Елементна база сучасної мікроелектроніки

 Автор: Олеярник Олександр Вікторович, вчитель фізики та астрономії загальноосвітньої школи № 33 Краматорської міської ради, Донецької області

Мета роботи: полягає у тому, щоб ознайомити учнів з основними матеріалами, які використовують при виробництві провідників та  мікросхем сучасних мікроелектронних пристроїв, показати основні чинники, які впливають на вибір радіо компонентної бази, кодування елементів, допомогти учням розібратись з маркуванням пристроїв, особливості їхньої роботи в реальних умовах та унеможливлення помилок при виборі елементної бази

Елементна база сучасної мікроелектроніки

Мета:

Навчальна: ознайомити учнів з основними матеріалами які використовуються при виробництві елементної бази мікроелектронних пристроїв, їхнє основне маркування, кодування, призначення та застосування;

Розвивальна: розвивати в учнів критичне мислення, вміння використовувати отриману інформацію на практиці, розвивати науковий кругозір учнів, працювати з довідниками;

Виховна: виховувати наполегливість у досягненні мети, працьовитість, повагу до працівників інтелектуальної праці, бачити «фізику навколо себе»

Резистори. Матеріали для резисторів

Застосовують оксиди металів, вуглець, кермети, композиційні матеріали. Резистивний  матеріал залежно від типу резистора може застосовуватися у вигляді звичайного елемента, дроту різного діаметра або плівки, обложеної на поверхні діелектричної основи. Питомий опір тонких резистивних плівок більше питомого опору відповідного матеріалу в товстих шарах.

Манганін –  сплав на мідній основі, що визначається малою величиною термо ЕРС. Виготовляють дріт діаметром від 0,02 до 6 мм,  литих манганінових мікродротів в скляній ізоляції –  для конструювання мініатюрних резисторів. Тонкі  плівки з ніхрому –  застосовуються для тонкоплівчатих резисторів в інтегральних схемах.

Резистівні матеріали на основі кремнію

Марки РС-3710, РС-3001 (табл.1),  РС –  резистивний  сплав, 2 перші цифри – номінальний зміст основного легуючого компоненту (хрому), дві наступні –  номінальний зміст другого легуючого елементу – заліза, нікелю.

Таблиця 1 –  Склади резистивних  матеріалів

Сплави МЛТ – з кремнію, заліза, хрому, нікелю, алюмінію і вольфраму –  для резисторів поверхневого типу.

Резистори отримують шляхом термічного вакуумного випаровування сплаву з вольфрамових випарників і конденсації на діелектричні основи. Сплав наноситься на випарник з спиртової або ацетонової суспензії. Основна характеристикою провідника є його електропровідність.

Маркування резистора:  резистори постійного опору позначаються літерою С, змінного СП. Цифра, що стоїть після букв: 1 –  вуглецевий, 2 – металевоплівчатий, 3 –  плівковий композиційний, 4 – об'ємний композиційний, 5 – дротяний. Якщо значення   номінального опору виражається цілим числом, то буква, що позначає одиницю вимірювання, ставиться після нього. Якщо  значення номінального опору виражається десятичним дробом, менше одиниці,  то нуль цілих і кома з маркування виключаються і літерне  позначення одиниці вимірювання ставитися  перед числом. Наприклад  47 Ом – 47Е, 4,7 КОм, 4К7, 47 МОм – 47М, 4,7= 4Е7.

Резистори постійного опору

Вуглецеві – тонка плівка вуглецю, обложена на основі з  кераміки (трубка або стрижень).

Композиційні – на основі композицій складаються з суміші порошкоподібного провідника (сажа, графить) і органічного або неорганічного діелектрика. Випускають плівкового або об'ємного видів.

Металевоплівчасті –  елемент у вигляді тонкої металевої плівки, обложеної на керамічну основу.

Металевоокислювальні – на основі оксидів металів (двоокиси олова)

Дротові  – на циліндровій ізоляційній основі з  обмоткою. Дріт  захищають емалевим покриттям.

Резистори змінного опору

Резистори СП –  для роботи в ланцюгах постійного та змінного струму, складаються з:

– резистивного  елементу;

– ковзаючого контакту;

– рухомої системи з віссю;

 – вивідних контактів;

– фарби з латуні.

Для створення контактів на кінці провідних елементів наносять шар матеріалу з високою провідністю.

СП 3:  3 –  плівковий резитивний елемент. Діапазон  робочих  температур від  – 45 до +70⁰ С. Основними електропровідними  полімерними матеріалами, що використовуються у виробництві резисторів СП використовують марки технічного вуглецю  (ДГ – 100, ТМ – 15, ТМ – 30). Для електронних оптичних перетворювачів випускається резистор СП4 – 4, що має плавне та надійне регулювання опору і високий опір ізоляції. До  резисторів з високим опором відносяться резистори типів  КВМ, КИМ, КЛМ, С3 – 10, С3 – 13, С3 – 14

( межа напруги від 2,5 до 60 КВ).

Вибір електрорадіокомпонентної бази для проектування

          модулей РЕС

Одним з перших кроків є вибір електрорадіокомпонентної (ЕРКБ) бази для проектування електричної схеми (ЕС) пристрою, що проектується, або аналіз електричної принципової схеми модулів, які підлягають модернізації. У результаті аналізу повинна бути знайдена нова компонентна база, яка відповідає умовам поставленої задачі.

Для виконання проекту повинні використовуватися сучасні ЕРК, дозволені до використання у нових розробках. Не допустимо застосування таких компонентів як германієві діоди та транзистори (всі вони зняті з виробництва та заборонені до використання у вітчизняних та зарубіжних розробках), застарілі та зняті з виробництва типи UMC, транзисторів, діодів і т.ін.

Наведемо короткі відомості інформаційних матеріалів за найбільш використовуваними видами ЕРК у сучасних РЕС.

Резистори (постійні та змінні)

При виборі типу резисторів виходять з вимог до їх електричних, конструктивних та експлуатаційних показників:

– номінальне значення опору;

– допустима потужність розсіювання;

– клас точності – допустима похибка основного параметру;

– коефіцієнт температурної залежності опору ТКО;

– рівень власних шумів;

– допустиме падіння напруги на резисторі;

– масогабаритні показники;

– можливість формулювання висновків для використання у друкованому монтажі, у тому числі можливість монтажу автоматичного;

– показники стійкості до механічного впливу;

– показники стійкості до кліматичного впливу;

– показники надійності;

Шкали номінальних значень основного параметру ЕРК, встановлені Держстандартом та мають позначення:

Е6, Е 12, Е 24, Е 48, Е 96, Е 192 (найбільш розповсюджений ряд Е 24) ряд Е 24 розповсюджений на компоненти класів точності ± 5% та ± 10%.

Ряди Е 48, Е 96, Е192 характеризуються, відповідно, прирощенням 5, 2, 1% та розповсюджуються на прецизіонні ЕРК.

Ряди Е6 та Е12 розповсюджуються на змінні резистори. Ці ряди розповсюджуються на значення конденсаторів та котушок індуктивностей (табл.2).

 Таблиця  2   – Значення рядів електрорадіокомпонетнів

Із таблиці 2 видно, що кожний наступний ряд використовує у якості опорних значень номіналів з попереднього ряду.

Номінальне значення параметру (опорів) створюється множенням опорних значень з таблиці   на масштабний коефіцієнт ряду: 1, 10³, 10⁶, 10⁹ і т. ін. відповідно похідні одиниці та основна: оми, кілооми, мегоми, гігаоми і т.ін. (R, E, Ω; Ом; кОм, кΩ; МОм, МΩ, і т.д.).

На прикладі покажемо запис резистору у конструкторській документації на рисунку 1.

Рисунок 1 – Запис резистору у конструкторській документації

Резистори з регулюючою величиною опору називаються змінними резисторами та поділяються  на регулюючі та підстроювальні.

Регулюючі змінні резистори призначені для здійснення оперативних регулювань у процесі експлуатації РЕС.

Підстроювальні змінні резистори призначені для здійснення епізодичних регулювань у процесі налагодження вузлів та блоків РЕС.

Регулюючі резистори випускаються з трьома видами функціональної залежності опору від кута повороту або прямого переміщення:

– «А» – лінійна залежність;

– «Б» – з залежністю, яка близька до логарифмічної;

– «В» – з залежністю у вигляді показової функції.

Останні використовуються у регулятора гучності звукосприймаючої апаратури.

З точки зору електричних характеристик підстроювальні резистори є джерелом додаткового шуму, який значно перевищує внутрішні шуми постійних резисторів.

З точки зору надійності підстроювальні резистори є потенційним джерелом відмов, які пов’язані з перевищенням ресурсу зносостійкості

( від 100 до 500 повних циклів регулювання).

Система скорочених позначень резисторів

Вітчизняна система літеро-цифрова.

Перший елемент – номінальне значення опору згідно з рядом Е6…..

Другий елемент – літера російського та латинського алфавіту, яка позначує опір, який виражено дрібним числом, то цю літеру ставлять замість коми.

Третій елемент –  літера, яка позначує величину допуску у %: В (Ж) – 0,25%; D (Д) – 0,5%; F (P) ± 1% і т.д.

Кольорове кодування мініатюрних резисторів

Реалізується за допомогою нанесення на корпус кольорових смуг (рідко точок) маркувальні познаки зрушені до одного з виводів та розташовуються зліва на право. Якщо розміри резистору не дозволяють розмістити маркування ближче до одного з виводів, ширина смужки першого знаку приблизно вдвічі більше інших.

Резистори з малою величиною допуску (0,1…10) % маркуються 5 кольоровими смужками; резистори з допуском 20%  – 4 кольоровими смужками.

Не позначають нуль у третьому розряді та величину допуску на маркується у 3-й смужці кодування. На рисунку 2 наведено приклад кольорового маркування резисторів.

Рисунок 2 – Кольорове позначення резисторів

Позначення резисторів зарубіжних фірм

Перший елемент  позначає серію резистора;

RL – стандартні металоплівкові резистори (допуск +2, +5);

RN –   металоплівкові призиційні резистори;

RNC – металоплівкові призиційні резистори з умовою надійності «S»;

RB – дротові призиційні та мініатюрні резистори;

RW – вуглецеві композиційні резистори тощо.

Другий, третій, четвертий та п’ятий елементи – цифровий код, який означає номінальний опір.

Шостий – літерний код, який позначується рівень надійності резистора протягом 1000 паянь.

Тип резистору кодується кольором корпусу. Зараз також розмальовані резистори для автоматичного монтажу.

SDM – технології, які відрізняються малими габаритами, та зменшеними виводами.

Інтегральні мікросхеми

Вибір серії та конкретних типів мікросхем (як і інших ЕРК) для реалізації проекту засновано на знанні їх електричних параметрів та експлуатаційних показників. У випадку заміни ЕРКБ на більш сучасну, необхідні відомості з їх взаємозамінності.

Операційні підсилювачі

Основні показники:

– велике та стабільне підсилювання – до 120 кВ;

– гасіння синфазної перешкоди – до 120 кВ у відношенні до корисного сигналу;

– високий вхідний опір – до 10⁹ Ом;

– низький вихідний опір до одиниць Ом;

– стабілізація нуля при підсиленні постійного струму;

– наявність диференційного входу;

– масогабаритні показники;

– виконання (тип корпусу);

Для позначення ІМС вітчизняного виробника прийняте наступне кодування:

Позначення інтегральних мікросхем вітчизняного виробника надано на рисунку 3.

Рисунок 3 – Позначення інтегральних мікросхем вітчизняного виробника

Класифікація ОП за електричними характеристиками:

– ОП загального призначення К 140, УД6;

– високовольтні та потужні ОП;

– мікропотужні ОП 140УД14;

– ОП з малим вхідним струмом; КР574УД1;

– швидкодіючі широкополосні ОП К140УД11;

– презиційні ОП 140УД17;

– багатоканальні ОП КР1401УД2А;

Необхідно використовувати довідкові дані для найбільш раціонального вибору ІМС.

Логічні (цифрові) ІМС

Кодування ЦІМС аналогічне ОП, тільки вказуються цифрові серії: 133, К133, К155, 1533, К1533 тощо.

За логікою ЦІМС поділяються:

– ТТЛ (К155, 555,…);

– ЕСЛ (100, 500, …);

– КМПО (К176, 564, К561,…);

– п –МОП, р – МОП (пам’ять та МЕВС К573, К1810, АЦП, ЦАП,…);

– інші серії  (І²А, ДТЛ та інші).

Серед серій зустрічаються подвійні, які є повним схемотехнічним аналогом та аналогом згідно з типом корпусів (більш старі замінюються новими з покращеними параметрами (К176 – К561 – К1561)).

Функціональні призначення:

– ЛН, ЛА, ЛХ – логічні комбінаційні;

– ІЕ, ІД, ІР, ІМ – лічильники, дешифратори, регістри, суматори;

– РУ, РФ, РР – ЗУ – ОЗУ, ПЗУ з УФ, ПЗЧ з ЕЛ;

– ВМ – процесори;

– ПА, ПВ – ЦАП, АЦП;

– ГФ, ГЦ – генератори тощо.

Приклад позначення ІМС у документах:

Мікросхема К140УД22   δ КО. 348.095 – 13ТУ

Мікросхема  1533ТМ5     δ КО. 347. 364 – 17ТУ

Типи корпусів ІМС

Основні схеми типів корпусів інтегральних мікросхем надано на рисунку 4.

201.14 –1 (полімерний)

201.14 –8 (склокерамічний)

201.14 –10 (металевокерамічний) DIP корпусу з N – виводами. DIP8 – DIP16 – DIP40.

301.8 –2 (металевоскляні)

ТО 220 (металевопластмасовий)

Рисунок 4 – Основні схеми типів корпусів інтегральних мікросхем

 Електричні сполучення

Застосування електричних сполучень має власні «+» та власні « – »:

« – » – контакт має місце у зоні шорсткості, а відповідно локальні концентрації струмів та напруг збільшують температуру з’єднання, знижуючи його надійність окислення, руйнування оксидної плівки тощо.

«+» – велика технологічність та ремонтопридатність.

Приклад позначення сполучень вітчизняного виробництва надано на рисунку 5.

Рисунок 5 – Приклад позначення сполучень вітчизняного виробництва

Використовуються також ГРПМ1, ГРПМШ2 та інші.

Транзистори та діоди

Номенклатура виробу складає сотні тисяч найменувань, тому вибір конкретного виробу робить конструктор РЕА, керуючись довідником технічних даних для обраного об’єкта.