Історія створення інтегральної плати. Серія мікросхем. функціональний контроль ІВ та тестових схем

Вступ

З моменту появи перших комп'ютерів розробники програм мріяли про апаратуру, призначену для вирішення саме їхнього завдання. Тому вже давно з'явилася ідея створення спеціальних інтегральних схем, які можна заточувати під ефективне виконання конкретного завдання. Тут можна виділити два шляхи розвитку:

• Використання про спеціалізованих замовних інтегральних мікросхем (ASIC - Application Specific Integrated Circuit). Як випливає з назви, такі мікросхеми виконуються виробниками апаратного забезпеченняна замовлення для ефективного виконання деякої конкретної задачі або кола завдань. Вони не мають універсальності, як звичайні мікросхеми, однак у багато разів швидше, іноді на порядки, вирішують поставлені перед ними завдання.
• Створення мікросхем з архітектурою, що реконфігурується. Ідея полягає в тому, що такі мікросхеми надходять до розробника або користувача ПЗ у незапрограмованому стані, і той може реалізувати на них ту архітектуру, яка найбільше йому підходить. Розглянемо докладніше їх процес становлення.

Згодом з'являлася велика кількість різноманітних мікросхем з архітектурою, що реконфігурується (Рис. 1).

Рис.1 Різноманітність мікросхем з архітектурою, що реконфігурується.

Протягом досить довго на ринку існували тільки PLD (Programmable Logic Device) пристрої. У цей клас виділяються пристрої, які реалізують функції, необхідні для вирішення поставлених завдань, у вигляді досконалої диз'юнктивної нормальної форми(досконалої ДНФ). Першими у 1970 році з'явилися ППЗУ-мікросхеми, які відносяться якраз до класу PLD-пристроїв. Кожна схема мала фіксований масив логічних функцій І, приєднаний до програмованого набору логічних функцій АБО. Для прикладу розглянемо ППЗУ з 3 входами (a, b та с) та 3 виходами (w, x та y) (Рис. 2).

Мал. 2. ППЗУ-мікросхема

З допомогою зумовленого масиву І реалізуються всі можливі кон'юнкції над вхідними змінними, які можуть бути довільним чином об'єднані за допомогою АБО елементів. Таким чином, на виході можна реалізувати будь-яку функцію від трьох змінних у вигляді досконалої ДНФ. Наприклад, якщо запрограмувати ті елементи АБО, які обведені в червоний кружок малюнку 2, то виходах вийдуть функції w=a x=(a&b) ; y=(a&b)^c.

Спочатку мікросхеми ППЗУ призначалися зберігання програмних інструкцій і значень констант, тобто. виконання функцій комп'ютерної пам'яті. Однак розробники використовують їх для реалізації простих логічних функцій. Насправді ППЗУ мікросхеми можна використовувати для реалізації будь-якого логічного блоку за умови, що він має невелику кількість входів. Ця умова випливає з того факту, що в ППЗУ мікросхемах жорстко визначено матрицю елементів І - в ній реалізуються всі можливі кон'юнкції від входів, тобто число елементів І дорівнює 2 * 2 n де n - число входів. Зрозуміло, що зі збільшенням числа n розмір масиву зростає дуже швидко.

Наступними в 1975 з'явилися так звані програмовані логічні матриці (ПЛМ). Вони є продовженням ідеї ППЗУ мікросхем - ПЛМ також складаються з І та АБО масивів, проте на відміну від ППЗУ обидва програмовані масиви. Це забезпечує більшу гнучкість таких мікросхем, проте вони ніколи не були поширені з тієї причини, що для пригоди через програмовані зв'язки сигналів потрібно набагато більше часу, ніж при проходженні через їх зумовлені аналоги.

Щоб вирішити проблему швидкості, властиву ПЛМ, наприкінці 1970-х з'явився наступний клас пристроїв, званий програмований масив логіки (PAL - Programmable Array Logic). Подальшим розвитком ідеї PAL-мікросхем стала поява пристроїв GAL (Generic Array Logic) – складніших різновидів PAL з використанням КМОП-транзисторів. Тут використовується ідея, що протилежна ідеї ППЗУ-мікросхем - програмований масив елементів І підключається до зумовленого масиву елементів АБО (Рис. 3).

Мал. 3. Незапрограмований пристрій PAL

Це накладає обмеження за функціональністю, однак у таких пристроях потрібні масиви значно меншого розміру, ніж у ППЗ мікросхемах.

Логічним продовженням простих PLD стала поява так званих складних PLD, що складаються з декількох блоків простих PLD (зазвичай як прості PLD використовуються PAL-пристрої), об'єднаних комутаційною матрицею, що програмується. Крім самих блоків PLD, можна було також запрограмувати зв'язки між ними за допомогою даної комутаційної матриці. Перші складні PLD з'явилися наприкінці 70-х – на початку 80-х років 20 століття, проте основний розвиток цього напряму припав на 1984 рік, коли компанія Altera представила складне PLD, засноване на поєднанні КМОП- та СППЗУ-технологій.

Поява FPGA

На початку 80-х у середовищі цифрових спеціалізованих мікросхем утворився прогалину між основними типами пристроїв. З одного боку, були PLD, які можна програмувати під кожну конкретну задачу і досить легко виготовляти, однак вони не можуть бути використані для реалізації складних функцій. З іншого боку є ASIC, які можуть реалізовувати надзвичайно складні функції, проте мають жорстко фіксовану архітектуру, при цьому їх довго і дорого виготовляти. Потрібно було проміжне ланка, і такою ланкою стали FPGA (Field Programmable Gate Arrays)-пристрої.

FPGA, як і PLD, є програмованими пристроями. Основною важливою відмінністю FPGA від PLD і те, що функції в FPGA реалізуються за допомогою ДНФ, а допомогою програмованих таблиць відповідності (LUT-таблиц). У цих таблицях значення функції задаються з допомогою таблиці істинності, з якої необхідний результат вибирається з допомогою мультиплексора (рис. 4):

Мал. 4. Таблиця відповідності

Кожен FPGA-пристрій складається з програмованих логічних блоків (Configurable Logic Blocks - CLB), які пов'язані між собою з'єднаннями, що також програмуються. Кожен такий блок призначений для програмування певної функції або її частини, проте може бути використаний для інших цілей, наприклад, як пам'ять.

У перших FPGA-пристроях, розроблених в середині 80-х років, логічний блок був влаштований дуже просто і містив одну 3-вхідну LUT-таблицю, один тригер та невелику кількість допоміжних елементів. Сучасні FPGA-пристрої влаштовані набагато складніше: кожен CLB-блок складається з 1-4 "зрізів" (slice), кожен з яких містить кілька LUT-таблиць (зазвичай 6-вхідних), кілька тригерів та великої кількості службових елементів. Ось приклад сучасного "зрізу":

Мал. 5. Влаштування сучасного "зрізу"

Висновок

Оскільки PLD-пристрої не можуть реалізовувати складні функції, вони продовжують використовуватися для реалізації простих функцій портативні пристроїі комунікаціях, у той час як FPGA-пристрою, починаючи від розміру в 1000 вентилів (перша FPGA, розроблена в 1985 році), на Наразіперевищили позначку 10 мільйонів вентилів (родина Virtex-6). Вони активно розвиваються і вже витісняють ASIC-мікросхеми, дозволяючи реалізовувати різні надзвичайно складні функції, при цьому не втрачаючи можливості перепрограмування.

Зараз, навіть більш мене просунуті мобільні телефонине обходяться без мікропроцесора, що вже говорити про планшетні, переносні та настільні. персональних комп'ютерах. Що ж таке мікропроцесор та як розвивалася історія його створення? Якщо говорити зрозумілою мовою, то мікропроцесор – це складніша і багатофункціональна інтегральна схема .

Історія мікросхеми (інтегральної схеми) починається з 1958 рокуКоли співробітник американської фірми Texas Instruments Джек Кілбі винайшов якийсь напівпровідниковий пристрій, що містить в одному корпусі кілька транзисторів, з'єднаних між собою провідниками. Перша мікросхема - прародителька мікропроцесора - містила всього лише 6 транзисторів і являла собою тонку пластину з германію з нанесеними на неї доріжками, виконаними із золота. Розташовано все це було на скляній підкладці. Для порівняння сьогодні рахунок йде на одиниці і навіть десятки мільйонів напівпровідникових елементів.

До 1970 рокудосить багато виробників займалися розробкою та створенням інтегральних схем різної ємності та різної функціональної спрямованості. Але саме цей рік вважатимуться датою народження першого мікропроцесора. Саме цього року фірма Intel створює мікросхему пам'яті ємністю лише 1 Кбіт – мізерно мало для сучасних процесорів, але неймовірно велике для того часу. На той час це було величезне досягнення - мікросхема пам'яті здатна була зберігати до 128 байт інформації - набагато вище за подібні аналоги. Крім цього приблизно водночас японський виробник калькуляторів Busicom замовила тій же Intel 12 мікросхем різної функціональної спрямованості. Фахівцям Intel вдалося реалізувати усі 12 функціональних спрямованостей в одній мікросхемі. Понад те, створена мікросхема виявилася багатофункціональною, оскільки дозволяла програмно змінювати свої функції, не змінюючи у своїй фізичної структури. Мікросхема виконувала певні функції в залежності від поданих на її керуючі висновки команд.

Вже за рік 1971 Intel випускає перший 4-розрядний мікропроцесор під кодовим ім'ям 4004. У порівнянні з першою мікросхемою 6 транзисторів, він містив аж 2,3 тис. напівпровідникових елементів і виконував 60 тис. операцій за секунду. На той час – це був величезний прорив у галузі мікроелектроніки. 4-розрядний означало те, що 4004 міг обробляти відразу 4-бітні дані. Ще за два роки у 1973фірма випускає 8-розрядний процесор 8008, який працював вже з 8-ми бітними даними. Починаючи з 1976 року, Компанія починає розробляти вже 16-розрядну версію мікропроцесора 8086. Саме він почав застосовуватися в перших персональних комп'ютерах IBM і, по суті заклав одну з цеглинок у

Аналогові та цифрові мікросхеми випускаються серіями. Серія - це група мікросхем, що мають єдине конструктивно-технологічне виконання та призначені для спільного застосування. Мікросхеми однієї серії, як правило, мають однакову напругу джерел живлення, узгоджені за вхідними та вихідними опорами, рівнями сигналів.

1. Корпуси

Мікросхеми випускаються у двох конструктивних варіантах – корпусному та безкорпусному.

Корпус мікросхеми - це несуча система і частина конструкції, призначена для захисту від зовнішніх впливів і для електричного з'єднання із зовнішніми ланцюгами за допомогою висновків. Корпуси стандартизовані для спрощення технології виготовлення готових виробів.

Безкорпусна мікросхема - це напівпровідниковий кристал, призначений для монтажу в гібридну мікросхему або мікроскладання (можливий безпосередній монтаж надруковану плату).

1. Специфічні назви

Фірма Intel першою виготовила мікросхему, яка виконувала функції мікропроцесора (англ. microproccessor) – Intel 4004. На базі удосконалених мікропроцесорів 8088 та 8086 фірма IBM випустила свої відомі персональні комп'ютери)

Мікропроцесор формує ядро ​​обчислювальної машини, додаткові функції типу зв'язку з периферією виконувались за допомогою спеціально розроблених наборів мікросхем (чіпсет). Для перших ЕОМ число мікросхем в наборах обчислювалося десятками та сотнями, сучасних системахце набір із однієї-двох-трьох мікросхем. Останнім часом спостерігаються тенденції поступового перенесення функцій чіпсету (контролер пам'яті, контролер шини PSI Express) процесор.

Мікропроцесори з вбудованими ОЗП та ПЗП, контролерами пам'яті та введення-виведення, а також іншими додатковими функціями називають мікроконтролерами.

1. Правовий захист

Законодавство Росії надає правову охорону топологіям інтегральних мікросхем. Топологією інтегральної мікросхемиє зафіксоване на матеріальному носії просторово-геометричне розташування сукупності елементів інтегральної мікросхеми та зв'язків між ними (ст. 1448 ЦК України).

Виняткове декларація про топологію діє протягом десяти років. Правовласник протягом цього терміну може за своїм бажанням зареєструвати топологію у Федеральній службі з інтелектуальної власності, патентів та товарних знаків.

1. Історія створення

7 травня 1952 року британський радіотехнік Джеффрі Даммер вперше висунув ідею інтеграції безлічі стандартних електронних компонентів у монолітному кристалі напівпровідника, а через рік Харвік Джонсон подав першу в історії патентну заявку на прототип інтегральної схеми (ІС). Реалізація цих пропозицій у роки не могла відбутися через недостатнього розвитку технологій.

Наприкінці 1958 року й у першій половині 1959 року у напівпровідникової промисловості відбувся прорив. Три особи, які представляли три приватні американські корпорації, вирішили три фундаментальні проблеми, які перешкоджали створенню інтегральних схем. Джек Кілбі з Texas Instruments запатентував принцип інтеграції, створив перші, недосконалі, прототипи ІВ та довів їх до серійного випуску. Курт Леговец із Sprague Electric Company винайшов спосіб електричної ізоляції компонентів, сформованих на одному кристалі напівпровідника (ізоляцію p-n-переходом). Роберт Нойс із Fairchild Semiconductor винайшов спосіб електричного з'єднання компонентів ІС (металізацію алюмінієм) і запропонував удосконалений варіант ізоляції компонентів на базі новітньої планарної технології Жана Ерні. 27 вересня 1960 року група Джея Ласта створила на Fairchild Semiconductor першу працездатну. напівпровідниковуІС за ідеями Нойса та Ерні. Texas Instruments, яка володіла патентом на винахід Кілбі, розв'язала проти конкурентів патентну війну, що завершилася в 1966 мировою угодою про перехресне ліцензування технологій.

Ранні логічні ІС згаданих серій будувалися буквально з стандартнихкомпонентів, розміри та конфігурації яких були задані технологічним процесом. Схемотехніки, що проектували логічні ІВ конкретного сімейства, оперували одними і тими ж типовими діодами та транзисторами. У 1961-1962 парадигму проектування зламав провідний розробник Sylvania Том Лонго, вперше використавши в одній ІС різніЗміни транзисторів залежно від своїх функцій у схемі. Наприкінці 1962 року Sylvania випустила у продаж перше сімейство розробленої Лонго транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ) - історично перший тип інтегральної логіки, який зумів надовго закріпитися на ринку. В аналоговій схемотехніці прорив такого рівня зробив у 1964-1965 роках розробник операційних підсилювачів Fairchild Боб Відлар.

Перша в СРСР напівпровідникова інтегральна мікросхема була створена на основі планарної технології, розробленої на початку 1960 в НДІ-35 (потім перейменований в НДІ «Пульсар») колективом, який надалі був переведений в НДІМЕ («Мікрон»). Створення першої вітчизняної кремнієвої інтегральної схеми було сконцентровано на розробці та виробництві з військовою приймальною серією інтегральних кремнієвих схем ТС-100 (37 елементів - еквівалент схемотехнічної складності тригера, аналога американських ІС серії SN-51 фірми Texas Instruments). Зразки-прототипи та виробничі зразки кремнієвих інтегральних схем для відтворення були отримані із США. Роботи проводилися в НДІ-35 (директор Трутко) та Фрязінським напівпровідниковим заводом (директор Колмогоров) на оборонне замовлення для використання в автономному висотомірі системи наведення балістичної ракети. Розробка включала шість типових інтегральних кремнієвих планарних схем серії ТС-100 та з організацією дослідного виробництва зайняла у НДІ-35 три роки (з 1962 по 1965 рік). Ще два роки пішло на освоєння заводського виробництва з військовим прийманням у Фрязіно (1967 рік)

Перші інтегральні схеми

50-річчю офіційної дати присвячується

Б. Малашевич

12 вересня 1958 року співробітник фірми Texas Instruments (TI) Джек Кілбі продемонстрував керівництву три дивні прилади - склеєні бджолиним воском на скляній підкладці пристрою з двох шматочків кремнію розміром 11,1-1,6 мм (рис.1). Це були об'ємні макети – прототипи інтегральної схеми (ІС) генератора, що доводять можливість виготовлення всіх елементів схеми з урахуванням одного напівпровідникового матеріалу. Ця дата відзначається історія електроніки як день народження інтегральних схем. Але чи це так?

Мал. 1. Макет першої ІС Дж. Кілбі. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

До кінця 1950-х років технологія збирання радіоелектронної апаратури (РЕА) з дискретних елементів вичерпала свої можливості. Світ прийшов до найгострішої кризи РЕА, були потрібні радикальні заходи. До цього моменту у США та СРСР вже були промислово освоєні інтегральні технології виробництва, як напівпровідникових приладів, так і товстоплівкових та тонкоплівкових керамічних плат, тобто дозріли передумови для виходу з цієї кризи шляхом створення багатоелементних стандартних виробів – інтегральних схем.

До інтегральних схем (мікросхем, ІВ) відносяться електронні пристрої різної складності, в яких всі однотипні елементи виготовляються одночасно в єдиному технологічному циклі, тобто. за інтегральною технологією. На відміну від друкованих плат (у яких у єдиному циклі за інтегральною технологією одночасно виготовляються всі з'єднувальні провідники) в ІВ аналогічно формуються і резистори, і конденсатори, і (у напівпровідникових ІВ) діоди та транзистори. Крім того, одночасно виготовляється багато ІС, від десятків до тисяч.

ІС розробляються та випускаються промисловістю у вигляді серій, що поєднує ряд мікросхем різного функціонального призначення, призначених для спільного застосування в електронній апаратурі. ІС серії мають стандартне конструктивне виконання та єдину систему електричних та інших характеристик. ІВ поставляються виробником різним споживачам як самостійна товарна продукція, яка задовольняє певну систему стандартизованих вимог. ІВ відносяться до виробів, що не ремонтуються, при ремонті РЕА вийшли з ладу ІВ замінюються.

Розрізняють дві основні групи ІВ: гібридні та напівпровідникові.

У гібридних ІВ (ГІС) на поверхні підкладки мікросхеми (як правило, з кераміки) за інтегральною технологією формуються всі провідники та пасивні елементи. Активні елементи у вигляді безкорпусних діодів, транзисторів та кристалів напівпровідникових ІВ встановлюються на підкладку індивідуально, вручну або автоматами.

У напівпровідникових ІС сполучні, пасивні та активні елементи формуються в єдиному технологічному циклі на поверхні напівпровідникового матеріалу (зазвичай кремнію) з частковим вторгненням у його обсяг методами дифузії. Одночасно на одній пластині напівпровідника, залежно від складності пристрою та розмірів його кристала та пластини, виготовляється від кількох десятків до кількох тисяч ІС. Промисловість напівпровідникові ІВ випускає у стандартних корпусах, у вигляді окремих кристалів або у вигляді нерозділених пластин.

Явище світу гібридних (ГІС) та напівпровідникових ІВ відбувалося по-різному. ГІС є продуктом еволюційного розвитку мікромодулів та технології монтажу на керамічних платах. Тому з'явилися вони непомітно, загальноприйнятої дати народження ГІС та загальновизнаного автора не існує. Напівпровідникові ІВ були природним і неминучим результатом розвитку напівпровідникової техніки, але вимагали генерації нових ідей та створення нової технології, які мають і свої дати народження, і свої автори. Перші гібридні та напівпровідникові ІС з'явилися в СРСР та США майже одночасно і незалежно один від одного.

Перші гібридні ІВ

До гібридних належать ІВ, у виробництві яких поєднується інтегральна технологія виготовлення пасивних елементів з індивідуальною (ручною або автоматизованою) технологією встановлення та монтажу активних елементів.

Ще наприкінці 1940-х років у фірмі Centralab у США були розроблені основні принципи виготовлення товстоплівкових друкованих плат на керамічній основі, потім розвинені іншими фірмами. В основу було покладено технології виготовлення друкованих плат та керамічних конденсаторів. Від друкованих плат взяли інтегральну технологію формування топології провідників – шовкографію. Від конденсаторів – матеріал підкладки (кераміка, частіше ситал), а також матеріали паст та термічну технологію їх закріплення на підкладці.

А на початку 1950-х років у фірмі RCA винайшли тонкоплівкову технологію: розпорошуючи у вакуумі різні матеріали та осаджуючи їх через маску на спеціальні підкладки, навчилися на єдиній керамічній підкладці одночасно виготовляти безліч мініатюрних плівкових з'єднувальних провідників, резисторів та конденс.

Порівняно з товстоплівковою, тонкоплівкова технологія забезпечувала можливість більш точного виготовлення елементів топології менших розмірів, але вимагала складнішого та дорогого обладнання. Пристрої, що виготовляються на керамічних платах за товстоплівковою або тонкоплівковою технологією, отримали назву "гібридні схеми". Гібридні схеми випускалися як комплектуючі вироби власного виробництва, їх конструкція, розміри, функціональне призначення у кожного виробника були свої, на вільний ринок вони не потрапляли, тому мало відомі.

Вторглися гібридні схеми і мікромодулі. Спочатку в них застосовувалися дискретні пасивні та активні мініатюрні елементи, об'єднані традиційним друкованим монтажем. Технологія збирання була складною, з величезною часткою ручної праці. Тому мікромодулі були дуже дорогими, їх застосування було обмежено бортовою апаратурою. Потім застосували товстоплівкові мініатюрні керамічні хустки. Далі за товстоплівковою технологією почали виготовляти резистори. Але діоди та транзистори використовувалися ще дискретні, індивідуально корпусовані.

Гібридною інтегральною схемою мікромодуль став у той момент, коли в ньому застосували безкорпусні транзистори та діоди та герметизували конструкцію у загальному корпусі. Це дозволило значно автоматизувати процес їх складання, різко знизити ціни та розширити сферу застосування. За методом формування пасивних елементів розрізняють товстоплівкові та тонкоплівкові ГІС.

Перші ГІС у СРСР

Перші ГІС (модулі типу “Квант” пізніше одержали позначення ІВ серії 116) у СРСР розробили 1963 р. в НДІРЕ (пізніше НВО “Ленінец”, Ленінград) й у тому року його дослідний завод почав їх серійне виробництво. У цих ГІС як активні елементи використовувалися напівпровідникові ІС “Р12-2”, розроблені в 1962 р. Ризьким заводом напівпровідникових приладів. У зв'язку з нерозривністю історій створення цих ІВ та його характеристик, ми розглянемо їх у розділі, присвяченому Р12-2.

Безперечно, модулі “Квант” були першими у світі ГІС із дворівневою інтеграцією – як активні елементи в них використовувалися не дискретні безкорпусні транзистори, а напівпровідникові ІС. Цілком імовірно, що вони взагалі були і першими у світі ГІС – конструктивно та функціонально закінченими багатоелементними виробами, які постачаються споживачеві як самостійна товарна продукція. Найбільш раннім з виявлених автором зарубіжних подібних виробів є нижче описані SLT-модулі корпорації IBM, але вони були анонсовані наступного, 1964 року.

Перші ГІС у США

Поява товстоплівкових ГІС, як основної елементної бази нової ЕОМ IBM System / 360, вперше було анонсовано корпорації IBM в 1964 р. Схоже, що це було перше застосування ГІС за межами СРСР, раніше прикладів автору виявити не вдалося.

Вже відомі на той час у колах фахівців напівпровідникові ІС серій "Micrologic" фірми Fairchild і "SN-51" фірми TI (про них ми скажемо нижче) були ще недоступні рідкісні і недозволено дороги для комерційного застосування, яким була побудова великої ЕОМ. Тому корпорація IBM, взявши за основу конструкцію плоского мікромодуля, розробила свою серію товстоплівкових ГІС, анонсовану під загальною назвою (на відміну від "мікромодулів") - "SLT-модулі" (Solid Logic Technology - технологія цілісної логіки. Зазвичай слово "s перекладають російську мову як "твердий", що абсолютно нелогічно. Дійсно, термін "SLT-модулі" був введений IBM як протиставлення терміну "мікромодуль" і повинен відображати їхню відмінність. Але обидва модулі "тверді", тобто цей переклад не У слова "solid" є й інші значення - "суцільний", "цілий", які вдало підкреслюють відмінність "SLT-модулів" і "мікромодулів" - SLT-модулі неподільні, неремонтопридатні, тобто "цілі". ми й використовували не загальноприйнятий переклад російською мовою: Solid Logic Technology – технологія цілісної логіки).

SLT-модуль являв собою квадратну керамічну товстоплівну мікрохустку напівдюймового розміру з впресованими вертикальними штиревими висновками. На її поверхню методом шовкографії наносилися (відповідно до схеми реалізованого пристрою) сполучні провідники та резистори, і встановлювалися безкорпусні транзистори. Конденсатори, за потреби, встановлювалися поруч із SLT-модулем на платі пристрою. При зовнішній майже ідентичності (мікромодулі трохи вище, рис. 2.) SLT-модулі від плоских мікромодулів відрізнялися більш високою щільністю компонування елементів, низьким енергоспоживанням, високою швидкодією та високою надійністю. Крім того, SLT-технологія досить легко автоматизувалася, отже їх можна було випускати у величезних кількостях за досить низької для застосування у комерційній апаратурі вартості. Саме це IBM і було потрібне. Фірма побудувала для виробництва SLT-модулів автоматизований завод у East Fishkill поблизу Нью-Йорка, який випускав їх мільйонними тиражами.

Мал. 2. Мікромодуль СРСР та SLT-модуль ф. IBM. Фото STL із сайту http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

Після IBM ГІС почали випускати й інші фірми, котрим ГІС стала товарної продукцією. Типова конструкція плоских мікромодулів та SLT-модулів корпорації IBM стала одним із стандартів для гібридних ІС.

Перші напівпровідникові ІВ

До кінця 1950-х років промисловість мала всі можливості для дешевих елементів електронної апаратури. Але якщо транзистори чи діоди виготовлялися з германію та кремнію, то резистори та конденсатори робили з інших матеріалів. Багато хто тоді вважав, що при створенні гібридних схем не буде проблем у складанні цих елементів, виготовлених окремо. А якщо вдасться виготовити всі елементи типового розміру та форми і тим самим автоматизувати процес складання, вартість апаратури буде значно знижена. На підставі таких міркувань прихильники гібридної технології розглядали її як генеральний напрямок розвитку мікроелектроніки.

Але не всі поділяли цю думку. Справа в тому, що вже створені на той період меза-транзистори і, особливо, планарні транзистори, були пристосовані для групової обробки, при якій ряд операцій з виготовлення багатьох транзистори на одній пластині-підкладці здійснювалися одночасно. Т. е. на одній напівпровідниковій пластині виготовлялося відразу безліч транзисторів. Потім пластина розрізалася окремі транзистори, які розміщувалися в індивідуальні корпуси. А потім виробник апаратури об'єднував транзистори на одній друкованій платі. Знайшлися люди, яким такий підхід видався безглуздим – навіщо роз'єднувати транзистори, а потім знову об'єднувати їх. Чи не можна їх об'єднати одразу на напівпровідниковій пластині? При цьому позбавитися кількох складних і дорогих операцій! Ці люди і вигадали напівпровідникові ІС.

Ідея гранично проста та цілком очевидна. Але, як часто буває, лише після того, як хтось першим її оголосив та довів. Саме довів, просто оголосити часто, як і в цьому випадку, буває недостатньо. Ідею ІВ було оголошено ще 1952 р., до появи групових методів виготовлення напівпровідникових приладів. на щорічної конференціїза електронними компонентами, що проходила у Вашингтоні, співробітник Британського королівського управління радіолокації в Малверні Джеффрі Даммер представив доповідь про надійність елементів радіолокаційної апаратури. У доповіді він зробив пророче твердження: “ З появою транзистора та робіт у галузі напівпровідникової техніки взагалі можна собі уявити електронне обладнання у вигляді твердого блоку, що не містить з'єднувальних проводів. Блок може складатися з шарів ізолюючих, провідних, випрямляючих та посилюючих матеріалів, в яких певні ділянки вирізані таким чином, щоб вони могли виконувати електричні функції безпосередньо”.. Але цей прогноз залишився фахівцями непоміченим. Згадали про нього лише після появи перших напівпровідникових ІВ, тобто після практичного доказу давно оголошеної ідеї. Хтось мав першим знову сформулювати та реалізувати ідею напівпровідникової ІВ.

Як і у випадку з транзистором, у загальновизнаних творців напівпровідникових ІС були більш менш удачливі попередники. Спробу реалізувати свою ідею 1956 р. зробив сам Даммер, але зазнав невдачі. У 1953 р. Харвік Джонсон з фірми RCA отримав патент на однокристальний генератор, а в 1958 р. спільно з Торкелом Валлмарк анонсував концепцію "напівпровідникового інтегрального пристрою". У 1956 році співробітник фірми Bell Labs Росс виготовив схему двійкового лічильника основі n-p-n-pструктур у єдиному монокристалі. У 1957 р. Ясуро Тару з японської фірми MITI отримав патент на з'єднання різних транзисторів одному кристалі. Але всі ці та інші подібні до них розробки мали приватний характер, не були доведені до виробництва і не стали основою для розвитку інтегральної електроніки. Розвитку ІВ у промисловому виробництві сприяли лише три проекти.

Удачливими виявилися вже згаданий Джек Кілбі з Texas Instruments (TI), Роберт Нойс із Fairchild (обидва зі США) та Юрій Валентинович Осокін із КБ Ризького заводу напівпровідникових приладів (СРСР). Американці створили експериментальні зразки інтегральних схем: Дж. Кілбі – макет ІС генератора (1958 р.), та був тригер на меза-транзисторах (1961 р.), Р. Нойс – тригер з планарної технології (1961 р.), а Ю. Осокін – одразу пішла у серійне виробництво логічну ІВ “2НЕ-АБО” на Німеччині (1962 р.). Серійне виробництво ІВ ці фірми розпочали майже одночасно, у 1962 р.

Перші напівпровідникові ІС у США

ІС Джека Кілбі. Серія ІВ “ SN - 51”

У 1958 році Дж. Кілбі (піонер застосування транзисторів у слухових апаратах) перейшов у фірму Texas Instruments. Новачка Кілбі, як схемотехніка, "кинули" на вдосконалення мікромодульної начинки ракет шляхом створення альтернативи мікромодулям. Розглядався варіант збирання блоків із деталей стандартної форми, Подібний до збирання іграшкових моделей з фігурок LEGO. Однак Кілбі захопило інше. Вирішальну роль зіграв ефект "свіжого погляду": по-перше, він відразу констатував, що мікромодулі - глухий кут, а по-друге, налюбувавшись меза-структурами, прийшов до думки, що схему потрібно (і можна) реалізувати з одного матеріалу - напівпровідника. Кілбі знав про ідею Даммера та її невдалої спробі її у 1956 р. Проаналізувавши, він зрозумів причину невдачі і знайшов спосіб її подолання. “ Моя заслуга в тому, що взявши цю ідею, я перетворив її на реальність” , сказав Дж. Кілбі пізніше у своїй нобелівській промові.

Не заробивши ще права на відпустку, він працював безперешкодно в лабораторії, поки всі відпочивали. 24 липня 1958 року Кілбі сформулював у лабораторному журналі концепцію, що отримала назву "Ідея моноліту" (Monolithic Idea). Її суть полягала в тому, що”. ..елементи схеми, такі як резистори, конденсатори, розподілені конденсатори і транзистори, можуть бути інтегровані в одну мікросхему - за умови, що вони будуть виконані з одного матеріалу... У конструкції тригерної схеми всі елементи повинні виготовлятися з кремнію, причому резистори будуть використовувати об'ємний опір кремнію, а конденсатори - ємності p-n-переходів”. "Ідея моноліту" зустріла поблажливо-іронічне ставлення з боку керівництва Texas Instruments, яке вимагало доказів можливості виготовлення транзисторів, резисторів і конденсаторів із напівпровідника та працездатності зібраної з таких елементів схеми.

У вересні 1958 р. Кілбі реалізував свою ідею - зробив генератор зі склеєних бджолиним воском на скляній підкладці двох шматочків германію розміром 11,1 х 1,6 мм, що містять дифузійні ділянки двох типів (рис. 1). Ці області і контакти він використовував для створення схеми генератора, з'єднуючи елементи тонкими золотими дротиками діаметром 100 мкм шляхом термокомпресійного зварювання. З однієї області створювався мезатранзистор, з іншого – RC-ланцюжок. Зібрані три генератори були продемонстровані керівництву компанії. При підключенні живлення вони заробили на частоті 13 МГц. Це сталося 12 вересня 1958 року. За тиждень аналогічним чином Кілбі виготовив підсилювач. Але це ще були інтегральні структури, це були об'ємні макети напівпровідникових ІВ, що доводять ідею виготовлення всіх елементів схеми з одного матеріалу – напівпровідника.

Мал. 3. Тригер Type 502 Дж. Кілбі. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Першою дійсно інтегральною схемою Кілбі, виконаною в одному шматочку монолітного германію, виявилася експериментальна ІС тригера "Type 502" (рис. 3). У ній були використані об'ємний опір германію, і ємність p-n-переходу. Її презентація відбулася у березні 1959 року. Невелика кількість таких ІС була виготовлена ​​у лабораторних умовах і продавалася у вузькому колі за ціною 450 $. ІС містила шість елементів: чотири меза-транзистори і два резистори, розміщені на кремнієвій пластині діаметром 1 см. Але ІС Кілбі мала серйозний недолік - меза-транзистори, які у вигляді мікроскопічних "активних" стовпчиків височіли над іншою, "пасивною" частиною. З'єднання меза-стовпчиків один з одним в ІС Кілбі здійснювалося розварюванням тонких золотих зволікань - ненависна всім "волосата технологія". Стало ясно, що при таких міжз'єднаннях мікросхему з великою кількістю елементів не зробити – дротяне павутиння розірветься або перезамкнеться. Та й германій тоді вже розглядався як матеріал не перспективний. Прорив не відбувся.

На цей час у фірмі Fairchild була розроблена планарна кремнієва технологія. Враховуючи все це, Texas Instruments довелося відкласти все зроблене Кілбі набік і приступити, вже без Кілбі, до розробки серії ІС на основі кремнієвої планарної технології. У жовтні 1961 р. фірма анонсувала створення серії ІВ типу SN-51, а з 1962 р. розпочала їх серійне виробництво та постачання на користь Міноборони США та НАСА.

ІС Роберта Нойса. Серія ІВ “Micrologic”

У 1957 р. з низки причин від У. Шоклі, винахідника площинного транзистора, пішла група у вісім молодих інженерів, які хотіли спробувати реалізувати власні ідеї. "Вісімка зрадників", як їх називав Шоклі, лідерами яких були Р. Нойс і Г. Мур, заснувала фірму Fairchild Semiconductor ("прекрасне дитя"). Очолив фірму Роберт Нойс, тоді йому було 23 роки.

Наприкінці 1958 року фізик Д. Хорні, який працював у компанії Fairchild Semiconductor, розробив планарну технологію виготовлення транзисторів. А фізик чеського походження Курт Леховек, який працював у Sprague Electric, розробив техніку використання обернено включеного n-p переходу для електричної ізоляції компонентів. В 1959 Роберт Нойс, почувши про макет ІС Кілбі, вирішив спробувати створити інтегральну схему, комбінуючи процеси, запропоновані Хорні і Леховеком. А замість "волосатої технології" міжз'єднань Нойс запропонував вибіркове напилення тонкого шару металу поверх ізольованих двоокисом кремнію напівпровідникових структур із підключенням до контактів елементів через отвори, залишені в ізолюючому шарі. Це дозволило “занурити” активні елементи в тіло напівпровідника, ізолювавши їх оксидом кремнію, а потім з'єднати ці елементи напиленими доріжками алюмінію або золота, які створюються за допомогою процесів фотолітографії, металізації та травлення на останній стадії виготовлення виробу. Таким чином, було отримано дійсно "монолітний" варіант об'єднання компонентів у єдину схему, а нова технологія отримала назву "планарної". Але спершу треба було ідею перевірити.

Мал. 4. Експериментальний тригер Р. Нойс. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Мал. 5. Фотографія ІС Micrologic у журналі Life. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Торішнього серпня 1959 р. Р. Нойс доручив Джою Ласту опрацювати варіант ІС на планарної технології. Спочатку, як і Кілбі, виготовили макет тригера на кількох кристалах кремнію, на яких було зроблено 4 транзистори та 5 резисторів. Потім 26 травня 1960 виготовили перший однокристальний тригер. Для ізоляції елементів у ньому з зворотного бокукремнієвої пластини протруювали глибокі канавки, що заповнюються епоксидною смолою. 27 вересня 1960 виготовили третій варіант тригера (рис. 4), в якому елементи ізолювалися назад включеним p - n переходом.

Фірма Fairchild Semiconductor досі займалася лише транзисторами, схемотехніків для створення напівпровідникових ІС у неї не було. Тому як розробник схем був запрошений Роберт Норман із фірми Sperry Gyroscope. Норман був знайомий з резисторно-транзисторною логікою, яку фірма з його подачі і вибрала як основу своєї майбутньої серії ІС Microlog, що знайшла своє перше застосування в апаратурі ракети Мінітмен. У березні 1961 р. Fairchild анонсувала першу дослідну ІС цієї серії (F-тригер, що містить шість елементів: чотири біполярні транзистори і два резистори, розміщені на пластині діаметром 1 см.) з опублікуванням її фотографії (рис. 5) в журналі Life(Від 10 березня 1961 р.). Ще 5 ІС було анонсовано у жовтні. А з початку 1962 р. Fairchild розгорнула серійне виробництво ІВ та постачання їх також на користь Міноборони США та НАСА.

Кілбі і Нойсу довелося вислухати чимало критичних зауважень щодо своїх новацій. Вважалося, що практичний вихід придатних інтегральних схем буде дуже низьким. Зрозуміло, що він має бути нижчим, ніж у транзисторів (оскільки містить кілька транзисторів), у яких він тоді був не вищим за 15%. По-друге, багато хто вважав, що в інтегральних схемах використовуються невідповідні матеріали, оскільки резистори та конденсатори робилися тоді аж ніяк не з напівпровідників. По-третє, багато хто не міг сприйняти думку про неремонтопридатність ІС. Їм здавалося блюзнірським викидати виріб, в якому вийшов з ладу лише один із багатьох елементів. Всі сумніви поступово були відкинуті, коли інтегральні схеми були успішно використані у військових та космічних програмах США.

Один із засновників фірми Fairchild Semiconductor Г. Мур сформулював основний закон розвитку кремнієвої мікроелектроніки, згідно з яким кількість транзисторів у кристалі інтегральної схеми подвоювалася щороку. Цей закон, названий “закон Мура”, досить чітко діяв протягом 15 років (починаючи з 1959 р.), та був таке подвоєння відбувалося приблизно півтора року.

Далі промисловість ІВ США почала розвиватися стрімкими темпами. У почався лавиноподібний процес виникнення підприємств, орієнтованих виключно “під планар”, іноді доходило до того, що реєструвалися по десятку фірм на тиждень. Прагнучи до ветеранів (фірм У. Шоклі та Р. Нойса), а також завдяки податковим пільгам і сервісу, що надається Стенфордським університетом, “новачки” купкувались головним чином у долині Санта-Клара (Каліфорнія). Тому не дивно, що в 1971 р. у побут з легкої руки журналіста-популяризатора технічних новинок Дона Хофлера в обіг увійшов романтично-техногенний образ "Кремнієвої долини" (Silicon Valley), який назавжди став синонімом Мекки напівпровідникової технологічної революції. До речі, в тій місцевості дійсно є долина, що славилася раніше численними абрикосовими, вишневими і сливовими садами, мала до появи в ній фірми Шоклі іншу, приємнішу назву – Долина серцевого задоволення (the Valley of Heart's Delight), нині, на жаль, майже забуте.

У 1962 рік у США почалося серійне виробництво інтегральних схем, хоча їх обсяг поставок замовникам і становив лише кілька тисяч. Найсильнішим стимулом для розвитку приладобудівної та електронної промисловості на новій основі стала ракетно-космічна техніка. США тоді не мали таких потужних міжконтинентальних балістичних ракет, як радянські, і збільшення заряду змушені були піти на максимальне скорочення маси носія, зокрема систем управління, рахунок впровадження останніх досягнень електронної технології. Фірми Texas Instrument та Fairchild Semiconductor уклали великі контракти на розробку та виготовлення інтегральних схем з міністерством оборони США та НАСА.

Перші напівпровідникові ІС у СРСР

До кінця 1950-х років радянська промисловість потребувала напівпровідникових діодів і транзисторів настільки, що були потрібні радикальні заходи. У 1959 році були засновані заводи напівпровідникових приладів в Олександрові, Брянську, Воронежі, Ризі та ін. Єревані, Нальчик та інших містах.

Нас цікавитиме один із нових заводів – вище згаданий Ризький завод напівпровідникових приладів (РЗПП, він кілька разів змінював свої назви, для простоти ми використовуємо найбільш відоме, чинне й нині). Як стартовий майданчик новому заводу виділили будівлю кооперативного технікуму площею 5300 м 2 , одночасно почалося будівництво спеціальної будівлі. До лютого 1960 року на заводі було вже створено 32 служби, 11 лабораторій та дослідне виробництво, що розпочалося у квітні до підготовки виробництва перших приладів. На заводі вже працювало 350 осіб, 260 з яких протягом року прямували на навчання до московського НДІ-35 (пізніше НДІ “Пульсар”) та на ленінградський завод “Світлана”. А до кінця 1960 року чисельність працюючих досягла 1900 чоловік. Спочатку технологічні лінії розміщувалися у перебудованому спортивному залі корпусу кооперативного технікуму, а лабораторії ОКБ – у колишніх навчальних аудиторіях. Перші прилади (сплавно-дифузійні та конверсійні германієві транзистори П-401, П-403, П-601 та П-602 розробки НДІ-35) завод випустив через 9 місяців після підписання наказу про його створення у березні 1960 року. А до кінця липня виготовив першу тисячу транзисторів П-401. Потім освоїв у виробництві багато інших транзистори та діоди. У червні 1961 року завершилося будівництво спеціального корпусу, де розпочалося масове виробництво напівпровідникових приладів.

З 1961 року завод розпочав самостійні технологічні та дослідно-конструкторські роботи, у тому числі – з механізації та автоматизації виробництва транзисторів на основі фотолітографії. Для цього було розроблено перший вітчизняний фотоповторник (фотоштамп) – встановлення суміщення та контактного фотодруку (розробник А.С. Готман). Велику допомогу у фінансуванні та виготовленні унікального обладнання надавали підприємства Мінрадіопрому, у тому числі КБ-1 (пізніше НВО “Алмаз”, Москва) та НДІРЕ. Тоді найактивніші розробники малогабаритної радіоапаратури, не маючи своєї технологічної напівпровідникової бази, шукали шляхи творчої взаємодії з новоствореними напівпровідниковими заводами.

На РЗПП проводилися активні роботи з автоматизації виробництва германієвих транзисторів типу П401 і П403 на основі технологічної лінії, що створюється заводом “Аусма”. Її головний архітектор (ГК) А.С. Готман запропонував робити на поверхні германію струмопровідні доріжки від електродів транзистора до периферії кристала, щоб простіше розварювати висновки транзистора в корпусі. Але головне, ці доріжки можна було використовувати як зовнішні висновки транзистора при безкорпусному їх складання на плати (що містять сполучні та пасивні елементи), припаюючи їх безпосередньо до відповідних контактних майданчиків (фактично пропонувалася технологія створення гібридних ІС). Запропонований метод, у якому струмопровідні доріжки кристала хіба що цілуються з контактними майданчиками плати, отримав оригінальну назву – “поцілункова технологія”. Але через низку технологічних проблем, що тоді виявилися нерозв'язними, в основному пов'язаних з проблемами точності отримання контактів на друкованій платі, практично реалізувати “поцілункову технологію” не вдалося. Через кілька років подібна ідея була реалізована в США та СРСР і знайшла широке застосування в так званих "кулькових висновках" та в технології "чіп-на-плату".

Тим не менш, апаратурні підприємства, що співпрацюють з РЗПП, у тому числі НДІРЕ, сподівалися на "поцілункову технологію" та планували її застосування. Навесні 1962 року, коли зрозуміло, що її реалізація відкладається на невизначений термін, головний інженер НДІРЕ В.І. Смирнов попросив директора РЗВП С.А. Бергмана знайти інший шлях реалізації багатоелементної схеми типу 2НЕ-АБО, універсальної для побудови цифрових пристроїв.

Мал. 7. Еквівалентна схема ІС Р12-2 (1ЛБ021). Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.

Перша ІС та ГІС Юрія Осокіна. Тверда схема Р12-2(ІС серій 102 і 116 )

Директор РЗПП доручив це завдання молодому інженеру Юрію Валентиновичу Осокіну. Організували відділ у складі технологічної лабораторії, лабораторії розробки та виготовлення фотошаблонів, вимірювальної лабораторії та дослідно-виробничої лінійки. На той час у РЗПП було поставлено технологію виготовлення германієвих діодів і транзисторів, її взяли за основу нової розробки. І вже восени 1962 року були отримані перші дослідні зразки германієвої твердої схеми 2НЕ-АБО (оскільки терміну ІС тоді не існувало, з поваги до справ тих днів збережемо назву "тверда схема" - ТЗ), що отримала заводське позначення "Р12-2". Зберігся рекламний буклет 1965 р. на Р12-2 (рис. 6), інформацією та ілюстраціями з якого ми скористаємося. ТС Р12-2 містила два германієвих p-n-p-транзистори (модифіковані транзистори типу П401 і П403) із загальним навантаженням у вигляді розподіленого германієвого резистора р-типу (рис.7).

Мал. 8. Структура ІВ Р12-2. Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.

Мал. 9. Габаритне креслення ТС Р12-2. Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.

Зовнішні висновки формуються термокомпресійним зварюванням між германієвими областями ТС структури та золотом вивідних провідників. Це забезпечує стійку роботу схем при зовнішніх впливах в умовах тропіків та морського туману, що особливо важливо для роботи у військово-морських квазіелектронних АТС, що випускаються ризьким заводом ВЕФ, що так само зацікавився цією розробкою.

Конструктивно ТЗ Р12-2 (і наступна за нею Р12-5) були виконані у вигляді "таблетки" (рис.9) з круглої металевої чашки діаметром 3 мм і висотою 0,8 мм. У неї розміщувався кристал ТЗ і заливався полімерним компаундом, з якого виходили короткі зовнішні кінці виводів з золотого м'якого дроту діаметром 50 мкм, приварені до кристала. Маса Р12-2 не перевищувала 25 мг. У такому виконанні ТЗ були стійкі до впливу відносної вологості 80% при температурі навколишнього середовища 40°С та циклічних змін температури від -60° до 60°С.

До кінця 1962 року дослідне виробництво РЗПП випустило близько 5 тис. ТС Р12-2, а 1963 року їх було зроблено кілька десятків тисяч. Таким чином, 1962 став роком народження мікроелектронної промисловості в США і СРСР.

Мал. 10. Групи ТЗ Р12-2

Мал. 11. Основні електричні характеристики Р12-2

Напівпровідникова технологія тоді була на стадії становлення і ще не гарантувала суворої повторюваності параметрів. Тому працездатні прилади розсортували за групами параметрів (це часто роблять у наш час). Також вчинили і рижани, встановивши 8 типономіналів ТС Р12-2 (рис. 10). Усі інші електричні та інші характеристики у всіх типономіналів однакові (рис. 11).

Випуск ТС Р12-2 розпочався одночасно з проведенням ДКР "Твердість", що завершилося в 1964 році (ГК Ю.В. Осокін). В рамках цієї роботи було розроблено вдосконалену групову технологію серійного виробництва германієвих ТЗ на основі фотолітографії та гальванічного осадження сплавів через фотомаску. Її основні технічні рішення зареєстровані як винахід Осокіна Ю.В. та Михаловича Д.Л. (О.С. №36845). У журналі "Спецрадіоелектроніка", що видавався з грифом "таємно", вийшло кілька статей Ю.В. Осокіна у співавторстві зі спеціалістами КБ-1 І.В. Нічого, Г.Г. Смолко та Ю.Є. Наумовим з описом конструкції та характеристик ТС Р12-2 (і наступної за нею ТС Р12-5).

Конструкція Р12-2 була всім хороша, крім одного – споживачі не вміли застосовувати такі маленькі вироби з найтоншими висновками. Ні технології, ні устаткування при цьому у апаратурних фірм, зазвичай, був. За весь час випуску Р12-2 та Р12-5 їх застосування освоїли НДІРЕ, Жигулівський радіозавод Мінрадіопрому, ВЕФ, НДІП (з 1978 року НВО “Радіоприлад”) та деякі інші підприємства. Розуміючи проблему, розробники ТЗ спільно з НДІРЕ відразу ж продумали другий рівень конструкції, який одночасно збільшив щільність компонування апаратури.

Мал. 12. Модуль із 4 ТС Р12-2

В1963 р. в НДІРЕ в рамках ДКР "Квант" (ГК А.М. Пеліпенко, за участю О.М. Ляховича) була розроблена конструкція модуля, в якому поєднувалося чотири ТС Р12-2 (рис.12). На мікроплату з тонкого склотекстоліту розміщували від двох до чотирьох ТЗ Р12-2 (в корпусі), що реалізують у сукупності певний функціональний вузол. На плату пресували до 17 висновків (число змінювалося для конкретного модуля) довжиною 4 мм. Мікроплату поміщали в металеву штамповану чашку розміром 21,6? 6,6 мм та глибиною 3,1 мм і заливали полімерним компаундом. В результаті вийшла гібридна інтегральна схема (ГІС) з подвійною герметизацією елементів. І, як ми вже говорили, це була перша у світі ГІС із дворівневою інтеграцією, а, можливо, взагалі перша ГІС. Було розроблено вісім типів модулів із загальною назвою "Квант", які виконували різні логічні функції. У складі таких модулів ТЗ Р12-2 зберігали працездатність при дії постійних прискорень до 150 g і вібраційних навантажень у діапазоні частот 5-2000 Гц із прискоренням до 15 g.

Модулі “Квант” спочатку випускало дослідне виробництво НДІРЕ, а потім їх передали на Жигулівський радіозавод Мінрадіопрому СРСР, який їх постачав різним споживачам, у тому числі заводу ВЕФ.

ТС Р12-2 та модулі "Квант" на їх основі добре зарекомендували себе і широко застосовувалися. У 1968 року вийшов стандарт, який встановлює єдину країні систему позначень інтегральних схем, а 1969 року – Загальні технічні умови на напівпровідникові (НП0.073.004ТУ) і гібридні (НП0.073.003ТУ) ІС з єдиною системоювимог. Відповідно до цих вимог у Центральному бюро із застосування інтегральних схем (ЦБПІМС, пізніше ЦКЛ “Дейтон”, Зеленоград) 6 лютого 1969 року на МС було затверджено нові технічні умови ЩТ3.369.001-1ТУ. При цьому в позначенні виробу вперше з'явився термін "інтегральна схема" серії 102. ТЗ Р12-2 стали називатися ІС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021І. Фактично це була одна ІВ, розсортована на чотири групи з вихідної напруги та здатності навантаження.

Мал. 13. ІС серії 116 та 117

А 19 вересня 1970 року в ЦБПІМС було затверджено технічні умови АВ0.308.014ТУ на модулі "Квант", що одержали позначення ІС серії 116 (рис.13). До складу серії входило дев'ять ІС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 та 1ХЛ163 – багатофункціональні цифрові схеми; 1ЛЕ161 і 1ЛЕ162 – два та чотири логічні елементи 2НЕ-АБО; 1ТР161 і 1ТР1162 - один і два тригери; 1УП161 – підсилювач потужності, а також 1ЛП161 – логічний елемент"заборона" на 4 входи та 4 виходи. Кожна їх цих ІС мала від чотирьох до семи варіантів виконання, що відрізняються напругою вихідних сигналів і здатністю навантаження, всього було 58 типономіналів ІС. Виконання маркувалися буквою після цифрової частини позначення ІВ, наприклад, 1ХЛ161Ж. Надалі номенклатура модулів розширювалась. ІС серії 116 фактично були гібридними, але на прохання РЗПП були марковані як напівпровідникові (перша цифра в позначенні - "1", у гібридних має бути "2").

У 1972 році спільним рішенням Мінелектронпрому та Мінрадіопрому виробництво модулів було передано із Жигулівського радіозаводу на РЗПП. Це виключило транспортування ІВ серії 102 на далекі відстані, тому відмовилися від герметизації кристала кожної ІВ. В результаті спростилася конструкція ІВ і 102-ї, і 116-ї серій: відпала необхідність корпусувати ІВ серії 102 в металеву чашку із заливкою компаундом. Безкорпусні ІС серії 102 у технологічній тарі надходили в сусідній цех на збірку ІС серії 116, монтувалися безпосередньо на їхню мікроплату і герметизувалися в корпусі модуля.

У 1970-х років вийшов новий стандарт на систему позначень ІВ. Після цього, наприклад, ІС 1ЛБ021В одержала позначення 102ЛБ1В.

Друга ІС та ДВС Юрія Осокіна. Тверда схема Р12-5(ІС серій 103 і 117 )

На початку 1963 року у результаті серйозних робіт із розробки високочастотних n - p - n транзисторів колектив Ю.В. Осокіна накопичив великий досвід роботи з p-шарами на вихідній n-германієвій пластині. Це і наявність всіх необхідних технологічних компонентів дозволило Осокіну в 1963 приступити до розробки нової технології та конструкції більш швидкодіючого варіанта ТЗ. У 1964 році на замовлення НДІРЕ було завершено розробку ТС Р12-5 та модулів на її основі. За її результатами 1965 року було відкрито ОКР “Паланга” (ГК Ю.В. Осокін, його заступник – Д.Л. Михалович, завершено 1966 року). Розроблялися модулі з урахуванням Р12-5 у межах тієї ж ДКР “Квант”, як і модулі Р12-2. Одночасно з технічними умовами на серії 102 та 116 були затверджені технічні умови ЩТ3.369.002-2ТУ на ІВ серії 103 (Р12-5) та АВ0.308.016ТУ на ІВ серії 117 (модулі на основі ІС серії 103). Номенклатура типів та типономіналів ТС Р12-2, модулів на них та серій ІС 102 та 116 була ідентична номенклатурі ТС Р12-5 та ІС серій 103 та 117, відповідно. Відрізнялися вони лише швидкодією та технологією виготовлення кристала ІВ. Типовий час затримки поширення сигналу серії 117 склало 55 нс проти 200 нс серії 116.

Конструктивно ТС Р12-5 являла собою чотиришарову напівпровідникову структуру (рис.14), де підкладка n-типу та еммітери p+-типу приєднувалися до загальної шини "землі". Основні технічні рішення побудови ТЗ Р12-5 зареєстровані як винахід Осокіна Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А та Акменса Я.П. (О.С. №248847). При виготовленні чотиришарової структури ТС Р12-5 важливим ноу-хау було формування вихідної германієвої пластини n-типу p-шару. Це досягалося дифузією цинку в кварцовій відпаяній ампулі, де пластини розташовуються при температурі близько 900 ° С, а цинк - в іншому кінці ампули при температурі близько 500 ° С. Подальше формування структури ТС у створеному p-шарі аналогічно ТС Р12-2. Нова технологія дозволила уникнути складної форми кристала ТС. Пластини Р12-5 також шліфувалися з тильного боку до товщини близько 150 мкм зі збереженням частини вихідної пластини, далі вони скрайбувалися на окремі прямокутні кристали ІС.

Мал. 14. Структура кристала ТС Р12-5 з АС №248847. 1 і 2 – земля, 3 та 4 – входи, 5 – вихід, 6 – харчування

Після перших позитивних результатіввиготовлення дослідних ТС Р12-5, на замовлення КБ-1 було відкрито НДР “Мезон-2” , спрямовану створення ТЗ з чотирма Р12-5. У 1965 році отримані зразки, що діють, в плоскому металокерамічному корпусі. Але Р12-5 виявилася складною у виробництві, головним чином через складність формування легованого цинком p-шару на вихідній n-Ge пластині. Кристал виявився трудомістким у виготовленні, відсоток виходу придатних низький, вартість ТС висока. З цих причин ТС Р12-5 випускалася у невеликих обсягах і витіснити повільнішу, але технологічну Р12-2 вона змогла. А НДР “Мезон-2” взагалі не отримав продовження, у тому числі через проблеми міжз'єднань.

До цього часу в НДІ "Пульсар" і в НДІМЕ вже широким фронтом велися роботи з розвитку планарної кремнієвої технології, що має ряд переваг перед германієвою, головні з яких - більш високий діапазон робочих температур (+150 ° С у кремнію і +70 ° С у германію) та наявності у кремнію природної захисної плівки SiO 2 . А спеціалізація РЗПП була переорієнтована створення аналогових ІВ. Тому фахівці РЗПП вважали розвиток германієвої технології для виробництва ІВ недоцільним. Однак при виробництві транзисторів та діодів германій ще якийсь час не здавав своїх позицій. У відділі Ю.В. Осокіна вже після 1966 року були розроблені та вироблялися РЗПП германієві планарні малошумливі НВЧ транзистори ГТ329, ГТ341, ГТ 383 та ін. Їх створення було відзначено Державною премією Латвійської СРСР.

Застосування

Мал. 15. Арифметичний пристрій на твердосхемних модулях. Фото з буклету ТЗ від 1965 р.

Мал. 16. Порівняльні габарити пристрою управління АТС, виконаного на реле та ТС. Фото з буклету ТЗ від 1965 р.

Замовниками та першими споживачами ТС Р12-2 та модулів були творці конкретних систем: ЕОМ “Гном” (рис. 15) для бортової літакової системи “Купол” (НДІРЕ, ГК Ляхович Є.М.) та військово-морських та цивільних АТС (завод) ВЕФ, ДК Місуловін Л.Я.). Брала активну участь на всіх стадіях створення МС Р12-2, Р12-5 і модулів на них і КБ-1, головним куратором цієї співпраці від КБ-1 був Н.А. Барканів. Допомагали фінансуванням, виготовленням обладнання, дослідженнями ТЗ та модулів у різних режимах та умовах експлуатації.

ТС Р12-2 та модулі "Квант" на її основі були першими мікросхемами в країні. Та й у світі вони були серед перших - тільки в США починали випускати свої перші напівпровідникові ІВ фірми Texas Instruments і Fairchild Semiconductor, а в 1964 році корпорація IBM почала випуск товстоплівкових гібридних ІС для своїх ЕОМ. В інших країнах про ІВ ще й не замислювалися. Тому інтегральні схеми для громадськості були дивиною, ефективність їх застосування справляла вражаюче враження і обігравалася в рекламі. У буклеті, що зберігся на ТЗ Р12-2 від 1965 року (на основі вже реальних застосувань) сказано: “ Застосування твердих схем Р12-2 у бортових обчислювальних пристроях дозволяє у 10-20 разів скоротити вагу та габарити цих пристроїв, зменшити споживану потужність та збільшити надійність роботи. … Застосування твердих схем Р12-2 в системах управління та комутації трактів передачі інформації АТС дозволяє скоротити обсяг керуючих пристроїв приблизно в 300 разів, а також значно знизити споживання електроенергії (в 30-50 разів))” . Ці твердження ілюструвалися фотографіями арифметичного пристрою ЕОМ “Гном” (рис. 15) і порівнянням стійки АТС, що випускається тоді заводом ВЕФ, на основі реле з маленьким блочком на долоні дівчини (рис.16). Були й інші численні застосування перших ризьких ІС.

Виробництво

Зараз важко відновити повну картину обсягів виробництва ІС серій 102 і 103 за роками (сьогодні РЗПП із великого заводу перетворився на невелике виробництво та багато архівів загублено). Але за спогадами Ю.В. Осокіна, у другій половині 1960-х років виробництво обчислювалося багатьма сотнями тисяч на рік, у 1970-х - мільйонами. За особистими записами, що збереглися, в 1985 році було випущено ІС серії 102 – 4 100 000 шт., модулів серії 116 – 1 025 000 шт., ІС серії 103 – 700 000 шт., модулів серії 11 .

Наприкінці 1989 року Ю.В. Осокін, тоді генеральний директор ВО “Альфа”, звернувся до керівництва Військово-промислової комісії при РМ СРСР (ВПК) з проханням про зняття серій 102, 103, 116 та 117 з виробництва через їхнє моральне старіння та високу трудомісткість (за 25 років мікроелектроніка далеко пішла вперед), але отримав категоричну відмову. Заступник голови ВПК В.Л. Коблов сказав йому, що літаки літають надійно, заміна виключається. Після розпаду СРСР ІС серій 102, 103, 116 та 117 випускалися ще до середини 1990-х років, тобто понад 30 років. ЕОМ "Гном" досі стоять у штурманській кабіні "Іл-76" та деяких інших літаків. "Це суперкомп'ютер", - не губляться наші льотчики, коли закордонні колеги здивовано цікавляться небаченим нині агрегатом.

Про пріоритети

Незважаючи на те, що у Дж. Кілбі та Р. Нойса були попередники, саме вони визнані світовою громадськістю як винахідники інтегральної схеми.

Р. Кілбі та Дж. Нойс через свої фірми подали заявки на видачу патенту на винахід інтегральної схеми. Texas Instruments подала заявку на патент раніше, у лютому 1959 р., а Fairchild зробила це лише у липні того ж року. Але патент під номером 2981877 видали у квітні 1961 р. Р. Нойсу. Дж. Кілбі подав до суду і лише у червні 1964 р. отримав свій патент під номером 3138743. Потім була десятирічна війна про пріоритети, в результаті якої (рідкісний випадок) "перемогла дружба". Кінець кінцем, Апеляційний Суд підтвердив претензії Р. Нойса на першість у технології, але ухвалив вважати Дж. Кілбі творцем першої працюючої мікросхеми. А Texas Instruments та Fairchild Semiconductor підписали договір про крос-ліцензування технологій.

У СРСР патентування винаходів авторам нічого, крім клопоту, нікчемної разової виплати та морального задоволення не давало, тому багато винаходів взагалі не оформлювалися. І Осокін теж не поспішав. Але для підприємств кількість винаходів була одним із показників, так що їх все ж таки доводилося оформляти. Тому Авторське свідоцтво СРСР за №36845 на винахід ТЗ Р12-2 Ю. Осокіна та Д. Михалович отримали лише 28 червня 1966 року.

А Дж. Кілбі у 2000 р. за винахід ІС став одним із лауреатів Нобелівської премії. Р. Нойс не дочекався світового визнання, він помер у 1990 р., а за становищем Нобелівська премія не присвоюється посмертно. Що, в даному випадку, не зовсім справедливо, оскільки вся мікроелектроніка пішла шляхом, започаткованим Р. Нойсом. Авторитет Нойса серед фахівців був настільки високий, що він навіть отримав прізвисько "мер Кремнієвої долини", оскільки був тоді найпопулярнішим із учених, які працювали в тій частині Каліфорнії, яка отримала неофіційну назву Silicon Valley (В. Шоклі називали "Мойсеєм Кремнієвої долини") . А шлях Дж. Кілбі (“волосатий” германій) виявився тупиковим, і був реалізований навіть у його фірмі. Але життя не завжди справедливе.

Нобелівську премію було присвоєно трьом ученим. Половину її отримав 77-річний Джек Кілбі, а другу половину розділили між академіком Російської академії наук Жоресом Алфьоровим та професором Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, американцем німецького походження Гербертом Кремером, за “розвиток напівпровідникових гетероструктур”, що використовуються у високошвидкісній оптоелектроніці.

Оцінюючи ці роботи, експерти зазначили, що "інтегральні схеми є, безумовно, відкриття століття, що справило сильний вплив на суспільство та світову економіку". Для всіх забутого Дж. Кілбі присудження Нобелівської премії виявилося сюрпризом. В інтерв'ю журналу Europhysics Newsвін зізнався: “ На той час я лише думав про те, що було б важливим для розвитку електроніки з погляду економіки. Але я не розумів тоді, що зниження вартості електронних виробів спричинить лавинне зростання електронних технологій”.

А роботи Ю. Осокіна не оцінено не лише Нобелівським комітетом. Забуто вони і в нашій країні, пріоритет країни у створенні мікроелектроніки не захищений. А він безперечно був.

У 1950-ті роки було створено матеріальну основу для формування в одному монолітному кристалі або на одній керамічній підкладці багатоелементних виробів – інтегральних схем. Тому не дивно, що майже одночасно ідея ІС незалежно виникла у головах багатьох фахівців. А оперативність застосування нової ідеї залежала від технологічних можливостей автора та зацікавленості виробника, тобто від наявності першого споживача. Щодо цього Ю. Осокін опинився у кращому становищі, ніж його американські колеги. Кілбі був новачком в TI, йому навіть довелося доводити керівництву фірми важливу можливість реалізації монолітної схеми виготовленням її макета. Власне роль Дж. Кілбі у створенні ІС зводиться до перевиховання керівництва TI та у провокації своїм макетом Р. Нойса до активних дій. У серійне виробництво винахід Кілбі не пішов. Р. Нойс у своїй молодій компанії, що ще не зміцніла, пішов на створення нової планарної технології, яка дійсно стала основою подальшої мікроелектроніки, але піддалася автору не відразу. У зв'язку з вищесказаним їм обом та їхнім фірмам довелося витратити чимало сил і часу для практичної реалізації своїх ідей щодо побудови серійноздатних ІВ. Їхні перші зразки залишилися експериментальними, а в серійне виробництво пішли вже інші мікросхеми, навіть не ними розроблені. На відміну від Кілбі і Нойса, які були далекі від виробництва, заводець Ю. Осокін спирався на промислово освоєні напівпровідникові технології РЗПП, і у нього були гарантовані споживачі перших ТЗ у вигляді ініціатора розробки НДІРЕ та поряд розташованого заводу ВЕФ, які допомагали в цій роботі. З цих причин вже перший варіант його ТЗ відразу пішов у дослідне, що плавно перейшло в серійне виробництво, яке безперервно тривало понад 30 років. Таким чином, розпочавши розробку ТЗ пізніше Кілбі та Нойса, Ю. Осокін (не знаючи про це змагання) швидко наздогнав їх. Причому роботи Ю. Осокіна ніяк не пов'язані з роботами американців, свідчення тому абсолютна несхожість його ТЗ та реалізованих у ній рішень на мікросхеми Кілбі та Нойса. Виробництво своїх ІС Texas Instruments (не винахід Кілбі), Fairchild та РЗПП почали майже одночасно, у 1962 році. Це дає повне право розглядати Ю. Осокіна одним із винахідників інтегральної схеми нарівні з Р. Нойсом і більш ніж Дж. Кілбі, а частину нобелівської премії Дж. Кілбі було б справедливо поділити з Ю. Осокіним. Що ж до винаходу першої ГІС з дворівневою інтеграцією (а можливо і ГІС взагалі) то тут пріоритет А. Пеліпенко з НДІРЕ абсолютно безперечний.

На жаль, не вдалося знайти зразків транспортних засобів та приладів на їх основі, необхідних для музеїв. Автор буде дуже вдячний за такі зразки чи їхні фотографії.

Інтегральна (мікро)схема (ІС, ІМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чіп, мікрочіп (англ. microchip, silicon chip, chip - тонка пластинка - спочатку термін ставився до пластинки кристала мікросхеми) - мікроелектронне пристрій - електронна схемадовільної складності (кристал), виготовлена ​​на напівпровідниковій підкладці (пластині або плівці) і поміщена в нерозбірний корпус або без такого, у разі входження до складу мікроскладання.

Мікроелектроніка - найбільш значне і, як багато хто вважає, найважливіше науково-технічне досягнення сучасності. Порівняти її можна з такими поворотними подіями в історії техніки, як винахід друкарства у XVI столітті, створення парової машини у XVIII столітті та розвиток електротехніки у XIX. І коли сьогодні йдеться про науково-технічну революцію, то в першу чергу мається на увазі саме мікроелектроніка. Як жодне інше технічне досягнення наших днів, вона пронизує всі сфери життя і робить реальністю те, що ще вчора було просто неможливо собі уявити. Щоб переконатися в цьому, достатньо згадати про кишенькові мікрокалькулятори, мініатюрні радіоприймачі, електронні керуючі пристрої в побутових приладах, годинники, комп'ютери та програмовані ЕОМ. І це лише невелика частина сфери її застосування!

Своїм виникненням і існуванням мікроелектроніка зобов'язана створенню нового надмініатюрного електронного елемента - інтегральної мікросхеми. Поява цих схем, власне, був якимось принципово новим винаходом - воно прямо випливало з логіки розвитку напівпровідникових приладів. Спочатку, коли напівпровідникові елементи лише входили у життя, кожен транзистор, резистор чи діод використовувався окремо, тобто полягав у свій індивідуальний корпус і вмикався у схему з допомогою своїх індивідуальних контактів. Так чинили навіть у тих випадках, коли доводилося збирати безліч однотипних схем з тих самих елементів.

Поступово прийшло розуміння того, що подібні пристрої раціональніше не збирати з окремих елементів, а відразу виготовляти на одному загальному кристалі, тим більше напівпровідникова електроніка створювала для цього всі передумови. Насправді, всі напівпровідникові елементи за своїм пристроєм дуже схожі один на одного, мають однаковий принцип дії та відрізняються лише взаєморозташуванням p-n областей.

Ці p-n областіЯк ми пам'ятаємо, створюються шляхом внесення однотипних домішок в поверхневий шар напівпровідникового кристала. Причому надійна і з усіх поглядів задовільна робота переважної більшості напівпровідникових елементів забезпечується при товщині поверхневого робочого шару в тисячні частки міліметра. У мініатюрних транзисторах зазвичай використовується тільки верхній шар напівпровідникового кристала, що становить всього 1% його товщини. Інші 99% виконують роль носія чи підкладки, оскільки без підкладки транзистор міг зруйнуватися від найменшого дотику. Отже, використовуючи технологію, застосовувану виготовлення окремих електронних компонентів, можна відразу створити одному кристалі закінчену схему з кількох десятків, сотень і навіть тисяч таких компонентів.

Виграш від цього буде величезний. По-перше, відразу знизяться витрати (вартість мікросхеми зазвичай у сотні разів менша, ніж сукупна вартість усіх електронних елементів її складових). По-друге, такий пристрій буде набагато надійнішим (як показує досвід, у тисячі і десятки тисяч разів), а це має колосальне значення, оскільки пошук несправності у схемі з десятків або сотень тисяч електронних компонентів перетворюється на надзвичайно складну проблему. По-третє, через те, що всі електронні елементи інтегральної мікросхеми в сотні і тисячі разів менші від своїх аналогів у звичайній збірній схемі, їхнє енергоспоживання набагато менше, а швидкодія - набагато вища.

Ключовою подією, що сповістила прихід інтегралізації в електроніку, стала пропозиція американського інженера Дж. Кілбі з фірми "Texas Instruments" отримувати еквівалентні елементи для всієї схеми, такі як регістри, конденсатори, транзистори та діоди в монолітному шматку чистого кремнію. Першу інтегральну напівпровідникову схему Кілбі створив улітку 1958 року. А вже в 1961 році фірма Fairchild Semiconductor Corporation випустила перші серійні мікросхеми для ЕОМ: схему збігів, напівзсувний регістр і тригер. У тому ж році виробництво напівпровідникових інтегральних логічних схемопанувала фірма "Texas".

Наступного року з'явились інтегральні схеми інших фірм. У короткий часв інтегральному виконанні було створено різні типипідсилювачів. У 1962 році фірма RCA розробила інтегральні мікросхеми матриць пам'яті для запам'ятовуючих пристроїв ЕОМ. Поступово випуск мікросхем був налагоджений у всіх країнах – ера мікроелектроніки почалася.

Вихідним матеріалом для інтегральної мікросхеми зазвичай є необроблена пластина з чистого кремнію. Вона має порівняно великі розміри, тому що на ній одночасно виготовляють одразу кілька сотень однотипних мікросхем. Перша операція полягає в тому, що під впливом кисню за температури 1000 градусів на поверхні цієї пластини формують шар двоокису кремнію. Оксид кремнію відрізняється великою хімічною та механічною стійкістю і має властивості прекрасного діелектрика, що забезпечує надійну ізоляцію розташованого під ним кремнію.

Наступний крок - внесення домішок до створення зон p чи n провідності. Для цього видаляють оксидну плівку з тих місць пластини, які відповідають окремим електронним компонентам. Виділення необхідних ділянок відбувається за допомогою процесу, який отримав назву фотолітографії. Спочатку весь шар оксиду покривають світлочутливим складом (фоторезистом), який відіграє роль фотографічної плівки – його можна засвічувати та виявляти. Після цього через спеціальний фотошаблон, що містить малюнок поверхні напівпровідникового кристала, пластину висвітлюють ультрафіолетовими променями.

Під впливом світла на шарі оксиду формується плоский малюнок, причому незасвітлені ділянки залишаються світлими, а решта - затемненими. Там, де фоторезистор піддавався дії світла, утворюються нерозчинні ділянки плівки, стійкі до кислоти. Потім пластину обробляють розчинником, який видаляє фоторезист із засвічених ділянок. З місць, що відкрилися (і тільки з них), шар оксиду кремнію витравлюють за допомогою кислоти.

В результаті в потрібних місцях оксид кремнію розчиняється і відкриваються вікна чистого кремнію, готові до внесення домішок (лігування). Для цього поверхню підкладки при температурі 900-1200 градусів піддають впливу потрібної домішки, наприклад фосфору або миш'яку, для отримання провідності n-типу. Атоми домішки проникають углиб чистого кремнію, але відштовхуються його оксидом. Обробивши пластину одним видом домішки, готують її для лігування іншим видом - поверхню пластини знову покривають шаром оксиду, проводять нову фотолітографію та травлення, в результаті чого відкриваються нові "віконця" кремнію.

Після цього слід нове лігування, наприклад бором, щоб одержати провідності p-типа. Так на всій поверхні кристала у необхідних місцях утворюються p і n області. Ізоляція між окремими елементами може створюватися кількома способами: такою ізоляцією може бути шар оксиду кремнію, можна також створювати в потрібних місцях замикаючі p-n переходи.

Наступний етап обробки пов'язаний з нанесенням струмопровідних з'єднань (струмових ліній) між елементами інтегральної схеми, а також між цими елементами і контактами для підключення зовнішніх ланцюгів. Для цього на підкладку напилюють тонкий шар алюмінію, який осідає у вигляді тонкої плівки. Її піддають фотолітографічної обробки та травлення, аналогічним описаним вище. В результаті від усього шару металу залишаються лише тонкі струмопровідні лінії та контактні майданчики.

На закінчення всю поверхню напівпровідникового кристала покривають захисним шаром (найчастіше силікатним склом), який потім видаляють з контактних майданчиків. Усі виготовлені мікросхеми піддаються найсуворішій перевірці на контрольно-випробувальному стенді. Дефектні схеми позначаються червоною точкою. Нарешті, кристал розрізається на окремі пластинки-мікросхеми, кожна з яких полягає в міцний корпус з висновками для приєднання до зовнішніх ланцюгів.

Складність інтегральної схеми характеризується показником, який отримав назву ступеня інтеграції. Інтегральні схеми, що налічують понад 100 елементів, називаються мікросхемами з малим ступенем інтеграції; схеми, що містять до 1000 елементів, - інтегральними схемами із середнім ступенем інтеграції; схеми, що містять до десятка тисяч елементів, є великими інтегральними схемами. Вже виготовляються схеми, що містять до мільйона елементів (вони називаються надвеликими). Поступове підвищення інтеграції призвело до того, що схеми з кожним роком стають дедалі меншими і відповідно все більш складними.

Велика кількість електронних пристроїв, що мали раніше великі габарити, вміщаються тепер на крихітній кремнієвій платівці. Надзвичайно важливою подією на цьому шляху стало створення в 1971 американською фірмою "Інтел" єдиної інтегральної схеми для виконання арифметичних і логічних операцій - мікропроцесора. Це спричинило грандіозний прорив мікроелектроніки у сферу обчислювальної техніки.

Читайте та пишітькорисні