Документы, имеющие отношение к электрическим схемам

· ГОСТ 2.702-2011 – Правила выполнения электрических схем. ЕСКД.

· ГОСТ 2.701-2008 — Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению. ЕСКД.

· ГОСТ 2.104-2006 — Основные надписи. ЕСКД.

· ГОСТ 2.709-89 — Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов, оборудования и участков цепей в электрических схемах. ЕСКД.

· ГОСТ 2.755-87 — Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения. ЕСКД.

· ГОСТ 2.710-81 — Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах. ЕСКД.

· ГОСТ 2.721-74 — Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения. ЕСКД.

· ГОСТ 2.051-2006 — Электронные документы. Общие положения. ЕСКД.

· ГОСТ 2.053-2006 — Электронная структура изделия. Общие положения. ЕСКД.

 

 

Интегральные схемы

Пример интегральной схемы

Интегральная схема (микросхема) - миниатюрное электронное устройство, состоящее из большого количества радиоэлектронных элементов, конструктивно и электрически связанных между собой. Обычно интегральная схема создается для выполнения конкретной функции. По сути, микросхема объединяет в себе какую-то электронную схему, где все элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы) и электрические связи между ними конструктивно выполнены на одном кристалле. Поскольку размеры отдельных компонентов очень малы (микро- и нанометры), то на одном кристалле при современном развитии технологий, можно поместить более миллиона электронных компонентов.

В начале 50-х гг. представители оборонного и космического ведомств США первыми задумались над пределами прогресса ламповых систем. И стали оказывать - сначала осторожно, а потом все более активно - финансовую поддержку проектам, направленным на построение полностью интегрированных электронных систем из твердотельных компонентов. Это стало началом заката "ламповой эры", но философия электронной интеграции не претерпела существенных изменений и по-прежнему напоминала философию построения предложения. В электронике, как в человеческой речи, есть массив стандартных элементов, различающихся по своим функциональным особенностям: фраза всегда состоит из существительных, прилагательных, глаголов, причастных оборотов, а электронная схема - из емкостей, сопротивлений, триодов и диодов. Комбинируя эти элементы, можно придавать фразе тот или иной смысл, а схеме "поручать" решение тех или иных задач. Твердотельными компонентами должны были стать транзисторы. Самые первые были изготовлены из монокристаллического германия и лишь значительно позже - к середине 50-х гг., когда в Texas Instruments была решена проблема роста монокристаллического кремния, транзисторы стали изготавливаться из этого кремния. Это само по себе сразу же стало коммерчески выгодным предприятием, несмотря на достаточно высокую по тем временам их стоимость (около 10 долл. за штуку).1951 г. ознаменовался тем, что Bell Labs провела свою первую конференцию по транзисторам и начала продавать патентные лицензии стоимостью 25 тыс. долл. на транзисторные технологии. Заинтересовались лицензией и в компании Centralab, где Килби и сделал первые шаги в направлении "германиевой" интеграции. Однако Centralab не была той компанией, деятельность которой - производство слуховых аппаратов и пассивных телевизионных схем - могла бы заинтересовать военных в 1956 г., когда рынок военных кремниевых технологий становился перспективным. Неизмеримо большими возможностями обладала Texas Instruments, где Килби проработал без малого 45 лет и в стенах которой в рамках военного заказа были созданы первые кремниевая и германиевая интегральные схемы. Первые в мире ИС были разработаны и изготовлены в 1959 г. американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга.В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments (TI) из фирмы Centralab - в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n-переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния. Килби разрезал пластину на кусочки размером 1,6x9,5 мм, содержащие диффузионные области двух типов. Эти области и имевшиеся контакты он использовал для создания схемы генератора, соединяя элементы тонкими золотыми проволочками. После выполнения защиты одна из диффузионных областей травилась обычным способом. Из неё создавался мезатранзистор. Другая область образовывала RC-цепочку с распределёнными параметрами, необходимую для создания сдвига фазы. ИС Колби заработала, и он поставил перед собой задачу аналогичным образом разработать триггер. В начале октября 1958 г. он начал создавать конструкцию триггера на одном кусочке монолитного германия. Для его изготовления был применён метод фотогравировки, которым владела фирма TI. В начале 1959 г. такая "твёрдая схема" была изготовлена и в марте 1960 г. представлена на выставке американского Института радиоинженеров. Килби подал заявку на выдачу патента. Марк Шеферд, тогда вице-президент фирмы TI, отметил данную работу Килби "как наиболее значительную разработку фирмы Texas Instruments со времени... выпуска кремниевого транзистора". Однако, несмотря на широкое освещение прессой, это достижение было встречено весьма скептически, хотя большинство критических замечаний были верными: ограничения, связанные с интеграцией (параметры индивидуальных компонентов ИС нельзя оптимизировать); выход годных ИС был менее 10%; дороговизна готовой матрицы-образца ИС; невозможность в последующем видоизменять и дорабатывать схему. Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 г., занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n-переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах. А уже в 1961 г. фирма "Fairchild Semiconductor Corporation" выпустила первые серийные микросхемы для ЭВМ: схему совпадений, полусдвигающий регистр и триггер. В том же году производство полупроводниковых интегральных логических схем освоила фирма "Texas". В следующем году появились интегральные схемы других фирм. В короткое время в интегральном исполнении были созданы различные типы усилителей. В 1962 г. фирма RCA разработала интегральные микросхемы матриц памяти для запоминающих устройств ЭВМ. Постепенно выпуск микросхем был налажен во всех странах - эра микроэлектроники началась.

Исходным материалом для интегральной микросхемы обычно служит необработанная пластина из чистого кремния. Она имеет сравнительно большие размеры, так как на ней одновременно изготавливают сразу несколько сотен однотипных микросхем. Первая операция состоит в том, что под воздействием кислорода при температуре 1000 градусов на поверхности этой пластины формируют слой двуокиси кремния. Оксид кремния отличается большой химической и механической стойкостью и обладает свойствами прекрасного диэлектрика, обеспечивающего надежную изоляцию расположенному под ним кремнию. Следующий шаг - внесение примесей для создания зон p или n проводимости. Для этого оксидную пленку удаляют с тех мест пластины, которые соответствуют отдельным электронным компонентам. Выделение нужных участков происходит с помощью процесса, получившего название фотолитографии. Сначала весь слой оксида покрывают светочувствительным составом (фоторезистом), который играет роль фотографической пленки - его можно засвечивать и проявлять. После этого через специальный фотошаблон, содержащий рисунок поверхности полупроводникового кристалла, пластину освещают ультрафиолетовыми лучами. Под воздействием света на слое оксида формируется плоский рисунок, причем незасвеченные участки остаются светлыми, а все остальные - затемненными. В том месте, где фоторезистор подвергся действию света, образуются нерастворимые участки пленки, стойкие к кислоте. Затем пластину обрабатывают растворителем, который удаляет фоторезист с засвеченных участков. С открывшихся мест (и только с них) слой оксида кремния вытравливают с помощью кислоты. В результате в нужных местах оксид кремния растворяется и открываются "окна" чистого кремния, готовые к внесению примесей (лигированию). Для этого поверхность подложки при температуре 900 - 1200 градусов подвергают воздействию нужной примеси, например, фосфора или мышьяка, для получения проводимости n типа. Атомы примеси проникают в глубь чистого кремния, но отталкиваются его оксидом. Обработав пластину одним видом примеси, готовят ее для лигирования другим видом - поверхность пластины вновь покрывают слоем оксида, проводят новую фотолитографию и травление, в результате чего открываются новые "окошки" кремния. Вслед за тем следует новое лигирование, например бором, для получения проводимости p типа. Так на всей поверхности кристалла в нужных местах образуются p и n области. (Изоляция между отдельными элементами может создаваться несколькими способами: такой изоляцией может служить слой оксида кремния, можно также создавать в нужных местах запирающие p n переходы.) Следующий этап обработки связан с нанесением токопроводящих соединений (токопроводящих линий) между элементами интегральной схемы, а также между этими элементами и контактами для подключения внешних цепей. Для этого на подложку напыляют тонкий слой алюминия, который оседает в виде тончайшей пленки. Ее подвергают фотолитографической обработке и травлению, аналогичным описанным выше. В результате от всего слоя металла остаются только тонкие токопроводящие линии и контактные площадки. В заключение всю поверхность полупроводникового кристалла покрывают защитным слоем (чаще всего, силикатным стеклом), который затем удаляют с контактных площадок. Все изготовленные микросхемы подвергаются строжайшей проверке на контрольно испытательном стенде. Дефектные схемы помечаются красной точкой. Наконец кристалл разрезается на отдельные пластинки микросхемы, каждая из которых заключается в прочный корпус с выводами для присоединения к внешним цепям. Сложность интегральной схемы характеризуется показателем, который получил название степени интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, - интегральными схемами со средней степенью интеграции; схемы, содержащие до десятка тысяч элементов, - большими интегральными схемами. Уже изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов (они называются сверхбольшими). Постепенное повышение интеграции привело к тому, что схемы с каждым годом становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными. Огромное количество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке. Чрезвычайно важным событием на этом пути стало создание в 1971 г. американской фирмой "Интел" единой интегральной схемы для выполнения арифметических и логических операций - микропроцессора.

Сегодня, в зависимости, от технологии изготовления микросхем делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные. В пленочной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены только в виде пленок. К вариантами пленочных микросхем относятся тонко- и толстопленочные ИМС. К тонкопленочным условно относятся схемы с толщиной пленок до 1 мкм, а к толстопленочным - схемы с толщиной пленок свыше 1 мкм. Полупроводниковая интегральная микросхема характеризуется тем, что все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме на поверхности полупроводника. В состав гибридной микросхемы, кроме элементов, неразрывно связанных с поверхностью подложки, входят простые и сложные компоненты (например, кристаллы полупроводниковых интегральных схем). Гибридные ИМС изготавливаются по тонко - или толстостеночной технологии с применением бескорпусных полупроводниковых приборов и керамических конденсаторов. Сложность интегральной схемы характеризуется степенью интеграции. Интегральные схемы, насчитывающие более 100 элементов, называются микросхемами с малой степенью интеграции; схемы, содержащие до 1000 элементов, - интегральными схемами со средней степенью интеграции, схемы, включающие до десятка тысяч элементов, - большими интегральными схемами. В настоящее время изготавливаются схемы, содержащие до миллиона элементов - сверхбольшими микросхемами. С каждым годом схемы становятся все более миниатюрными и соответственно все более сложными. Множество электронных устройств, имевших раньше большие габариты, умещаются теперь на крошечной кремниевой пластинке, что послужило грандиозному прорыву микроэлектроники в сферу вычислительной техники.

 

Пример выполнения чертежа схемы электрической принципиальной гибридной интегральной микросхемы

Так как топологический чертеж относится к чертежам деталей, то на его оформление в полной мере распространяются требования ГОСТ 2.109-73 (раздел "Чертежи деталей"). Специфические требования, предъявляемые к топологическим чертежам, регламентируются ОСТ 11 0.000.028-73.

Для достаточной наглядности взаимного расположения элементов на подложке топологические чертежи рекомендуется выполнять в следующих масштабах:
гибридных интегральных микросхем - 5:1, 10:1, 20:1 и в других масштабах увеличения, кратных десяти;

полупроводниковых интегральных микросхем- 100: 1, 200: 1 и кратных ста.
Для наглядности допускается не выдерживать масштаб при изображении толщины слоев на топологических чертежах полупроводниковых микросхем.