Интегральная схема

Интегральная схема
Тип	Электронный компонент
Изобретён	1958

Интегральная схема (англ.  Integrated Circuit) — электронная схема, состоящая из активных и пассивных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и так далее), конструктивно объединённых (интегрированных) в единый электронный компонент.

По исполнению интегральные схемы (ИС) можно разделить на следующие типы:

• однокристальная полупроводниковая ИС, выполненная на пластине кристалла кремния или другого полупроводникового материала и содержащая как активные, так и пассивные элементы; получила наибольшее распространение;
• микросборка — интегральная схема, содержащая отдельные пассивные элементы, а также бескорпусные диоды, транзисторы, в том числе и бескорпусные однокристальные полупроводниковые ИС;
• многокристальная полупроводниковая ИС, содержащая две или более однокристальных ИС, объединённых на одной подложке.

Поскольку размер активной части современной интегральной схемы очень мал и составляет от нескольких квадратных миллиметров до нескольких квадратных сантиметров, за ней закрепилось название интегральная микросхема или просто микросхема. В дальнейшем эти термины стали употребляться в технической литературе как синонимы.

Микросхемы также часто называют словом чип (от англ. chip — «тонкая пластинка»). Первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы.

Бо́льшая часть полупроводниковых микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа или для монтажа в отверстиях под пайку, кристаллы в бескорпусном исполнении предназначены для монтажа в качестве компонентов микросборок .

Сегодня интегральные микросхемы используются практически во всём электронном оборудовании — в компьютерах, системах управления, мобильных телефонах и другой электронной технике, являющейся неотъемлемой частью современного общества.

История разработки

С развитием вычислительной техники перед инженерами возникла задача найти более технологичные способы соединения тысяч используемых в компьютерах диодов, транзисторов и других электронных компонентов. Переход от навесного монтажа на печатные платы позволил частично решить эту проблему, но нужно было и далее сводить к минимуму количество паяных соединений, снижающих надёжность, а также длину соединительных проводников, снижающую быстродействие за счёт паразитных ёмкостей и индуктивностей.

Гибридные интегральные схемы

К гибридным относятся ИС, в производстве которых сочетается интегральная технология изготовления пассивных элементов с индивидуальной (ручной или автоматизированной) технологией установки и монтажа активных элементов.

В конце 1940-х годов в американской фирме Centralab были разработаны основные принципы изготовления толстоплёночных печатных плат на керамической основе, развитые затем другими фирмами. В основу были положены уже известные технологии изготовления печатных плат и керамических конденсаторов. От печатных плат взяли интегральную технологию формирования топологии соединительных проводников — шелкографию, от конденсаторов — материал подложки (керамика, чаще ситалл), а также материалы паст и термическую технологию их закрепления на подложке.

В начале 1950-х годов в компании RCA изобрели тонкоплёночную технологию: распыляя в вакууме различные материалы и осаждая их через маску на специальные подложки, научились одновременно изготавливать на единой керамической подложке множество миниатюрных плёночных соединительных проводников, резисторов и конденсаторов. Но диоды и транзисторы использовались ещё дискретные. Такие устройства получили название микромодулей.

Гибридной интегральной схемой микромодуль стал в тот момент, когда в нём применили бескорпусные транзисторы и диоды и герметизировали конструкцию в общем корпусе. В дальнейшем в гибридных ИС в качестве компонентов стали применяться бескорпусные полупроводниковые интегральные схемы.

Полупроводниковые интегральные схемы

7 мая 1952 года инженер британского исследовательского института телекоммуникаций Джеффри Даммер, известный как «пророк интегральных схем», выступил в Вашингтоне с публичной речью, в которой сформулировал идею интеграции:

С появлением транзисторов и работ в области полупроводников в целом теперь кажется возможным представить электронное оборудование в виде цельного блока без соединительных проводов.

Однако осуществление этих предложений в те годы не могло состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. В 1959 году Эдуард Кеонджян, советский (впоследствии американский) учёный-электротехник, разработал первый прототип интегральной схемы, выполнявшей функцию сумматора.

Памятная доска на здании Fairchild, где была изобретена первая интегральная схема, пригодная для коммерческого производства

В дальнейшем сотрудники американских корпораций Texas Instruments, Sprague Electric Company и Fairchild Semiconductor решили несколько фундаментальных технологических проблем, открыв тем самым дорогу практическому созданию полупроводниковых интегральных схем.

• Американский физик Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип объединения, создав устройство, содержащее транзистор, конденсатор и резистор на одном германиевом чипе. Следующим этапом было создание триггера на одном кусочке монолитного германия. В начале 1959 году схема была изготовлена и в марте 1960 года представлена на выставке американского института радиоинженеров (англ. Institute of Radio Engineers). Килби подал заявку на выдачу патента;
• Американский физик Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом)

Хорошо известно, что p-n-переходу свойственно высокое сопротивление, в особенности тогда, когда на переход подано запирающее напряжение.Курт Леговец, патент США 3029366

Роберт Нойс, 1959 год

• Американский инженер Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии, изобретённой американским инженером Жаном Эрни.

Заявка на патент Килби была подана раньше, чем заявка Нойса, но была удовлетворена позже. Это привело к судебной тяжбе, в результате которой производителям микросхем пришлось платить как Fairchild Semiconductor, так и Texas Instruments. Килби приписывают создание первой рабочей схемы, в которой все компоненты были изготовлены из полупроводникового материала, Нойсу приписывают соединение «металл с оксидом», создающее монолитную структуру.

Джек Килби в 2000 году за изобретение ИС стал одним из лауреатов Нобелевской премии. Роберт Нойс не дождался мирового признания, он скончался в 1990 году, а по положению Нобелевская премия не присваивается посмертно.

Практически в это же время и в СССР велись работы по освоению технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Первая отечественная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименованном в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в АО НИИМЭ («Микрон»). Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне — АО «НИИЭТ»).

Микропроцессор «Intel 4004»

В 1962 году работник КБ Рижского завода полупроводниковых приборов Юрий Валентинович Осокин разработал и внедрил в производство «твёрдую схему» (так тогда ещё называли интегральные МС) на основе германия, выполняющую логическую функцию «2ИЛИ-НЕ».

В 1971 году происходит событие, положившее начало «цифровой революции»: фирма Intel выпускает первый микропроцессор «Intel 4004». Эта интегральная схема содержала все компоненты, необходимые для создания компьютера.

В настоящее время интегральные микросхемы содержат миллионы транзисторов и других электронных компонентов, позволяя создавать всё более сложные и совершенные устройства обработки и хранения информации.

Классификация микросхем

Микросхемы классифицируются по приведенным ниже признакам.

По степени интеграции

Степень интеграции для интегральной схемы — это показатель степени сложности, характеризующийся числом содержащихся в ней элементов. В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия типов микросхем:

• 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.

Для интегральных схем с бо́льшим количеством элементов ранее применялись названия:

• ультрабольшая интегральная схема (УБИС), с количеством элементов в диапазоне от 1 млн до 1 млрд.
• гигабольшая интегральная схема (ГБИС), количество элементов в которой превышало 1 млрд.

В настоящее время эти названия не применяются. Типы, которые раньше относили к УБИС и ГБИС, сейчас определяются как СБИС. Это позволило сократить количество делений на группы, поскольку СБИС с количеством элементов свыше 1 млн обычно используются в специфических компьютерных системах, мощность которых измеряется в десятках и сотнях терабайт, и которыми, как правило, оснащены лишь большие научно-исследовательские центры.

По способу изготовления

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия или арсенида галлия).
• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:
  • толстоплёночная интегральная схема;
  • тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросборка HP 1813-0091

• Микросборка (гибридная микросхема) — содержит бескорпусные диоды, транзисторы, в том числе и бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей (как правило, керамической) подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.
• В ряду гибридных микросхем можно выделить совмещённые микросхемы, которые кроме полупроводникового кристалла содержат тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла. Совмещённые микросхемы изготавливают в том случае, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность резисторов и ёмкостей. Эти требования легче обеспечить посредством пленочных элементов, чем полупроводниковых.

По виду обрабатываемого сигнала

• аналоговые;
• цифровые;
• аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы делятся на две группы. К первой группе относятся микросхемы универсального назначения: операционные усилители, матрицы транзисторов, диодов и так далее, ко второй — специализированные аналоговые ИС.

Цифровые микросхемы предназначены для реализации логических функций и выполнения вычислительных операций. Входные и выходные сигналы таких микросхем имеют два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый уровень напряжения.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов, например, усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь.

Технология изготовления

Пластина монокристалла кремния

Можно выделить следующие основные технологические этапы при производстве полупроводниковых интегральных схем методом фотолитографии:

• Изготовление монокристалла. Очень чистый кристаллический кремний (или другой полупроводниковый материал, необходимый для изготовления интегральных схем), выращивается в форме цилиндра, из которого затем нарезаются пластины диаметром 60 — 150 мм и толщиной 0,2 — 0,4 мм.
• После резки на пластинах образуются дефекты и неровности, для устранения которых пластины шлифуют и полируют. Неровности поверхности не должны быть больше 4 мкм.

Процесс фотолитографии

• Следующим этапом является формирование слоёв методом фотолитографии. На пластине сначала образуется слой оксида кремния, для чего в специальной герметичной камере при температуре около 1000 °C пластина с одной стороны обдувается потоком кислорода, что и приводит к образованию и наращиванию слоя оксида кремния. Далее наносится слой фоторезиста — специального материала, изменяющего свои свойства под действием ультрафиолетовых лучей. После нанесения фоторезиста его засвечивают через специальную маску, содержащую необходимый рисунок элементов микросхемы. Далее производится процесс проявления и закрепления засвеченного слоя фоторезиста методом тепловой полимеризации.

• Далее идет процесс травления, где под действием специальных веществ удаляются незасвеченные участки фоторезиста и оксида кремния. Пластины промываются.

• После промывки пластины направляют в диффузионную камеру, где на открытые участки кремния воздействуют потоком ионов вещества с другим типом проводимости. На кристалле формируются карманы с акцепторной или донорной примесью, что позволяет в соответствии со схемой сформировать нужные элементы (транзисторы, диоды и так далее).

• Дальнейшим этапом является разделение пластины с выращенными микросхемами на отдельные чипы и установка их в корпус.

Подавляющее большинство активных элементов современных цифровых микросхем изготавливается по технологии КМОП (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник, англ. CMOS, complementary metal–oxide–semiconductor), которая предусматривает использование полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями (ТТЛ и др.) является очень малое энергопотребление в статическом режиме. В большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения логических состояний.

Типы исполнения интегральных микросхем

По типу исполнения интегральные микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескорпусном. Бескорпусная микросхема (англ. unpackaged microcircuit) представляет собой открытый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку. Для защиты от внешних воздействий кристалл обычно покрывают лаком или заливают компаундом.

Типы корпусов микросхем

Самые ранние интегральные схемы упаковывались в плоские керамические корпуса. Такой тип корпусов широко использовался из-за его надёжности и небольшого размера. В дальнейшем получили развитие корпуса DIP (англ. Dual In-line Package), вначале изготавливавшиеся из керамики, а затем из пластика. Микросхемы в корпусах DIP предназначались для монтажа путём пайки в отверстия на плате. В 1980-х годах количество контактов СБИС превысило возможности DIP корпусов, что привело к созданию корпусов PGA (англ. Pin Grid Array) и LCC (англ. Leadless Chip Carrier).

В конце 80-х годов, с ростом популярности поверхностного монтажа, появляются корпуса SOIC (англ. Small-Outline Integrated Circuit), а также корпуса PLCC (англ. Plastic Leaded Chip Carrier). В 90-х годах начинается широкое использование корпусов типа PQFP (англ. Plastic Quad Flat Pack) и TSOP (англ. Thin Small-Outline Package) для интегральных схем с большим количеством выводов. Для сложных микропроцессоров, особенно для устанавливаемых в сокеты, используются PGA-корпуса. В настоящее время фирмы Intel и AMD перешли от корпусов PGA к LGA (англ. land grid array, разъём с матрицей контактных площадок).

Корпуса BGA (англ. Ball grid array) существуют с 1970-х годов. В 1990-х годах были разработаны корпуса FCBGA (BGA, собранная методом перевернутого кристалла, англ. flip-chip), допускающие намного большее количество выводов, чем другие типы корпусов. В FCBGA кристалл монтируется в перевёрнутом виде и соединяется с контактами корпуса через столбики (шарики) припоя. Монтаж методом перевёрнутого кристалла позволяет располагать контактные площадки по всей площади кристалла, а не только по краям .

• Примеры типов корпусов микросхем
• 

  Микросхема в корпусе DIP для пайки в отверстия

• 

  Микросхема в корпусе QFP для поверхностного монтажа

• 

  Микросхема в корпусе PGA для монтажа в разъём

• 

  Схематичное изображение конструкции выводов в корпусе PLCC

В настоящее время активно развивается подход MCM — совмещённая микросхема «система-в-корпусе» (англ. Multi-Chip Module), когда несколько полупроводниковых кристаллов размещают в едином корпусе или на общей подложке, зачастую керамической.

Серии микросхем

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

Каждая серия микросхем имеет цифровое обозначение. Например, для основных модификаций микросхем стандартной логики (ТТЛ-схем) используется сочетание 74 (российский аналог — серия 155), чуть позже появились новые модификации ТТЛ-серий и дополнительные буквы для их идентификации. Так, 74LS — это маломощная серия с диодами Шоттки.

Литература

Ланина Э. П. Современные технологии производства интегральных схем. Учебное пособие (рус.). — М.: ТНТ, 2022. — 312 с. — ISBN 978-5-94178-646-6.