Бис и сбис что это
БИС и СБИС и их разновидности
К большим интегральным микросхемам (БИС) условно можно отнести микросхемы 4-й степени интеграции (число элементов более 1000).
Существуют две разновидности БИС:
Полупроводниковые БИС. Полупроводниковые БИС содержат на одном кристалле сложные функциональные узлы: микропроцессоры и запоминающие устройства.
При создании БИС можно выделить три направления:
1) совершенствование существующих технологических процессов изготовления БИС и созданием новых (повышение разрешающей способности литографии, использованию ионной имплантации и др.). Имеются теоретические пределы для плотности элементов: для МДП – транзисторов 107 – 108, для биполярных транзисторов 106 на квадратном сантиметре. Использование многослойной металлизации также позволяет увеличить плотность элементов благодаря уменьшению длины межэлементных соединений и числа пересечений проводников.
2) увеличение размеров кристалла. Так, если в 1970 – 1973 гг. типовым размером кристалла был 1,5´1,5 мм, то в 1973 – 1975 гг. он увеличился до 6´6 мм, а в настоящее время – до 10´10 мм.
3) разработке новых схемотехнических решений.
Выбор номенклатуры разрабатываемых:
Конструктивно кристалл матричной БИС представляет собой совокупность регулярно расположенных логических ячеек (топологических фрагментов). Между последними предусматриваются свободные промежутки, необходимые для межсоединений. Матричная БИС выполняет заданные функции лишь на заключительном этапе изготовления, когда осуществлены необходимые межэлементные соединения.
С повышением степени интеграции повышается быстродействие схем, так как минимизируются паразитные параметры, вносимые металлизированными соединениями. Однако повышение степени интеграции связано и с рядом трудностей, проявляющихся на различных этапах создания БИС, особенно при разработке ее топологии. Трудоемкость ручного проектирования БИС может быть приближенно оценена по следующим формулам:
для аналоговых схем
Здесь N – число элементов БИС; Т – трудоемкость проектирования, ч. При полной автоматизации проектирования БИС трудоемкость проектирования
Из анализа выражений (1, 2, 3 ) видно, что проектировать БИС без применения ЭВМ практически невозможно. При числе элементов 105 автоматизация проектирования БИС позволяет уменьшить сроки разработки приблизительно в 120 раз.
Гибридные БИС (БГИС). В ГИС, так же как и в полупроводниковых ИС, происходит увеличение степени интеграции. В БГИС на одной подложке могут быть объединены как различные элементы, так и компоненты, в том числе ИС и БИС, выполненные по различным технологиям (биполярная, МДП-, тонко- и толстопленочная и др.). Это позволяет обеспечить широкий диапазон электрических параметров и гибко решать сложные инженерные задачи по созданию микроэлектронной аппаратуры.
Технологию БГИС можно рассматривать как замену существующих методов многослойного печатного монтажа при размещении на подложках бескорпусных полупроводниковых ИС, БИС и других компонентов. Чаще всего БГИС содержат бескорпусные ИС и БИС, объединенные металлической разводкой. Поэтому создание БГИС обычно сводится к коммутации ИС и БИС в единый функциональный комплекс, называемый микросборкой.
Дальнейшее совершенствование конструкции и технологии изготовления микроэлектронной аппаратуры заключается в замене ее блоков на БГИС и переходе от печатных плат к платам, изготовляемым по гибридной технологии.
Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ
Отверстия печатных плат
Одними из главных элементов конструкции печатных плат являются отверстия. Большинство параметров ПП связано именно с размерами этих отверстий, которые могут быть:
— монтажными, куда устанавливаются и запаиваются выводы элементов;
— переходными (межслойными), обеспечивающими только электрические соединения между слоями платы.
Металлизированные монтажные отверстия являются одновременно переходными отверстиями. На печатных платах обычно присутствует некоторое количество неметаллизированных конструкционных отверстий, служащих для фиксации компонентов, крепления печатных плат к несущим элементам конструкций и других целей. Эти отверстия бывают гладкими, без контактных площадок и металлизации. Крепежные отверстия с целью удешевления производства выполняются одновременно с монтажными, поэтому в них присутствует внутренняя металлизация, но отсутствуют контактные площадки.
Металлизированные отверстия снабжены контактными площадками на наружных слоях, а в многослойных платах – еще на тех слоях, на которых к этим отверстия подводятся печатные проводники.
Контактные площадки и металлизация отверстий выполняются из меди. Все металлизированные поверхности могут иметь дополнительное гальваническое покрытие, которое выполняет функцию маски, защищающей участки медной фольги при травлении, что обеспечивает формирование элементов проводящего рисунка.
Главный параметр отверстия – диаметр(d), который у неметаллизированных отверстий совпадает с диаметром сверления. Для металлизированных отверстий диаметр самого отверстия отличается от диаметра сверления на двойную толщину металлизации, а в случае применения гальванического покрытия – еще и на двойную толщину покрытия.
Монтажные отверстия
Размеры монтажных отверстий определяются диаметром и сечением выводов элементов, монтируемых в эти отверстия. В любых металлизированных отверстиях следует предусматривать гарантированный зазор (не менее 0,1мм) для заполнения металлизированного отверстия расплавленным припоем.
Диаметры отверстий ПП обязательно выбираются из ряда, соответствующего ГОСТ 10317-79, который включает в себя диаметры от 0,4 до 3,0мм через 0,1мм, кроме диаметров 1,9 и 2,9мм.
Переходные отверстия
Диаметры переходных отверстий выполняют аналогично монтажным, но во всех случаях стараются сделать их с минимальными размерами, допустимыми для конкретной толщины ПП. Часто минимальный диаметр отверстия определяется диаметром сверла или возможностями производства. Минимальный диаметр переходного отверстия определяется из соотношения:
где k – отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы;
Будущее и настоящее СБИС
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 05.09.2016 2016-09-05
Статья просмотрена: 730 раз
Библиографическое описание:
Чепрасова, А. С. Будущее и настоящее СБИС / А. С. Чепрасова, Ю. В. Мамелин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 17 (121). — С. 79-81. — URL: https://moluch.ru/archive/121/33559/ (дата обращения: 10.12.2021).
In the article function and further development of extralarge integral microsystems (EIM) are considered. Classifications and meaning of EIM are taken into account, current technologies of microsystem design are analyzed. Current topic is considered as gadgets become smaller, but their productivity is getting much better than the productivity of their ancestors decade ago. Such gradation is possible only with the technologies mentioned in the article.
Key words: microsystem, degree of integration, programmable logic, architecture, step-and-repeat camera
В настоящее время во многих бытовых, вычислительных и прочих приборах используются интегральные схемы,твердотельные устройства, изготовленные на полупроводниковой подложке (пластине или пленке) и помещенные в неразборный корпус. Такие схемы имеют небольшой размер, но большой функционал. Создание первых полупроводниковых интегральных схем (1958–59) и начало их серийного выпуска (1960–61) определили рождениемикроэлектроники.
В наш век, век высоких технологий, интегральные схемы увеличили свой размер и функционал, и чем дальше, тем все сложнее их проектировать, особенно вручную. Необходимо учесть огромное количество связей и переходов с уровня на уровень, именно поэтому автоматизация проектирования ИС стало неотъемлемой составляющей научно-технического прогресса. Проектирование технических объектовбез автоматизации требует чрезмерно больших временных и людских ресурсов. Проекты наиболеесложных объектов, к которым прежде всего относятсябольшие интегральные схемы(БИС), сверхбольшиеинтегральные схемы(СБИС) и вычислительные системы, создаются с обязательным использованием систем автоматизированного проектирования [1, с. 152].
Надо отметить, что БИС и СБИС составляют подавляющее большинство интегральных микросхем, однако далеко не все. Существует классификация микросхем по степени интеграции.
В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):
‒ Малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле.
‒ Средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле.
‒ Большая интегральная схема (БИС) — до 10000 элементов в кристалле.
‒ Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле.
‒ Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле.
‒ Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле [5, электронный ресурс].
В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.
Одним из наиболее используемых элементов СБИС является транзистор на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МОП) Первый транзистор, работающий на эффекте поля, был продемонстрирован в 1960 году. Сначала полевые транзисторы с двуокисью кремния в качестве подзатворного диэлектрика формировались на подложке n- типа проводимости. Затем, из-за большей подвижности электронов, чем у дырок при формировании сверхбольших быстродействующих интегральных схем стали использовать n- канальные транзисторы, формируемые на p- подложке.
Отечественным производителям электронной техники трудно конкурировать с зарубежными фирмами в области массового производства товаров широкого потребления. Однако в области разработки и создания сложной наукоемкой продукции в России сохранились условия, кадры, научный потенциал. Большое число предприятий и учреждений способно разрабатывать уникальные электронные устройства. Высокотехнологичным «сырьем» для таких разработок в области цифровой электроники служат легко доступные на отечественном рынке электронные компоненты: контроллеры, микропроцессоры, СБИС памяти и тд. — все, что позволяет решать задачи специальной обработки сигналов и вычислений программным путем. Микропроцессорная техника давно и прочно укоренилась в отечественных разработках. Однако в последние годы появилась новая элементная база — СБИС программируемой логики (СБИС ПЛ), которая удачно дополняя и заменяя микропроцессорные средства, в ближайшие годы станет «настольным материалом» для разработчиков. СБИС ПЛ оказываются вне конкуренции в областях, где требуется создание высокопроизводительных специализированных устройств, ориентированных на аппаратную реализацию. Аппаратное решение задач обеспечивает распараллеливание процесса и увеличивает производительность в десятки раз по сравнению с программным решением, а использование СБИС ПЛ, в отличие от специализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как у любых программных решений. В последние годы динамика развития производства СБИС ПЛ уступает только микросхемам памяти и превышает 50 % в год.
Производители, архитектура и возможности существующих в настоящее время типов СБИС ПЛ разнообразны. Систематизация микросхем гибкой логики производится обычно по следующим классификационным признакам:
‒ степень интеграции (логическая емкость);
‒ архитектура функционального преобразователя;
‒ организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей;
‒ тип используемого программируемого элемента;
‒ наличие внутренней оперативной памяти.
Степень интеграции (логическая емкость) — наиболее важная характеристика СБИС ПЛ, по которой осуществляется выбор. Производители СБИС ПЛ стоят на передовых рубежах электронной технологии (текущая рабочая проектная норма составляет 0,25 мкм), и число транзисторов в СБИС ПЛ большой емкости составляет десятки миллионов. Но ввиду избыточности структур, включающих большое число коммутирующих транзисторов, логическую емкость измеряют в эквивалентных логических вентилях типа 2И-НЕ (2ИЛИ-НЕ), которые понадобилось бы для реализации устройств той же сложности, что и на соответствующих СБИС [2, c. 52].
Помимо сложной внутренней организации элементов, сложности их взаимодействия, существует немаловажная часть создания СБИС — физическое изготовление спроектированной конструкции. Для воплощения в жизнь сверхбольшой интегральной микросхемы используется фотопроцесс. Схема формируется на подложке, в большинстве случаев из диоксида кремния, полученного термическим оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов и прочих элементов на кристалле. Однако, этот параметр находится во взаимосвязи с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления.
Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах — корпусном и бескопусном. Бескорпуснаямикросхема — этополупроводниковыйкристалл,предназначенныйдлямонтажав гибридную микросхемуилимикросборку. Корпус — эточастьконструкциимикросхемы,предназначеннаядлязащитыотвнешнихвоздействийи для соединенияс внешнимиэлектрическимицепямипосредствомвыводов.Корпусастандартизованыдля упрощениятехнологическогопроцессаизготовленияизделийизразныхмикросхем.
Вроссийскихкорпусахрасстояниемеждувыводамиизмеряетсяв миллиметрахи наиболеечастоэто2,5мм или1,25мм.У импортныхмикросхемрасстояниеизмеряютв дюймах,используявеличину1/10или1/20 дюйма,чтосоответствует2,54и1,28мм.В корпусахдо16выводовэтаразницанезначительна,а при большихразмерахидентичныекорпусауженесовместимы.В современныхимпортныхкорпусахдляповерхностногомонтажаприменяюти метрическиеразмеры:0,8мм;0,65мми другие [4].
Технология сверхбольших интегральных схем определяет прогресс в передовых областях науки и техники и является основой для развития высокотехнологичных отраслей отечественной промышленности. Она имеет широкий спектр применений: от бытовой аппаратуры до специализированных устройств оборонной техники. Мировой рынок интегральных схем практически неисчерпаем, что позволит создавать высокорентабельные ориентированные на экспорт производства
В настоящее время основная часть производимых интегральных схем в мире соответствует минимальным рабочим размерам элементов 0,8–1,0 мкм. Ведущие зарубежные фирмы США, Японии и Южной Кореи имеют заводы, выпускающие высокопроизводительные микропроцессоры и ультра большие схемы памяти с минимальными размерами 0,5 мкм.
В Казахстане имеются пилотные линии для производства кремниевых интегральных схем с минимальными размерами рабочих элементов 0,8–1 мкм. В ближайшее время будет завершено создание производства схем с размерами элементов на уровне 0,5 мкм. Освоение этих линий позволит Казахстану полностью обеспечить внутреннюю потребность кремниевыми схемами отечественного производства сложностью до сотен тысяч транзисторов на кристалле и выйти на мировой рынок [3].
Создание научно-технического задела в области перспективных технологий и устройств микро и наноэлектроника дает возможность модернизировать производство и расширить объем экспорта отечественных электронных компонентов.
Что такое интегральная микросхема
Интегральная схема – это изделие из микроэлементов с высокой миниатюризацией. Эти элементы преобразуют и обрабатывают сигналы. Сама схема имеет высокую плотность самих элементов. Такие элементы называются компонентами и выполняют ту или иную задачу. Эти схемы могут быть разной сложности и типов – от самых простых до сложнейших.
Используются ИС в создании компьютеров, различной вычислительной техники и другом оборудовании, в том числе промышленном и бытовом. Более подробно о строении, использовании, а также развитии интегральных схем будет рассказано в данной статье. В качестве информационного дополнения, в материале содержатся два подробных видеоролика и один скачиваемые файл о строении ИС.
Интегральные микросхемы
По научному определению, интегральные микросхемы – это отдельные высокотехнологичные устройства (с огромным количеством электронных компонентов, заключенных в маленьком корпусе), которые выполняют какую-то функцию или действие. Этих функций может быть или одна или несколько. Вот список некоторых основных функций, которые выполняют интегральные микросхемы:
Интегральные микросхемы представляют собой изделие, выполненное в герметизированном (металлическом, пластмассовом, керамическом, металлокерамическом и так лале) корпусе. Микросхемы бывают различного исполнения (прямоугольные, треугольные, круглые) с разным количеством выводов: от трех (например, на стабилизаторе LM7805, до нескольких сотен на процессорах).
Интегральные микросхемы (и аппаратура на них) обладают неоспоримыми преимуществами:
Микросхемы разделяют на два вида: 1 – полупроводниковые интегральные схемы; 2 – гибридные интегральные схемы.
Полупроводниковые интегральные элементы представляют собой кристалл, в глубине которого выполняют все элементы схемы. Изоляция различных элементов осуществляют с помощью (так называемых) «p-n» переходов.
Гибридные интегральные схемы выполняются по «пленочной» технологии и представляют пластину (подложку) из диэлектрического материала. На нее нанесены (в виде пленок) плоские компоненты (резисторы, дроссели, конденсаторы и т. д.) и соединения. Причем сопротивление резисторов может быть 105 Ом, емкость конденсаторов 103 пФ, а дроссели иметь индуктивность около 10 мкГн – не более.
Транзисторы, диоды, магнитные элементы, конденсаторы более 103 пФ и электролитические выполняют с помощью навесного монтажа. Гибридные интегральные схемы имеют более высокую точность параметров (на один или два порядка выше), чем полупроводниковые аналоги. Количество элементов внутри каждого класса микросхем может достигать несколько тысяч.
Степень интеграции
Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле и гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле, но в настоящее время название УБИС и ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Itanium, 9300 Tukwila, содержат два миллиарда транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС.
Элемент интегральной схемы
Часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т. д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения.
По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно разделяют на:
В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем.
Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяют на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т. п.).
Краткая историческая справка
Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большей степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов в одном кристалле.
К 2000 г. ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки.
К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки.
Дополнительная буква в начале четырехэлементного обозначения указывает на особенность конструктивного исполнения:
В начале обозначения для микросхем, используемых в условиях широкого применения, приводится буква К.
Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии.
Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения:
Как создаются интегральные схемы?
Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.
Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих
Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:
Принцип легирования химических элементов
Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа. В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам».
Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом. Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:
Структурная интегральная схема внутри чипа
Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип). Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений.
Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.
Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.
Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе. Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.
Кто создал интегральную схему?
Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.
Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.
Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.