Глава 10

Конструктивно-технологические характеристики и методы формирования корпусов для изделий интегральной электроники

10.1. Типы интегральных микросхем

Под интегральной микросхемой (ИМС) понимается микро­электронное изделие, выполняющее определенную функцию пре­образования и обработки сигнала и имеющее высокую плот­ность упаковки электрически соединенных элементов (или эле­ментов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуа­тации рассматриваются как единое целое.

Приведенное определение подразумевает, что микросхема со­стоит из значительного объединенного числа элементов: тран­зисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.п., которые раз­мещены на части кремниевой пластины, называемой кристал­лом.

Интегральные микросхемы можно классифицировать по раз­личным признакам: по виду обрабатываемого сигнала, по кон­структивно-технологическому исполнению, по степени унифи­кации и назначению, по наличию и отсутствию корпуса, пo сте­пени интеграции и т.п.

По виду обрабатываемого сигнала ИМС делятся на аналого­вые и цифровые.

Аналоговые ИМС предназначены для преобразования и об­работки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной фун­кции. Устройства ЭВМ в основном реализуются на цифровых ИМС, в которых осуществляются преобразование и обработку сигналов по закону дискретной функции.

По конструктивно-технологическому исполнению ИМС де­лятся на три большие группы: полупроводниковые, гибридные

и прочие. В группу прочих входят пленочные, керамические, вакуумные и другие ИМС.

Полупроводниковая ИМС - это ИМС, все элементы и меж­элементные соединения которой выполнены в объеме и на по­верхности полупроводника. Для ее изготовления используются пластины (подложки) из полупроводникового материала. Часть полупроводниковой пластины, в которой сформированы эле­менты полупроводниковой ИМС, межэлементные соединения и контактные площадки, называется кристаллом. Полупроводни­ковые ИМС характеризуются высокой надежностью, малыми массой и габаритными размерами, возможностью применения групповых методов производства почти на всех стадиях изго­товления. При современной технологии можно сформировать на кристалле сотни тысяч и более различных элементов.

В настоящее время различают два основных класса полупро­водниковых ИМС: биполярные (на основе биполярных транзис­торов) и металл-диэлектрик-полупроводниковые (МДП) ИМС (на основе МДП-транзисторов). Возможно также сочетание бипо­лярных и МДП-транзисторов на одном кристалле.

Для изготовления полупроводниковых ИМС требуются зна­чительные капитальные вложения, поэтому производство их экономически выгодно лишь при массовом выпуске.

Если элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической под­ложки, то такую ИМС называют пленочной. В зависимости от толщины пленок и способа их нанесения различают тонкопле­ночные (толщина пленок до 1 мкм, тонкие пленки получают преимущественно методами вакуумного распыления и испаре­ния) и толстопленочные ИМС (толщина пленок 10...70 мкм, толстые пленки получают методами трафаретной печати - шел-кографии).

Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получать активные элементы (транзисто­ры, диоды) со стабильными электрическими характеристиками, то пленочные ИМС содержат только пассивные элементы (рези­сторы, конденсаторы и т.п.). Для реализации электронных мик­росхем пленочные элементы дополняются дискретными актив-

ными элементами. Тогда получается гибридная ИМС в кото­рой, кроме пассивных пленочных элементов, применяются и на­весные компоненты (бескорпусные гибридные ИМС, транзисто­ры и диоды, а также дискретные резисторы и конденсаторы, которые по каким-либо причинам невозможно или нецелесооб­разно выполнять в пленочном виде). В гибридных ИМС элект­рические связи между элементами и компонентами реализуются в виде пленочного и (или) микропроводного монтажа. Гибрид­ные ИМС просты в изготовлении, имеют низкую стоимость и трудоемкость технологических операций, сравнительно неболь­шую длительность производственного цикла. В ряде случаев возможно изготовление прецизионных пленочных элементов для гибридных ИМС с более стабильными электрическими характе­ристиками и повышенным тепловыделением, чем в полупро­водниковых ИМС.

По степени унификации и назначению различают ИМС об­щего применения (кассового назначения) и частного примене­ний. Обычно ИМС являются самостоятельным изделиями обще­го применения и в зависимости от массовости выпуска и требу­емых параметров изготавливаются в полупроводниковом или гибридном исполнении. ИМС общего назначения, как правило, выпускают сериями. Серией называется совокупность типов ИМС, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

Для частных специализированных, как правило, в конструк­циях модулей современных технических средств ЭВМ использу­ют микросборки - микроэлектронные изделия типа гибридных ИМС или больших гибридных ИМС, выполняющих конкретные функции и состоящие из элементов, компонентов и (или) ИМС (корпусированных и бескорпусных) и других электрорадиоэле­ментов (ЭРЭ) в различных сочетаниях, разрабатываемых и изго­тавливаемых для улучшения показателей микроминиатюриза­ции радиоэлектронной аппаратуры.

Чрезвычайно важными характеристиками ИМС и микросбо­рок являются плотность упаковки и степень интеграции. Плот­ность упаковки ИМС - это отношение числа элементов и компо-

нентов ИМС к ее объему. Степень интеграции определяет слож­ность ИМС и записывается как k = lg ^. N, где k - коэффициент, определяющий степень интеграции и округляемый до ближай­шего большего целого числа; N - число элементов и компонен­тов, входящих в ИМС

По степени интеграции различают ИМС первой степени (до 10 элементов), второй степени (от 10 до 100 элементов). ИМС третьей и более высоких степеней интеграции обычно называ­ют большими (БИС).

БИС являются микросхемами высокой функциональной сложности, определяемой большой степенью интеграции. К та­ким БИС в первую очередь следует отнести микропроцессорные ИМС микросхемы оперативной и постоянной памяти, а также многие другие микросхемы, осуществляющие функции управле­ния, преобразования и ввода-вывода информации.

За счет сокращения длины и количества межсоединений уве­личение степени интеграции ведет к повышению функциональ­ной сложности, надежности и быстродействия ИМС и сниже­нию их стоимости. Однако себестоимость существенно зависит От совершенства технологии, так как с повышением степени интеграции при неизменном уровне технологии процент выхода годных микросхем резко падает.

По особенностям конструкции элементов защиты ИМС от внешних воздействий (влага, газы, пыль, механические воздей­ствия, радиация и т.п.) различают корпусированные и бескорпус­ные ИМС.

В корпусироваиных ИМС защита кристалла или подложки осуществляется корпусом - частью конструкции ИМС, которая наряду с защитой от внешних воздействий предназначена для соединения ИМС с внешними электрическими цепями посредством выводов. Для защиты микросхемы корпуса герметизируются.

В настоящее время разработка полупроводниковых ИМС в корпусах сопровождается, как правило, и разработкой их анало­гов в бескорпусном варианте. Бескорпусные ИМС, а также тран­зисторы, диоды и другие ЭРЭ образуют элементную базу гибрид­ных ИМС и микросборок, герметизируемых блоков электронной аппаратуры.