Микросхемы и их применение / Батушев В. А., Вениаминов В. Н., Ковалев В. Г. и др. —М.: Энергия, 1978. 248 с, ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 967).


ПРЕДИСЛОВИЕ
Последнее десятилетие характеризуется высоким совершенством как профессиональной, так и любительской радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее повышение технического уровня радиоэлектронной аппаратуры достигается путем ее миниатюризации на основе развития функционально-узлового метода конструирования и использования новой элементной базы — интегральных микросхем. Благодаря таким достоинствам, как высокая надежность, малые габариты и энергопотребление, сравнительно невысокая стоимость, производство интегральных микросхем бурно развивается во многих странах мира.
Проникнув в самые разнообразные виды радиоэлектронной техники — от сложнейших управляющих комплексов до бытовых приборов и устройств, микросхемы значительно расширили сферу применения радиоэлектронных средств и обеспечили высокий технико-экономический эффект от их внедрения. Постепенно возрастает такой показатель современной аппаратуры, как количество функций, приходящихся на единицу объема и массы, существенно повышается срок службы аппаратуры, снижается ее эквивалентная стоимость.
Однако возможности интегральной электроники далеко еще не использованы в практике, особенно в радиолюбительской. Внедрение интегральных микросхем в радиолюбительскую аппаратуру значительно отстает от темпов развития профессиональной аппаратуры, в которой используются микросхемы.
Слабое внедрение микросхем в радиолюбительскую аппаратуру можно отнести за счет недостаточного освещения в литературе возможностей и преимуществ микросхем и опыта их применения. В связи с этим до сих пор наблюдается определенная робость радиолюбителей при использовании микросхем.
Переход радиолюбителей к широкому применению микросхем в аппаратуре позволит не только повысить качество аппаратуры в Целом, но и ускорить сроки ее разработки и создания, избежать ряда традиционных неудобств, в том числе настроек и подстроек, свойственных сборке узлов и блоков из навесных компонентов. В то же время он потребует отказа от некоторых традиционных схемных решений, более продуманного выбора элементной базы — интегральных микросхем, знания их номенклатуры и принципов синтеза устройств. Интегральная технология, возникшая как дальнейшее развитие и совершенствование способов и процессов, принятых в производстве полупроводниковых приборов, не только породила новые представления об оптимальных функциональных структурах и рациональных способах их построения, но и вызвала к жизни новые принципы проектирования и конструирования аппаратуры, оказала глубокое влияние на все этапы разработки, производства и эксплуатации радиоэлектронных устройств. В связи с этим возникла необходимость ознакомления широкого круга читателей, интересующихся успехами полупроводниковой электроники и имеющих опыт работы в данной области, с номенклатурой и с практическими вопросами применения интегральных микросхем, выпускаемых отечественной промышленностью, с особенностями конструирования радиоэлектронной аппаратуры на их основе.
В предлагаемой читателям книге даны общие сведения об интегральных микросхемах, выпускаемых промышленностью, рассмотрены принципы их функциональной классификации, приведены количественные значения основных параметров, изложены конструктивные особенности микросхем. Рассмотрен состав основных серий аналоговых микросхем, режимы их применения и примеры реализации на них функциональных узлов, проведено сравнение идентичных функциональных узлов по техническим характеристикам. Изложены особенности построения аналоговых трактов массовой радиоэлектронной аппаратуры на микросхемах и примеры применения микросхем в бытовой аппаратуре, выпускаемой промышленностью, и в радиолюбительских разработках.
Рассмотрены также особенности проектирования, конструирования и эксплуатации аппаратуры на микросхемах, включая разработку печатных плат, размещение на них микросхем, конструирование субблоков и блоков, обеспечение теплового режима, защиту микросхем от действия статического электричества, монтаж и демонтаж микросхем. В приложениях даны принятые условные обозначения микросхем, типы их корпусов.
В целом задачей книги является показ возможностей отечественных микросхем, а также условий их применения на базе обобщения практического опыта.
В книге учтен большой собственный опыт работы авторов с микросхемами. Все разделы книги написаны доступно для массового читателя и в то же время без ущерба для содержания, цельности и строгости излагаемого материала.
Авторы надеются, что книга будет с интересом и пониманием встречена широким кругом радиолюбителей.
Отзывы о книге просим присылать по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, издательство Энергия, редакция Массовой радиобиблиотеки.
Глава первая
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ , ОБ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
1-1. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА —СОВРЕМЕННЫЙ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ УЗЕЛ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Полевые и биполярные транзисторы, полупроводниковые диоды, резисторы, конденсаторы и прочие полупроводниковые, электровакуумные, газоразрядные приборы и радиодетали называют элементами радиоэлектронной аппаратуры или электрорадиоэлементами. При разработке конструкции аппаратуры электрорадиоэлементы рассматриваются как ее неделимые части — конструктивные элементы. Предприятия электронной промышленности выпускают типовые электрорадиоэлементы в широком ассортименте по утвержденным стандартам и техническим условиям в качестве комплектующих изделий. Изготовление аппаратуры заключается в сборке ее из готовых электрорадиоэлементов, радиокомпонентов, установочных и конструктивных деталей. Группы электрорадиоэлементов и компонентов из технологических или эксплуатационных соображений могут конструктивно объединяться в сборочные единицы, называемые узлами, а если объединенные элементы и компоненты при этом совместно выполняют единую функцию, то узел называют функциональным (рис. 1-1). Узлы в свою очередь могут объединяться в субблоки; субблоки — в блоки (см. гл. 6).
В последние годы получила широкое распространение новая технология создания функциональных узлов, при которой совмещаются процессы изготовления входящих в узел электрорадиоэлементов и процессы объединения их в функциональную конструктивно завершенную структуру. Эта технология получила название интегральной (от латинского — цельный, неразрывный, связанный). Функциональные узлы радиоэлектронной аппаратуры, изготовляемые методом интегральной технологии, были названы интегральными микросхемами (рис. 1-2), слово интегральный может опускаться. Приставка микро подчеркивает характерную особенность интегральной технологии — высокий уровень миниатюризации, достигаемый в ее изделиях.
Миниатюризация — одно из ведущих направлений развития радиоэлектроники, целью которого является создание аппаратуры, имеющей минимальную массу и объем при заданных функциональных и эксплуатационных характеристиках. Проблема миниатюризации является традиционной для радиоэлектроники, но значение ее непрерывно растет по мере расширения областей применения радиоэлектронного оборудования и увеличения сложности и важности выполняемых функций. В такой же мере растет и значение миниатюризации узлов, субблоков и блоков, поскольку они определяют уровень миниатюризации аппаратуры в целом.
Уровень миниатюризации аппаратуры в достаточной мере характеризуется объемом и массой изделия. Для функциональных узлов аппаратуры более удобными показателями уровня миниатюризации являются плотность упаковки, характеризуемая отношением числа элементов, содержащихся в узле, к объему, занимаемому узлом, и потребляемая мощность, определяющая возможную массу источника питания. Эти показатели, естественно, зависят от типа функционального узла, тем не менее для широкого класса узлов они сопоставимы.
Опыт показал, что при сборке маломощных функциональных узлов из дискретных (навесных) электрорадиоэлементов не удается достигнуть плотности упаковки выше 2 эл/см3 даже при использовании самых миниатюрных полупроводниковых приборов и радиодеталей. Функциональные узлы, собираемые из специальных электрорадиоэлементов, так называемые микромодули, обеспечивающие
плотность упаковки до 20 эл/см3, не нашли широкого применения из-за высокой стоимости этих конструкций. Интегральная же технология позволяет получить в тысячи раз большую плотность упаковки (до 10 000 эл/см3) при невысокой стоимости и большой надежности. Эта замечательная- особенность интегральной технологии, открывшая широкие возможности миниатюризации радиоэлектронных устройств, и явилась причиной широкого и быстрого внедрения интегральных микросхем в радиоэлектронную аппаратуру.
Переход от традиционных методов сборки функциональных узлов аппаратуры из готовых типовых электрорадиоэлементов к принципиально новой методике, совмещающей процессы изготовления элементов и процессы объединения их в конструктивно завершенную функциональную структуру, стал возможным благодаря большим успехам, достигнутым за последние 10—15 лет полупроводниковой технологией, освоившей значительное количество новых весьма эффективных приемов и процессов. Результаты этого перехода оказались столь существенными, что они ознаменовали подъем всей электроники на качественно новый уровень.
Появление интегральных микросхем — это не просто создание более совершенной элементной базы радиоэлектронной аппаратуры. Интегральная технология приводит к новым представлениям об оптимальных функциональных структурах радиоэлектронных устройств и их функциональном базисе, она вызывает к жизни новые принципы и способы конструирования аппаратуры, оказывает глубокое влияние на все этапы изготовления радиоэлектронных устройств и на способы его эксплуатации, невиданно расширяет сферу их применения. Интегральная технология стимулировала формирование микроэлектроники — отрасли электроники, включающей проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных изделий с высокой степенью миниатюризации.
1-2. УСТРОЙСТВО ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Полупроводниковые интегральные микросхемы
Наибольшее распространение получили интегральные микросхемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми (интегральными) микросхемами.
Для изготовления полупроводниковых микросхем используются кремниевые монокристалличегкие пластины диаметром 30—60 мм и толщиной 0,25—0,4 мм. Элементы (микросхемы) — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.), но получившими в интегральной технологии Дальнейшее развитие. Межсоединения выполняют путем напыления узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзисторов и т- Д.). Для соединения элементов с выводами микросхемы на проводящих дорожках создаются расширенные участки — контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы.