Zgodovina nastanka integrirane plošče. Serije mikrovezij. Funkcionalna kontrola IC in testnih vezij

Uvod

Od pojava prvih računalnikov so razvijalci programske opreme sanjali o strojni opremi, zasnovani tako, da bi rešila natanko njihov problem. Zato se že kar nekaj časa pojavlja ideja o izdelavi posebnih integriranih vezij, ki jih je mogoče prilagoditi za učinkovito opravljanje določene naloge. Tu obstajata dve razvojni poti:

• Uporaba tako imenovanih specializiranih integriranih vezij po meri (ASIC – Application Specific Integrated Circuit). Kot že ime pove, takšne čipe izdelujejo proizvajalci strojna oprema po meri za učinkovito opravljanje določene naloge ali niza nalog. Nimajo vsestranskosti običajnih mikrovezij, vendar naloge, ki so jim dodeljene, rešujejo večkrat hitreje, včasih po naročilih velikosti.
• Izdelava mikrovezij z rekonfigurabilno arhitekturo. Ideja je, da taki čipi pridejo do razvijalca ali uporabnika programske opreme v neprogramiranem stanju, na njih pa lahko implementira arhitekturo, ki mu najbolj ustreza. Oglejmo si podrobneje njihov proces nastajanja.

Sčasoma se je pojavilo veliko število različnih čipov z rekonfigurabilno arhitekturo (slika 1).

Slika 1 Raznolikost čipov z rekonfigurabilno arhitekturo

Dolgo časa so na trgu obstajale samo naprave PLD (Programmable Logic Device). Ta razred vključuje naprave, ki izvajajo funkcije, potrebne za reševanje dodeljenih problemov v obliki popolnega disjunktiva normalna oblika(popoln DNF). Prvi, ki so se leta 1970 pojavili, so bili EEPROM čipi, ki sodijo prav v razred PLD naprav. Vsako vezje je imelo fiksno matriko logičnih funkcij IN, povezanih z programirljivim nizom logičnih funkcij ALI. Na primer, razmislite o PROM s 3 vhodi (a, b in c) in 3 izhodi (w, x in y) (slika 2).

riž. 2. PROM čip

Z uporabo preddefiniranega polja IN so implementirane vse možne konjunkcije nad vhodnimi spremenljivkami, ki jih je nato mogoče poljubno kombinirati z elementi ALI. Tako lahko na izhodu implementirate katero koli funkcijo treh spremenljivk v obliki popolnega DNF. Na primer, če programirate tiste elemente ALI, ki so na sliki 2 obkroženi z rdečo, bodo izhodi ustvarili funkcije w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Sprva so bili čipi PROM namenjeni shranjevanju programskih navodil in stalnih vrednosti, t.j. za izvajanje funkcij računalniškega pomnilnika. Vendar jih razvijalci uporabljajo tudi za izvajanje preprostih logičnih funkcij. Pravzaprav se PROM čipa lahko uporablja za implementacijo katerega koli logičnega bloka, pod pogojem, da ima majhno število vhodov. Ta pogoj izhaja iz dejstva, da je v mikrovezjih EEPROM matrika elementov IN strogo določena - v njej so implementirane vse možne konjunkcije iz vhodov, to je, da je število elementov IN enako 2 * 2 n, kjer je n število vhodov. Jasno je, da z naraščanjem števila n velikost niza zelo hitro raste.

Naslednjega leta 1975 so se pojavila tako imenovana programabilna logična polja (PLM). So nadaljevanje ideje o PROM mikrovezjih - PLM so sestavljeni tudi iz nizov IN in ALI, vendar sta za razliko od PROM obe nizi programabilni. To zagotavlja večjo prilagodljivost za takšne čipe, vendar nikoli niso bili pogosti, ker signali potujejo veliko dlje skozi programabilne povezave kot prek njihovih vnaprej določenih dvojnikov.

Da bi rešili problem hitrosti, ki je neločljivo povezan s PLM-ji, se je v poznih 1970-ih pojavil nadaljnji razred naprav, imenovan programabilna matrična logika (PAL). Nadaljnji razvoj ideje o čipih PAL je bil pojav naprav GAL (Generic Array Logic) - bolj zapletene različice PAL, ki uporabljajo tranzistorje CMOS. Ideja, uporabljena tukaj, je ravno nasprotna ideji čipov PROM - programabilno polje elementov IN je povezano z vnaprej določenim nizom elementov ALI (slika 3).

riž. 3. Neprogramirana naprava PAL

To nalaga omejitev funkcionalnosti, vendar pa takšne naprave zahtevajo bistveno manjša polja kot v čipih EPROM.

Logično nadaljevanje enostavnih PLD-jev je bil nastanek tako imenovanih kompleksnih PLD-jev, sestavljenih iz več blokov enostavnih PLD-jev (navadno se kot preprosti PLD-ji uporabljajo naprave PAL), ki jih združuje programabilna preklopna matrika. Poleg samih blokov PLD je bilo s pomočjo te preklopne matrike možno programirati tudi povezave med njimi. Prvi kompleksni PLD so se pojavili v poznih 70. in zgodnjih 80. letih 20. stoletja, vendar se je glavni razvoj tega področja zgodil leta 1984, ko je Altera predstavila kompleksen PLD, ki temelji na kombinaciji tehnologij CMOS in EPROM.

Pojav FPGA

V začetku osemdesetih let prejšnjega stoletja se je v digitalnem okolju ASIC pojavila vrzel med glavnimi vrstami naprav. Na eni strani so bili PLD-ji, ki jih je mogoče programirati za vsako posamezno nalogo in jih je precej enostavno izdelati, vendar jih ni mogoče uporabiti za izvajanje kompleksnih funkcij. Na drugi strani pa obstajajo ASIC-ji, ki lahko izvajajo izjemno kompleksne funkcije, vendar imajo togo fiksno arhitekturo in so zamudni in dragi za izdelavo. Potreben je bil vmesni člen in naprave FPGA (Field Programmable Gate Arrays) so postale takšen člen.

FPGA so, tako kot PLD, programabilne naprave. Glavna temeljna razlika med FPGA in PLD je, da se funkcije v FPGA izvajajo ne z uporabo DNF, temveč z uporabo programabilnih iskalnih tabel (LUT). V teh tabelah so vrednosti funkcij določene z uporabo tabele resnic, iz katere je zahtevani rezultat izbran z uporabo multiplekserja (slika 4):

riž. 4. Korespondenčna tabela

Vsaka naprava FPGA je sestavljena iz programabilnih logičnih blokov (Configurable Logic Blocks – CLB), ki so med seboj povezani s povezavami, ki so prav tako programabilne. Vsak tak blok je namenjen programiranju določene funkcije ali njenega dela, vendar se lahko uporablja za druge namene, na primer kot pomnilnik.

V prvih napravah FPGA, razvitih sredi 80-ih, je bil logični blok zelo preprost in je vseboval en 3-vhodni LUT, en flip-flop in majhno število pomožnih elementov. Sodobne naprave FPGA so veliko bolj zapletene: vsak blok CLB je sestavljen iz 1-4 "rezin", od katerih vsaka vsebuje več tabel LUT (običajno 6-vhodnih), več sprožilcev in veliko število servisnih elementov. Tukaj je primer sodobne "rezine":

riž. 5. Naprava sodobnega "reza"

Zaključek

Ker naprave PLD ne morejo izvajati kompleksnih funkcij, se še naprej uporabljajo za izvajanje preprostih funkcij prenosne naprave in komunikacije, medtem ko naprave FPGA obsegajo od 1000 velikosti vrat (prvi FPGA, razvit leta 1985) ta trenutek presegel mejo 10 milijonov vrat (družina Virtex-6). Aktivno se razvijajo in že nadomeščajo čipe ASIC, kar omogoča izvajanje različnih izjemno kompleksnih funkcij, ne da bi pri tem izgubili možnost reprogramiranja.

Zdaj pa še bolj ali manj napredno Mobilni telefon brez mikroprocesorja ne gre, kaj šele tablice, prenosniki in namizni računalniki osebni računalniki. Kaj je mikroprocesor in kako se je razvila zgodovina njegovega nastanka? Povedano preprosto, mikroprocesor je kompleksnejše in večnamensko integrirano vezje.

Začne se zgodovina mikrovezja (integriranega vezja). od leta 1958, ko je uslužbenec ameriškega podjetja Texas Instruments Jack Kilby izumil določeno polprevodniško napravo, ki je v enem ohišju vsebovala več tranzistorjev, povezanih s prevodniki. Prvo mikrovezje - prednik mikroprocesorja - je vsebovalo samo 6 tranzistorjev in je bilo tanka plošča iz germanija z nanesenimi zlatimi tiri, vse to pa je bilo na stekleni podlagi. Za primerjavo, danes obstajajo enote in celo desetine milijonov polprevodniških elementov.

Do leta 1970 precej proizvajalcev se je ukvarjalo z razvojem in ustvarjanjem integriranih vezij različnih zmogljivosti in različnih funkcionalnih področij. Toda to leto lahko štejemo za datum rojstva prvega mikroprocesorja. Prav letos je Intel ustvaril pomnilniški čip z zmogljivostjo le 1 Kbit - zanemarljivo za sodobne procesorje, a neverjetno veliko za tisti čas. Takrat je bil to velik dosežek - pomnilniški čip je lahko shranil do 128 bajtov informacij - veliko več kot podobni analogi. Poleg tega je približno ob istem času japonski proizvajalec kalkulatorjev Busicom naročil enakih mikrovezij Intel 12 različnih funkcionalnih področij. Intelovim strokovnjakom je uspelo implementirati vseh 12 funkcionalnih področij v enem čipu. Poleg tega se je ustvarjeno mikrovezje izkazalo za večnamensko, saj je omogočilo programsko spreminjanje njegovih funkcij brez spreminjanja fizične strukture. Mikrovezje je opravljalo določene funkcije glede na ukaze, poslane na njegove krmilne zatiče.

V enem letu leta 1971 Intel izda prvi 4-bitni mikroprocesor z oznako 4004. V primerjavi s prvim mikrovezjem s 6 tranzistorji je vseboval kar 2,3 tisoč polprevodniških elementov in opravil 60 tisoč operacij na sekundo. Takrat je bil to velik preboj na področju mikroelektronike. 4-bitni je pomenil, da lahko 4004 obdeluje 4-bitne podatke hkrati. Še čez dve leti leta 1973 Podjetje proizvaja 8-bitni procesor 8008, ki je že deloval z 8-bitnimi podatki. Začetek od leta 1976, začne podjetje razvijati 16-bitno različico mikroprocesorja 8086. Prav ta se je začel uporabljati v prvih osebnih računalnikih IBM in je pravzaprav postavil enega od gradnikov v

Analogna in digitalna mikrovezja se proizvajajo serijsko. Serija je skupina mikrovezij, ki imajo enotno zasnovo in tehnološko zasnovo ter so namenjena skupni uporabi. Mikrovezja iste serije imajo praviloma enake napajalne napetosti in so usklajena glede na vhodne in izhodne upore ter nivoje signalov.

1. Ohišja

Mikrovezja so na voljo v dveh oblikah - pakirana in brez ohišja.

Ohišje mikrovezja je nosilni sistem in del strukture, ki je zasnovan za zaščito pred zunanjimi vplivi in ​​za električno povezavo z zunanjimi tokokrogi preko nožic. Zaboji so standardizirani za poenostavitev tehnologije izdelave končnih izdelkov.

Brezpaketno mikrovezje je polprevodniški kristal, namenjen vgradnji v hibridno mikrovezje ali mikrosklop (možna je neposredna montaža na tiskano vezje).

1. Določena imena

Intel je prvi izdelal čip, ki je opravljal funkcije mikroprocesorja (angleško microproccessor) - Intel 4004. Na podlagi izboljšanih mikroprocesorjev 8088 in 8086 je IBM izdal svoje znane osebne računalnike)

Mikroprocesor je jedro računalnika, dodatne funkcije, kot je komunikacija s perifernimi napravami, pa so bile opravljene s posebej zasnovanimi nabori čipov (chipset). Za prve računalnike je bilo število mikrovezij v nizih v desetinah in stotinah, v sodobni sistemi To je niz enega, dveh ali treh mikrovezij. V zadnjem času se je pojavila težnja po postopnem prenosu funkcij čipov (krmilnik pomnilnika, krmilnik vodila PSI Express) na procesor.

Mikroprocesorji z vgrajenimi pomnilniki RAM in ROM, pomnilniškimi in V/I krmilniki ter drugimi dodatnimi funkcijami se imenujejo mikrokrmilniki.

1. Pravno varstvo

Ruska zakonodaja zagotavlja pravno zaščito topologij integriranih vezij. Topologija integrirano vezje je prostorsko-geometrična ureditev nabora elementov integriranega vezja in povezav med njimi, zapisanih na materialnem mediju (člen 1448 Civilnega zakonika Ruske federacije).

Ekskluzivna pravica do topologije velja deset let. V tem obdobju lahko imetnik avtorskih pravic po lastni presoji registrira topologijo pri Zvezni službi za intelektualno lastnino, patente in blagovne znamke.

1. Zgodovina ustvarjanja

7. maja 1952 je britanski radijski inženir Geoffrey Dummer prvič predlagal idejo o integraciji več standardnih elektronskih komponent v monolitni polprevodniški čip, leto kasneje pa je Harwick Johnson vložil prvo patentno prijavo za prototip integriranega vezja (IC). . Izvedba teh predlogov v tistih letih ni mogla potekati zaradi nezadostnega razvoja tehnologije.

Konec leta 1958 in v prvi polovici leta 1959 se je zgodil preboj v industriji polprevodnikov. Trije moški, predstavniki treh zasebnih ameriških korporacij, so rešili tri temeljne probleme, ki so preprečevali ustvarjanje integriranih vezij. Jack Kilby iz Texas Instruments je patentiral princip integracije, ustvaril prve nepopolne prototipe IC in jih prinesel v množično proizvodnjo. Kurt Legowec iz Sprague Electric Company je izumil metodo za električno izolacijo komponent, oblikovanih na enem polprevodniškem čipu (izolacija p-n spoja). Robert Noyce iz podjetja Fairchild Semiconductor je izumil metodo za električno medsebojno povezovanje komponent IC (metalizacija aluminija) in predlagal izboljšano različico izolacije komponent, ki temelji na najnovejši planarni tehnologiji Jeana Ernyja. 27. septembra 1960 je skupina Jaya Lasta ustvarila prvo izvedljivo polprevodnik IP temelji na idejah Noycea in Ernieja. Texas Instruments, ki je bil lastnik patenta za Kilbyjev izum, je sprožil patentno vojno proti svojim konkurentom, ki se je končala leta 1966 s poravnavo o tehnologijah navzkrižnega licenciranja.

Zgodnji logični IC-ji omenjene serije so bili dobesedno zgrajeni iz standard komponente, katerih velikosti in konfiguracije so bile določene s tehnološkim procesom. Oblikovalci vezij, ki so oblikovali logične IC-je določene družine, so delovali z enakimi standardnimi diodami in tranzistorji. V letih 1961-1962 je vodilni razvijalec Sylvania Tom Longo zlomil oblikovalsko paradigmo, tako da jo je prvič uporabil v enem IC. različno konfiguracije tranzistorjev glede na njihove funkcije v vezju. Konec leta 1962 je Sylvania izdala prvo družino tranzistor-tranzistorske logike (TTL), ki jo je razvil Longo - zgodovinsko prva vrsta integrirane logike, ki se ji je uspelo dolgoročno uveljaviti na trgu. V analognem vezju je v letih 1964-1965 naredil preboj na tej ravni oblikovalec operacijskih ojačevalnikov Fairchild Bob Widlar.

Prvo polprevodniško integrirano vezje v ZSSR je bilo ustvarjeno na podlagi planarne tehnologije, ki jo je v začetku leta 1960 v NII-35 (takrat preimenovan v Pulsar Research Institute) razvila ekipa, ki je bila kasneje prenesena na NIIME (Mikron). Ustvarjanje prvega domačega silicijevega integriranega vezja je bilo osredotočeno na razvoj in proizvodnjo z vojaškim sprejemom serije integriranih silicijevih vezij TC-100 (37 elementov - enakovredno kompleksnosti vezja flip-flopa, analognega ameriškemu IC-ji serije SN-51 podjetja Texas Instruments). Prototipni vzorci in proizvodni vzorci silicijevih integriranih vezij za reprodukcijo so bili pridobljeni iz ZDA. Delo je bilo opravljeno v NII-35 (direktor Trutko) in Fryazino Semiconductor Plant (direktor Kolmogorov) za obrambno naročilo za uporabo v avtonomnem višinomeru za sistem za vodenje balističnih raket. Razvoj je vključeval šest standardnih integriranih silicijevih ravninskih vezij serije TS-100 in je z organizacijo pilotne proizvodnje trajal tri leta na NII-35 (od 1962 do 1965). Trajalo je še dve leti za razvoj tovarniške proizvodnje z vojaškim sprejemom v Fryazinu (1967)

Prva integrirana vezja

Posvečeno 50. obletnici uradnega datuma

B. Malaševič

12. septembra 1958 je uslužbenec podjetja Texas Instruments (TI) Jack Kilby vodstvu demonstriral tri nenavadne naprave - naprave, narejene iz dveh kosov silicija velikosti 11,1 x 1,6 mm, zlepljenih s čebeljim voskom na stekleno podlago (slika 1). To so bile tridimenzionalne makete - prototipi integriranega vezja (IC) generatorja, ki dokazujejo možnost izdelave vseh elementov vezja na osnovi enega polprevodniškega materiala. Ta datum se v zgodovini elektronike praznuje kot rojstni dan integriranih vezij. Ampak ali je?

riž. 1. Postavitev prvega IP-ja J. Kilbyja. Fotografija s spletnega mesta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Do konca petdesetih let prejšnjega stoletja je tehnologija sestavljanja elektronske opreme (REA) iz diskretnih elementov izčrpala svoje zmogljivosti. Svet je prišel v akutno krizo REA, potrebni so bili radikalni ukrepi. V tem času so bile integrirane tehnologije za proizvodnjo tako polprevodniških naprav kot debeloslojnih in tankoplastnih keramičnih vezij že industrijsko obvladane v ZDA in ZSSR, kar pomeni, da so bili zreli predpogoji za premagovanje te krize z ustvarjanjem večelementnih standardni izdelki - integrirana vezja.

Integrirana vezja (čipi, IC) vključujejo elektronske naprave različnih zahtevnosti, v katerih so vsi podobni elementi izdelani hkrati v enem samem tehnološkem ciklu, tj. uporabo integrirane tehnologije. Za razliko od tiskanih vezij (pri katerih so vsi povezovalni vodniki izdelani hkrati v enem ciklu z uporabo integrirane tehnologije), so upori, kondenzatorji ter (v polprevodniških IC) diode in tranzistorji v IC oblikovani podobno. Poleg tega se veliko IC proizvaja hkrati, od deset do tisoč.

Industrija razvija in proizvaja IC v obliki serij, ki združujejo več mikrovezij za različne funkcionalne namene, namenjene skupni uporabi v elektronski opremi. Serijski IC imajo standardno zasnovo in enoten sistem električnih in drugih karakteristik. IC dobavlja proizvajalec različnim potrošnikom kot neodvisne komercialne izdelke, ki izpolnjujejo določen sistem standardiziranih zahtev. IC so izdelki, ki jih ni mogoče popraviti, pri popravilu elektronske opreme se okvarjeni IC zamenjajo.

Obstajata dve glavni skupini IC: hibridni in polprevodniški.

Pri hibridnih IC (HIC) so vsi prevodniki in pasivni elementi oblikovani na površini substrata mikrovezja (običajno keramičnega) z uporabo integrirane tehnologije. Aktivni elementi v obliki brezpaketnih diod, tranzistorjev in polprevodniških IC kristalov se na substrat vgrajujejo posamično, ročno ali avtomatsko.

V polprevodniških IC se povezovalni, pasivni in aktivni elementi oblikujejo v enem tehnološkem ciklu na površini polprevodniškega materiala (običajno silicija) z delnim vdorom v njegov volumen z difuzijskimi metodami. Hkrati se na eni polprevodniški rezini, odvisno od kompleksnosti naprave in velikosti njenega kristala in rezine, izdela od nekaj deset do nekaj tisoč IC. Industrija proizvaja polprevodniške IC v standardnih paketih, v obliki posameznih čipov ali v obliki nerazdeljenih rezin.

Uvedba hibridnih (GIS) in polprevodniških IC v svet je potekala na različne načine. GIS je produkt evolucijskega razvoja mikromodulov in tehnologije montaže keramičnih plošč. Zato so se pojavili neopaženi, saj ni splošno sprejetega datuma rojstva GIS in splošno priznanega avtorja. Polprevodniški IC so bili naravna in neizogibna posledica razvoja polprevodniške tehnologije, vendar so zahtevali generiranje novih idej in ustvarjanje nove tehnologije, ki ima svoje datume rojstva in svoje avtorje. Prvi hibridni in polprevodniški IC so se pojavili v ZSSR in ZDA skoraj istočasno in neodvisno drug od drugega.

Prvi hibridni IC

Med hibridne IC sodijo IC, katerih proizvodnja združuje celostno tehnologijo izdelave pasivnih elementov z individualno (ročno ali avtomatizirano) tehnologijo vgradnje in montaže aktivnih elementov.

Podjetje Centralab v ZDA je že v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja razvilo osnovne principe za izdelavo debeloslojnih tiskanih vezij na keramični osnovi, ki so jih nato razvila druga podjetja. Osnova je bila tehnologija izdelave tiskanih vezij in keramičnih kondenzatorjev. Iz tiskanih vezij smo prevzeli integrirano tehnologijo za oblikovanje topologije povezovalnih vodnikov - sitotisk. Od kondenzatorjev - substratni material (keramika, pogosto sital), pa tudi materiali paste in toplotna tehnologija njihove fiksacije na substrat.

In v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja je podjetje RCA izumilo tehnologijo tankih filmov: z razprševanjem različnih materialov v vakuumu in njihovim nanašanjem skozi masko na posebne podlage so se naučili hkrati izdelati veliko miniaturnih filmov, ki povezujejo vodnike, upore in kondenzatorje na enem samem. keramični substrat.

V primerjavi z debeloslojno tehnologijo je tankoplastna tehnologija omogočala natančnejšo izdelavo topoloških elementov manjših dimenzij, vendar je zahtevala zahtevnejšo in dražjo opremo. Naprave, izdelane na keramičnih vezjih z uporabo tehnologije debelega filma ali tankega filma, se imenujejo "hibridna vezja". Hibridna vezja so bila izdelana kot komponente izdelkov lastne proizvodnje, vsak proizvajalec je imel svojo zasnovo, dimenzije in funkcionalne namene, na prosti trg niso prišla, zato so malo poznana.

Hibridna vezja so vdrla tudi v mikromodule. Sprva so uporabljali diskretne pasivne in aktivne miniaturne elemente, združene s tradicionalnim tiskanim ožičenjem. Tehnologija montaže je bila zapletena, z velikim deležem ročnega dela. Zato so bili mikromoduli zelo dragi, njihova uporaba pa je bila omejena na vgrajeno opremo. Nato so bili uporabljeni miniaturni keramični šali z debelim filmom. Nato so se upori začeli proizvajati s tehnologijo debelega filma. Toda uporabljene diode in tranzistorji so bili še vedno ločeni, posamično pakirani.

Mikromodul je postal hibridno integrirano vezje v trenutku, ko so v njem uporabili nezapakirane tranzistorje in diode ter zaprli strukturo v skupno ohišje. To je omogočilo znatno avtomatizacijo procesa njihove montaže, močno znižanje cen in razširitev področja uporabe. Glede na način oblikovanja pasivnih elementov ločimo debeloslojne in tankoplastne GIS.

Prvi GIS v ZSSR

Prve GIS (moduli tipa "Kvant", pozneje označeni kot serija IS 116) v ZSSR so razvili leta 1963 v NIIRE (kasneje NPO Leninets, Leningrad) in istega leta je njihova pilotna tovarna začela njihovo serijsko proizvodnjo. V teh GIS so bili kot aktivni elementi uporabljeni polprevodniški IC "R12-2", ki jih je leta 1962 razvila tovarna polprevodniških naprav v Rigi. Zaradi nerazdružljivosti zgodovine nastanka teh IC in njihovih značilnosti jih bomo obravnavali skupaj v razdelku, posvečenem P12-2.

Moduli Kvant so bili nedvomno prvi v svetu GIS z dvonivojsko integracijo - kot aktivne elemente so uporabljali polprevodniške IC-je in ne diskretne pakirane tranzistorje. Verjetno so bili tudi prvi v svetu GIS - strukturno in funkcionalno zaokroženih večelementnih izdelkov, dobavljenih potrošniku kot samostojen komercialni izdelek. Najzgodnejši tuji podobni izdelki, ki jih je identificiral avtor, so moduli IBM Corporation SLT, opisani spodaj, vendar so bili objavljeni naslednje leto, 1964.

Prvi GIS v ZDA

Pojav debeloslojnega GIS kot glavne elementne baze novega računalnika IBM System /360 je IBM prvič napovedal leta 1964. Zdi se, da je bila to prva uporaba GIS zunaj ZSSR; avtorju ni uspelo najti prejšnjih primerov. .

Polprevodniška IC serije "Micrologic" podjetja Fairchild in "SN-51" proizvajalca TI (o njiju bomo govorili v nadaljevanju), že takrat znana v strokovnih krogih, sta bila še vedno nedostopna in pregrešno draga za komercialne aplikacije, kot je gradnja velik računalnik. Zato je korporacija IBM, ki je za osnovo vzela zasnovo ravnega mikromodula, razvila svojo serijo debeloslojnih GIS, objavljenih pod splošnim imenom (v nasprotju z "mikromoduli") - "moduli SLT" (Solid Logic Technology - solid logična tehnologija. Običajno se beseda "solid" v ruščino prevede kot "trdna", kar je popolnoma nelogično. Dejansko je IBM uvedel izraz "moduli SLT" v nasprotju z izrazom "mikromodul" in bi moral odražati njihovo razliko. Toda oba moduli so »trdni«, kar pomeni, da ta prevod ni Beseda »trden« ima druge pomene – »trden«, »celoten«, ki uspešno poudarjajo razliko med »SLT-moduli« in »mikromoduli« - SLT-moduli so nedeljivi, nepopravljivo, tj. "celo." Nismo uporabili splošno sprejetega prevoda v ruščino: Solid Logic Technology - tehnologija trdne logike).

Modul SLT je bila polpalčna kvadratna keramična mikroplošča z debelim filmom z vtisnjenimi navpičnimi zatiči. Povezovalni vodniki in upori so bili naneseni na njegovo površino z uporabo sitotiska (v skladu s shemo naprave, ki se izvaja), nameščeni pa so bili tranzistorji brez embalaže. Kondenzatorji so bili po potrebi nameščeni poleg SLT modula na plošči naprave. Čeprav so navzven skoraj enaki (mikromoduli so nekoliko višji, slika 2.), se moduli SLT od ravnih mikromodulov razlikujejo po večji gostoti elementov, nizki porabi energije, visoki zmogljivosti in visoki zanesljivosti. Poleg tega je bilo tehnologijo SLT precej enostavno avtomatizirati, zato jih je bilo mogoče proizvajati v ogromnih količinah po dovolj nizki ceni za uporabo v komercialni opremi. Točno to je IBM potreboval. Podjetje je v mestu East Fishkill pri New Yorku zgradilo avtomatizirano tovarno za proizvodnjo modulov SLT, ki jih je proizvedla v milijonskih nakladah.

riž. 2. Mikromodul ZSSR in modul SLT f. IBM. Fotografija STL s spletnega mesta http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Za IBM-om so druga podjetja začela proizvajati GIS, za katere je GIS postal komercialni izdelek. Standardna zasnova ploščatih mikromodulov in modulov SLT podjetja IBM je postala eden od standardov za hibridna vezja.

Prvi polprevodniški IC

Do konca petdesetih let je imela industrija vse možnosti za proizvodnjo poceni elementov elektronske opreme. Toda če so bili tranzistorji ali diode izdelani iz germanija in silicija, potem so bili upori in kondenzatorji izdelani iz drugih materialov. Mnogi so takrat verjeli, da pri ustvarjanju hibridnih vezij ne bo težav pri sestavljanju teh elementov, izdelanih ločeno. In če je mogoče izdelati vse elemente standardne velikosti in oblike ter s tem avtomatizirati postopek montaže, se bodo stroški opreme znatno zmanjšali. Na podlagi takšnega sklepanja so zagovorniki hibridne tehnologije to obravnavali kot splošno smer razvoja mikroelektronike.

Vendar tega mnenja niso delili vsi. Dejstvo je, da so bili mesa tranzistorji in še posebej planarni tranzistorji, ki so bili že ustvarjeni v tem obdobju, prilagojeni za skupinsko obdelavo, v kateri so bile hkrati izvedene številne operacije za izdelavo več tranzistorjev na eni substratni plošči. To pomeni, da je bilo veliko tranzistorjev izdelanih na eni polprevodniški rezini hkrati. Nato je bila plošča razrezana na posamezne tranzistorje, ki so bili nameščeni v posameznih ohišjih. In potem je proizvajalec opreme združil tranzistorje na enem tiskano vezje. Bilo je ljudi, ki so mislili, da je ta pristop smešen - zakaj bi ločili tranzistorje in jih nato spet povezali. Ali jih je mogoče takoj združiti na polprevodniško rezino? Hkrati se znebite več zapletenih in dragih operacij! Ti ljudje so se domislili polprevodniških IC.

Ideja je izjemno preprosta in povsem očitna. A kot se pogosto zgodi, šele potem, ko je to nekdo prvi objavil in dokazal. Dokazal je, da pogosto, tako kot v tem primeru, ni dovolj zgolj naznanitev. Zamisel o IC je bila objavljena že leta 1952, pred pojavom skupinskih metod za proizvodnjo polprevodniških naprav. Vklopljeno letna konferenca o elektronskih komponentah, ki je potekalo v Washingtonu, je uslužbenec britanskega kraljevega radarskega urada v Malvernu Jeffrey Dummer predstavil poročilo o zanesljivosti komponent radarske opreme. V poročilu je podal preroško izjavo: " S pojavom tranzistorjev in delom na področju polprevodniške tehnologije si je na splošno mogoče predstavljati elektronsko opremo v obliki trdnega bloka brez povezovalnih žic. Blok je lahko sestavljen iz plasti izolacijskih, prevodnih, usmerjevalnih in ojačevalnih materialov, v katerih so določena področja izrezana, tako da lahko neposredno opravljajo električne funkcije.«. Toda strokovnjaki te napovedi niso opazili. Nanjo so se spomnili šele po pojavu prvih polprevodniških IC, torej po praktični potrditvi dolgo oglašane ideje. Nekdo je moral biti prvi, ki je ponovno izumil in implementiral idejo polprevodniškega IC.

Tako kot v primeru tranzistorja so imeli splošno priznani ustvarjalci polprevodniških IC bolj ali manj uspešne predhodnike. Dammer je leta 1956 poskušal uresničiti svojo zamisel, a mu ni uspelo. Leta 1953 je Harvick Johnson iz RCA prejel patent za oscilator z enim čipom in leta 1958 skupaj s Torkelom Wallmarkom napovedal koncept "polprevodniške integrirane naprave". Leta 1956 je uslužbenec Bell Labs Ross izdelal binarno števčno vezje, ki temelji na osnova n-p-n-p strukture v enem monokristalu. Leta 1957 je Yasuro Taru iz japonskega podjetja MITI prejel patent za združevanje različnih tranzistorjev v enem kristalu. Toda vsi ti in drugi podobni dogodki so bili zasebne narave, niso bili uvedeni v proizvodnjo in niso postali osnova za razvoj integrirane elektronike. Le trije projekti so prispevali k razvoju intelektualne lastnine v industrijski proizvodnji.

Srečneži so bili že omenjeni Jack Kilby iz Texas Instruments (TI), Robert Noyce iz Fairchilda (oba iz ZDA) in Jurij Valentinovič Osokin iz konstruktorskega biroja Riške tovarne polprevodniških naprav (ZSSR). Američani so ustvarili eksperimentalne vzorce integriranih vezij: J. Kilby - prototip generatorja IC (1958), nato pa sprožilec na mesa tranzistorjih (1961), R. Noyce - sprožilec z uporabo planarne tehnologije (1961) in Yu. Osokin - logični IC "2NOT-OR" je takoj šel v množično proizvodnjo v Nemčiji (1962). Ta podjetja so začela serijsko proizvodnjo IP skoraj istočasno, leta 1962.

Prvi polprevodniški IC v ZDA

IP avtorja Jacka Kilbyja. serija IS SN - 51”

Leta 1958 je J. Kilby (pionir v uporabi tranzistorjev v slušni aparat) preselil na Texas Instruments. Novinca Kilbyja so kot oblikovalca vezij »vrgli« v izboljšanje mikromodularnega polnjenja raket z ustvarjanjem alternative mikromodulom. Upoštevana je bila možnost sestavljanja blokov iz delov standardni obrazec, podobno sestavljanju modelov igrač iz LEGO figur. Vendar je Kilbyja fasciniralo nekaj drugega. Odločilno vlogo je odigral učinek »svežega videza«: prvič, takoj je izjavil, da so mikromoduli slepa ulica, in drugič, ko je občudoval meza strukture, je prišel na idejo, da je treba (in lahko) vezje izdelan iz enega materiala - polprevodnika. Kilby je vedel za Dummerjevo idejo in njegov neuspešen poskus uresničitve leta 1956. Po analizi je razumel razlog za neuspeh in našel način, kako ga premagati. “ Moja zasluga je, da sem to idejo sprejel in uresničil.«, je kasneje v svojem Nobelovem govoru dejal J. Kilby.

Ker si še ni pridobil pravice do dopusta, je nemoteno delal v laboratoriju, medtem ko so vsi počivali. 24. julija 1958 je Kilby v laboratorijski reviji oblikoval koncept z naslovom Monolitna ideja. Njegovo bistvo je bilo, da “. ..elemente vezja, kot so upori, kondenzatorji, porazdeljeni kondenzatorji in tranzistorji, je mogoče integrirati v en sam čip - pod pogojem, da so izdelani iz istega materiala... V zasnovi vezja flip-flop morajo biti vsi elementi izdelani iz silicija, pri čemer upori uporabljajo prostorninsko upornost silicija, kondenzatorji pa kapacitivnost p-n spojev". »Ideja o monolitu« je naletela na prizanesljiv in ironičen odnos vodstva Texas Instruments, ki je zahtevalo dokaz o možnosti izdelave tranzistorjev, uporov in kondenzatorjev iz polprevodnika ter o delovanju vezja, sestavljenega iz takih elementov.

Septembra 1958 je Kilby uresničil svojo zamisel - izdelal je generator iz dveh kosov germanija velikosti 11,1 x 1,6 mm, zlepljenih s čebeljim voskom na stekleno podlago, ki vsebuje dve vrsti difuzijskih območij (slika 1). Ta področja in obstoječe kontakte je uporabil za ustvarjanje generatorskega vezja, pri čemer je elemente povezal s tankimi zlatimi žicami premera 100 mikronov z uporabo termokompresijskega varjenja. Iz enega področja je bil ustvarjen mesatranzistor, iz drugega pa vezje RC. Sestavljene tri generatorje smo pokazali vodstvu podjetja. Ko je bilo napajanje priključeno, so začeli delovati na frekvenci 1,3 MHz. To se je zgodilo 12. septembra 1958. Teden dni kasneje je Kilby izdelal ojačevalnik na podoben način. Toda to še niso bile integrirane strukture, to so bile tridimenzionalne makete polprevodniških IC, ki dokazujejo idejo o izdelavi vseh elementov vezja iz enega materiala - polprevodnika.

riž. 3. Tip sprožilca 502 J. Kilby. Fotografija s spletnega mesta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Kilbyjevo prvo resnično integrirano vezje, narejeno iz enega samega kosa monolitnega germanija, je bilo eksperimentalno sprožilno IC tipa 502 (slika 3). Uporabil je volumski upor germanija in kapacitivnost p-n spoja. Njegova predstavitev je potekala marca 1959. Majhno število takih IC je bilo izdelanih v laboratorijskih pogojih in prodanih ozkemu krogu za 450 dolarjev. IC je vseboval šest elementov: štiri mesa tranzistorje in dva upora, nameščena na silicijevi rezini s premerom 1 cm. Toda Kilbyjev IC je imel resno pomanjkljivost - mesa tranzistorje, ki so se v obliki mikroskopskih "aktivnih" stolpcev dvigali nad ostalimi , »pasivni« del kristala. Povezava stebrov mesa med seboj v Kilby IS je bila izvedena s prekuhanimi tankimi zlatimi žicami - "kosmato tehnologijo", ki jo vsi sovražijo. Postalo je jasno, da s takimi medsebojnimi povezavami ni mogoče narediti mikrovezja z velikim številom elementov - žična mreža se bo zlomila ali ponovno povezala. In germanij je takrat že veljal za neobetaven material. Preboja ni bilo.

Do takrat je Fairchild razvil tehnologijo planarnega silicija. Glede na vse to je moral Texas Instruments odložiti vse, kar je naredil Kilby, in začeti brez Kilbyja razvijati serijo IC-jev, ki temeljijo na tehnologiji planarnega silicija. Oktobra 1961 je podjetje napovedalo ustvarjanje serije IC tipa SN-51, leta 1962 pa je začelo njihovo množično proizvodnjo in dostavo v interesu Ministrstva za obrambo ZDA in NASA.

IP Robert Noyce. serija ISMicrologic”

Leta 1957 je W. Shockley, izumitelj planarnega tranzistorja, iz več razlogov zapustil skupino osmih mladih inženirjev, ki so želeli poskusiti uresničiti lastne zamisli. »Osem izdajalcev«, kot jih je imenoval Shockley, katerih voditelja sta bila R. Noyce in G. Moore, je ustanovilo podjetje Fairchild Semiconductor (»lepi otrok«). Podjetje je vodil Robert Noyce, takrat je bil star 23 let.

Konec leta 1958 je fizik D. Horney, ki je delal pri podjetju Fairchild Semiconductor, razvil planarno tehnologijo za izdelavo tranzistorjev. Fizik češkega rodu Kurt Lehovec, ki je delal pri podjetju Sprague Electric, je razvil tehniko za uporabo obratno povezanega n-p spoja za električno izolacijo komponent. Leta 1959 se je Robert Noyce, ko je izvedel za Kilbyjevo zasnovo IC, odločil poskusiti ustvariti integrirano vezje s kombiniranjem postopkov, ki sta jih predlagala Horney in Lehovec. In namesto "kosmate tehnologije" povezav je Noyce predlagal selektivno nanašanje tanke plasti kovine na polprevodniške strukture, izolirane s silicijevim dioksidom, s povezavo s kontakti elementov skozi luknje, ki so ostale v izolacijski plasti. To je omogočilo "potopitev" aktivnih elementov v telo polprevodnika, jih izoliralo s silicijevim oksidom, nato pa te elemente povezalo z napršenimi tiri iz aluminija ali zlata, ki so ustvarjene s postopki fotolitografije, metalizacije in jedkanja pri zadnja faza izdelave izdelka. Tako je bila pridobljena resnično "monolitna" različica združevanja komponent v eno vezje, nova tehnologija pa se je imenovala "planarna". Toda najprej je bilo treba idejo preizkusiti.

riž. 4. Eksperimentalni sprožilec R. Noycea. Fotografija s spletnega mesta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

riž. 5. Fotografija Micrologic IC v reviji Life. Fotografija s spletnega mesta http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Avgusta 1959 je R. Noyce podjetju Joy Last naročil razvoj različice IC, ki temelji na planarni tehnologiji. Najprej so tako kot Kilby izdelali prototip sprožilca na več kristalih silicija, na katerem so bili izdelani 4 tranzistorji in 5 uporov. Nato je bil 26. maja 1960 izdelan prvi sprožilec z enim čipom. Za izolacijo elementov v njem z hrbtna stran Silicijeva rezina je bila jedkana z globokimi utori, napolnjenimi z epoksi smolo. 27. septembra 1960 je bila izdelana tretja različica sprožilca (slika 4), v kateri so bili elementi izolirani z reverzno povezanim p-n spojem.

Do takrat se je Fairchild Semiconductor ukvarjal le s tranzistorji; ni imel načrtovalcev vezij za izdelavo polprevodniških IC. Zato je bil Robert Norman iz Sperry Gyroscope povabljen kot oblikovalec vezij. Norman je poznal logiko upor-tranzistor, ki jo je podjetje na njegov predlog izbralo kot osnovo za svojo prihodnjo serijo IC "Micrologic", ki je svojo prvo uporabo našla v opremi rakete Minuteman. Marca 1961 je Fairchild z objavo fotografije (sl. 5) napovedal prvi eksperimentalni IC iz te serije (F-flip-flop, ki vsebuje šest elementov: štiri bipolarne tranzistorje in dva upora, postavljena na ploščo s premerom 1 cm). ) v reviji življenje(z dne 10. marca 1961). Oktobra je bilo objavljenih še 5 IP-jev. In od začetka leta 1962 je Fairchild začel množično proizvodnjo IC in njihovo dobavo tudi v interesu Ministrstva za obrambo ZDA in Nase.

Kilby in Noyce sta morala poslušati veliko kritik o svojih inovacijah. Verjeli so, da bi bil praktični izkoristek ustreznih integriranih vezij zelo nizek. Jasno je, da mora biti nižja kot pri tranzistorjih (saj vsebuje več tranzistorjev), pri katerih takrat ni bila višja od 15 %. Drugič, mnogi so menili, da so v integriranih vezjih uporabljeni neustrezni materiali, saj upori in kondenzatorji takrat še niso bili izdelani iz polprevodnikov. Tretjič, mnogi niso mogli sprejeti ideje o nepopravljivosti IP-ja. Zdelo se jim je bogokletno zavreči izdelek, pri katerem je odpovedal le eden od mnogih elementov. Vsi dvomi so postopoma odpadli, ko so bila integrirana vezja uspešno uporabljena v ameriški vojski in vesoljskih programih.

Eden od ustanoviteljev podjetja Fairchild Semiconductor G. Moore je oblikoval osnovni zakon razvoja silicijeve mikroelektronike, po katerem se je število tranzistorjev v kristalu integriranega vezja vsako leto podvojilo. Ta zakon, imenovan »Moorov zakon«, je deloval precej jasno prvih 15 let (začenši z letom 1959), potem pa je prišlo do podvojitve v približno letu in pol.

Poleg tega se je industrija intelektualne lastnine v Združenih državah začela hitro razvijati. V ZDA se je začel plazovit proces nastajanja podjetij, ki so bila usmerjena izključno »za ravnino« in je včasih dosegel točko, da je bilo registriranih ducat podjetij na teden. Zaradi prizadevanj za veterane (podjetji W. Shockley in R. Noyce), pa tudi zaradi davčnih spodbud in storitev Univerze Stanford so se »prišleki« zbrali predvsem v dolini Santa Clara (Kalifornija). Zato ne preseneča, da je leta 1971 z lahkotno roko novinarja in popularizatorja tehničnih inovacij Dona Hoflerja v obtok prišla romantično-tehnološka podoba »Silicijeve doline«, ki je za vedno postala sinonim za Meko polprevodniške tehnološke revolucije. Mimogrede, na tistem območju res obstaja dolina, ki je prej slovela po številnih nasadih marelic, češenj in sliv, ki je imela pred nastopom podjetja Shockley drugo, prijetnejše ime - Dolina srčne slasti, zdaj pa žal , skoraj pozabljen.

Leta 1962 se je v ZDA začela množična proizvodnja integriranih vezij, čeprav je njihov obseg dobav strankam znašal le nekaj tisoč. Najmočnejša spodbuda za razvoj instrumentalne in elektronske industrije na novih temeljih je bila raketna in vesoljska tehnologija. ZDA takrat niso imele enako močnih medcelinskih balističnih raket kot sovjetske, zato so bile za povečanje naboja prisiljene minimizirati maso nosilca, vključno z nadzornimi sistemi, z uvedbo najnovejšega napredka v elektronski tehnologiji. . Texas Instrument in Fairchild Semiconductor sta sklenila velike pogodbe za načrtovanje in proizvodnjo integriranih vezij z ameriškim ministrstvom za obrambo in NASA.

Prvi polprevodniški IC v ZSSR

V poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja je sovjetska industrija tako močno potrebovala polprevodniške diode in tranzistorje, da so bili potrebni radikalni ukrepi. Leta 1959 so bile ustanovljene tovarne polprevodniških naprav v Aleksandrovu, Brjansku, Voronežu, Rigi itd. Januarja 1961 sta Centralni komite CPSU in Svet ministrov ZSSR sprejela še eno resolucijo "O razvoju industrije polprevodnikov", ki je predvidevala gradnja tovarn in raziskovalnih inštitutov v Kijevu, Minsku, Erevanu, Nalčiku in drugih mestih.

Zanimala nas bo ena od novih tovarn - zgoraj omenjena tovarna polprevodniških naprav v Rigi (RZPP, večkrat je spremenila imena, zaradi enostavnosti uporabljamo najbolj znano, ki deluje še danes). Stavba zadružne tehnične šole v gradnji s površino 5300 m2 je bila dodeljena kot izhodišče za nov obrat, hkrati pa se je začela gradnja posebne stavbe. Do februarja 1960 je obrat že ustvaril 32 služb, 11 laboratorijev in pilotno proizvodnjo, ki se je aprila začela pripravljati na proizvodnjo prvih naprav. Tovarna je zaposlovala že 350 ljudi, od katerih jih je bilo 260 med letom poslanih na študij v Moskovski raziskovalni inštitut-35 (kasneje Raziskovalni inštitut Pulsar) in leningrajsko tovarno Svetlana. In do konca leta 1960 je število zaposlenih doseglo 1900 ljudi. Sprva so bile tehnološke linije v prenovljeni športni dvorani zadružne tehniške šole, laboratoriji OKB pa v nekdanjih učilnicah. Tovarna je proizvedla prve naprave (zlitine difuzije in pretvorbe germanijevih tranzistorjev P-401, P-403, P-601 in P-602, ki jih je razvil NII-35) 9 mesecev po podpisu naročila za njegovo izdelavo, marca 1960. In do konca julija je izdelal prvih tisoč tranzistorjev P-401. Nato je obvladal proizvodnjo številnih drugih tranzistorjev in diod. Junija 1961 je bila končana gradnja posebne stavbe, v kateri se je začela množična proizvodnja polprevodniških naprav.

Od leta 1961 je obrat začel samostojno tehnološko in razvojno delo, vključno z mehanizacijo in avtomatizacijo proizvodnje tranzistorjev na osnovi fotolitografije. V ta namen je bil razvit prvi domači fotografski repetitor (fotožig) - naprava za kombinirano in kontaktno tiskanje fotografij (razvil A. S. Gotman). Veliko pomoč pri financiranju in izdelavi edinstvene opreme so zagotovila podjetja Ministrstva za radijsko industrijo, vključno s KB-1 (kasneje NPO Almaz, Moskva) in NIIRE. Takrat so najbolj aktivni razvijalci majhne radijske opreme, ki niso imeli lastne tehnološke polprevodniške baze, iskali načine za ustvarjalno interakcijo z novonastalimi tovarnami polprevodnikov.

V RZPP je potekalo aktivno delo za avtomatizacijo proizvodnje germanijevih tranzistorjev tipa P401 in P403 na podlagi proizvodne linije Ausma, ki jo je ustvaril obrat. Njegov glavni oblikovalec (GC) A.S. Gottman je predlagal izdelavo tokovnih poti na površini germanija od elektrod tranzistorja do obrobja kristala, da bi olajšali varjenje tranzistorskih vodnikov v ohišju. Najpomembneje pa je, da bi te steze lahko uporabili kot zunanje terminale tranzistorja, ko bi jih sestavili v plošče (ki vsebujejo povezovalne in pasivne elemente) brez embalaže in jih spajkali neposredno na ustrezne kontaktne ploščice (pravzaprav je bila tehnologija za ustvarjanje hibridnih IC-jev predlagano). Predlagana metoda, pri kateri se zdi, da tokovne poti kristala poljubljajo kontaktne ploščice plošče, je prejela prvotno ime - "tehnologija poljubljanja". Toda zaradi številnih tehnoloških težav, ki so se takrat izkazale za nerešljive, predvsem v zvezi s težavami s točnostjo pridobivanja stikov na tiskanem vezju, "tehnologije poljuba" ni bilo mogoče praktično izvesti. Nekaj ​​let kasneje je bila podobna ideja izvedena v ZDA in ZSSR in je našla široko uporabo v tako imenovanih "krogličnih vodilih" in tehnologiji "chip-to-board".

Vendar so strojna podjetja, ki sodelujejo z RZPP, vključno z NIIRE, upala na "tehnologijo poljuba" in načrtovala njeno uporabo. Spomladi 1962, ko je postalo jasno, da je bilo njegovo izvajanje odloženo za nedoločen čas, je glavni inženir NIIRE V.I. Smirnov je direktorja RZPP S.A. Bergmana najti drug način za izvedbo večelementnega vezja 2NOR, univerzalnega za izdelavo digitalnih naprav.

riž. 7. Enakovredno vezje IC R12-2 (1LB021). Iz prospekta IP iz leta 1965.

Prvi IS in GIS Jurija Osokina. Trdna shema R12-2(serija IS 102 in 116 )

Direktor RZPP je to nalogo zaupal mlademu inženirju Juriju Valentinoviču Osokinu. Organizirali smo oddelek, ki ga sestavljajo tehnološki laboratorij, laboratorij za razvoj in proizvodnjo foto mask, merilni laboratorij in pilotna proizvodna linija. Takrat je bila RZPP dobavljena tehnologija za izdelavo germanijevih diod in tranzistorjev, ki je bila osnova za nov razvoj. In že jeseni 1962 so bili pridobljeni prvi prototipi germanijevega polnega vezja 2NOT-OR (ker izraz IS takrat še ni obstajal, bomo iz spoštovanja do takratnih zadev obdržali ime "trdo vezje" - TS), ki je prejel tovarniško oznako "P12-2". Ohranila se je reklamna knjižica iz leta 1965 na P12-2 (slika 6), podatke in ilustracije iz katere bomo uporabili. TS R12-2 je vseboval dva germanijeva p - n - p -tranzistorja (modificirana tranzistorja tipa P401 in P403) s skupno obremenitvijo v obliki porazdeljenega germanijevega p-upora (slika 7).

riž. 8. Struktura IC R12-2. Iz prospekta IP iz leta 1965.

riž. 9. Merska risba vozila R12-2. Iz prospekta IP iz leta 1965.

Zunanji vodi so oblikovani s termokompresijskim varjenjem med germanijevimi območji strukture TC in zlatom svinčenih vodnikov. To zagotavlja stabilno delovanje tokokrogov pod zunanjimi vplivi v pogojih tropske in morske megle, kar je še posebej pomembno za delovanje v mornariških kvazielektronskih avtomatskih telefonskih centralah, ki jih proizvaja tovarna VEF v Rigi, ki se je prav tako zanimala za ta razvoj.

Strukturno je bil R12-2 TS (in poznejši R12-5) izdelan v obliki "tablete" (slika 9) iz okrogle kovinske skodelice s premerom 3 mm in višino 0,8 mm. Vanj so položili TC kristal in ga napolnili s polimerno spojino, iz katere so izhajali kratki zunanji konci vodnikov iz mehke zlate žice premera 50 mikronov, privarjeni na kristal. Masa P12-2 ni presegla 25 mg. Pri tej zasnovi so bila vozila odporna na relativno vlažnost 80 % pri temperaturi okolja 40 °C in na ciklične temperaturne spremembe od -60 °C do 60 °C.

Do konca leta 1962 je pilotna proizvodnja RZPP izdelala približno 5 tisoč vozil R12-2, leta 1963 pa jih je bilo izdelanih več deset tisoč. Tako je leto 1962 postalo leto rojstva mikroelektronske industrije v ZDA in ZSSR.

riž. 10. Skupine TS R12-2

riž. 11. Osnovne električne značilnosti R12-2

Polprevodniška tehnologija je bila takrat v povojih in še ni zagotavljala stroge ponovljivosti parametrov. Zato so bile delujoče naprave razvrščene v skupine parametrov (to se pogosto izvaja v našem času). Prebivalci Rige so storili enako in namestili 8 standardnih ocen vozila R12-2 (slika 10). Vse druge električne in druge lastnosti so enake za vse standardne vrednosti (slika 11).

Proizvodnja TS R12-2 se je začela hkrati z raziskavo in razvojem "trdota", ki se je končala leta 1964 (GK Yu.V. Osokin). V okviru tega dela je bila razvita izboljšana skupinska tehnologija za serijsko proizvodnjo vozil iz germanija, ki temelji na fotolitografiji in galvanskem nanašanju zlitin preko fotomaske. Njegove glavne tehnične rešitve so registrirane kot izum Yu.V. Osokina. in Mikhalovich D.L. (A.S. št. 36845). V tajni reviji Spetsradioelectronics je bilo objavljenih več člankov Yu.V. Osokina v sodelovanju s strokovnjaki KB-1 I.V. Nič, G.G. Smolko in Yu.E. Naumov z opisom zasnove in značilnosti vozila R12-2 (in naslednjega vozila R12-5).

Zasnova P12-2 je bila dobra v vsem, razen v eni stvari - potrošniki niso vedeli, kako uporabljati tako majhne izdelke z najtanjšimi kabli. Strojna podjetja za to praviloma niso imela ne tehnologije ne opreme. V celotnem obdobju proizvodnje R12-2 in R12-5 so njihovo uporabo obvladali NIIRE, Zhigulevsky radijski obrat Ministrstva za radijsko industrijo, VEF, NIIP (od leta 1978 NPO Radiopribor) in nekaj drugih podjetij. Ko so razumeli problem, so razvijalci TS skupaj z NIIRE takoj pomislili na drugo raven oblikovanja, ki je hkrati povečala gostoto postavitve opreme.

riž. 12. Modul 4 vozil R12-2

Leta 1963 je bil na NIIRE v okviru projektiranja in razvoja Kvant (GK A.N. Pelipenko, s sodelovanjem E.M. Lyakhovich) razvit modulski dizajn, ki je združeval štiri vozila R12-2 (slika 12). Od dva do štiri R12-2 TC (v ohišju) smo namestili na mikroploščo iz tankih steklenih vlaken, ki skupaj izvajajo določeno funkcionalna enota. Na ploščo je bilo vtisnjenih do 17 zatičev (število je bilo različno za posamezen modul) dolžine 4 mm. Mikroplošča je bila vstavljena v žigosano kovinsko skodelico velikosti 21,6 ? 6,6 mm in 3,1 mm globoko in polnjeno s polimerno maso. Rezultat je hibridno integrirano vezje (HIC) z dvojnim tesnjenjem elementov. In kot smo že povedali, je bil to prvi GIS na svetu z dvonivojsko integracijo in morda sploh prvi GIS. Razvitih je bilo osem tipov modulov s splošnim imenom "Quantum", ki so opravljali različne logične funkcije. Kot del takšnih modulov so vozila R12-2 ostala operativna, ko so bila izpostavljena stalnim pospeškom do 150 g in vibracijskim obremenitvam v frekvenčnem območju 5–2000 Hz s pospeškom do 15 g.

Moduli Kvant so bili najprej izdelani s pilotno proizvodnjo NIIRE, nato pa so bili preneseni v radijsko tovarno Zhigulevsky Ministrstva za radijsko industrijo ZSSR, ki jih je dobavljalo različnim potrošnikom, vključno z tovarno VEF.

TS R12-2 in moduli "Kvant", ki temeljijo na njih, so se dobro izkazali in se pogosto uporabljajo. Leta 1968 je bil izdan standard, ki je vzpostavil enoten sistem označevanja integriranih vezij v državi, leta 1969 pa splošne tehnične specifikacije za polprevodniške (NP0.073.004TU) in hibridne (NP0.073.003TU) IC z enoten sistem zahteve. V skladu s temi zahtevami je Centralni urad za uporabo integriranih vezij (TsBPIMS, pozneje CDB Dayton, Zelenograd) 6. februarja 1969 odobril nove tehnične specifikacije ShT3.369.001-1TU za vozilo. Istočasno se je pri označevanju izdelka prvič pojavil izraz "integrirano vezje" serije 102. TS R12-2 se je začel imenovati IS: 1LB021V, 1LB021G, 1LB021ZH, 1LB021I. Pravzaprav je bil en IC, razvrščen v štiri skupine glede na izhodno napetost in nosilnost.

riž. 13. IC-ji serije 116 in 117

In 19. septembra 1970 je TsBPIMS odobril tehnične specifikacije AB0.308.014TU za module Kvant, označene kot serija IS 116 (slika 13). Serija je vključevala devet IC: 1ХЛ161, 1ХЛ162 in 1ХЛ163 – večnamenska digitalna vezja; 1LE161 in 1LE162 – dva in štiri logični elementi 2NOR; 1TP161 in 1TP1162 - en in dva sprožilca; 1UP161 – ojačevalnik moči, kot tudi 1LP161 – logični element"prepoved" 4 vhodov in 4 izhodov. Vsak od teh IC je imel od štiri do sedem možnosti zasnove, ki so se razlikovale po napetosti izhodnega signala in nosilnosti, za skupno 58 tipov IC. Dizajni so bili označeni s črko po digitalnem delu oznake IS, na primer 1ХЛ161ж. Kasneje se je obseg modulov razširil. IC serije 116 so bile pravzaprav hibridne, vendar so bile na zahtevo RZPP označene kot polprevodniške (prva številka v oznaki je »1«, hibridne bi morale imeti »2«).

Leta 1972 je bila s skupno odločitvijo Ministrstva za elektronsko industrijo in Ministrstva za radijsko industrijo proizvodnja modulov prenesena iz radijske tovarne Zhigulevsky v RZPP. To je odpravilo možnost transporta IC serije 102 na dolge razdalje, zato so opustili potrebo po tesnjenju matrice vsakega IC. Posledično je bila zasnova IC serij 102 in 116 poenostavljena: ni bilo potrebe po pakiranju IC serije 102 v kovinsko skodelico, napolnjeno s spojino. Nezapakirane IC serije 102 v tehnoloških posodah so bile dostavljene v sosednjo delavnico za montažo IC serije 116, montirane neposredno na njihovo mikroploščo in zaprte v ohišju modula.

Sredi sedemdesetih let je bil izdan nov standard za sistem označevanja IP. Po tem je na primer IS 1LB021V prejel oznako 102LB1V.

Drugi IS in GIS Jurija Osokina. Trdna shema R12-5(serija IS 103 in 117 )

Do začetka leta 1963 je kot rezultat resnega dela na razvoju visokofrekvenčnih n - p - n tranzistorjev ekipa Yu.V. Osokina si je nabral obsežne izkušnje pri delu s p-plastmi na originalni n-germanijevi rezini. To in prisotnost vseh potrebnih tehnoloških komponent je omogočilo Osokinu, da je leta 1963 začel razvijati novo tehnologijo in zasnovo hitrejše različice vozila. Leta 1964 je bil po naročilu NIIRE zaključen razvoj vozila R12-5 in modulov na njegovi osnovi. Na podlagi njegovih rezultatov je bil leta 1965 odprt Palanga R&D (GK Yu.V. Osokin, njegov namestnik - D.L. Mikhalovich, dokončan leta 1966). Moduli na osnovi R12-5 so bili razviti v okviru istega raziskovalno-razvojnega projekta »Kvant« kot moduli na osnovi R12-2. Hkrati s tehničnimi specifikacijami za seriji 102 in 116 sta bili izdani tehnični specifikaciji ShT3.369.002-2TU za IC serije 103 (R12-5) in AV0.308.016TU za IC serije 117 (moduli, ki temeljijo na IC serije 103). odobreno. Nomenklatura tipov in standardnih vrednosti TS R12-2, modulov na njih in IS serije 102 in 116 je bila enaka nomenklaturi TS R12-5 oziroma IS serije 103 oziroma 117. Razlikujeta se le v hitrosti in tehnologiji izdelave kristala IC. Tipičen čas zakasnitve širjenja serije 117 je bil 55 ns v primerjavi z 200 ns za serijo 116.

Strukturno je bil R12-5 TS štirislojna polprevodniška struktura (slika 14), kjer so bili substrat tipa n in oddajniki tipa p + povezani s skupnim ozemljitvenim vodilom. Glavne tehnične rešitve za konstrukcijo vozila R12-5 so registrirane kot izum Yu.V. Osokin, D.L. Mikhalovich. Kaydalova Zh.A in Akmensa Ya.P. (A.S. št. 248847). Pri izdelavi štirislojne strukture TC R12-5 je bilo pomembno znanje in izkušnje oblikovanje p-sloja n-tipa v originalni germanijevi plošči. To smo dosegli z difuzijo cinka v zaprti kvarčni ampuli, kjer se plošče nahajajo pri temperaturi okoli 900 °C, cink pa se nahaja na drugem koncu ampule pri temperaturi okoli 500 °C. Nadaljnja tvorba strukture TS v ustvarjenem p-sloju je podoben P12-2 TS. Nova tehnologija je omogočila, da se izognemo zapleteni obliki kristala TS. Rezine s P12-5 so bile tudi brušene od zadnje strani do debeline približno 150 mikronov, pri čemer so ohranili del originalne rezine, nato pa so bile vrezane v posamezne pravokotne čipe IC.

riž. 14. Struktura kristala TS R12-5 iz AS št. 248847. 1 in 2 – ozemljitev, 3 in 4 – vhodi, 5 – izhod, 6 – moč

Po prvem pozitivne rezultate proizvodnja eksperimentalnih vozil R12-5, po naročilu KB-1 je bil odprt raziskovalni projekt Mezon-2, katerega cilj je ustvariti vozilo s štirimi R12-5. Leta 1965 so bili pridobljeni delovni vzorci v ravnem kovinsko-keramičnem ohišju. Toda izkazalo se je, da je P12-5 težko izdelati, predvsem zaradi težav pri oblikovanju s cinkom dopiranega p-sloja na originalni n-Ge rezini. Izkazalo se je, da je proizvodnja kristala delovno intenzivna, odstotek izkoristka je nizek, stroški vozila pa visoki. Iz istih razlogov je bil R12-5 TC izdelan v majhnih količinah in ni mogel izpodriniti počasnejšega, a tehnološko naprednejšega R12-2. In raziskovalni projekt Mezon-2 se sploh ni nadaljeval, tudi zaradi težav z medsebojno povezavo.

V tem času sta raziskovalni inštitut Pulsar in NIIME že izvajala obsežno delo na razvoju tehnologije planarnega silicija, ki ima številne prednosti pred germanijevo tehnologijo, med katerimi je glavna višja delovna temperaturna cona (+150 °C). za silicij in +70°C za germanij) in prisotnost naravnega silicija zaščitno folijo SiO2. In specializacija RZPP je bila preusmerjena na ustvarjanje analognih IC. Zato so strokovnjaki RZPP menili, da je razvoj tehnologije germanija za proizvodnjo IC neprimeren. Vendar pa v proizvodnji tranzistorjev in diod germanij še nekaj časa ni izgubil svojega položaja. Na oddelku Yu.V. Osokin, po letu 1966 so bili razviti in proizvedeni germanijevi planarni nizkošumni mikrovalovni tranzistorji RZPP GT329, GT341, GT 383 itd.. Njihovo ustvarjanje je bilo nagrajeno z državno nagrado latvijske ZSSR.

Aplikacija

riž. 15. Aritmetična naprava na modulih polnega vezja. Slika iz knjižice TS iz leta 1965.

riž. 16. Primerjalne dimenzije krmilne naprave avtomatske telefonske centrale, izdelane na releju in vozilu. Slika iz knjižice TS iz leta 1965.

Kupci in prvi uporabniki R12-2 TS in modulov so bili ustvarjalci posebnih sistemov: računalnik Gnome (slika 15) za letalski sistem Kupol (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) ter mornariške in civilne avtomatske telefonske centrale. (obrat VEF, GK Misulovin L.Ya.). Aktivno sodeloval v vseh fazah ustvarjanja vozil R12-2, R12-5 in modulov na njih ter KB-1, glavni kustos tega sodelovanja iz KB-1 je bil N.A. Barkanov. Pomagali so pri financiranju, izdelavi opreme ter raziskavah vozil in modulov v različnih režimih in pogojih delovanja.

TS R12-2 in moduli "Kvant", ki temeljijo na njem, so bili prva mikrovezja v državi. In v svetu so bili med prvimi - šele v ZDA sta Texas Instruments in Fairchild Semiconductor začela proizvajati svoje prve polprevodniške IC-je, leta 1964 pa je korporacija IBM začela proizvajati debeloslojne hibridne IC-je za svoje računalnike. V drugih državah o IP še niso razmišljali. Zato so bila integrirana vezja zanimiva za javnost; učinkovitost njihove uporabe je naredila presenetljiv vtis in se je predvajala v oglaševanju. Ohranjena knjižica o vozilu R12-2 iz leta 1965 (na podlagi dejanskih aplikacij) pravi: » Uporaba polprevodniških vezij P12-2 v računalniških napravah na vozilu omogoča zmanjšanje teže in dimenzij teh naprav za 10–20-krat, zmanjšanje porabe energije in povečanje zanesljivosti delovanja. ... Uporaba trdnih vezij P12-2 v krmilnih sistemih in preklapljanje poti prenosa informacij avtomatskih telefonskih central omogoča zmanjšanje glasnosti krmilnih naprav za približno 300-krat, pa tudi znatno zmanjšanje porabe električne energije (30-50 krat)" . Te trditve so ponazorile fotografije aritmetične naprave računalnika Gnome (slika 15) in primerjava relejnega stojala ATS, ki ga je takrat proizvajala tovarna VEF, z majhnim blokom na dlani dekleta (slika 16) . Obstajajo tudi druge številne aplikacije prvih Riga IC.

Proizvodnja

Zdaj je težko obnoviti popolno sliko obsega proizvodnje IC serije 102 in 103 po letih (danes se je RZPP iz velikega obrata spremenil v majhno proizvodnjo in številni arhivi so bili izgubljeni). Toda po spominih Yu.V. Osokin, v drugi polovici šestdesetih let prejšnjega stoletja je proizvodnja znašala več sto tisoč na leto, v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja - milijone. Po njegovih ohranjenih osebnih zapisih so leta 1985 izdelali IC serije 102 - 4.100.000 kosov, module serije 116 - 1.025.000 kosov, IC serije 103 - 700.000 kosov, module serije 117 - 175.000 kosov. .

Konec leta 1989 je Yu.V. Osokin, takrat generalni direktor Alpha Production Association, se je obrnil na vodstvo Vojaško-industrijske komisije pri Svetu ministrov ZSSR (MIC) z zahtevo, da se serije 102, 103, 116 in 117 odstranijo iz proizvodnje zaradi njihove zastarelosti in visoka delovna intenzivnost (v 25 letih mikroelektronika še zdaleč ni napredovala), vendar je prejela kategorično zavrnitev. Namestnik predsednika vojaško-industrijskega kompleksa V.L. Koblov mu je povedal, da letala zanesljivo letijo, zamenjava je izključena. Po razpadu ZSSR so IC serije 102, 103, 116 in 117 izdelovali do sredine devetdesetih let prejšnjega stoletja, torej več kot 30 let. Računalniki Gnome so še vedno nameščeni v navigacijski kabini Il-76 in nekaterih drugih letal. »To je superračunalnik,« se naši piloti ne zmedejo, ko tuji kolegi presenetijo zanimanje za to napravo brez primere.

O prioritetah

Kljub dejstvu, da sta J. Kilby in R. Noyce imela predhodnike, ju svetovna skupnost priznava kot izumitelja integriranega vezja.

R. Kilby in J. Noyce sta preko svojih podjetij vložila prijave za patent za izum integriranega vezja. Texas Instruments je zaprosil za patent že prej, februarja 1959, Fairchild pa je to storil šele julija istega leta. Toda patent številka 2981877 je bil izdan aprila 1961 R. Noyceu. J. Kilby je tožil in šele junija 1964 prejel svoj patent številka 3138743. Potem je bila desetletna vojna o prioritetah, zaradi katere je (v redkih primerih) "zmagalo prijateljstvo." Končno je prizivno sodišče potrdilo Noyceovo trditev o tehnološkem prvenstvu, vendar je odločilo, da je treba J. Kilbyju pripisati zasluge za ustvarjanje prvega delujočega mikrovezja. Texas Instruments in Fairchild Semiconductor sta podpisala sporazum o tehnologijah navzkrižnega licenciranja.

V ZSSR patentiranje izumov avtorjem ni dalo nič drugega kot težave, nepomembno enkratno plačilo in moralno zadovoljstvo, zato veliko izumov sploh ni bilo registriranih. In tudi Osokinu se ni mudilo. Toda za podjetja je bilo število izumov eden od kazalnikov, zato jih je bilo vseeno treba registrirati. Zato sta Yu. Osokina in D. Mikhalovich prejela avtorsko spričevalo ZSSR št. 36845 za izum vozila R12-2 šele 28. junija 1966.

J. Kilby je leta 2000 postal eden od dobitnikov Nobelove nagrade za izum IP. R. Noyce ni dobil svetovnega priznanja, umrl je leta 1990 in po predpisih se Nobelova nagrada ne podeljuje posthumno. Kar pa v tem primeru ni povsem pošteno, saj je vsa mikroelektronika šla po poti, ki jo je začel R. Noyce. Noyceova avtoriteta med strokovnjaki je bila tako visoka, da je dobil celo vzdevek "župan Silicijeve doline", saj je bil takrat najbolj priljubljen med znanstveniki, ki so delali v tem delu Kalifornije, ki je prejel neuradno ime Silicijeva dolina (V. Shockley se je imenoval "Mojzes iz Silicijeve doline"). Toda pot J. Kilbyja ("kosmatega" germanija) se je izkazala za slepo ulico in ni bila izvedena niti v njegovem podjetju. A življenje ni vedno pošteno.

Nobelovo nagrado so prejeli trije znanstveniki. Polovico je prejel 77-letni Jack Kilby, drugo polovico pa sta si razdelila akademik Ruske akademije znanosti Žores Alferov in profesor na kalifornijski univerzi v Santa Barbari, Američan nemškega porekla Herbert Kremer, za » razvoj polprevodniških heterostruktur, ki se uporabljajo v visokohitrostni optoelektroniki.”

Pri ocenjevanju teh del so strokovnjaki ugotovili, da so "integrirana vezja seveda odkritje stoletja, ki je močno vplivalo na družbo in svetovno gospodarstvo." Za pozabljenega J. Kilbyja je bila Nobelova nagrada presenečenje. V intervjuju za revijo Evrofizične novice Priznal je: " Takrat sem razmišljal samo o tem, kaj bi bilo z ekonomskega vidika pomembno za razvoj elektronike. Toda takrat nisem razumel, da bo znižanje stroškov elektronskih izdelkov povzročilo plaz rasti elektronskih tehnologij.«.

In dela Yu. Osokina ne cenijo ne samo Nobelov odbor. Tudi pri nas so pozabljeni, prioriteta države pri ustvarjanju mikroelektronike ni zaščitena. In nedvomno je bil.

V petdesetih letih prejšnjega stoletja je bila ustvarjena materialna osnova za oblikovanje večelementnih izdelkov - integriranih vezij - v enem monolitnem kristalu ali na enem keramičnem substratu. Zato ni presenetljivo, da se je ideja o IP neodvisno pojavila v glavah številnih strokovnjakov skoraj istočasno. In hitrost uresničitve nove ideje je bila odvisna od tehnoloških zmožnosti avtorja in interesa proizvajalca, to je od prisotnosti prvega potrošnika. V tem pogledu se je Yu. Osokin znašel v boljšem položaju kot njegovi ameriški kolegi. Kilby je bil v TI nov, vodstvu podjetja je moral celo dokazati temeljno možnost izvedbe monolitnega vezja z izdelavo njegovega prototipa. Pravzaprav se vloga J. Kilbyja pri ustvarjanju IP zmanjša na prevzgojo vodstva TI in spodbujanje R. Noycea k aktivnemu ukrepanju s svojo postavitvijo. Kilbyjev izum ni šel v množično proizvodnjo. R. Noyce je v svojem mladem in še ne močnem podjetju ustvaril novo planarno tehnologijo, ki je dejansko postala osnova za kasnejšo mikroelektroniko, vendar se ni takoj podredila avtorju. V zvezi z zgoraj navedenim sta morala oba in njuna podjetja porabiti veliko truda in časa, da sta svoje zamisli o izdelavi serijsko izdelanih IC-jev praktično uresničila. Njihovi prvi vzorci so ostali eksperimentalni, druga mikrovezja, ki jih sploh niso razvili, pa so šla v množično proizvodnjo. Za razliko od Kilbyja in Noycea, ki sta bila daleč od proizvodnje, se je tovarnar Yu.Osokin zanašal na industrijsko razvite polprevodniške tehnologije RZPP in je imel zagotovljene potrošnike prvih vozil v obliki pobudnika razvoja NIIRE in bližnje tovarne VEF, ki je pomagal pri tem delu. Iz teh razlogov je prva različica njegovega vozila takoj šla v poskusno proizvodnjo, ki je gladko prešla v množično proizvodnjo, ki se je neprekinjeno nadaljevala več kot 30 let. Tako je Yu. Osokin, ki je začel razvijati TS pozneje kot Kilby in Noyce, (ne vedoč za to konkurenco) hitro ujel z njimi. Poleg tega dela Yu. Osokina nikakor niso povezana z deli Američanov, dokaz tega je absolutna različnost njegovega vozila in rešitev, ki so v njem implementirane iz mikrovezij Kilby in Noyce. Texas Instruments (ni Kilbyjev izum), Fairchild in RZPP so začeli s proizvodnjo svojih IC skoraj istočasno, leta 1962. To daje vso pravico, da štejemo Yu. Osokina za enega od izumiteljev integriranega vezja enako kot R. Noyce in več kot J. Kilby, in pošteno bi bilo deliti del Nobelove nagrade za J. Kilbyja z Yu. Osokin. Kar zadeva izum prvega GIS-a z dvonivojsko integracijo (in morda GIS-a nasploh), je tu prioriteta A. Pelipenko iz NIIRE je popolnoma nesporen.

Na žalost ni bilo mogoče najti vzorcev vozil in naprav na njihovi osnovi, potrebnih za muzeje. Avtor bi bil zelo hvaležen za takšne vzorce ali njihove fotografije.

Integrirano vezje (IC, mikrovezje), čip, mikročip (angleško microchip, silicon chip, chip - tanka plošča - prvotno se je izraz nanašal na ploščo kristala mikrovezja) - mikroelektronska naprava - elektronsko vezje poljubne kompleksnosti (kristal), izdelan na polprevodniškem substratu (rezini ali filmu) in nameščen v neločljivem ohišju ali brez njega, če je vključen v mikrosklop.

Mikroelektronika je najpomembnejši in, kot mnogi verjamejo, najpomembnejši znanstveni in tehnični dosežek našega časa. Lahko ga primerjamo s prelomnicami v zgodovini tehnologije, kot so izum tiska v 16. stoletju, nastanek parnega stroja v 18. stoletju in razvoj elektrotehnike v 19. stoletju. In ko danes govorimo o znanstveni in tehnološki revoluciji, mislimo predvsem na mikroelektroniko. Kot noben drug tehnični dosežek našega časa prežema vsa področja življenja in uresničuje tisto, kar je bilo še včeraj preprosto nepredstavljivo. Da bi se o tem prepričali, je dovolj, da se spomnimo žepnih kalkulatorjev, miniaturnih radijskih sprejemnikov, elektronskih krmilnih naprav v gospodinjskih aparatih, ročnih urah, računalnikih in programirljivih računalnikih. In to je le majhen del njegovega področja uporabe!

Mikroelektronika dolguje svoj nastanek in sam obstoj ustvarjanju novega subminiaturnega elektronskega elementa - integriranega vezja. Pojav teh vezij pravzaprav ni bil nekakšen bistveno nov izum - neposredno je izhajal iz logike razvoja polprevodniških naprav. Sprva, ko so polprevodniški elementi šele prihajali v uporabo, so vsak tranzistor, upor ali diodo uporabljali ločeno, to je, da so ga zaprli v svoje individualno ohišje in vključili v vezje s svojimi posameznimi kontakti. To je bilo storjeno tudi v primerih, ko je bilo treba sestaviti veliko podobnih vezij iz istih elementov.

Postopoma je prišlo do razumevanja, da je bolj smiselno takšnih naprav ne sestavljati iz posameznih elementov, ampak jih takoj izdelati na enem skupnem kristalu, še posebej, ker je polprevodniška elektronika ustvarila vse predpogoje za to. Dejansko so vsi polprevodniški elementi zelo podobni drug drugemu v svoji strukturi, imajo enak princip delovanja in se razlikujejo le v relativnem položaju p-n regij.

te p-n regije, kot se spomnimo, nastanejo z vnosom nečistoč iste vrste v površinsko plast polprevodniškega kristala. Poleg tega je zanesljivo in z vseh vidikov zadovoljivo delovanje velike večine polprevodniških elementov zagotovljeno z debelino površinske delovne plasti tisočink milimetra. Najmanjši tranzistorji običajno uporabljajo samo zgornjo plast polprevodniškega čipa, ki je le 1% njegove debeline. Preostalih 99% deluje kot nosilec ali substrat, saj bi se brez substrata tranzistor preprosto zrušil ob najmanjšem dotiku. Posledično je s tehnologijo, ki se uporablja za izdelavo posameznih elektronskih komponent, mogoče takoj ustvariti celotno vezje več deset, sto ali celo tisoč takih komponent na enem samem čipu.

Koristi od tega bodo ogromne. Prvič, stroški se bodo takoj zmanjšali (stroški mikrovezja so običajno več stokrat nižji od skupnih stroškov vseh elektronskih elementov njegovih komponent). Drugič, takšna naprava bo veliko bolj zanesljiva (kot kažejo izkušnje, tisoče in desettisočkrat), kar je izjemnega pomena, saj se iskanje napake v vezju, sestavljenem iz več deset ali sto tisoč elektronskih komponent, spremeni v izjemno kompleksen problem. Tretjič, zaradi dejstva, da so vsi elektronski elementi integriranega vezja sto in tisočkrat manjši od svojih sorodnikov v običajnem vezju, je njihova poraba energije veliko nižja in njihova zmogljivost veliko večja.

Ključni dogodek, ki je naznanil prihod integracije v elektroniko, je bil predlog ameriškega inženirja J. Kilbyja iz podjetja Texas Instruments, da bi dobili ekvivalentne elemente za celotno vezje, kot so registri, kondenzatorji, tranzistorji in diode, v monolitnem kosu čistega silicija. . Kilby je poleti 1958 ustvaril prvo integrirano polprevodniško vezje. In že leta 1961 je podjetje Fairchild Semiconductor Corporation izdalo prve serijske čipe za računalnike: vezje naključja, register s polovičnim premikom in sprožilec. Istega leta je bila integrirana proizvodnja polprevodnikov logična vezja obvladuje teksaško podjetje.

Naslednje leto so se pojavila integrirana vezja drugih podjetij. IN kratek čas v integralni zasnovi so nastali Različne vrste ojačevalci. Leta 1962 je RCA razvil integrirane pomnilniške matrične čipe za računalniške pomnilniške naprave. Postopoma se je proizvodnja mikrovezij vzpostavila v vseh državah - začela se je doba mikroelektronike.

Izhodiščni material za integrirano vezje je običajno neobdelana rezina čistega silicija. Ima relativno veliko velikost, saj se na njem hkrati proizvaja več sto mikrovezij iste vrste. Prva operacija je, da se pod vplivom kisika pri temperaturi 1000 stopinj na površini te plošče oblikuje plast silicijevega dioksida. Za silicijev oksid je značilna velika kemična in mehanska odpornost in ima lastnosti odličnega dielektrika, ki zagotavlja zanesljivo izolacijo silicija, ki se nahaja pod njim.

Naslednji korak je uvedba nečistoč za ustvarjanje p ali n prevodnih pasov. Da bi to naredili, odstranimo oksidni film s tistih mest na plošči, ki ustrezajo posameznim elektronskim komponentam. Izbira želenih območij poteka s postopkom, imenovanim fotolitografija. Najprej je celotna oksidna plast prevlečena s fotoobčutljivo spojino (fotorezist), ki igra vlogo fotografskega filma – lahko se osvetli in razvije. Nato se skozi posebno fotomasko, ki vsebuje vzorec površine polprevodniškega kristala, plošča osvetli z ultravijoličnimi žarki.

Pod vplivom svetlobe se na oksidni plasti oblikuje ploščat vzorec, pri čemer ostanejo neosvetljeni deli svetli, vsi ostali pa zatemnjeni. Na mestu, kjer je fotoupor izpostavljen svetlobi, nastanejo netopna področja filma, ki so odporna na kislino. Nato rezino obdelamo s topilom, ki odstrani fotorezist z izpostavljenih mest. Z izpostavljenih območij (in samo z njih) se s kislino jedka plast silicijevega oksida.

Posledično se silicijev oksid raztopi na pravih mestih in odprejo se »okna« čistega silicija, pripravljena za vnos nečistoč (ligacija). Da bi to naredili, je površina substrata pri temperaturi 900-1200 stopinj izpostavljena želeni nečistoči, na primer fosforju ali arzenu, da dobimo prevodnost n-tipa. Atomi nečistoč prodrejo globoko v čisti silicij, vendar jih njegov oksid odbija. Po obdelavi rezine z eno vrsto nečistoč se pripravi za ligacijo z drugo vrsto - površina rezine je ponovno prekrita s plastjo oksida, izvede se nova fotolitografija in jedkanje, zaradi česar se pojavijo nova "okna" silicija se odprejo.

Sledi nova ligacija, na primer z borom, da dobimo p-tip prevodnosti. Torej, p in n regije nastanejo na celotni površini kristala na pravih mestih. Izolacijo med posameznimi elementi lahko ustvarimo na več načinov: kot izolacija lahko služi plast silicijevega oksida ali pa na pravih mestih ustvarimo blokado p-n spojev.

Naslednja faza obdelave je povezana z uporabo prevodnih povezav (prevodnih linij) med elementi integriranega vezja, pa tudi med temi elementi in kontakti za povezovanje zunanjih vezij. V ta namen se na podlago naprši tanek sloj aluminija, ki se usede v obliki tankega filma. Podvržen je fotolitografski obdelavi in ​​jedkanju, podobnim zgoraj opisanim. Posledično od celotne kovinske plasti ostanejo le tanke prevodne črte in kontaktne ploščice.

Na koncu se celotna površina polprevodniškega čipa prekrije z zaščitno plastjo (najpogosteje silikatnim steklom), ki se nato odstrani s kontaktnih ploščic. Vsa proizvedena mikrovezja so podvržena najstrožjemu testiranju na kontrolni in preskusni napravi. Okvarjena vezja so označena z rdečo piko. Na koncu je kristal razrezan na posamezne čipne plošče, od katerih je vsaka zaprta v trpežnem ohišju z vodniki za povezavo z zunanjimi vezji.

Kompleksnost integriranega vezja je označena z indikatorjem, ki se imenuje stopnja integracije. Integrirana vezja z več kot 100 elementi imenujemo vezja z nizko integracijo; vezja, ki vsebujejo do 1000 elementov - integrirana vezja s srednjo stopnjo integracije; vezja, ki vsebujejo do deset tisoč elementov, imenujemo velika integrirana vezja. Izdelujejo se že vezja, ki vsebujejo do milijon elementov (imenujejo se ultra velika). Postopno povečevanje integracije je pripeljalo do tega, da sheme vsako leto postajajo vse bolj miniaturne in s tem vse bolj zapletene.

Velika količina elektronske naprave, ki je imel prej velike dimenzije, se zdaj prilega majhni silicijevi rezini. Izjemno pomemben dogodek na tej poti je bila izdelava leta 1971 v ameriškem podjetju Intel enotnega integriranega vezja za izvajanje aritmetičnih in logičnih operacij - mikroprocesorja. To je povzročilo velik preboj mikroelektronike na področje računalniške tehnologije.

Beri in piši uporaben