Podręcznik

1.1. Specyfika układów scalonych

Niezawodność
W aparaturze elektronicznej prawidłowo zaprojektowanej miejscami ulegającymi uszkodzeniom są połączenia a nie elementy systemu (tranzystory, układy monolityczne). Zatem częstość uszkodzeń jest proporcjonalna do liczby wyprowadzeń i punktów montażowych. Współczesny mikroprocesor wykonany z miliona tranzystorów w jednym układzie monolitycznym (chip) posiada ok. 300 wyprowadzeń zewnętrznych, podczas gdy jego przodek sprzed ok. 25 lat, zbudowany z indywidualnych tranzystorów montowanych na płytach drukowanych miał ok. 3 mln wyprowadzeń. Zatem liczba punktów montażowych i tym samym częstość uszkodzeń zmalała 104 razy. Oznacza to, że uśredniony czas bezawaryjnej pracy takiego układu wydłużył się z kilkudziesięciu godzin do kilkudziesięciu lat.

Koszt produkcji
W układzie scalonym wytwarza się miliony elementów składowych w jednym zautomatyzowanym procesie produkcyjnym, a koszt jednostkowy jest proporcjonalny do powierzchni krzemu zajmowanej przez dany element. Ponadto w temu samemu procesowi poddaje się wiele płytek podłożowych, na każdej wykonuje się w zależności od wielkości układu i średnicy płytki 1000 do 100000 struktur. Czasochłonne i kosztowne (kilkadziesiąt razy większe od kosztu struktury) etapy testowania, sortowania, montażu i hermetyzacji dotyczą całego układu a nie wielkiej liczby pojedynczych elementów. Są to podstawowe czynniki, dzięki którym koszt przykładowego procesora zmalał także 104 razy (do poziomu kilkudziesięciu $).

Koszt eksploatacji
Wzrost niezawodności w oczywisty sposób wiąże się z obniżeniem kosztów eksploatacji. Najważniejsza jest tu jednak kwestia poboru mocy. W układzie scalonym dzięki skracaniu połączeń wewnątrzukładowych maleje moc rozpraszana w tych połączeniach, a ponadto możliwe jest zmniejszanie napięć zasilających przy redukcji wpływu zakłóceń zewnętrznych. W obiektach ruchomych dodatkowym elementem może być wynikające z miniaturyzacji obniżenie masy urządzenia i tym samym kosztów transportu.

Szybkość działania
Czas propagacji sygnału między elementami układu stanowi istotne ograniczenie szybkości jego działania. Przy odległościach między elementami na płytce drukowanej rzędu pojedynczych cm, czas ten jest rzędu 0.1 ns. W układzie scalonym dzięki skróceniu tych odległości do pojedynczych m czas propagacji skraca się 104 razy. Dzięki temu częstotliwość zegara współczesnych komputerów personalnych liczy się w gigahercach.

Złożoność funkcjonalna
Zasygnalizowane czynniki składają się na możliwość realizacji coraz bardziej złożonych układów, wręcz całych systemów w jednej strukturze SOC (System On Chip). Realizacja działających poprawnie systemów o wielkiej złożoności (zawierających kilkadziesiąt milionów tranzystorów) nie byłaby możliwa bez:
-    zmniejszenia wymiarów i skrócenia czasu propagacji sygnału,
-    zmniejszenia mocy rozpraszanej warunkującego skuteczne chłodzenie,  
-    zwiększenia niezawodności pozwalającej bezawaryjnie eksploatować urządzenie,
-    ograniczenia kosztu do rozsądnego poziomu.

Technologie i rodzaje izolacji

Problem redukcji wzajemnego wpływu elementów pracujących w jednym podłożu monokrystalicznym dotyczy zarówno eliminowania upływności stałoprądowych, jak i sprzężeń dla sygnału zmiennego. (Odrębnym zagadnieniem są sprzężenia termiczne, które mogą być pożyteczne, np. w układach stabilizacji napięcia). Technologie wytwarzania układów scalonych projektowane są zatem nie tylko pod kątem uzyskania jak najlepszych właściwości najważniejszych elementów jakimi są tranzystory, ale także ich izolowania. Przedstawione poniżej techniki stosowane w układach scalonych bipolarnych i MOS stanowią tylko przykłady spośród wielu istniejących wersji.