Файл: Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах.pdf

твору напряжения соответствующей полярности. При приложении соответ­ ствующего напряжения к затвору МДП-транзистор с обеднением канала переходит из открытого состояния в закрытое, а МДП-транзистор с обога­ щением канала — наоборот, из закрытого в открытое.

Пленочные И С могут быть изготовлены по тонкопленочной или толстопленочной технологии. В качестве подложки в пленочных ИС обычно при­ меняются полированные пластинки из специального стекла или керамики (окиси алюминия, окиси бериллия и т. п.) [2].

Тонкие пленки (толщиной не более 1 мкм) получают методом вакуум­ ного или катодного распыления, осаждением из газовой среды, термическим разложением [22]. Необходимый рисунок пленки обеспечивается применением металлической маски, которая открывает доступ только к отдельным участ­ кам подложки, либо пленкой покрывают всю подложку, а затем применяют метод фотолитографского травления. Плотность размещения элементов на поверхности подложки в тонкопленочных схемах равна примерно 10—20 эле­ ментам на 1 см2 [43]. По тонкопленочной технологии могут быть доста­ точно просто произведены резисторы, конденсаторы и соединительные про­ водники.

Тонкопленочные резисторы обычно выполняют из нихрома (80% Ni и 20% Сг), тантала или соединения моноокиси кремния с хромом. Если тол­ щина резистивной пленки постоянна, то сопротивление резистора определя­ ется только его геометрической формой и не зависит от размеров. В част­ ности, сопротивление квадратного резистивного участка не зависит от раз­ мера стороны квадрата, а определяется только удельным сопротивлением материала и толщиной пленки. Поэтому сопротивление резистивных пленок измеряют обычно в омах на квадрат (ом/ □ ). Сопротивление тонкопленоч­ ного резистора при заданной толщине резистивной пленки определяется тем, сколько квадратов может уместиться по его длине. Чем меньше ширина резистора и больше длина, тем больше его сопротивление. Однако возмож­ ности технологического процесса ограничивают минимальную ширину ре­

2000 ом/П. Соответственно тонкопленочные резисторы могут иметь сопро­ тивление от десятков ом до единиц мегаом с допуском до ± 5%. Температур­ ный коэффициент сопротивления пленочных резисторов может составлять

(1-т-З) ■10-4 1/град.

Тонкопленочные конденсаторы представляют собой обычно трехслойную структуру: два металлических слоя, разделенные пленкой диэлектрика. В ка­ честве диэлектрика используется моноокись или двуокись кремния, окись тантала, окись алюминия [7]. Максимальная емкость пленочного конденса­ тора не превышает нескольких тысяч пикофарад. Температурный коэффи­ циент емкости пленочного конденсатора может составлять величину от 5- ■10~6 до 2-10~4 1/град в зависимости от типа диэлектрика [7, 36].

Толстопленочная технология характеризуется толщиной пленок 5—10 мкм, которые получают, нанося через трафарет пасту соответствующего состава на керамическую подложку с последующим вжиганием пасты. Поверхностная

планарно-эпитаксиальной технологии сформированы активные элементы (ди­ оды и транзисторы), а также те резисторы, к точности сопротивления кото­ рых не предъявляется высоких требований. Пассивные же элементы — рези­ сторы, конденсаторы, а также соединения между элементами — выполняются по тонкопленочной технологии на поверхности окисленного кристалла. При этом надежность и компактность активных элементов, характерные для по­ лупроводниковых схем, сочетаются с большим диапазоном возможных номи­ налов и точностью пассивных элементов, характерных для пленочных схем.

Полупроводниковые составные (многокристальные) ИС содержат не­ сколько полупроводниковых кристаллов со сформированными в них по

9

полупроводниковой или совмещенной технологии элементами, объединенных на общей изолирующей подложке. Таким образом можно достаточно просто получить сложные ИС, содержащие большое количеств элементов.

Гибридно-пленочные И С выполняются на изолирующей подложке, на которой методами пленочной технологии образованы пассивные элементы и

11 12

1

2

J

‘t

фО,Вmax

Рис. 3. Корпуса интегральных схем

корпусные миниатюрные диоды и транзисторы — приклеиваются к подложке, и их выводы присоединяются методом термокомпрессии к соответствующим контактным площадкам подложки.

Существование гибридно-пленочных ИС вызвано тем, что до настоящего времени не разработана технология, которая позволила бы достаточно просто и надежно производить в промышленных условиях пленочные диоды и тран­ зисторы.

Корпуса ИС могут иметь различную конструкцию. На рис. 3 показаны наиболее распространенные корпуса отечественных ИС. Корпус на рис. 3, а наиболее удобен в тех случаях, когда требуются малые габариты и масса

10

аппаратуры на ИС и когда хорошо развита технология монтажа такой ап­ паратуры. Планарное расположение выводов позволяет упростить процесс присоединения схемы к печатной плате и не требует наличия в ней метал­ лизированных отверстий. Прямоугольный (рис. 3, б) и круглый (рис. 3, г) корпуса находят применение в аппаратуре как широкого, так и специального назначения. Для аппаратуры, предназначенной для работы в нежестких ус­ ловиях эксплуатации, удобен корпус рис. 3, в. Внутри этого корпуса нет гер­ метизированного пространства, полупроводниковый кристалл просто опрессовывается пластмассой. Стоимость ИС в таких корпусах ниже, чем в других, хотя диапазон допустимых температур окружающей среды уже.

Условные обозначения отечественных интегральных схем состоят из ряда элементов. Первая цифра в обозначении ИС, стоящая перед группой из двух

ИС, 2 — гибридно-пленочные ИС. Группа из двух букв означает функциональ­ ную разновидность интегральной схемы. Расшифровку этого элемента обоз­ начения можно найти, например, в [31]. После цифр, входящих в номер серии, в обозначении приводится число, указывающее номер разработки данной разновидности ИС в данной серии. Буква, стоящая в конце обозначе­ ния, если она есть, указывает на значения отдельных электрических парамет­ ров или эксплуатационные режимы микросхемы. Если перед обозначением ИС или серии ИС стоит буква К, это означает, что схема предназначена для широкого применения. Например, обозначение К2ТКД71Б говорит о том, что эта интегральная схема серии К217 выполнена по гибридно-пленочной тех­ нологии, предназначена для широкого применения, содержит триггер с ком­ бинированным запуском (так расшифровываются буквы «ТК»), номер разра­ ботки — первый, буква «Б» в данном случае указывает на повышенное быстродействие триггера.

3. Достоинства интегральных схем и перспективы их применения в измерительных приборах

Преимущества, которые обеспечивает применение ИС,— это прежде всего повышение надежности, снижение стоимости аппаратуры и улучшение ее эксплуатационных характеристик.

Надежность повышается как за счет снижения интенсивности отказов основных элементов, так и за счет уменьшения внешнего монтажа. Сравни­ тельно небольшое количество типовых технологических операций, непрерыв­ ность и замкнутость процесса изготовления ИС в пределах одной производ­ ственной линии позволяет максимально автоматизировать производство и контроль ИС, уменьшить вероятность допущения ошибок и добиться однород­ ности продукции по качеству [12]. Применение пониженных напряжений и токов питания создает благоприятные тепловые условия для работы эле­ ментов ИС. Малая масса ИС обусловливает их высокую стойкость к воздейст­ вию вибрационных, ударных и линейных нагрузок.

В настоящее время надежность одной ИС примерно равна надежности кремниевого транзистора (10-5—10-8 1/ч), в то время как в ее состав могут входить несколько транзисторов и более десятка других элементов.

Выигрыш в надежности, получаемый при переходе от транзисторной ап­ паратуры к аппаратуре на ИС, составляет в среднем 1—2 порядка и более.

Среди отказов, наблюдающихся при эксплуатации ИС, преобладают ка­ тастрофические, основная часть которых обусловлена дефектами соединений. У полупроводниковых ИС отсутствует явно выраженный период приработки. Совмещенные ИС могут иметь период приработки 100—500 ч [12].

Существенным достоинством ИС является то, что они затрудняют возмож­ ность неправильного использования отдельных элементов (неверное включе­ ние, перегрузка), что может иметь место в обычных схемах.

Стоимость электронной аппаратуры если не считать накладных расходов, складывается из стоимости разработки, стоимости деталей и материалов,

11

стоимости сборки и испытаний. При переходе на интегральные схемы умень­ шаются все эти составляющие части стоимости.

Разработчик электронной аппаратуры, используя ИС, получает сущест­ венную экономию времени. Это объясняется прежде всего тем, что для про­ ектирования используются уже готовые узлы, а не отдельные детали. По­ скольку ИС представляют собой четко определенные электронные схемы, для которых известны их гарантированные характеристики и обеспечена взаимо­ заменяемость, то зачастую нет необходимости делать экспериментальный ма­ кет. Все проектирование может быть выполнено опытным инженером на бу­ маге. Проектируемая аппаратура вначале разбивается на блоки, а затем эти блоки представляются в виде набора необходимых ИС. Таким образом, при­ менение ИС существенно снижает стоимость и сроки разработки аппаратуры. Некоторая формализация процесса проектирования аппаратуры на ИС поз­ воляет даже заменить часть инженерного труда применением электронной вычислительной машины (ЭВМ).

При изготовлении аппаратуры на ИС ее стоимость уменьшается как за счет стоимости самих деталей, так и за счет конструкционных материалов, соединений и разъемов. Кроме того, поскольку применение ИС значительно сокращает количество внешних соединительных проводников, то соответст­ венно сокращается и стоимость сборочных работ. Что касается стоимости са­ мих ИС, то если в США в 1954 г. логическая схема на ИС была в 2,5 раза дороже, чем на дискретных компонентах, то в 1968 г. она была уже в 2 раза дешевле [32]. Снижение цен на ИС проибходит как За счет разработки но­ вых технологических процессов, так и за счет отработки существующих, вслед­ ствие чего значительно повышается процент выхода годных ИС. Предпола­ гается, что в перспективе стоимость распространенных цифровых схем будет составлять всего десятую часть стоимости аналогичных схем, использующих дискретные компоненты, а стоимость линейных и сложных цифровых схем будет равна примерно половине стоимости аналогичных схем с дискретными компонентами [6].

Повышение надежности и уменьшение номенклатуры и количества ком­ плектующих изделий удешевляет эксплуатацию аппаратуры на ИС [17].

Габариты, масса и потребление электронной аппаратуры при применении ИС также заметно снижаются, что особенно существенно для приборов, устанавливаемых на подвижных объектах. Для стационарной аппаратуры эти параметры не всегда имеют первостепенное значение, но даже и в этом случае их уменьшение позволяет упростить конструкцию, легче обеспечить охлаждение, сократить производственные площади. Величина экономического эффекта от снижения массы аппаратуры, по американским данным, лежит в диапазоне от 1,1-10—4 дол./г для стационарной до 44 дол./г для ракетнокосмической аппаратуры [17].

Снижение габаритов электронной аппаратуры может'быть охарактеризо­ вано увеличением плотности упаковки. Если для обычного монтажа плотность

для полупроводниковых ИС 50—1000 эл/см3. Для схем, плотность упаковки которых более 5 эл/см3, употребляют название «микросхемы» (ГОСТ 17021— 71). Следует отметить, что фактическая плотность упаковки для ИС меньше предельной возможной вследствие относительно больших размеров корпусов.

Развитие И С в настоящее время идет в основном по пути увеличения степени интеграции. Под степенью, или уровнем, интеграции понимают число элементов, объединенных в одной интегральной схеме [7]. Наряду с улуч­ шением характеристик и снижением стоимости обычных ЙС, в которых сте­ пень интеграции относительно низка — не превышает 50—60, в настоящее время уже имеются ИС со средним уровнем интеграции, содержащие до

снизит ее стоимость и повысит надежность.

12

БИС строятся как на основе однокристальных, так и на основе много­ кристальных полупроводниковых ИС. В первом случае чаще всего находят применение схемы на МДП-транзисторах, так как они позволяют получить большую поверхностную плотность размещения элементов. Вероятность не­ исправности сложной схемы возрастает с увеличением количества элементов, ее составляющих. Поэтому в процессе промышленного производства процент выхода годных БИС с фиксированной схемой соединений невысок. В связи с этим часто схему соединений отдельных элементов, входящих в БИС, не проектируют заранее. После изготовления этих элементов проводят их про­ верку, а затем составляют схему соединений таким образом, чтобы в окон­ чательную цепь вошли только исправные элементы. Естественно, что в этом случае количество элементов, формируемых на подложке, должно быть пре­

дусмотрено с некоторым избытком.

В случае построения многокристальных БИС предварительной проверке подвергаются цепи, сформированные в отдельных кристаллах.

Для выполнения всех внутренних соединений в БИС, как правило, ис­ пользуют несколько слоев металлизации.

В качестве примера БИС можно привести миниатюрную вычислитель­ ную машину, выполненную практически полностью в одном кристалле крем­ ния. Квадратный кристалл размером 4,5X4,5 мм содержит 360 логических схем и 160 триггеров, необходимых для производства арифметических дейст­

вий над 12-разрядными числами [24].

Наряду с увеличением количества элементов, помещаемых в один кор­ пус, развитие ИС идет также по пути создания функциональных схем, в ко­ торых отсутствуют традиционные электронные цепи, а их работа основана на использовании различных свойств твердого тела.

Применение ИС в измерительных приборах приводит к повышению на­ дежности измерительной аппаратуры, снижению ее габаритов, массы, потреб­ ления, стоимости. Но наряду с количественными изменениями характеристик внедрение ИС вызывает также существенные качественные изменения изме­ рительной аппаратуры. Так, например, улучшение эксплуатационных харак­ теристик и снижение габаритов цифровых приборов на ИС поставило на повестку дня вопрос о замене большей части аналоговых щитовых приборов на цифровые. При этом стоимость цифровых приборов при использовании дешевых ИС оказывается сравнимой со стоимостью аналоговых, габариты —

почти такими же, а характеристики — лучшими.

Существует мнение, что в настоящее время аналоговые приборы должны использоваться лишь для грубых измерений, а приборы с классом точности 1% и выше должны быть цифровыми [И]. Потребитель в этом случае по­ лучает такие дополнительные преимущества, как возможность цифровой ре­ гистрации, возможность сопряжения с ЦВМ и т. п.

Конструктивная простота и надежность электронных узлов на ИС поз­ воляет вводить в измерительную аппаратуру много новых узлов, автоматизи­ рующих процесс измерения, улучшающих его характеристики, придающих ему новые функции. Сюда можно отнести различные цепи линеаризации, масшта­ бирования, обработки, регулирования и т. п.

Применение ИС в измерительной технике быстро расширяется. Показа­ тельно, что среди первых зарубежных и отечественных серий ИС со средним и большим уровнем интеграции разработаны схемы, предназначенные для ра­

13