроводниковой электроники, станет завтра в той или иной степени их производителем. В этом сегодня одна из серьезнейших проблем полупроводниковой электроники.

Степень интеграции и надежность

Проектирование и использование БИС и создаваемых на их основе больших систем с высоким уровнем интеграции, заставляет по иному оценить проблему надежности.

Известно, что интенсивность отказов λ, в правильно сконструированной аппаратуре, выполненной на основе дискретных полупроводниковых приборов, может достигать 10^-8 – 10^-9 ч^-1. За единицу интенсивности отказов принято считать 1 фит, равный 10^-9 ч^-1. Достичь такого уровня надежности не так-то просто. Ещё труднее подтвердить эту величину экспериментально. Пока показано, что в среднем надежность дискретных п/п приборов находится на уровне 10^-6 – 10^-7 ч^-1, то есть на уровне 1000 – 100 фит. Существенно поднять надежность дискретных приборов не удается: сказывается постоянное действие фактора случайности, особенно в сборочных процессах (данные Фирмы Bell – США). При отлаженном серийном производстве достигается минимальная интенсивность отказов. В пересчете на один прибор, работающий в составе БИС (диод, транзистор, и т.п.), показатели надежности исчисляются в настоящее время десятыми и сотыми долями фит. Обычно стают, что результирующая интенсивность отказов всей системы представляет собой сумму интенсивностей отказов всех её элементов: диодов, транзисторов, паяных соединений, сварных соединений и т.п. При надежности соединений и элементов в один фит (сейчас, это наиболее высокий достигнутый показатель), для миниЭВМ, которая содержит приблизительно 1 миллион элементов, среднее время безотказной работы составит всего 1000 часов. Сложность систем в 10 млн элементов является ближайшей перспективой и 100 часов безотказной работы нельзя признать удовлетворительной величиной. Необходимо повышать надежность на один, два или три порядка. А как?

Необходимо искать возможности создавать надежные системы из элементов с ограниченной надежностью.

Проблема научного задела

В технологии БИС постоянное уменьшение размеров вызывает к жизни большую проблему: классические приемы создания совершенных п/п приборов имеют принципиальные ограничения. При очень малых толщинах слоев мы неизбежно сталкиваемся с принципиально новыми эффектами, получившими название квантово-размерных. При этом и сама проблема получения воспроизводимых и бездефектных слоев с толщиной в несколько межатомных расстояний при высокой степени интеграции превращается в сложнейшую технологическую проблему, создающую конфликтную ситуацию не только с экономическими требованиями, но и с требованиями к надежности.

Можно ли пользоваться уравнением диффузии, если толщина базы соизмерима с длиной свободного пробега? Можно ли рассчитывать, что данные ограничения касаются только теории, а не самого эффекта, и что, скорректировав теорию для малых толщин ( порядка сотен и даже десятком межатомных расстояний), мы сможем развивать дальше транзисторную электронику по пути уменьшения толщины базы?

(Нанотехнология – манипулирование отдельными атомами????.)

Проблема контроля

Проблема контроля порождается многокомпонентностью и сложностью физико-химических процессов, применяемых при изготовлении ИМС, критичностью технологических процессов к качеству исходных материалов и режимам работы оборудования, необходимостью автоматизации производства, требованиями обеспечения высокой надежности и малых габаритов. Достаточно сказать, что трудоемкость контрольно-измерительных операций достигает 50% от общей трудоемкости производства ИМС.