Нові напрямки розвитку мікроелектроніки

МІКРОЕЛЕКТРОНІКА

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%96%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D1%96%D0%BA%D0%B0

Мікроелектроніка - це розділ електроніки, що пов'язаний з розробкою електронних схем, які займають мінімальні фізичні об'єми. Одночасно з цим мікроелектроніка дозволяє зменшити вартість, підвищити економічність та надійність електронної апаратури, покращити її технічні показники. Елементну базу сучасної мікроелектроніки складають інтегральні мікросхеми (ІМС). За принципом роботи ІМС аналогічні схемам на дискретних елементах і відрізняються від них тільки умовами виробництва та габаритними розмірами.

Розвиток мікроелектроніки тісно пов'язаний з електронною обчислювальною технікою. Електронно-обчислювальні машини (ЕОМ), які з'явились в кінці 40-х років ХХ століття продемонстрували, з однієї сторони, свої великі можливості, а з другої - недосконалість елементної бази, що існувала на той час.

Перші ЕОМ, що працювали на лампах, мали великі габарити і масу, низьку швидкодію, вимагали значних матеріальних затрат при їх виробництві і експлуатації. Окрім цього, лампова техніка не могла служити базою для подальшого вдосконалення ЕОМ, оскільки це призводило до погіршення надійності. Середній термін служби електронної лампи знаходиться в межах 1000 годин, отже, електронний пристрій, який вміщує 2000 ламп, повинен виходити з ладу через кожні 30 хв. Крім цього, такі електронні схеми збиралися методом навісного монтажу при якому для встановлення ламп використовувалися спеціальні лампові панелі, а для інших елементів - колодки з монтажними контактами. З'єднання між елементами робили за допомогою пайки ізольованих провідників, зібраних в жгути.

Після винаходу транзистора (1948р.) розпочато випуск ЕОМ на дискретних напівпровідникових приладах (НПП). Оскільки ці прилади мали термін служби не менше 10000 год. і менші габарити, то їх застосування дозволило значно розширити можливості та покращити технічні характеристики ЕОМ. Але виявилось, що для електронних пристроїв на НПП також існує межа, починаючи з якої різко падає надійність їх роботи. Це пояснюється не відмовою НПП, а порушенням цілісності монтажних з'єднань. Тому розпочато застосування друкованого монтажу, що стало першим кроком до мініатюризації. При цьому всі елементи кріпляться на монтажній платі своїми зовнішніми виводами, які запаяні в отвори, а з'єднання робляться плівковими провідниками, які нанесені безпосередньо на поверхню плати. Основна перевага друкованого монтажу - відсутність установочних деталей, що дозволяє значно зменшити габаритні розміри схеми.

Наступним кроком в напрямку мініатюризації електронних схем стало застосування так званих друкованих модулів, які представляли собою електронну схему, що зібрана на окремій платі та з'єднюється з основною платою за допомогою роз'єму.

Вдосконаленням в області виробництва дискретних схем стало винахід мікромодулів, в яких, на відміну від друкованих, що монтувалися в площині плати, застосовувався принцип об'ємного монтажу. Крім цього, мікромодулі мали герметичні корпуси та, замість роз'ємів, гнучкі зовнішні виводи і розглядалися як неподільні та такі, що не піддаються ремонту. Найдосконалішою вважалась конструкція етажеркового мікромодуля.

Застосування мікромодулів забезпечувало два ефекти. По-перше, за рахунок кращого використання робочого об'єму підвищувалась загальна густина монтажу елементів. По-друге, виробництво мікромодулів допускає автоматизацію, що знижувало вартість виробництва. Але тут, як і у випадку друкованих схем, з'єднання між елементами виконувалось за допомогою пайки, що знижувало надійність.

Наступним етапом мініатюризації стало виготовлення саме ІМС, перші промислові взірці яких з'явилися в 1961 році. В інтегральній схемотехніці збережено модульний принцип побудови електронних пристроїв. Будь-яка ІМС, як і мікромодуль - це функціонально завершена напівпровідникова схема, яка має окремий корпус і складається з активних (напівпровідникові прилади) та пасивних (резистори, конденсатори, індуктивності) елементів. Крім цього - це виріб, який не піддається ремонту.

Основна відмінність між мікромодулями та ІМС полягає в тому, що мікромодулі збираються з куплених дискретних елементів, які виготовляються на спеціалізованих підприємствах, а при виготовленні ІМС монтаж елементів замінено технологічними операціями, за допомогою яких в об'ємі створюються активні та пасивні елементи, а також з'єднання між ними. При такому способі розміри елементів ІМС визначаються тільки розмірами робочої структури. В результаті досягається великий виграш в густині монтажу.

Для ілюстрації результатів, які при цьому досягаються, в табл.1.1 порівнюється середня густина монтажу елементів в схемах, які створені описаними методами. Тут також наведено дані для мозку людини, що розглядається в якості "електронного" пристрою. Його елементами є нервові клітини.

Таблиця 1.1 Середні густини монтажу для електронних схем

Конструктивно-технологічна характеристика електронної схеми	Густина монтажу елементів на 1м2
Навісні схеми на лампах та транзисторах	100...1 000
Транзисторні друковані схеми та модулі	5 000
Мікромодулі на транзисторах	500 000
Інтегральні мікросхеми	1 000 000 000
Людський мозок	100 000 000 000

В ІМС досягається не тільки висока густина монтажу елементів. Використання однотипної та відпрацьованої технології формування елементів та з'єднань між ними різко підвищує надійність. Важливо також і те, що на один корпус ІМС приходиться сотні і навіть тисячі елементів, завдячуючи чому значно зменшується кількість відмов схеми за рахунок розгерметизації корпусів приладів.

Про виграш в надійності можна судити і по тому, що будь-яка ІМС, яка є цілою електронною схемою, за своєю надійністю практично рівноцінна одному транзисторові в дискретному виконанні. Це пояснюється тим, що в обидвох випадках причиною відмов є не порушення в робочих структурах приладів, а такі дефекти, як розгерметизація корпусів або порушення цілісності зовнішніх паяних з'єднань.

З появою ІМС єлектроніка збагатилась новими поняттями та термінами. Частина з них визначена в ГОСТ 17021-75 "Мікросхеми інтегральні. Терміни та визначення." Наведемо деякі з цих термінів.

Мікроелектроніка - область електроніки, яка охоплює проблеми дослідження, конструювання, виготовлення та застосування мікроелектронних виробів.

Мікроелектроний виріб - електронний пристрій з високою степінню мініатюризації.

Інтегральна мікросхема або мікросхема - мікроелектронний виріб, який виконує визначену функцію перетворення, обробки сигналу або накопичення інформації та має високу густину упаковки електрично з'єднаних елементів і компонентів, які з точки зору вимог до випробувань, прийомки та експлуатації розглядаються як одне ціле.

Елемент ІМС - частина мікросхеми, яка реалізує функцію деякого електрорадіо­елементу (транзистора, діода, резистора, конденсатора та ін.), виконана нероздільно від робочого об'єму мікросхеми та не може бути виділена як самостійний виріб.

Компонент ІМС - частина мікросхеми, яка реалізує функцію деякого електрорадіоелементу і може бути виділена як самостійний виріб.

Густина упаковки ІМС - відношення числа компонентів та елементів ІМС (в тому числі і елементів, які входть до складу компонентів) до об'єму ІМС без врахування об'єму виводів.

Степінь інтеграції ІМС - показник степені складності мікросхеми, який характеризується кількістю елементів та компонентів, що у ній вміщені.

 

Нові напрямки розвитку мікроелектроніки

На сучасному етапі мікроелектроніка розвивається в двох основних напрямках: інтегральному, при якому кожний елемент схеми створюється як дискретний елемент в напівпровідниковому кристалі; функціональному, при якому робота схеми відбувається за рахунок використання фізичних явищ в твердому тілі. Найперспективнішою є функціональна мікроелектроніка, до якої відносяться: оптоелектроніка, магнетоелектроніка, акустоелектроніка. хемотроніка, кріоелектроніка, діелектрична електроніка, біоелектроніка.

Оптоелектроніка охоплює два незалежних напрямки: оптичний та електронно-оптичний. Оптичний напрямок (деколи називають лазерним) базується на ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням. Електронно-оптичний напрямок використовує прилади (оптрони), в яких при обробці інформації відбувається перетворення електричних сигналів в оптичні та навпаки.

Магнетоелектроніка пов'язана з використанням тонких магнітних плівок, на яких можуть виконуватись елементи пам'яті ЕОМ, логічні мікросхеми, магнітні підсилювачі та інші прилади. Вдалось сумістити технологію виготовлення тонкоплівкових елементів (наприклад, сплав нікелю та заліза) з виробництвом інших елементів інтегральних мікросхем.

Акустоелектроніка займається перетворенням акустичних сигналів в електричні та навпаки. Ця галузь мікроелектроніки використовує процеси та явища, що пов’язані з проходженням струму в рідких тілах з іонною провідністю. До таких приладів належать керовані опори, запам'ятовуючі пристрої, підсилювачі, діоди-випрямлячі.

Кріоелектроніка - наука про створення приладів на основі надпровідності в твердих тілах при низьких температурах. До таких приладів відносяться квантові, параметричні, підсилювальні, перемикаючі пристрої та лінії затримки.

Діелектрична електроніка використовує явища в двохшаровій плівковій структурі, яка складається з тонких плівок металу та діелектрика. Приконтактний шар діелектрика збагачується електронами, що емітуються з металу. Якщо прикласти до діелектрика різницю потенціаляв, то через нього протікатиме струм, величина якого буде залежати від кількості електронів, що емітовані в діелектрик з металу. Це явище дозволило створити діоди та транзистори, які мають мікрометричні розміри, малоінерційні, мають низький рівень шумів, мало чутливі до зміни температури та радіації.

Біоелектроніка - один з напрямків біоніки, що розв'язує задачі електроніки на основі аналізу структури та життєдіяльності живих організмів. Ця галузь мікроелектроніки охоплює проблеми вивчення нервових клітин (нейроів та нейронних мереж), її досягнення використовуються для подальшого вдосконалення електронно-обчислювальної техніки, техніки зв'язку, розробки нових елементів та пристроїв автоматики та телемеханіки.