układ scalony

układ scalony,

elektron. mikrominiaturowy układ elektroniczny (mikroukład), w którym wszystkie elementy lub ich część (wraz z połączeniami) są wytworzone w jednym cyklu technologicznym wewnątrz lub na powierzchni wspólnego podłoża i stanowią nierozdzielną całość;

podczas takiego cyklu wytwarza się jednocześnie wiele takich samych struktur, które zazwyczaj są następnie montowane w zunifikowanych (znacznie większych od nich) obudowach hermetycznych (z tworzyw sztucznych, ceramicznych lub metalowych), chroniących je przed szkodliwymi wpływami otoczenia i ułatwiających realizację połączeń zewnętrznych (montaż układów scalonych w urządzeniach elektronicznych). Miarą złożoności układu scalonego jest tzw. stopień scalenia (skala integracji), określający liczbę elementów w pojedynczej strukturze układu. Układy o małym stopniu scalenia SSI (ang. Small Scale Integration) zawierają w jednej strukturze do kilkudziesięciu elementów, układy o średnim stopniu scalenia MSI (ang. Medium Scale Integration) — od kilkudziesięciu do kilkuset elementów, układy o dużym stopniu scalenia LSI (ang. Large Scale Integration) — od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elementów, natomiast układy o bardzo dużym stopniu scalenia VLSI (ang. Very Large Scale Integration) — powyżej kilkudziesięciu tysięcy elementów; niekiedy układy zawierające powyżej miliona elementów są określane jako układy o superdużym lub ultradużym stopniu scalenia: SLSI (ang. Super Large Scale Integration), ULSI (ang. Ultra Large Scale Integration).

Pod względem cech technologiczno-konstrukcyjnych układy scalone dzieli się ogólnie na półprzewodnikowe i warstwowe. W układach scalonych półprzewodnikowych, zwanych też monolitycznymi, zarówno elementy czynne (głównie tranzystory), jak i bierne (rezystory, kondensatory, induktory, diody) oraz połączenia między nimi są wytwarzane technologią planarną; we wspólnej monokrystalicznej płytce półprzewodnikowej. Układy scalone półprzewodnikowe dzieli się na bipolarne i unipolarne (odpowiednio do rodzaju występujących w nich tranzystorów). W układach scalonych bipolarnych, wytwarzanych prawie wyłącznie w podłożu krzemowym, podstawowymi elementami czynnymi są tranzystory bipolarne (typu n–p–n lub p–n–p); diody otrzymuje się przez odpowiednie wykorzystanie złącz p–n struktury tranzystora, rezystory — w postaci odpowiednio domieszkowanych warstw (nakładanych zwykle równocześnie z warstwą bazy lub emitera), kondensatory — w postaci złącza p–n lub struktury MOS; induktory nie są realizowane. Każdy z elementów jest ulokowany w odizolowanej wyspie i połączony z innymi elementami za pomocą ścieżek przewodzących naniesionych na górną powierzchnię płytki. Układy scalone unipolarne są wytwarzane głównie w podłożu krzemowym (układy MOS), znacznie rzadziej w podłożu z arsenku galu (układy GaAs). Wśród układów MOS rozróżnia się układy scalone: NMOS — zawierające tranzystory unipolarne MOS o kanale typu n, PMOS — zawierające tranzystory MOS o kanale typu p, CMOS — zawierające komplementarne pary tranzystorów MOS, tj. o kanale typu n i typu p. Podstawową zaletą układów scalonych MOS jest możliwość ich wykonania wyłącznie z tranzystorów MOS, spełniających wszystkie funkcje zarówno elementów czynnych, jak i biernych. Układy scalone MOS w porównaniu z układami scalonymi bipolarnymi odznaczają się prostszą technologią, większą gęstością upakowania, mniejszym poborem mocy, jednak na ogół również mniejszą szybkością działania. Dużą szybkość działania, a także zdolność rozpraszania dużych mocy i odporność na promieniowanie wykazują układy GaAs; ich produkcja jest jednak ograniczona ze względu na znaczne trudności technologiczne. Układy MOS są produkowane niemal wyłącznie jako układy o dużym stopniu scalenia; pewnym wyjątkiem są układy CMOS, wytwarzane też jako układy o małym i średnim stopniu scalenia.

W układach scalonych warstwowych, zwanych też hybrydowymi, jedynie elementy bierne (niekiedy tylko ich część) oraz połączenia (ścieżki przewodzące i pola kontaktowe) są wytwarzane na wspólnym podłożu izolacyjnym w postaci warstw nanoszonych specjalną techniką w ciągłym procesie technologicznym, natomiast elementy czynne (i pozostałe elementy bierne) są wykonywane w odrębnym procesie technologicznym i dołączane (np. dolutowywane) do właściwych pól kontaktowych na podłożu. W zależności od sposobu nanoszenia warstw układy scalone warstwowe dzieli się na cienkowarstwowe i grubowarstwowe. W układach scalonych cienkowarstwowych wymagane elementy powstają przez nanoszenie w próżni na podłoże izolacyjne (szklane lub ceramiczne) warstw przewodzących, rezystywnych bądź dielektrycznych o grubości od kilku do kilkuset nm metodą termicznego naparowania lub rozpylania katodowego (cienkich warstw technika). W układach scalonych grubowarstwowych żądane elementy otrzymuje się przez nanoszenie na podłoże ceramiczne (metodą sitodruku) warstw o odpowiednich właściwościach i grubości kilkudziesięciu tysięcy nm (grubych warstw technika).

Podobnie jak wszystkie układy elektroniczne układy scalone dzieli się też na analogowe i cyfrowe (logiczne); w tym przypadku głównym kryterium podziału jest rodzaj przetwarzanego sygnału (analogowa technika, cyfrowa technika). Oba rodzaje układów scalonych są produkowane jako układy standardowe (katalogowe), ogólnie dostępne, przeznaczone do uniwersalnych zastosowań, wykonywane w różnych technologiach i często przez wielu producentów. Są to zarówno układy stosunkowo proste (bramki logiczne, wzmacniacze operacyjne, stabilizatory), jak i bardzo złożone (procesory sygnałowe, mikrokontrolery pamięci, mikrokomputery jednoukładowe itp.). W połowie lat 80. zaczęto wytwarzać układy specjalizowane ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuits), projektowane w mniejszym lub większym stopniu indywidualnie, z przeznaczeniem do konkretnego zastosowania (zgodnie z potrzebami wytwórców urządzeń elektronicznych). Są one zazwyczaj opracowywane i dostarczane w bardzo krótkim czasie.

Z porównania właściwości układów scalonych wytwarzanych różnymi technologiami wynika, że układy scalone półprzewodnikowe są najtańsze pod warunkiem produkcji wielkoseryjnej (rzędu miliona sztuk); wymusza ona jednak daleko posuniętą standaryzację i uniwersalizację produkowanych układów, ograniczając w pewnym stopniu ich asortyment. Układy scalone półprzewodnikowe dominują w dziedzinie układów cyfrowych, które łatwiej poddają się standaryzacji niż układy analogowe. Układy scalone warstwowe zazwyczaj są produkowane w krótkich seriach (rzędu tysięcy sztuk), przy czym układy scalone grubowarstwowe — głównie z przeznaczeniem do sprzętu powszechnego użytku (odbiorniki radiowe i telewizyjne, magnetofony itp.), układy scalone cienkowarstwowe — do urządzeń profesjonalnych (urządzenia pomiarowe, teletransmisyjne), zwłaszcza mikrofalowych. Układy scalone półprzewodnikowe odznaczają się największym stopniem scalenia i dużą niezawodnością, układy scalone cienkowarstwowe — bardzo wąskimi tolerancjami elementów, dużą stałością temperaturową oraz bardzo szerokim zakresem częstotliwościowym pracy, a układy scalone grubowarstwowe — stosunkowo dużą mocą rozpraszaną i odpornością na zakłócenia. Koszty uruchomienia produkcji są największe dla układów scalonych półprzewodnikowych, średnie — dla cienkowarstwowych i najmniejsze — dla grubowarstwowych.

Największe zastosowanie znajdują układy scalone w komputerach, elektronicznym sprzęcie powszechnego użytku, telekomunikacji, sprzęcie wojskowym, automatyce przemysłowej; przewiduje się, że w najbliższym czasie największe możliwości rozwoju będą związane z techniką motoryzacyjną.

Pierwsze układy scalone powstały 1958 w USA (w Polsce 1961), wkrótce rozpoczęto też ich seryjną produkcję. Na początku lat 60. pojedyncza struktura układu scalonego miała powierzchnię nie przekraczającą kilku mm² i zawierała niewielką liczbę elementów (najwyżej kilkanaście). W następnych latach liczba elementów w strukturze szybko się powiększała (corocznie ulegała niemal podwojeniu); przełomowym momentem było otrzymanie 1971 mikroprocesora. W 1993 wytworzono układy scalone zawierające ponad 5 mln elementów (tranzystorów) w płytce krzemu o powierzchni ok. 1 cm²; 2008 wytworzono układ scalony Tukwila, zawierający ponad 2 mld elementów.

Układy scalone w różnych obudowach