Направления микроминиатюризации интегральные схем микромодули ЧИП компоненты ИМС классификация условное графическое обозначение марки

1. Направления микроминиатюризации: интегральные схемы, микромодули, ЧИП-компоненты. ИМС: классификация, условное графическое

Направления микроминиатюризации:
интегральные схемы, микромодули, ЧИПкомпоненты. ИМС: классификация, условное
графическое обозначение, маркировка,
основные параметры цифровых ИМС

2.

Сущность и цели микроминиатюризации
Определение и границы понятия:
• Микроминиатюризация — это направление в конструировании и производстве радиоэлектронных схем,
базирующееся на технологиях полупроводников и тонких плёнок .
• Её цель — уменьшение габаритов, увеличение полезного объёма, снижение массы и потребляемой энергии при
одновременном повышении надёжности аппаратуры и облегчении автоматизации производства .
Системные эффекты:
• Сокращение длины электрических соединений приводит к снижению паразитных ёмкостей и индуктивностей, что
улучшает частотные характеристики.
• Уменьшение числа дискретных соединений повышает надёжность (основная доля отказов в традиционном
монтаже приходится на паяные и сварные соединения).
• Снижение энергопотребления позволяет использовать автономные источники питания меньшей ёмкости.
Метрика прогресса: Удельная плотность монтажа (количество элементов на 1 см³) служит
интегральным показателем уровня микроминиатюризации.

3.

Эволюция плотности монтажа и типы конструкций
Ламповая техника:
• Аппаратура на обычных приёмно-усилительных лампах: 1 деталь на 100 см³.
• Аппаратура на миниатюрных (пальчиковых) лампах: 1 деталь на 10 см³ .
• Ограничение связано с размерами самих ламп и необходимостью отвода тепла.
Полупроводниковая аппаратура с объёмным монтажом:
• Аппаратура на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах, диодах): 1 деталь на 1 см³.
• Это практически предел плотности объёмного монтажа, при котором компоненты располагаются в трёх
измерениях, но каждый элемент имеет индивидуальный корпус и выводы .
Микромодульная и плёночная техника:
• Микромодули («этажерочные» конструкции): 10–60 элементов на 1 см³.
• Схемы на тонких плёнках: 100–200 элементов на 1 см³ .
Интегральные схемы:
• Твёрдые (полупроводниковые) интегральные схемы: свыше 1000 элементов на 1 см³ .
• Снижение массы и габаритов достигает 15 раз по сравнению с ламповой аппаратурой.

4.

• Основные направления микроминиатюризации
• Микромодульное конструирование:
• Сборка функциональных узлов из стандартизированных миниатюрных компонентов (диодов,
транзисторов, резисторов, конденсаторов) в едином корпусе.
• Используются многослойные сварные матрицы или печатные платы для соединения
элементов .
• Относится к первому этапу микроминиатюризации, позволяет повысить плотность до 60
элементов/см³ .
• Плёночные микросхемы:
• Формирование пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, межсоединений) методом
тонкоплёночной (вакуумное напыление) или толстоплёночной (сеткография) технологии на
диэлектрической подложке .
• Активные компоненты (транзисторы, диоды) устанавливаются на подложку в навесном виде
(гибридные интегральные схемы).
• Плотность монтажа достигает 200 элементов/см³ .
• Твёрдые (полупроводниковые) интегральные микросхемы:
• Все элементы (активные и пассивные) формируются в объёме единого полупроводникового
кристалла.
• Наиболее перспективное направление, обеспечивающее плотность свыше 1000
элементов/см³ и высочайшую надёжность .
• Позволяет автоматизировать производство на всех этапах.

5.

• Технологические и конструктивные проблемы микроминиатюризации
• Теплоотвод:
• С уменьшением размеров и увеличением плотности упаковки объёмная плотность тепловыделения
резко возрастает.
• Традиционные способы охлаждения (конвекция, естественное излучение) становятся
малоэффективными.
• Требуются специальные методы: принудительное охлаждение, использование материалов с высокой
теплопроводностью (бериллиевая керамика, алмазные подложки), отвод тепла через корпус и
металлизацию .
• Монтаж и межсоединения:
• С уменьшением размеров элементов относительная доля монтажных соединений в общем объёме
возрастает, а поверхность для их осуществления сокращается .
• Решение — разработка гибких и многослойных печатных плат, многослойных сварных матриц, а также
применение методов групповой пайки и сварки .
• Электромагнитная совместимость и паразитные связи:
• Малые расстояния между проводящими элементами усиливают паразитные ёмкостные и
индуктивные связи .
• Возникают проблемы с высокочастотными наводками, перекрёстными помехами.
• Требуется тщательная геометрия контактов, высокочастотная экранировка, применение экранирующих
покрытий и разделение цепей питания и сигнальных цепей .

6.

• Энергетические ограничения и пути их преодоления
• Снижение допустимых уровней мощности:
• В микроминиатюрной аппаратуре допустимая мощность рассеяния на одну функциональную
схему составляет десятки милливатт, в то время как в обычных схемах — сотни милливатт .
• Это обусловлено невозможностью эффективно отводить тепло из микрообъёма.
• Требования к элементной базе:
• Необходимо создание новых материалов, способных работать при повышенных
температурах (до 150–200 °C) без деградации параметров .
• Примеры: кремний на изоляторе (SOI), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN) для силовой и
высокотемпературной электроники.
• Схемотехнические решения:
• Применение логических схем с пониженным напряжением питания (3,3 В, 1,8 В и ниже).
• Использование КМОП-технологии, которая характеризуется низким статическим
энергопотреблением.
• Введение режимов пониженного энергопотребления (sleep mode, power down) для неактивных
блоков.

7.

• Частотные ограничения и области применения
• Частотный диапазон микроминиатюрной аппаратуры:
• Микроминиатюрная аппаратура на основе традиционных полупроводниковых и гибридных
схем может эффективно работать на частотах, не превышающих нескольких сотен мегагерц .
• Это связано с паразитными ёмкостями межсоединений, конечной скоростью носителей в
полупроводниках и задержками распространения сигнала.
• Расширение частотного диапазона:
• Для СВЧ-диапазона (единицы и десятки гигагерц) используются специализированные
технологии: монолитные интегральные схемы СВЧ (МИС СВЧ) на основе арсенида галлия (GaAs)
или нитрида галлия (GaN), а также гибридные схемы с использованием плёночных технологий
и волноводных структур .
• Области преимущественного применения:
• Цифровая вычислительная техника — наиболее широкая область, где
микроминиатюризация нашла наибольшее применение благодаря возможности создания
сложных логических схем с высокой плотностью упаковки .
• Системы управления, измерительная техника, космическая и военная электроника,
медицинские приборы.
• Для аналоговых трактов высокой частоты (радиопередающие устройства, приёмники) часто
применяется компромиссный подход — сочетание специализированных СВЧ-микросхем с
цифровыми микроконтроллерами.

8.

• Основные требования к конструкции микроминиатюрной аппаратуры
• Габаритно-массовые характеристики:
• Требуется минимально возможные объём и масса при заданной функциональной сложности.
• Выбор компоновки определяется плотностью монтажа, удобством сборки и возможностью
автоматизации.
• Надёжность:
• В микроминиатюрной аппаратуре надёжность должна быть на порядок выше, чем в
аппаратуре на дискретных элементах.
• Достигается за счёт уменьшения количества паяных соединений, использования монолитных
структур, автоматизированного контроля .
• Мощность рассеяния и тепловой режим:
• Должны быть обеспечены отвод тепла от наиболее нагретых элементов, равномерность
температурного поля, отсутствие локальных перегревов.
• Стоимость и технологичность:
• Конструкция должна быть приспособлена к автоматизированному серийному производству.
• Используются стандартные типовые процессы (фотолитография, напыление,
плазмохимическое травление), минимизируется количество операций ручной сборки.
• Сроки изготовления:
• При выборе метода конструирования учитываются производственные возможности и время,
необходимое для освоения новой технологии.

9.

• Основные типы микросхем по степени интеграции
• Классификация по степени интеграции (количество элементов на кристалле):
• Малая степень интеграции (SSI — Small Scale Integration): до 100 элементов на кристалле.
Логические элементы, простые триггеры, операционные усилители.
• Средняя степень интеграции (MSI — Medium Scale Integration): 100–1000 элементов. Счётчики,
регистры, дешифраторы, сумматоры.
• Большая степень интеграции (LSI — Large Scale Integration): 1000–100 000 элементов.
Микропроцессоры, контроллеры, память, цифровые сигнальные процессоры.
• Сверхбольшая степень интеграции (VLSI — Very Large Scale Integration): свыше 100 000 элементов.
Современные многоядерные процессоры, системы на кристалле (SoC), содержащие
миллиарды транзисторов.
• Влияние степени интеграции на параметры:
• Рост степени интеграции ведёт к снижению стоимости одного логического элемента,
уменьшению энергопотребления на одну функцию, повышению быстродействия за счёт
сокращения межсоединений.

10.

Конструктивные методы повышения плотности монтажа
Многослойные печатные платы (МПП):
• Позволяют разместить проводники в нескольких слоях, развести цепи питания, сигнальные и экранирующие слои.
• Обеспечивают высокую плотность трассировки и улучшают электромагнитную совместимость.
Гибкие печатные платы и кабели:
• Применяются для соединения подвижных узлов, в компактных устройствах с жёсткими требованиями к объёму.
• Позволяют заменить жгуты проводов, снизить массу и повысить надёжность.
Поверхностный монтаж (SMD — Surface Mount Device):
• Компоненты монтируются непосредственно на поверхность платы, без отверстий.
• Позволяет сократить размеры платы в 2–3 раза по сравнению с выводным монтажом .
Трёхмерная интеграция:
• Вертикальное объединение нескольких кристаллов или плат в единую конструкцию (пакеты «кристалл на
кристалле», микросборки, 3D-печать электроники).
• Дальнейшее развитие — гетерогенная интеграция, объединяющая разнородные технологии (логика, память,
аналоговые интерфейсы) в одном корпусе.

11.

Влияние микроминиатюризации на надёжность
Положительные факторы:
• Сокращение количества межсоединений (основного источника отказов).
• Уменьшение механической чувствительности (малая масса компонентов снижает нагрузки при вибрациях и
ударах).
• Возможность герметизации и защиты от внешних воздействий (влажность, агрессивные среды).
• Использование автоматизированного контроля качества на всех этапах (входной контроль пластин, операционный
контроль, электрические испытания).
Новые проблемы надёжности:
• Электромиграция — перенос атомов металла под действием тока высокой плотности (в микро- и наноразмерных
проводниках).
• Термомеханические напряжения из-за различия коэффициентов теплового расширения материалов кристалла,
подложки и корпуса.
• Повышенная чувствительность к электростатическим разрядам (ESD) из-за малых геометрических размеров p-nпереходов.
Методы обеспечения надёжности:
• Ужесточение норм на технологические процессы (чистота помещений, контроль толщин слоёв).
• Проведение ускоренных испытаний (термоциклирование, испытания на влажность, вибропрочность).
• Применение резервирования на кристалле для ответственных узлов.

12.

• Заключение. Перспективы развития микроминиатюризации
• Достигнутые результаты:
• Переход от ламповой техники к интегральным схемам позволил снизить массу и габариты
аппаратуры в десятки и сотни раз, одновременно повысив надёжность и функциональные
возможности.
• Плотность монтажа возросла с 1 элемента на 100 см³ до миллиардов транзисторов на
кристалле.
• Современные направления:
• Наноэлектроника: переход на технологические нормы менее 10 нм (5 нм, 3 нм).
• Гетерогенная интеграция: объединение в одном корпусе разнородных чипов (процессор,
память, датчики) для создания систем на кристалле (SoC) и систем в корпусе (SiP).
• Новые материалы: использование широкозонных полупроводников (GaN, SiC) для силовой и
высокочастотной электроники, углеродных нанотрубок, графена.
• Неразрешённые проблемы:
• Теплоотвод в трёхмерных структурах.
• Ограничения по быстродействию, связанные с задержками межсоединений.
• Экономическая целесообразность дальнейшего уменьшения технологических норм.
• Общий вывод: Микроминиатюризация остаётся магистральным направлением
развития радиоэлектроники, а её достижения определяют технический уровень
всей отрасли.