Что такое микросхема? Как ее проектируют и производят?

В этой статье мы поговорим о микросхемах, какие типы бывают, как устроены и где используются. Вообще, в современной электронной технике трудно найти устройство, в котором бы не использовались микросхемы. Даже самые дешёвые китайские игрушки задействуют различные планарные, залитые компаундом чипы, на которые возложена функция управления. Причём с каждым годом они становятся всё более сложными внутри, но более простыми в эксплуатации и меньшими по размерам, снаружи. Можно сказать, что идёт постоянная эволюция микросхем.

Фото цифровой микросхемы

Микросхема представляет собой электронное устройство или его часть способную выполнять ту или иную задачу. Если бы потребовалось решить такую задачу, которую решают многие микросхемы, на дискретных элементах, на транзисторах, то устройство, вместо маленького прямоугольника размерами 1 сантиметр на 5 сантиметров, занимало бы целый шкаф, и было бы намного менее надежным. А ведь так выглядели вычислительные машины ещё пол-сотни лет назад!

Электронный шкаф управления — фото

Конечно, для работы микросхемы недостаточно просто подать питание на неё, необходим еще так называемый «обвес”, то есть те вспомогательные детали на плате, вместе с которыми микросхема сможет выполнять свою функцию.

Обвес микросхемы — рисунок

На рисунке выше красным выделена сама микросхема все остальные детали — это её «обвес”. Очень часто микросхемы при своей работе нагреваются, это могут быть микросхемы стабилизаторов, усилителей, микропроцессоров и других устройств. В таком случае чтобы микросхема не сгорела её нужно прикрепить на радиатор. Микросхемы, которые при работе должны нагреваться, проектируются сразу со специальной теплоотводящей пластиной — поверхностью, находящейся обычно с обратной стороны микросхемы, которая должна плотно прилегать к радиатору.

Фото микросхемы со стороны крепления к радиатору

Но в соединении даже у тщательно отшлифованных радиатора и пластины, все равно будут микроскопические зазоры, в результате которых тепло от микросхемы будет менее эффективно передаваться радиатору. Для того чтобы заполнить эти зазоры применяют теплопроводящую пасту. Ту самую, которую мы наносим на процессор компьютера, перед тем как закрепить на нем сверху радиатор. Одна из наиболее широко применяемых паст, это
КПТ–8.

Паста КПТ-8

Усилители на микросхемах можно спаять буквально за 1-2 вечера, и они начинают работать сразу, не нуждаясь в сложной настройке и высокой квалификации настраивающего. Отдельно хочу сказать про микросхемы автомобильных усилителей, из обвеса там иногда бывает буквально 4-5 деталей. Чтобы собрать такой усилитель, при определенной аккуратности, не требуется даже печатная плата (хотя она желательна) и можно собрать все навесным монтажем, прямо на выводах микросхемы.

Усилитель собранный навесным монтажем

Правда, такой усилитель после сборки лучше сразу поместить в корпус, потому, что такая конструкция ненадежна, и в случае случайного замыкания проводов можно легко спалить микросхему. Поэтому рекомендую всем начинающим, пусть потратить немного больше времени, но сделать печатную плату.

Регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме

Регулируемые блоки питания на микросхемах — стабилизаторах даже проще в изготовлении, чем аналогичные на транзисторах. Посмотрите, сколько деталей заменяет простейшая микросхема LM317:

Микросхемы на печатных платах в электронных устройствах могут быть припаяны как непосредственно, к дорожкам печати, так и посажены в специальные панельки.

Панелька под дип микросхему — фото

Разница заключается в том, что в первом случае для того чтобы нам заменить микросхему нам придется её предварительно выпаять. А во втором случае, когда мы посадили микросхему в панельку, нам достаточно достать микросхему из панельки, и её можно с легкостью заменить на другую. Типичный пример замены микропроцессора в компьютере.

ПК Socket-478 процессора

Также, к примеру, если вы собираете устройство на микроконтроллере на печатной плате, и не предусмотрели внутрисхемное программирование, вы сможете, если впаяли в плату не саму микросхему, а панельку, в которую она вставляется, то микросхему можно достать и подключить к специальной плате программатора.

Вид платы программатора с панельками

В таких платах уже впаяны панельки под разные корпуса микроконтроллеров для программирования.

История

Изобретение микросхем началось с изучения свойств тонких оксидных плёнок, проявляющихся в эффекте плохой электро-проводимости при небольших электрических напряжениях. Проблема заключалась в том, что в месте соприкосновения двух металлов не происходило электрического контакта или он имел полярные свойства. Глубокие изучения этого феномена привели к открытию диодов а позже транзисторов и интегральных микросхем.
В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить на одном монолитном кристалле из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов — эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Идея устройства интегральной схемы

Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:

• цифровые часы,
• карманные калькуляторы,
• космические ракеты,
• спутниковая навигация и многое другое.

Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:

• Маломасштабная интеграция (SSI)
• Среднемасштабная интеграция (MSI)
• Крупномасштабная интеграция (LSI)
• Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
• Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)

Технологии изготовления

Типы логики

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

• Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока): МОП-логика (металл-оксид-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n
  -МОП или
  p
  -МОП типа;
• КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n
  -МОП и
  p
  -МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шоттки;

ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие;

ИИЛ — интегрально-инжекционная логика.

Микросхемы, использующие как полевые, так и биполярные транзисторы:

БиКМОП

Используя один и тот же тип транзисторов, микросхемы могут создаваться по разным методологиям, например, статической или динамической.

КМОП- и ТТЛ-(ТТЛШ-)технологии являются наиболее распространёнными логиками микросхем. Где необходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономии потребляемой мощности — применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость для статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы, и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ-технологии.

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но и наиболее энергопотребляющими, и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.

Технологический процесс

Основная статья: Технологический процесс в электронной промышленности

См. также: Закон Мура

При изготовлении микросхем используется метод фотолитографии (проекционной, контактной и др.), при этом схему формируют на подложке (обычно из кремния), полученной путём резки алмазными дисками монокристаллов кремния на тонкие пластины. Ввиду малости линейных размеров элементов микросхем от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолетового излучения при засветке отказались.

В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают минимальные контролируемые размеры топологии фотоповторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости с рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, методами вытравливания и напыления.

В 1970-х годах минимальный контролируемый размер серийно производимых микросхем составлял 2-8 мкм, в 1980-х он был уменьшен до 0,5-2 мкм[11].

В 1990-х годах из-за нового витка «войны платформ» стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться экспериментальные методы: в начале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium

и
Pentium Pro
) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500—600 нм), потом технология дошла до 250—350 нм. Следующие процессоры (
Pentium
II,
K
6-2+,
Athlon
) уже делали по технологии 180 нм. В 2002—2004 годах были освоены техпроцессы 90 нм (Winchester AMD 64, Prescott Pentium 4)[11].

Следующие процессоры изготавливали с использованием УФ-излучения (эксимерный лазер ArF, длина волны 193 нм). В среднем внедрение лидерами индустрии новых техпроцессов по плану ITRS происходило каждые 2 года, при этом обеспечивалось удвоение количества транзисторов на единицу площади: 45 нм (2007), 32 нм (2009), 22 нм (2011)[12][13], производство 14-нм начато в 2014 году[14], освоение 10-нм процессов ожидается около 2022 года.

В 2015 году появились оценки, что внедрение новых техпроцессов будет замедляться[15].

Контроль качества

Для контроля качества интегральных микросхем широко применяют так называемые тестовые структуры.

Чем являются логические интегральные схемы (ИС)

По сути, это микроэлектронное устройство, которое базируется на кристалле произвольной сложности, что изготовлено на полупроводниковой плёнке или пластине. Оно помещается в неразборный корпус (хотя может обойтись и без него, но только когда он является частью микросборки). Первая интегральная схема была запатентована в 1968 году. Это стало своеобразным прорывом в промышленности, хотя предоставленное устройство и не очень сильно соответствовало современным представлениям по своим параметрам. Интегральные схемы в массе своей изготавливаются для поверхностного монтажа. Часто под ИС понимают один только кристалл или плёнку. Наибольшее распространение получила интегральная схема на пластине кремния. Так вышло, что его применение в промышленности имеет ряд преимуществ, например, эффективность передачи сигналов.

Что такое интегральная микросхема

Интегральная микросхема — это миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные-элементы, число которых может достигать нескольких десятков тысяч.

Одна микросхема может заменить целый блок радиоприемника, электронной вычислительной машины (ЭВМ) и электронного автомата. «Механизм» наручных электронных часов, например, — это всего лишь одна большей микросхема.

По своему функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на две основные группы: аналоговые, или линейно-импульсные, и логические, или цифровые, микросхемы.

Аналоговые микросхемы предназначаются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний разных частот, например, для приемников, усилителей, а логические — для использования в устройствах автоматики, в приборах с цифровым отсчетом времени, в ЭВМ.

Этот практикум посвящается знакомству с устройством, принципом работы и возможным применением самых простых аналоговых и логических интегральных микросхем.

Уровни проектирования

• Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.
• Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).
• Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).
• Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).
• Топологический — топологические фотошаблоны для производства.
• Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

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.

ЧИП ПАМЯТИ

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:

1. Проводники.
2. Изоляторы.

Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.

Производство.

Изготовление интегральной схемы может занимать до двух месяцев, поскольку некоторые области полупроводника нужно легировать с высокой точностью. В ходе процесса, называемого выращиванием, или вытягиванием, кристалла, сначала получают цилиндрическую заготовку кремния высокой чистоты. Из этого цилиндра нарезают пластины толщиной, например, 0,5 мм. Пластину в конечном счете режут на сотни маленьких кусочков, называемых чипами, каждый из которых в результате проведения описываемого ниже технологического процесса превращается в интегральную схему.

Процесс обработки чипов начинается с изготовления масок каждого слоя ИС. Выполняется крупномасштабный трафарет, имеющий форму квадрата площадью ок. 0,1 м2. На комплекте таких масок содержатся все составляющие части ИС: уровни диффузии, уровни межсоединений и т.п. Вся полученная структура фотографически уменьшается до размера кристаллика и воспроизводится послойно на стеклянной пластине. На поверхности кремниевой пластины выращивается тонкий слой двуокиси кремния. Каждая пластина покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом) и экспонируется светом, пропускаемым через маски. Неэкспонированные участки светочувствительного покрытия удаляют растворителем, а с помощью другого химического реагента, растворяющего двуокись кремния, последний вытравливается с тех участков, где он теперь не защищен светочувствительным покрытием. Варианты этого базового технологического процесса используются в изготовлении двух основных типов транзисторных структур: биполярных и полевых (МОП).

Основные виды современных микросхем

Важно понимать, что прогресс не стоит на месте: с каждым годом список основных видов микросхем терпит значительные изменения, кроме того, расширяется их ассортимент.

Типы микросхем различны, в зависимости от основных критериев оценки.

По назначению:

1. Цифровые. Необходимы для обработки специального сигнала, выраженного в цифровом коде. Имеют значительное количество преимуществ перед другими видами: меньшие затраты на употребление электроэнергии, кроме того, имеют большую устойчивость к возникновениям помех.

Цифровые микросхемы нередко используются в различных вычислительных машинах, таких как: система автоматики, электронно-вычислительная техника и многих других.

2. Аналоговые. Предназначены для обработки и преобразования сигнала, поступающего непрерывно. Аналоговые микросхемы имеют высокие показатели производительности. Часто используются в таких популярных устройствах как:

 Видеомагнитофоны.

 Телевизоры.

 Преобразователи звуковых частот.

 В различных стабилизаторах напряжения.

 В датчиках.

 Операционные усилители.

3. Аналого-цифровые. Являются настоящим гибридом двух, представленных выше, микросхем. Они пользуются большой популярностью из-за повышенных показателей производительности, кроме того, они совмещают положительные характеристики сразу двух видов микросхем. Именно они используются при создании большинства современной техники, такой как:

 Модуляторы и демодуляторы.

 Коммутаторы.

 Генераторы и восстановители частот.

По типу конструкции:

1. Пленочные. Это микросхемы, для изготовления которых используют специальную методику. Кроме того, все соединительные элементы представляют собой специальный пленочный слой. Существуют определенные подразделения на два вида: тонкопленочные и толстопленочные, отличающиеся по толщине пленочного слоя.

2. Полупроводниковые микросхемы используются не так часто, для их изготовления используют пластмассу (чаще всего эпоксидной смолой) со специальными проволочными или ленточными выводами, обеспечивающими производительность устройства.

3. Гибридные. Более сложные по исполнению устройства, для изготовления которых используются не только популярные пленки и подложки, но и менее распространенные навесные материалы (например, различные кристаллы).

По типу корпуса:

1. Корпусные. При таком типе исполнения микросхема помещается в специальный корпус (материал, из которого он изготовлен, может быть выбран производителем). Такой вид не пользуется особой популярностью в повседневной жизни. Чаще всего микросхему помещают в корпус для того, чтобы избежать поломки или деформации отдельных частей при транспортировке.

Корпусные микросхемы используются для транспортировки больших партий товара. В любом другом случае изготовителю дешевле изготовить бескорпусные микросхемы.

2. Бескорпусные микросхемы. Чаще всего используются именно бескорпусные модели. Микросхема не помещается в корпус, в таком случае для защиты все части заливают специальной краской или компаундом. Именно это позволяет защитить кристалл от повреждений или любых других негативных влияний окружающей среды.

Такие конструкции выпускаются специально для установки в гибридную схему или предварительную микросборку.

При выборе микросхемы, следует учитывать все преимущества и недостатки основных видов. Отельные технические приспособления нуждаются в определенных микросхемах, для того, чтобы подобрать необходимую модель, необходимо получить профессиональную консультацию специалистов данной сферы. В таком случае, выбираемое вами устройство прослужит долгое время.

Классификация

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

• 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

Ранее использовались также теперь уже устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле[9][10] и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 млрд элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

Технология изготовления

Гибридная микросборка STK403-090, извлечённая из корпуса

• Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

Подробнее см. Планарная технология

• Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок: толстоплёночная интегральная схема;
• тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой
), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и (или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.

Смешанная микросхема — кроме полупроводникового кристалла, содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.

Вид обрабатываемого сигнала

• Аналоговые.
• Цифровые.
• Аналого-цифровые.

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон от 2,4 до 5 В — логической единице; для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания −5,2 В диапазон от −0,8 до −1,03 В — логической единице, а от −1,6 до −1,75 В — логическому нулю.

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

Назначение

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом — вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

Аналоговые схемы

• Операционные усилители
• Генераторы сигналов
• Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)
• Аналоговые умножители
• Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители
• Стабилизаторы источников питания
• Микросхемы управления импульсных блоков питания
• Преобразователи сигналов
• Схемы синхронизации
• Различные датчики (температуры и др.)

Цифровые схемы

• Логические элементы
• Триггеры
• Счётчики
• Регистры
• Буферные преобразователи
• Модули памяти
• Шифраторы
• Дешифраторы
• Микроконтроллеры
• (Микро)процессоры (в том числе ЦПУ в компьютере)
• Однокристальные микрокомпьютеры
• ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

• Уменьшенное энергопотребление
  связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» — что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» — (0), в первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором — через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.
• Высокая помехоустойчивость
  цифровых устройств связана с большим отличием сигналов высокого (например 2,5 — 5 В) и низкого (0 — 0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот, что мало вероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.
• Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной
  к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

Аналогово-цифровые схемы

• ЦАП и АЦП
• ЦВС
• Трансиверы (например, преобразователь интерфейса RS422)
• Модуляторы и демодуляторы Радиомодемы
• Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста
• Трансиверы Fast
• Dial-Up модемы
• Приёмники цифрового ТВ
• Сенсор оптической мыши

Преобразователи напряжения питания и другие устройства на переключаемых конденсаторах

Цифровые аттенюаторы

Схемы ФАПЧ с последовательным интерфейсом

Коммутаторы

Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

БМК — базовый матричный кристалл, содержащий как аналоговые, так и цифровые первичные элементы

Примечания

1. Технология изготовления микросхем // 1. Общие сведения о микросхемах и технологии их изготовления. (неопр.)
   (недоступная ссылка). Дата обращения: 11 октября 2010. Архивировано 25 декабря 2012 года.
2. См. в частности Механцев Е. Б. Об одном полузабытом событии (к пятидесятилетию микроэлектроники), Электроника: Наука, технология, бизнес, выпуск 7, 2009 https://www.electronics.ru/journal/article/293
3. История Ангстрема Архивная копия от 2 июня 2014 на Wayback Machine
4. Музей электронных раритетов — Гибриды — 201-я серия
5. Создание первой отечественной микросхемы (неопр.)
   . Chip News №8, 2000 г..
6. Петров Л., Удовик А. Кто изобрёл… интегральную схему? // Электронные компоненты. 2013. №8. С. 10-11 (неопр.)
   .
7. История отечественной электроники, 2012 г., том 1, под ред. директора Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России Якунина А. С., стр. 632
8. Охраняется гл. 74 «Право на топологии интегральных микросхем» ГК РФ как интеллектуальная собственность (ст. 1225 «Охраняемые результаты интеллектуальной деятельности и средства индивидуализации»).
9. What is Ultra Large-Scale Integration (ULSI)? — Definition from Techopedia
10. Стандарты и качество, Issues 1-5 1989 стр 67 «Сверхбольшая интегросхема (СБИС) — около 100 тыс. элементов; ультрабольшая интегросхема (УБИС) — более 1 млн элементов»
11. ↑ 12
    Is 14nm the end of the road for silicon chips? // ExtremeTech, September 2011
12. H. Iwai, Roadmap for 22 nm and beyond Архивная копия от 23 сентября 2015 на Wayback Machine / Microelectron. Eng. (2009), doi:10.1016/j.mee.2009.03.129
13. https://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-details_presentation.pdf
14. https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/pdf/foundry/mark-bohr-2014-idf-presentation.pdf
15. Moore’s Law Buckles as Intel’s Tick-Tock Cycle Slows Down, July 16, 2015
16. Нефедов А.В., Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф.
    Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры: Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — С. 4. — 300 000 экз. — ISBN 5-283-01540-8.
17. Якубовский С.В., Барканов Н.А., Ниссельсон Л.И.
    Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие. — 2-е изд. — М.: «Радио и связь», 1985. — С. 4—5.
18. К174ХА42 — однокристальный ЧМ радиоприёмник
19. Pressure sensors
20. Магнитоуправляемые ИС на основе кремниевых датчиков Холла (недоступная ссылка)
21. Интегральные аналоговые термодатчики в схемах на МК
22. Интегральные датчики компании Maxim
23. Проектирование аналоговых микросхем на МОП-транзисторах. Часть 1. Малосигнальная модель МОП-транзистора с источниками шумов
24. Внешняя торговля интегральными схемами по справочнику atlas.media.mit.edu
25. ПРАВО НА ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Серии микросхем

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

Корпуса

Корпуса интегральных микросхем, предназначенные для поверхностного монтажа Микросборка с бескорпусной микросхемой, разваренной на печатной плате
Корпус микросхемы — это конструкция, предназначенная для защиты кристалла микросхемы от внешних воздействий, а также для удобства монтажа микросхемы в электронную схему. Содержит собственно корпус из диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников для электрического соединения кристалла с внешними цепями посредством выводов, маркировку.

Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для упрощения технологии монтажа производители микросхем стараются унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.

Иногда микросхемы выпускают в бескорпусном исполнении — то есть кристалл без защиты. Бескорпусные микросхемы обычно предназначены для монтажа в гибридную микросборку. Для массовых дешевых изделий возможен непосредственный монтаж на печатную плату.

Механические повреждения

Механические повреждения микросхем (и радиодеталей в частности) носят обширный характер. Это могут быть последствия ударов по корпусу прибора, и неаккуратные эксплуатация и ремонт.

Повреждения корпуса

Типичный пример повреждения корпуса.

Корпус можно повредить пинцетом просто передавив его. Но тут спорная ситуация. Микросхема может быть и исправна, если на ее стеклянном основании нет трещин, даже если корпус серьезно поврежден.

А здесь пример окончательного уничтожения микросхемы. Только полная замена.

Повреждения окружающих деталей

Микросхема не может работать без «обвязки» — радиодеталей, которые создают условия для работы.

SMD конденсаторы очень легко сносятся пинцетами. Будьте аккуратнее при замене модулей на смартфонах.

Отвал контактов

Схема не будет работать, если контакты с радиодеталями повреждены. Среди основных типовых корпусов микросхем (DIP, SMD, BGA) BGA труднее всего визуально оценить на предмет отвала контактов.

Отвал контакта может быть от микросхемы (небольшие микросхемы — это питание, память, модемы на смартфонах):

Шарики припоя отсутствуют на контактах микросхемы.

А вот тут пример отвала уже контакта с микросхемой (т.е. шарик остается на микросхеме), причем с повреждениями (большие микросхемы — это обычно это материнские платы).

Как можно заметить, большие BGA контакты чаще всего забирают с собой кусочки платы.

В принципе отвал можно отнести к механическим повреждениям, но к отвалу можно отнести и плохое качество пайки.

Методы диагностики отвала

Прогрев платы может быть как вариант диагностики, но не ремонта.

Мировой рынок

В 2022 году мировой рынок интегральных схем оценивался в 700 млрд долл.

Основные производители и экспортёры находятся в Азии: Сингапур (115 млрд долл.), Южная Корея (104 млрд долл.), Китай (80,1 млрд долл.) и Малайзия (55,7 млрд долл.). Крупнейший европейский экспортер — Германия (1,4 млрд долл.), американский — США (28,9 млрд долл.). Крупнейшие импортёры: Китай (207 млрд долл.), Гонконг (168 млрд долл.), Сингапур (57,8 млрд долл.), Южная Корея (38,6 млрд долл.) и Малайзия (37,3 млрд долл.).

Содержание

• 1 История
• 2 Уровни проектирования
• 3 Классификация 3.1 Степень интеграции
• 3.2 Технология изготовления
• 3.3 Вид обрабатываемого сигнала

4 Технологии изготовления

4.1 Типы логики

4.2 Технологический процесс

4.3 Контроль качества

5 Назначение

5.1 Аналоговые схемы 5.1.1 Производство

5.2 Цифровые схемы

5.3 Аналого-цифровые схемы

6 Серии микросхем

6.1 Корпуса

6.2 Специфические названия

7 Мировой рынок

8 Правовая защита

9 См. также

10 Примечания

11 Литература

Правовые особенности

Что говорится про интегральные схемы в законодательстве? У нас в стране предоставлена правовая охрана топологий интегральных микросхем. Под ней подразумевают зафиксированное на определённом материальном носителе геометрически-пространственного расположения определённой совокупности конкретных элементов и связей меж ними (согласно статье 1448 Гражданского кодекса Российской Федерации). Автор топологии имеет такие интеллектуальные права на своё изобретение:

1. Авторские.
2. Исключительное право.

Кроме этого автору топологии могут принадлежать и другие преференции, в том числе – возможность получения вознаграждения за её использование. Исключительное право действует на протяжении десяти лет. За это время изобретатель, или человек, которому этот статус был уступлен, может зарегистрировать топологию в соответствующей службе интеллектуальной собственности и патентов.