Mikroelektronika jest najważniejszym i, jak wielu uważa, najważniejszym osiągnięciem naukowym i technicznym naszych czasów. Można go porównać do takich punktów zwrotnych w historii techniki, jak wynalezienie druku w XVI wieku, powstanie maszyny parowej w XVIII wieku i rozwój elektrotechniki w XIX wieku. A kiedy dziś mówimy o rewolucji naukowo-technologicznej, mamy na myśli przede wszystkim mikroelektronikę. Jak żadne inne osiągnięcie techniczne naszych czasów, przenika wszystkie sfery życia i urzeczywistnia to, co jeszcze wczoraj było po prostu niewyobrażalne. Aby się o tym przekonać, wystarczy przypomnieć sobie kalkulatory kieszonkowe, miniaturowe radia, elektroniczne urządzenia sterujące w sprzęcie AGD, zegarki, komputery i komputery programowalne. A to tylko niewielka część obszaru jego zastosowań!

Mikroelektronika swoje powstanie i samo istnienie zawdzięcza stworzeniu nowego subminiaturowego elementu elektronicznego – układu scalonego. Pojawienie się tych obwodów w rzeczywistości nie było jakimś zasadniczo nowym wynalazkiem - wynikało bezpośrednio z logiki rozwoju urządzeń półprzewodnikowych. Początkowo, gdy elementy półprzewodnikowe dopiero wchodziły do ​​użytku, każdy tranzystor, rezystor czy dioda stosowano osobno, to znaczy zamykano go w swojej indywidualnej obudowie i włączano do obwodu za pomocą poszczególnych styków. Dokonano tego nawet w przypadkach, gdy konieczne było złożenie wielu podobnych obwodów z tych samych elementów. Ale stopniowo doszło do zrozumienia, że ​​bardziej racjonalne jest nie składanie takich urządzeń z pojedynczych elementów, ale natychmiastowe wytwarzanie ich na jednym wspólnym krysztale, zwłaszcza że elektronika półprzewodnikowa stworzyła wszystkie warunki do tego. W rzeczywistości wszystkie elementy półprzewodnikowe są do siebie bardzo podobne w swojej budowie, mają tę samą zasadę działania i różnią się jedynie względnym położeniem obszarów p-n. Te obszary p-n, jak pamiętamy, powstają w wyniku wprowadzenia zanieczyszczeń tego samego rodzaju do warstwy powierzchniowej kryształu półprzewodnika. Ponadto niezawodną i pod każdym względem zadowalającą pracę zdecydowanej większości elementów półprzewodnikowych zapewnia grubość wierzchniej warstwy roboczej rzędu tysięcznych części milimetra. Najmniejsze tranzystory zwykle wykorzystują tylko górną warstwę chipa półprzewodnikowego, która stanowi tylko 1% jego grubości. Pozostałe 99% pełni rolę nośnika lub podłoża, ponieważ bez podłoża tranzystor mógłby po prostu zapaść się przy najmniejszym dotknięciu. Dzięki temu, stosując technologię wytwarzania poszczególnych elementów elektronicznych, można od razu stworzyć kompletny obwód składający się z kilkudziesięciu, setek, a nawet tysięcy takich elementów na jednym chipie. Korzyści z tego będą ogromne. Po pierwsze, koszty natychmiast spadną (koszt mikroukładu jest zwykle setki razy niższy niż całkowity koszt wszystkich elementów elektronicznych jego komponentów). Po drugie, takie urządzenie będzie znacznie bardziej niezawodne (jak pokazuje doświadczenie tysiące i dziesiątki tysięcy razy), a to ma ogromne znaczenie, ponieważ znalezienie usterki w obwodzie składającym się z dziesiątek lub setek tysięcy elementów elektronicznych zamienia się w niezwykle złożony problem. Po trzecie, w związku z tym, że wszystkie elementy elektroniczne układu scalonego są setki i tysiące razy mniejsze niż ich odpowiedniki w układzie konwencjonalnym, ich zużycie energii jest znacznie niższe, a ich wydajność jest znacznie wyższa.

Kluczowym wydarzeniem zwiastującym nadejście integracji w elektronice była propozycja amerykańskiego inżyniera J. Kilby'ego z Texas Instruments, aby uzyskać równoważne elementy dla całego obwodu, takie jak rejestry, kondensatory, tranzystory i diody, w monolitycznym kawałku czystego krzemu . Kilby stworzył pierwszy zintegrowany obwód półprzewodnikowy latem 1958 roku. Już w 1961 roku Fairchild Semiconductor Corporation wypuściła pierwsze seryjne chipy do komputerów: obwód koincydencji, rejestr półprzesuwny i wyzwalacz. W tym samym roku firma z Teksasu opanowała produkcję półprzewodnikowych scalonych układów logicznych. W następnym roku pojawiły się układy scalone innych firm. W krótkim czasie powstały różnego rodzaju wzmacniacze w konstrukcji zintegrowanej. W 1962 roku firma RCA opracowała zintegrowane układy matrycy pamięci do komputerowych urządzeń pamięci masowej. Stopniowo we wszystkich krajach rozpoczęto produkcję mikroukładów - rozpoczęła się era mikroelektroniki.

Materiałem wyjściowym układu scalonego jest zwykle surowa płytka z czystego krzemu. Ma stosunkowo duży rozmiar, ponieważ jednocześnie wytwarza się na nim kilkaset mikroukładów tego samego typu. Pierwsza operacja polega na tym, że pod wpływem tlenu o temperaturze 1000 stopni na powierzchni tej płytki tworzy się warstwa dwutlenku krzemu. Tlenek krzemu charakteryzuje się dużą odpornością chemiczną i mechaniczną oraz posiada właściwości doskonałego dielektryka, zapewniającego niezawodną izolację znajdującego się pod nim krzemu. Kolejnym krokiem jest wprowadzenie domieszek w celu wytworzenia pasm przewodnictwa p lub n. W tym celu usuwa się warstwę tlenku z tych miejsc na płycie, które odpowiadają poszczególnym elementom elektronicznym. Selekcja pożądanych obszarów odbywa się za pomocą procesu zwanego fotolitografią. Najpierw cała warstwa tlenku zostaje pokryta związkiem światłoczułym (fotomasą), który pełni rolę kliszy fotograficznej - można ją naświetlać i wywoływać. Następnie, poprzez specjalną fotomaskę zawierającą wzór powierzchni kryształu półprzewodnika, płytkę naświetla się promieniami ultrafioletowymi. Pod wpływem światła na warstwie tlenku tworzy się płaski wzór, przy czym obszary nienaświetlone pozostają jasne, a wszystkie pozostałe przyciemnione. W miejscu wystawienia fotorezystora na działanie światła tworzą się nierozpuszczalne obszary folii, które są odporne na działanie kwasu. Następnie płytkę poddaje się działaniu rozpuszczalnika, który usuwa fotomaskę z naświetlonych obszarów. Z odsłoniętych miejsc (i tylko z nich) warstwa tlenku krzemu jest wytrawiana kwasem. Dzięki temu tlenek krzemu rozpuszcza się we właściwych miejscach i otwierają się „okna” czystego krzemu, gotowe na wprowadzenie zanieczyszczeń (ligacja). W tym celu powierzchnię podłoża w temperaturze 900-1200 stopni poddaje się działaniu pożądanych zanieczyszczeń, na przykład fosforu lub arsenu, w celu uzyskania przewodności typu n. Atomy zanieczyszczeń wnikają głęboko w czysty krzem, ale są odpychane przez jego tlenek. Po potraktowaniu płytki jednym rodzajem domieszki przygotowuje się ją do ligacji z innym rodzajem - powierzchnię płytki ponownie pokrywa się warstwą tlenku, przeprowadza się nową fotolitografię i trawienie, w wyniku czego powstają nowe „okna” krzemu są otwarte. Następnie następuje nowa ligacja, na przykład z borem, w celu uzyskania przewodności typu p. Zatem obszary p i n powstają na całej powierzchni kryształu w odpowiednich miejscach. (Izolacja pomiędzy poszczególnymi elementami może być wykonana na kilka sposobów: taką izolacją może być warstwa tlenku krzemu, lub też w odpowiednich miejscach można utworzyć blokujące złącza p-n. ) Kolejny etap obróbki wiąże się z zastosowaniem połączeń przewodzących (linii przewodzących) pomiędzy elementami układu scalonego, a także pomiędzy tymi elementami i stykami do łączenia obwodów zewnętrznych. W tym celu na podłoże natryskuje się cienką warstwę aluminium, która osiada w postaci cienkiej warstwy. Poddawany jest obróbce fotolitograficznej i trawieniu podobnemu do opisanych powyżej. W rezultacie z całej warstwy metalu pozostają jedynie cienkie linie przewodzące i pola stykowe. Na koniec całą powierzchnię chipa półprzewodnikowego pokrywa się warstwą ochronną (najczęściej szkła krzemianowego), którą następnie usuwa się z pól stykowych. Wszystkie produkowane mikroukłady poddawane są najsurowszym testom na stanowisku kontrolno-testującym. Wadliwe obwody są oznaczone czerwoną kropką. Na koniec kryształ cięty jest na pojedyncze chipy waflowe, z których każdy zamknięty jest w trwałej obudowie z wyprowadzeniami do podłączenia do obwodów zewnętrznych.

Złożoność układu scalonego charakteryzuje się wskaźnikiem zwanym stopniem integracji. Układy scalone zawierające więcej niż 100 elementów nazywane są obwodami o niskiej integracji; układy zawierające do 1000 elementów - układy scalone o średnim stopniu integracji; obwody zawierające do kilkudziesięciu tysięcy elementów nazywane są dużymi układami scalonymi. Produkowane są już obwody zawierające nawet milion elementów (nazywa się je ultradużymi). Stopniowy wzrost integracji doprowadził do tego, że z każdym rokiem schematy stają się coraz bardziej miniaturowe, a co za tym idzie, coraz bardziej złożone. Ogromna liczba urządzeń elektronicznych, które kiedyś miały duże wymiary, teraz mieści się na maleńkiej płytce krzemowej. Niezwykle ważnym wydarzeniem na tej drodze było stworzenie w 1971 roku przez amerykańską firmę Intel pojedynczego układu scalonego do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych – mikroprocesora. Pociągnęło to za sobą wspaniały przełom mikroelektroniki w dziedzinie technologii komputerowej.

Realizacja tych propozycji w tamtych latach nie mogła nastąpić ze względu na niewystarczający rozwój technologii.

Pod koniec 1958 roku i w pierwszej połowie 1959 roku nastąpił przełom w przemyśle półprzewodników. Trzej mężczyźni, reprezentujący trzy prywatne amerykańskie korporacje, rozwiązali trzy podstawowe problemy, które uniemożliwiały powstanie układów scalonych. Jacka Kilby’ego z Instrumenty Teksasu opatentował zasadę łączenia, stworzył pierwsze, niedoskonałe, prototypy własności intelektualnej i wprowadził je do masowej produkcji. Kurta Lehoveca z Firma Elektryczna Sprague wynalazł metodę izolowania elektrycznego elementów utworzonych na pojedynczym chipie półprzewodnikowym (izolacja złącza p-n). Izolacja złącza P–n)). Roberta Noyce’a z Półprzewodnik Fairchilda wynalazł metodę elektrycznego łączenia elementów układów scalonych (metalizacja aluminium) i zaproponował ulepszoną wersję izolacji podzespołów w oparciu o najnowszą technologię planarną Jeana Herniego. Jeana Hoerniego). 27 września 1960 roku zespół Jaya Lasta Jay Ostatni) utworzony dnia Półprzewodnik Fairchilda pierwszy działający półprzewodnik IP oparte na pomysłach Noyce'a i Erniego. Instrumenty Teksasu, która była właścicielem patentu na wynalazek Kilby'ego, rozpoczęła wojnę patentową z konkurentami, która zakończyła się w 1966 r. ugodą w sprawie technologii wzajemnego licencjonowania.

Wczesne układy logiczne wspomnianej serii zostały dosłownie zbudowane standard elementów, których rozmiary i konfiguracje zostały określone w procesie technologicznym. Projektanci obwodów, którzy zaprojektowali układy logiczne określonej rodziny, używali tych samych standardowych diod i tranzystorów. W latach 1961-1962 wiodący deweloper złamał paradygmat projektowania Sylwania Tom Longo po raz pierwszy zastosował różne układy scalone w jednym konfiguracje tranzystorów w zależności od ich funkcji w obwodzie. Pod koniec 1962 r Sylwania wprowadziła na rynek pierwszą rodzinę logiki tranzystorowo-tranzystorowej (TTL) opracowaną przez firmę Longo – historycznie pierwszy typ zintegrowanej logiki, któremu udało się zdobyć długoterminową pozycję na rynku. W obwodach analogowych przełomu na tym poziomie dokonał w latach 1964-1965 twórca wzmacniaczy operacyjnych Fairchilda Boba Widlara.

Pierwszy domowy mikroukład powstał w 1961 roku w TRTI (Taganrog Radio Engineering Institute) pod przewodnictwem L. N. Kolesova. Wydarzenie to przyciągnęło uwagę środowiska naukowego kraju, a TRTI zostało zatwierdzone jako lider w systemie Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego dotyczącym problemu tworzenia wysoce niezawodnych urządzeń mikroelektronicznych i automatyzacji ich produkcji. Sam L.N. Kolesov został mianowany przewodniczącym Rady Koordynacyjnej ds. tego problemu.

Pierwszy hybrydowy grubowarstwowy układ scalony w ZSRR (seria 201 „Trail”) został opracowany w latach 1963-65 w Instytucie Badawczym Technologii Precyzyjnej („Angstrem”), produkcja masowa od 1965 roku. W opracowaniu wzięli udział specjaliści z NIEM (obecnie Instytut Badawczy Argon).

Pierwszy półprzewodnikowy układ scalony w ZSRR powstał w oparciu o technologię planarną, opracowaną na początku 1960 roku w NII-35 (wówczas przemianowanym na Instytut Badawczy Pulsar) przez zespół przeniesiony później do NIIME („Mikron”). Tworzenie pierwszego krajowego krzemowego układu scalonego koncentrowało się na opracowaniu i produkcji po wojskowej akceptacji zintegrowanych układów krzemowych serii TS-100 (37 elementów - odpowiednik złożoności obwodu przerzutnika, analogu amerykańskiego Seria IC S.N.-51 firm Instrumenty Teksasu). Próbki prototypowe i produkcyjne krzemowych układów scalonych do reprodukcji pozyskano z USA. Prace prowadzono w NII-35 (dyrektor Trutko) i Zakładach Półprzewodników Fryazino (dyrektor Kołmogorow) na zamówienie obronne do zastosowania w autonomicznym wysokościomierzu dla systemu naprowadzania rakiet balistycznych. Opracowanie obejmowało sześć standardowych scalonych krzemowych obwodów planarnych serii TS-100 i wraz z organizacją produkcji pilotażowej zajęło w NII-35 trzy lata (od 1962 do 1965). Rozwój produkcji fabrycznej z akceptacją wojskową we Fryazino (1967) zajął kolejne dwa lata.

Równolegle prowadzono prace nad opracowaniem układu scalonego w centralnym biurze projektowym w Woroneskiej Fabryce Urządzeń Półprzewodnikowych (obecnie -). W 1965 roku, podczas wizyty w WZPP Ministra Przemysłu Elektronicznego A.I. Shokina, zakład otrzymał polecenie przeprowadzenia prac badawczych nad stworzeniem krzemowego obwodu monolitycznego – B+R „Tytan” (Zarządzenie Ministra nr 92 z 16 sierpnia 1965 r.). 1965), który ukończono przed terminem ukończonym do końca roku. Temat został pomyślnie zgłoszony do Komisji Państwowej, a seria 104 mikroukładów logicznych diodowo-tranzystorowych stała się pierwszym trwałym osiągnięciem w dziedzinie mikroelektroniki półprzewodnikowej, co znalazło odzwierciedlenie w zarządzeniu posła nr 403 z dnia 30 grudnia 1965 r.

Poziomy projektu

Obecnie (2014 rok) większość układów scalonych projektuje się przy użyciu specjalizowanych systemów CAD, które pozwalają zautomatyzować i znacznie przyspieszyć procesy produkcyjne, np. uzyskanie fotomasek topologicznych.

Klasyfikacja

Stopień integracji

W zależności od stopnia integracji stosuje się następujące nazwy układów scalonych:

• mały układ scalony (MIS) - do 100 elementów w chipie,
• średni układ scalony (SIS) – do 1000 elementów na chip,
• duży układ scalony (LSI) – do 10 tys. elementów w jednym chipie,
• układ scalony o bardzo dużej skali (VLSI) - ponad 10 tysięcy elementów w krysztale.

Wcześniej używano również przestarzałych nazw: układ scalony o bardzo dużej skali (ULSI) - od 1-10 milionów do 1 miliarda elementów w krysztale, a czasami giga-wielkoskalowy układ scalony (GBIC) - ponad 1 miliard pierwiastków w krysztale. Obecnie w 2010 roku nazwy „UBIS” i „GBIS” praktycznie nie są używane, a wszystkie mikroukłady zawierające ponad 10 tysięcy elementów są klasyfikowane jako VLSI.

Technologia produkcji

Mikrozespół hybrydowy STK403-090, wyjęty z obudowy

• Układ półprzewodnikowy - wszystkie elementy i połączenia między elementami wykonane są na jednym krysztale półprzewodnikowym (na przykład krzem, german, arsenek galu).

• Filmowy układ scalony - wszystkie elementy i połączenia międzyelementowe wykonane są w postaci folii:
  • grubowarstwowy układ scalony;
  • cienkowarstwowy układ scalony.
• Układ hybrydowy (często nazywany mikromontaż), zawiera kilka diod, tranzystorów i/lub innych aktywnych elementów elektronicznych. Mikrozespół może obejmować także nieopakowane układy scalone. Pasywne elementy mikromontażu (rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne) są zwykle wytwarzane przy użyciu technologii cienkowarstwowych lub grubowarstwowych na zwykłym, zwykle ceramicznym, hybrydowym podłożu chipowym. Całe podłoże wraz z komponentami umieszczone jest w jednej szczelnej obudowie.
• Mikroukład mieszany - oprócz kryształu półprzewodnika zawiera cienkowarstwowe (grubopowłokowe) elementy pasywne umieszczone na powierzchni kryształu.

Rodzaj przetwarzanego sygnału

• Cyfrowe analogowe.

Technologie produkcyjne

Rodzaje logiki

Głównym elementem mikroukładów analogowych są tranzystory (bipolarne lub polowe). Różnica w technologii produkcji tranzystorów znacząco wpływa na charakterystykę mikroukładów. Dlatego w opisie mikroukładu często wskazuje się technologię produkcji, podkreślając w ten sposób ogólną charakterystykę właściwości i możliwości mikroukładu. Nowoczesne technologie łączą technologie tranzystorów bipolarnych i polowych, aby osiągnąć lepszą wydajność mikroukładów.

• Najbardziej ekonomiczne (pod względem zużycia prądu) są mikroukłady oparte na tranzystorach unipolarnych (efektu polowego):
  • Logika MOS (logika metal-tlenek-półprzewodnik) - mikroukłady powstają z tranzystorów polowych N-MOS lub P-typ MOS;
  • Logika CMOS (komplementarna logika MOS) - każdy element logiczny mikroukładu składa się z pary komplementarnych (komplementarnych) tranzystorów polowych ( N-MOS i P-WYCIERAĆ).
• Mikroukłady oparte na tranzystorach bipolarnych:
  • RTL - logika rezystorowo-tranzystorowa (przestarzała, zastąpiona przez TTL);
  • DTL - logika diodowo-tranzystorowa (przestarzała, zastąpiona przez TTL);
  • TTL - logika tranzystorowo-tranzystorowa - mikroukłady zbudowane są z tranzystorów bipolarnych z tranzystorami wieloemiterowymi na wejściu;
  • TTLSh - logika tranzystorowo-tranzystorowa z diodami Schottky'ego - ulepszony TTL wykorzystujący tranzystory bipolarne z efektem Schottky'ego;
  • ECL - logika sprzężona z emiterem - na tranzystorach bipolarnych, których tryb pracy dobiera się tak, aby nie przechodziły w tryb nasycenia - co znacznie zwiększa wydajność;
  • IIL - integralna logika wtrysku.
• Mikroukłady wykorzystujące zarówno tranzystory polowe, jak i bipolarne:

Używając tego samego typu tranzystorów, chipy można tworzyć przy użyciu różnych metod, takich jak statyczne lub dynamiczne.

Najpopularniejszymi układami logicznymi są technologie CMOS i TTL (TTLS). Tam, gdzie konieczne jest oszczędzanie prądu, stosuje się technologię CMOS, tam, gdzie ważniejsza jest prędkość i nie jest wymagane oszczędzanie na poborze prądu, stosuje się technologię TTL. Słabym punktem mikroukładów CMOS jest ich podatność na elektryczność statyczną - wystarczy dotknąć ręką wyjścia mikroukładu, a jego integralność nie jest już gwarantowana. Wraz z rozwojem technologii TTL i CMOS parametry mikroukładów zbliżają się do siebie i w efekcie np. mikroukłady serii 1564 wykonane są w technologii CMOS, a funkcjonalność i umiejscowienie w obudowie są zbliżone do technologii TTL.

Mikroukłady produkowane w technologii ESL są najszybsze, ale też najbardziej energochłonne i znalazły zastosowanie w produkcji sprzętu komputerowego w przypadkach, gdzie najważniejszym parametrem była szybkość obliczeń. W ZSRR najbardziej produktywne komputery typu ES106x zostały wyprodukowane na mikroukładach ESL. Obecnie technologia ta jest rzadko stosowana.

Proces technologiczny

Do produkcji mikroukładów wykorzystuje się metodę fotolitografii (projekcyjnej, kontaktowej itp.), w której obwód tworzony jest na podłożu (najczęściej krzemie) uzyskanym poprzez pocięcie monokryształów krzemu dyskami diamentowymi na cienkie płytki. Ze względu na małe wymiary liniowe elementów mikroukładów do oświetlenia zrezygnowano ze stosowania światła widzialnego, a nawet bliskiego ultrafioletu.

Następujące procesory zostały wyprodukowane przy użyciu światła UV (laser ekscymerowy ArF, długość fali 193 nm). Liderzy branży wprowadzali średnio co 2 lata nowe procesy technologiczne zgodnie z planem ITRS, podwajając liczbę tranzystorów na jednostkę powierzchni: 45 nm (2007), 32 nm (2009), 22 nm (2011), rozpoczęto produkcję 14 nm w 2014 r. rozwój procesów 10 nm przewidywany jest około 2018 r.

W 2015 roku szacowano, że wprowadzanie nowych procesów technologicznych ulegnie spowolnieniu.

Kontrola jakości

Do kontroli jakości układów scalonych powszechnie stosuje się tzw. struktury testowe.

Zamiar

Układ scalony może mieć pełną, niezależnie od stopnia złożoności, funkcjonalność - aż do całego mikrokomputera (mikrokomputera jednoukładowego).

Obwody analogowe

Zintegrowany analogowy (mikro)schemat (AIS, CELUJE) - układ scalony, którego sygnały wejściowe i wyjściowe zmieniają się zgodnie z prawem funkcji ciągłej (czyli są to sygnały analogowe).

Prototyp laboratoryjny analogowego układu scalonego został stworzony przez firmę Texas Instruments w USA w 1958 roku. Był to generator przesunięcia fazowego. W 1962 roku pojawiła się pierwsza seria mikroukładów analogowych - SN52. Zawierał wzmacniacz niskiej częstotliwości o małej mocy, wzmacniacz operacyjny i wzmacniacz wideo.

W ZSRR pod koniec lat 70. XX wieku uzyskano dużą gamę analogowych układów scalonych. Ich zastosowanie umożliwiło zwiększenie niezawodności urządzeń, uproszczenie konfiguracji sprzętu, a często nawet wyeliminowanie konieczności konserwacji w trakcie pracy.

Poniżej znajduje się częściowa lista urządzeń, których funkcje mogą być realizowane przez analogowe układy scalone. Często jeden mikroukład zastępuje kilka z nich jednocześnie (na przykład K174XA42 zawiera wszystkie elementy superheterodynowego odbiornika radiowego FM).

• Filtry (w tym efekt piezoelektryczny).
• Mnożniki analogowe.
• Tłumiki analogowe i wzmacniacze zmienne.
• Stabilizatory zasilania: stabilizatory napięcia i prądu.
• Przełączanie mikroukładów sterujących zasilaniem.
• Przetworniki sygnału.
• Różne czujniki.

Mikroukłady analogowe są stosowane w sprzęcie do wzmacniania i odtwarzania dźwięku, magnetowidach, telewizorach, sprzęcie komunikacyjnym, przyrządach pomiarowych, komputerach analogowych itp.

W komputerach analogowych

• Wzmacniacze operacyjne (LM101, μA741).

W zasilaczach

Układ stabilizatora napięcia KR1170EN8

• Liniowe stabilizatory napięcia (KR1170EN12, LM317).
• Przełączanie stabilizatorów napięcia (LM2596, LM2663).

W kamerach wideo i kamerach

• Matryce CCD (ICX404AL).
• Tablice CCD (MLX90255BA).

W sprzęcie do wzmacniania i odtwarzania dźwięku

• Wzmacniacze mocy częstotliwości audio (LA4420, K174UN5, K174UN7).
• Podwójny UMZCH dla sprzętu stereofonicznego (TDA2004, K174UN15, K174UN18).
• Różne regulatory (K174UN10 - dwukanałowy UMZCH z elektroniczną regulacją pasma przenoszenia, K174UN12 - dwukanałowy regulator głośności i balansu).

W przyrządach pomiarowych W radiowych urządzeniach nadawczych i odbiorczych

• Detektory sygnału AM (K175DA1).
• Detektory sygnału FM (K174UR7).
• Miksery (K174PS1).
• Wzmacniacze wysokiej częstotliwości (K157ХА1).
• Wzmacniacze częstotliwości pośredniej (K157ХА2, K171UR1).
• Jednoukładowe odbiorniki radiowe (K174ХА10).

Na telewizorach

• W kanale radiowym (K174UR8 - wzmacniacz z AGC, detektor obrazu i dźwięku IF, K174UR2 - wzmacniacz napięcia obrazu IF, detektor synchroniczny, przedwzmacniacz sygnału wideo, kluczowy system automatycznej kontroli wzmocnienia).
• W kanale chromatyczności (K174AF5 - moduł kształtujący kolorowe sygnały R, G, B, K174ХА8 - przełącznik elektroniczny, wzmacniacz-ogranicznik i demodulator sygnałów informacji o kolorze).
• W jednostkach skanujących (K174GL1 - generator skanowania ramek).
• W obwodach przełączających, synchronizacyjnych, korekcyjnych i sterujących (K174AF1 - selektor sygnału synchronizacji amplitudy, generator impulsów częstotliwości poziomej, zespół automatycznej regulacji częstotliwości i fazy sygnału, główny generator impulsów poziomych, K174UP1 - wzmacniacz sygnału jasności, elektroniczny regulator zakres sygnału wyjściowego i poziom czerni”).

Produkcja

Przejście do rozmiarów submikronowych elementów integralnych komplikuje konstrukcję AIMS. Na przykład tranzystory MOS o krótkiej bramce mają wiele cech, które ograniczają ich zastosowanie w blokach analogowych: wysoki poziom szumu migotania o niskiej częstotliwości; silny rozrzut napięcia progowego i nachylenia, prowadzący do pojawienia się dużego napięcia polaryzacji wzmacniaczy różnicowych i operacyjnych; mała wartość wyjściowej rezystancji małosygnałowej i wzmocnienia kaskad przy aktywnym obciążeniu; niskie napięcie przebicia złączy p-n i przerwy dren-źródło, powodujące spadek napięcia zasilania i zmniejszenie zakresu dynamicznego.

Obecnie mikroukłady analogowe są produkowane przez wiele firm: Analog Devices, Analog Microelectronics, Maxim Integrated Products, National Semiconductor, Texas Instruments itp.

Obwody cyfrowe

Cyfrowy układ scalony(mikroukład cyfrowy) to układ scalony przeznaczony do przetwarzania i przetwarzania sygnałów zmieniających się zgodnie z prawem funkcji dyskretnej.

Cyfrowe układy scalone oparte są na przełącznikach tranzystorowych, które mogą znajdować się w dwóch stabilnych stanach: otwartym i zamkniętym. Zastosowanie przełączników tranzystorowych umożliwia tworzenie różnych układów logicznych, wyzwalających i innych układów scalonych. Cyfrowe układy scalone stosowane są w urządzeniach do dyskretnego przetwarzania informacji komputerów elektronicznych (komputerów), systemach automatyki itp.

• Konwertery buforowe
• (Mikro)procesory (w tym procesory do komputerów)
• Chipy i moduły pamięci
• Układy FPGA (programowalne układy scalone logiczne)

Cyfrowe układy scalone mają szereg zalet w porównaniu z analogowymi:

• Zmniejszone zużycie energii związane z wykorzystaniem impulsowych sygnałów elektrycznych w elektronice cyfrowej. Podczas odbierania i przetwarzania takich sygnałów aktywne elementy urządzeń elektronicznych (tranzystory) działają w trybie „kluczowym”, to znaczy tranzystor jest albo „otwarty” - co odpowiada sygnałowi wysokiego poziomu (1), albo „zamknięty ” - (0), w pierwszym przypadku o Na tranzystorze nie ma spadku napięcia, w drugim nie przepływa przez niego prąd. W obu przypadkach pobór mocy jest bliski 0, w przeciwieństwie do urządzeń analogowych, w których tranzystory przez większość czasu znajdują się w stanie pośrednim (aktywnym).
• Wysoka odporność na zakłócenia urządzeń cyfrowych wiąże się z dużą różnicą między sygnałami o wysokim (na przykład 2,5–5 V) i niskim (0–0,5 V) sygnale. Błąd stanu jest możliwy przy takim poziomie zakłóceń, że wysoki poziom jest interpretowany jako niski i odwrotnie, co jest mało prawdopodobne. Dodatkowo w urządzeniach cyfrowych możliwe jest zastosowanie specjalnych kodów pozwalających na korektę błędów.
• Duża różnica poziomów stanów sygnałów wysokiego i niskiego poziomu (logiczne „0” i „1”) oraz dość szeroki zakres ich dopuszczalnych zmian sprawia, że ​​technologia cyfrowa jest niewrażliwa na nieuniknione rozproszenie parametrów elementów w technologii zintegrowanej, eliminuje konieczność doboru komponentów i konfiguracji elementów regulacyjnych w urządzeniach cyfrowych.

Obwody analogowo-cyfrowe

Układ scalony analogowo-cyfrowy(mikroukład analogowo-cyfrowy) – układ scalony przeznaczony do przetwarzania sygnałów zmieniających się zgodnie z prawem funkcji dyskretnej na sygnały zmieniające się zgodnie z prawem funkcji ciągłej i odwrotnie.

Często jeden układ realizuje funkcje kilku urządzeń jednocześnie (np. kolejne przetworniki ADC z przybliżeniem zawierają przetwornik DAC, dzięki czemu mogą wykonywać konwersje dwukierunkowe). Lista urządzeń (niekompletna), których funkcje mogą realizować układy analogowo-cyfrowe:

• przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) i analogowo-cyfrowe (ADC);
• multipleksery analogowe (chociaż (de)multipleksery cyfrowe są czysto cyfrowymi układami scalonymi, multipleksery analogowe zawierają cyfrowe elementy logiczne (zwykle dekoder) i mogą zawierać obwody analogowe);
• transceivery (na przykład transceiver interfejsu sieciowego Ethernetu);
• modulatory i demodulatory;
  • modemy radiowe;
  • dekodery telegazety, radiotekstu VHF;
  • Transceivery Fast Ethernet i linie optyczne;
  • Wykręcić numer modemy;
  • odbiorniki telewizji cyfrowej;
  • optyczny czujnik myszy komputerowej;
• mikroukłady zasilające urządzenia elektroniczne - stabilizatory, przetworniki napięcia, wyłączniki mocy itp.;
• tłumiki cyfrowe;
• obwody z pętlą synchronizacji fazowej (PLL);
• generatory i przywracacze częstotliwości synchronizacji zegarów;
• podstawowe kryształy matrycowe (BMC): zawierają zarówno obwody analogowe, jak i cyfrowe.

Seria chipów

Mikroukłady analogowe i cyfrowe produkowane są szeregowo. Seria to grupa mikroukładów, które mają jedną konstrukcję i konstrukcję technologiczną i są przeznaczone do wspólnego użytku. Mikroukłady tej samej serii z reguły mają te same napięcia zasilania i są dopasowane pod względem rezystancji wejściowych i wyjściowych oraz poziomów sygnału.

Obudowy

Pakiety układów scalonych do montażu powierzchniowego

Mikromontaż z mikroukładem o otwartej ramie przyspawanym do płytki drukowanej

Konkretne nazwy

Rynku światowym

W 2017 roku światowy rynek układów scalonych był wyceniany na 700 miliardów dolarów.

Na początku lutego 2014 r. przypada pięćdziesiąta piąta rocznica pojawienia się w społeczności światowej tak integralnej części nowoczesnej technologii obwodów, jak układ scalony.

Przypominamy, że w 1959 roku Federalny Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki wydał firmie Texas Instruments patent na stworzenie układu scalonego.

Wydarzenie to zostało uznane za narodziny ery elektroniki i wszelkich korzyści płynących z jej stosowania.

Rzeczywiście, układ scalony jest podstawą większości znanych nam urządzeń elektrycznych.

Pomysł stworzenia układu scalonego pojawił się po raz pierwszy na początku lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Głównym argumentem za jego pojawieniem się była miniaturyzacja i obniżenie kosztów urządzeń elektrycznych. Przez długi czas myśli o jego wdrożeniu po prostu wisiały w powietrzu, mimo że na świecie aktywnie rozwijały się gałęzie techniki obwodów, takie jak telewizja i radio, a także technologia komputerowa.

Stworzenie układu scalonego oznaczało rezygnację ze zbędnych przewodów, paneli montażowych i izolacji przy produkcji obwodów wykorzystujących diody i tranzystory półprzewodnikowe. Jednak przez długi czas nikomu nie udawało się urzeczywistnić takich myśli. Dopiero po aktywnej pracy tak utalentowanego i znanego współczesnym naukowcom inżyniera jak Jack Kilby (laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie układu scalonego w 2000 r.) w 1958 r. wprowadzono pierwszy mikroukład. Prawie sześć miesięcy później wynalazek opatentowała firma, dla której Kilby pracował (Texas Instruments).

Oczywiście teraz możemy stwierdzić, że pierwszy mikroukład niemieckiego naukowca Kilby'ego był całkowicie bezużyteczny. Jednak na jego bazie powstawało coraz więcej późniejszych układów scalonych, a jednym z nich była technologia Roberta Noyce’a – krzemowy układ planarny.

R. Noyce zajmował wysokie stanowisko w Fairchald Semiconductor, a dokładniej był jednym z jego założycieli. Praca Noyce'a została opatentowana niemal natychmiast po otrzymaniu patentu Kilby'ego. Jednak w przeciwieństwie do chipa Kilby’ego, rozwiązanie Noyce’a zyskało popularność wśród głównych producentów sprzętu elektrycznego. Spowodowało to spór pomiędzy Texas Instruments i Fairchald Semiconductor, a następnie spory sądowe trwające do 1969 roku. W rezultacie Noyce został nazwany pierwszym wynalazcą mikroukładów. Choć ten zbieg okoliczności wcale nie zmartwił właścicieli obu firm. Kilka lat wcześniej podjęli jednomyślną decyzję i uznali obu naukowców za równouprawnionych twórców układu scalonego, przyznając im najwyższe nagrody środowiska naukowo-inżynierskiego USA – Narodowy Medal Nauki i Narodowy Medal Technologii .

Jeśli zagłębisz się w przeszłość, możesz śmiało powiedzieć, że zanim Noyce i Kilby wprowadzili światu mikroukład, dość duża liczba naukowców pracowała nad tym pomysłem i zaproponowała nie mniej zaawansowane projekty. Wśród nich jest inżynier Werner Jacobi (Niemcy). Jego opracowanie zostało nawet opatentowane w 1949 roku. W patencie inżynier naszkicował projekt mikroukładu składającego się z 5 tranzystorów na wspólnym podłożu. Później, w 1952 roku, zasadę łączenia elementów obwodu w jedną całość opisał angielski inżynier D. Dammer. Po kolejnych pięciu latach Jeffrey Dummer ogłosił pierwszy działający przykład przerzutnika z układem scalonym opartym na czterech tranzystorach. Niestety, angielscy specjaliści wojskowi nie docenili wynalazku Dummera, choć powinni. W rezultacie cała praca naukowca została zawieszona. Później wynalazek Dummera nazwano protoplastą nowoczesnych mikroukładów, a samego naukowca prorokiem układu scalonego.

W 1957 roku Stany Zjednoczone przyjęły wniosek innego inżyniera, Bernarda Olivera, o patent na opisaną przez niego technologię wytwarzania monolitycznego bloku z wykorzystaniem trzech tranzystorów planarnych.

Wśród nazwisk proroków współczesnego mikroukładu znajdują się inicjały inżyniera Harvicka Johnsona, który opatentował kilka rodzajów tworzenia elementów obwodów elektronicznych na jednym chipie, ale nigdy nie otrzymał ani jednego dokumentu pozwalającego na wdrożenie jego odkryć. Jedną z takich metod zastosował Jack Kilby, który zdobył wszystkie laury Johnsona.

Układ scalony (IC, mikroukład), chip, mikrochip (angielski mikrochip, krzemowy chip, chip - cienka płytka - pierwotnie termin odnosił się do płytki kryształu mikroukładu) - urządzenie mikroelektroniczne - obwód elektroniczny o dowolnej złożoności (kryształ), wyprodukowany na podłożu półprzewodnikowym (płytka lub folia) i umieszczony w nierozłącznej obudowie lub bez niej, jeśli wchodzi w skład mikrozespołu.

Mikroelektronika jest najważniejszym i, jak wielu uważa, najważniejszym osiągnięciem naukowym i technicznym naszych czasów. Można go porównać do takich punktów zwrotnych w historii techniki, jak wynalezienie druku w XVI wieku, powstanie maszyny parowej w XVIII wieku i rozwój elektrotechniki w XIX wieku. A kiedy dziś mówimy o rewolucji naukowo-technologicznej, mamy na myśli przede wszystkim mikroelektronikę. Jak żadne inne osiągnięcie techniczne naszych czasów, przenika wszystkie sfery życia i urzeczywistnia to, co jeszcze wczoraj było po prostu niewyobrażalne. Aby się o tym przekonać, wystarczy przypomnieć sobie kalkulatory kieszonkowe, miniaturowe radia, elektroniczne urządzenia sterujące w sprzęcie AGD, zegarki, komputery i komputery programowalne. A to tylko niewielka część obszaru jego zastosowań!

Mikroelektronika swoje powstanie i samo istnienie zawdzięcza stworzeniu nowego subminiaturowego elementu elektronicznego – układu scalonego. Pojawienie się tych obwodów w rzeczywistości nie było jakimś zasadniczo nowym wynalazkiem - wynikało bezpośrednio z logiki rozwoju urządzeń półprzewodnikowych. Początkowo, gdy elementy półprzewodnikowe dopiero wchodziły do ​​użytku, każdy tranzystor, rezystor czy dioda stosowano osobno, to znaczy zamykano go w swojej indywidualnej obudowie i włączano do obwodu za pomocą poszczególnych styków. Dokonano tego nawet w przypadkach, gdy konieczne było złożenie wielu podobnych obwodów z tych samych elementów.

Stopniowo doszło do zrozumienia, że ​​bardziej racjonalne jest nie składanie takich urządzeń z pojedynczych elementów, ale natychmiastowe wytwarzanie ich na jednym wspólnym krysztale, zwłaszcza że elektronika półprzewodnikowa stworzyła ku temu wszystkie warunki. W rzeczywistości wszystkie elementy półprzewodnikowe są do siebie bardzo podobne w swojej budowie, mają tę samą zasadę działania i różnią się jedynie względnym położeniem obszarów p-n.

Te obszary p-n, jak pamiętamy, powstają w wyniku wprowadzenia zanieczyszczeń tego samego rodzaju do warstwy powierzchniowej kryształu półprzewodnika. Ponadto niezawodną i pod każdym względem zadowalającą pracę zdecydowanej większości elementów półprzewodnikowych zapewnia grubość wierzchniej warstwy roboczej rzędu tysięcznych części milimetra. Najmniejsze tranzystory zwykle wykorzystują tylko górną warstwę chipa półprzewodnikowego, która stanowi tylko 1% jego grubości. Pozostałe 99% pełni rolę nośnika lub podłoża, ponieważ bez podłoża tranzystor mógłby po prostu zapaść się przy najmniejszym dotknięciu. Dzięki temu, stosując technologię wytwarzania poszczególnych elementów elektronicznych, można od razu stworzyć kompletny obwód składający się z kilkudziesięciu, setek, a nawet tysięcy takich elementów na jednym chipie.

Korzyści z tego będą ogromne. Po pierwsze, koszty natychmiast spadną (koszt mikroukładu jest zwykle setki razy niższy niż całkowity koszt wszystkich elementów elektronicznych jego komponentów). Po drugie, takie urządzenie będzie znacznie bardziej niezawodne (jak pokazuje doświadczenie tysiące i dziesiątki tysięcy razy), a to ma ogromne znaczenie, ponieważ znalezienie usterki w obwodzie składającym się z dziesiątek lub setek tysięcy elementów elektronicznych zamienia się w niezwykle złożony problem. Po trzecie, w związku z tym, że wszystkie elementy elektroniczne układu scalonego są setki i tysiące razy mniejsze niż ich odpowiedniki w układzie konwencjonalnym, ich zużycie energii jest znacznie niższe, a ich wydajność jest znacznie wyższa.

Kluczowym wydarzeniem zwiastującym nadejście integracji w elektronice była propozycja amerykańskiego inżyniera J. Kilby'ego z Texas Instruments, aby uzyskać równoważne elementy dla całego obwodu, takie jak rejestry, kondensatory, tranzystory i diody, w monolitycznym kawałku czystego krzemu . Kilby stworzył pierwszy zintegrowany obwód półprzewodnikowy latem 1958 roku. Już w 1961 roku Fairchild Semiconductor Corporation wypuściła pierwsze seryjne chipy do komputerów: obwód koincydencji, rejestr półprzesuwny i wyzwalacz. W tym samym roku firma z Teksasu opanowała produkcję półprzewodnikowych scalonych układów logicznych.

W następnym roku pojawiły się układy scalone innych firm. W krótkim czasie powstały różnego rodzaju wzmacniacze w konstrukcji zintegrowanej. W 1962 roku firma RCA opracowała zintegrowane układy matrycy pamięci do komputerowych urządzeń pamięci masowej. Stopniowo we wszystkich krajach rozpoczęto produkcję mikroukładów - rozpoczęła się era mikroelektroniki.

Materiałem wyjściowym układu scalonego jest zwykle surowa płytka z czystego krzemu. Ma stosunkowo duży rozmiar, ponieważ jednocześnie wytwarza się na nim kilkaset mikroukładów tego samego typu. Pierwsza operacja polega na tym, że pod wpływem tlenu o temperaturze 1000 stopni na powierzchni tej płytki tworzy się warstwa dwutlenku krzemu. Tlenek krzemu charakteryzuje się dużą odpornością chemiczną i mechaniczną oraz posiada właściwości doskonałego dielektryka, zapewniającego niezawodną izolację znajdującego się pod nim krzemu.

Kolejnym krokiem jest wprowadzenie domieszek w celu wytworzenia pasm przewodnictwa p lub n. W tym celu usuwa się warstwę tlenku z tych miejsc na płycie, które odpowiadają poszczególnym elementom elektronicznym. Selekcja pożądanych obszarów odbywa się za pomocą procesu zwanego fotolitografią. Najpierw cała warstwa tlenku zostaje pokryta związkiem światłoczułym (fotomasą), który pełni rolę kliszy fotograficznej - można ją naświetlać i wywoływać. Następnie, poprzez specjalną fotomaskę zawierającą wzór powierzchni kryształu półprzewodnika, płytkę naświetla się promieniami ultrafioletowymi.

Pod wpływem światła na warstwie tlenku tworzy się płaski wzór, przy czym obszary nienaświetlone pozostają jasne, a wszystkie pozostałe przyciemnione. W miejscu wystawienia fotorezystora na działanie światła tworzą się nierozpuszczalne obszary folii, które są odporne na działanie kwasu. Następnie płytkę poddaje się działaniu rozpuszczalnika, który usuwa fotomaskę z naświetlonych obszarów. Z odsłoniętych miejsc (i tylko z nich) warstwa tlenku krzemu jest wytrawiana kwasem.

Dzięki temu tlenek krzemu rozpuszcza się we właściwych miejscach i otwierają się „okna” czystego krzemu, gotowe na wprowadzenie zanieczyszczeń (ligacja). W tym celu powierzchnię podłoża w temperaturze 900-1200 stopni poddaje się działaniu pożądanych zanieczyszczeń, na przykład fosforu lub arsenu, w celu uzyskania przewodności typu n. Atomy zanieczyszczeń wnikają głęboko w czysty krzem, ale są odpychane przez jego tlenek. Po potraktowaniu płytki jednym rodzajem domieszki przygotowuje się ją do ligacji z innym rodzajem - powierzchnię płytki ponownie pokrywa się warstwą tlenku, przeprowadza się nową fotolitografię i trawienie, w wyniku czego powstają nowe „okna” krzemu są otwarte.

Następnie następuje nowa ligacja, na przykład z borem, w celu uzyskania przewodności typu p. Zatem obszary p i n powstają na całej powierzchni kryształu w odpowiednich miejscach. Izolację pomiędzy poszczególnymi elementami można wykonać na kilka sposobów: taką izolacją może służyć warstwa tlenku krzemu lub można też utworzyć w odpowiednich miejscach blokujące złącza p-n.

Kolejny etap obróbki wiąże się z zastosowaniem połączeń przewodzących (linii przewodzących) pomiędzy elementami układu scalonego, a także pomiędzy tymi elementami a stykami do łączenia obwodów zewnętrznych. W tym celu na podłoże natryskuje się cienką warstwę aluminium, która osiada w postaci cienkiej warstwy. Poddawany jest obróbce fotolitograficznej i trawieniu podobnemu do opisanych powyżej. W rezultacie z całej warstwy metalu pozostają jedynie cienkie linie przewodzące i pola stykowe.

Na koniec całą powierzchnię chipa półprzewodnikowego pokrywa się warstwą ochronną (najczęściej szkła krzemianowego), którą następnie usuwa się z pól stykowych. Wszystkie wyprodukowane mikroukłady poddawane są rygorystycznym testom na stanowisku kontrolno-testowym. Wadliwe obwody są oznaczone czerwoną kropką. Na koniec kryształ cięty jest na pojedyncze płytki wiórowe, z których każda zamknięta jest w trwałej obudowie z przewodami umożliwiającymi podłączenie do obwodów zewnętrznych.

Złożoność układu scalonego charakteryzuje się wskaźnikiem zwanym stopniem integracji. Układy scalone zawierające więcej niż 100 elementów nazywane są obwodami o niskiej integracji; układy zawierające do 1000 elementów - układy scalone o średnim stopniu integracji; obwody zawierające do kilkudziesięciu tysięcy elementów nazywane są dużymi układami scalonymi. Produkowane są już obwody zawierające nawet milion elementów (nazywa się je ultradużymi). Stopniowy wzrost integracji doprowadził do tego, że z każdym rokiem schematy stają się coraz bardziej miniaturowe, a co za tym idzie, coraz bardziej złożone.

Ogromna liczba urządzeń elektronicznych, które kiedyś miały duże wymiary, teraz mieści się na maleńkiej płytce krzemowej. Niezwykle ważnym wydarzeniem na tej drodze było stworzenie w 1971 roku przez amerykańską firmę Intel pojedynczego układu scalonego do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych – mikroprocesora. Pociągnęło to za sobą wspaniały przełom mikroelektroniki w dziedzinie technologii komputerowej.

Czytaj i pisz użyteczne

Pierwsze układy scalone

Poświęcony 50. rocznicy oficjalnej daty

B. Małaszewicz

12 września 1958 roku pracownik Texas Instruments (TI) Jack Kilby zademonstrował kierownictwu trzy dziwne urządzenia - urządzenia wykonane z dwóch kawałków krzemu o wymiarach 11,1 x 1,6 mm sklejonych woskiem pszczelim na szklanym podłożu (ryc. 1). Były to trójwymiarowe makiety – prototypy układu scalonego (IC) generatora, potwierdzające możliwość wykonania wszystkich elementów obwodu w oparciu o jeden materiał półprzewodnikowy. Data ta obchodzona jest w historii elektroniki jako urodziny układów scalonych. Ale czy tak jest?

Ryż. 1. Układ pierwszego IP autorstwa J. Kilby'ego. Zdjęcie ze strony http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Pod koniec lat pięćdziesiątych technologia składania sprzętu elektronicznego (REA) z elementów dyskretnych wyczerpała swoje możliwości. Świat doszedł do ostrego kryzysu REA; potrzebne były radykalne środki. Do tego czasu zintegrowane technologie produkcji zarówno urządzeń półprzewodnikowych, jak i grubowarstwowych i cienkowarstwowych płytek ceramicznych zostały już opanowane przemysłowo w USA i ZSRR, tj. istniały warunki wstępne do przezwyciężenia tego kryzysu poprzez stworzenie wieloelementowych produkty standardowe - układy scalone.

Układy scalone (chipy, układy scalone) to urządzenia elektroniczne o różnym stopniu złożoności, w których wszystkie podobne elementy są wytwarzane jednocześnie w jednym cyklu technologicznym, tj. przy użyciu zintegrowanej technologii. W przeciwieństwie do płytek drukowanych (w których wszystkie przewody łączące są wytwarzane jednocześnie w jednym cyklu przy użyciu zintegrowanej technologii), rezystory, kondensatory oraz (w półprzewodnikowych układach scalonych) diody i tranzystory są formowane w układach scalonych w podobny sposób. Ponadto wiele układów scalonych jest produkowanych jednocześnie, od dziesiątek do tysięcy.

Układy scalone są opracowywane i produkowane przez przemysł w formie serii, łączącej wiele mikroukładów o różnych celach funkcjonalnych, przeznaczonych do wspólnego stosowania w sprzęcie elektronicznym. Seria układów scalonych ma standardową konstrukcję i ujednolicony system właściwości elektrycznych i innych. Producent dostarcza układy scalone różnym konsumentom jako niezależne produkty komercyjne, które spełniają określony system znormalizowanych wymagań. Układy scalone to produkty, których nie można naprawić; podczas naprawy sprzętu elektronicznego uszkodzone układy scalone są wymieniane.

Istnieją dwie główne grupy układów scalonych: hybrydowe i półprzewodnikowe.

W hybrydowych układach scalonych (HIC) wszystkie przewodniki i elementy pasywne są formowane na powierzchni podłoża mikroukładu (zwykle ceramicznego) przy użyciu zintegrowanej technologii. Elementy aktywne w postaci bezopakowych diod, tranzystorów i półprzewodnikowych kryształów IC instalowane są na podłożu indywidualnie, ręcznie lub automatycznie.

W układach półprzewodnikowych elementy łączące, pasywne i aktywne powstają w jednym cyklu technologicznym na powierzchni materiału półprzewodnikowego (najczęściej krzemu) z częściową inwazją na jego objętość metodami dyfuzyjnymi. Jednocześnie na jednej płytce półprzewodnikowej, w zależności od złożoności urządzenia oraz wielkości jego kryształu i płytki, wytwarza się od kilkudziesięciu do kilku tysięcy układów scalonych. Przemysł produkuje półprzewodnikowe układy scalone w standardowych opakowaniach, w postaci pojedynczych chipów lub w postaci niepodzielnych płytek.

Wprowadzenie na świat układów hybrydowych (GIS) i półprzewodnikowych odbyło się różnymi drogami. GIS to produkt ewolucyjnego rozwoju mikromodułów i technologii montażu płyt ceramicznych. Dlatego też przeszły one niezauważone; nie ma ogólnie przyjętej daty urodzenia GIS ani powszechnie uznanego autora. Półprzewodnikowe układy scalone były naturalnym i nieuniknionym rezultatem rozwoju technologii półprzewodników, wymagały jednak generowania nowych pomysłów i tworzenia nowych technologii, które mają swoje własne daty urodzenia i własnych autorów. Pierwsze hybrydowe i półprzewodnikowe układy scalone pojawiły się w ZSRR i USA niemal jednocześnie i niezależnie od siebie.

Pierwsze hybrydowe układy scalone

Hybrydowe układy scalone obejmują układy scalone, których produkcja łączy integralną technologię wytwarzania elementów pasywnych z indywidualną (ręczną lub zautomatyzowaną) technologią instalowania i montażu elementów aktywnych.

Już pod koniec lat czterdziestych XX wieku firma Centralab w USA opracowała podstawowe zasady produkcji grubowarstwowych płytek drukowanych na bazie ceramiki, które następnie zostały opracowane przez inne firmy. Podstawą była technologia wytwarzania płytek drukowanych i kondensatorów ceramicznych. Z płytek drukowanych przejęliśmy zintegrowaną technologię kształtowania topologii przewodów łączących - sitodruk. Od kondensatorów - materiał podłoża (ceramika, często sital), a także materiały past i technologia termiczna ich mocowania na podłożu.

Na początku lat pięćdziesiątych firma RCA wynalazła technologię cienkowarstwową: natryskując różne materiały w próżni i osadzając je przez maskę na specjalnych podłożach, nauczyła się, jak jednocześnie produkować wiele miniaturowych folii łączących przewodniki, rezystory i kondensatory na jednym podłoże ceramiczne.

W porównaniu z technologią grubowarstwową, technologia cienkowarstwowa zapewniała możliwość bardziej precyzyjnego wytwarzania elementów topologicznych o mniejszych rozmiarach, ale wymagała bardziej złożonego i droższego sprzętu. Urządzenia produkowane na ceramicznych płytkach drukowanych w technologii grubowarstwowej lub cienkowarstwowej nazywane są „obwodami hybrydowymi”. Obwody hybrydowe były produkowane jako elementy produktów własnej produkcji; każdy producent miał własną konstrukcję, wymiary i cele funkcjonalne; nie weszły one na wolny rynek i dlatego są mało znane.

Obwody hybrydowe wdarły się także do mikromodułów. Początkowo stosowano dyskretne, miniaturowe elementy pasywne i aktywne, połączone tradycyjnym drukowanym okablowaniem. Technologia montażu była złożona i wymagała ogromnego udziału pracy ręcznej. Dlatego mikromoduły były bardzo drogie, a ich zastosowanie ograniczało się do urządzeń pokładowych. Następnie zastosowano grubowarstwowe, miniaturowe chusty ceramiczne. Następnie zaczęto wytwarzać rezystory w technologii grubowarstwowej. Jednak zastosowane diody i tranzystory były nadal dyskretne, indywidualnie pakowane.

Mikromoduł stał się hybrydowym układem scalonym w momencie, gdy zastosowano w nim nieopakowane tranzystory i diody, a konstrukcję zamknięto we wspólnej obudowie. Umożliwiło to znaczną automatyzację procesu ich montażu, radykalne obniżenie cen i poszerzenie zakresu zastosowania. Ze względu na sposób formowania elementów pasywnych wyróżnia się GIS grubowarstwowe i cienkowarstwowe.

Pierwszy GIS w ZSRR

Pierwsze GIS (moduły typu „Kvant”, później oznaczone jako seria IS 116) w ZSRR zostały opracowane w 1963 roku w NIIRE (później NPO Leninets, Leningrad) i w tym samym roku jego zakład pilotażowy rozpoczął produkcję seryjną. W tych GIS jako elementy aktywne zastosowano półprzewodnikowe układy scalone „R12-2”, opracowane w 1962 roku w Ryskiej Fabryce Urządzeń Półprzewodnikowych. Ze względu na nierozerwalność historii powstania tych układów scalonych i ich charakterystykę, rozważymy je łącznie w części poświęconej P12-2.

Bez wątpienia moduły Kvanta były pierwszymi w świecie GIS z dwupoziomową integracją – jako elementy aktywne wykorzystywały półprzewodnikowe układy scalone, a nie dyskretne tranzystory w obudowie. Prawdopodobnie były to także pierwsze w świecie GIS – kompletne strukturalnie i funkcjonalnie produkty wieloelementowe, dostarczane konsumentowi jako samodzielny produkt handlowy. Najwcześniejszymi zagranicznymi podobnymi produktami zidentyfikowanymi przez autora są opisane poniżej moduły IBM Corporation SLT, ale zostały one ogłoszone w następnym roku, 1964.

Pierwszy GIS w USA

Pojawienie się grubowarstwowego GIS jako głównego elementu bazowego nowego komputera IBM System /360 zostało po raz pierwszy zapowiedziane przez IBM w 1964 roku. Wydaje się, że było to pierwsze zastosowanie GIS poza ZSRR; .

Znane już wówczas w kręgach specjalistycznych, półprzewodnikowe układy scalone serii „Micrologic” firmy Fairchild i „SN-51” firmy TI (omówimy je poniżej) były nadal niedostępne i zbyt drogie w zastosowaniach komercyjnych, takich jak budowa duży komputer. Dlatego też korporacja IBM, opierając się na konstrukcji płaskiego mikromodułu, opracowała swoją serię grubowarstwowych GIS, zapowiadaną pod ogólną nazwą (w przeciwieństwie do „mikromodułów”) – „moduły SLT” (Solid Logic Technology - solid technologia logiczna Zwykle słowo „solidny” tłumaczone na rosyjski jako „solidny”, co jest całkowicie nielogiczne, w rzeczywistości termin „moduły SLT” został wprowadzony przez IBM jako kontrast do terminu „mikromoduł” i powinien odzwierciedlać ich różnicę oba moduły są „solidne”, czyli w tym tłumaczeniu takie nie jest. Słowo „solidny” ma także inne znaczenia – „solidny”, „cały”, które z powodzeniem podkreślają różnicę pomiędzy „modułami SLT” a „mikromodułami” – moduły SLT są niepodzielne. , nie nadający się do naprawy, czyli „cały”. Nie zastosowaliśmy ogólnie przyjętego tłumaczenia na język rosyjski: Solid Logic Technology – technologia solid logic).

Moduł SLT był półcalową, kwadratową, grubowarstwową ceramiczną mikropłytką z wprasowanymi pionowymi kołkami. Na jego powierzchnię za pomocą sitodruku naniesiono przewody łączące i rezystory (zgodnie ze schematem realizowanego urządzenia) oraz zamontowano nieopakowane tranzystory. Kondensatory w razie potrzeby instalowano obok modułu SLT na płycie urządzenia. Chociaż zewnętrznie są prawie identyczne (mikromoduły są nieco wyższe, rys. 2), moduły SLT różnią się od płaskich mikromodułów większą gęstością elementów, niskim zużyciem energii, wysoką wydajnością i dużą niezawodnością. Ponadto technologia SLT była dość łatwa do zautomatyzowania, dlatego można było je produkować w ogromnych ilościach po kosztach wystarczająco niskich, aby można je było zastosować w sprzęcie komercyjnym. Właśnie tego potrzebował IBM. Firma zbudowała zautomatyzowany zakład w East Fishkill pod Nowym Jorkiem do produkcji modułów SLT, który wyprodukował je w milionach egzemplarzy.

Ryż. 2. Mikromoduł ZSRR i moduł SLT f. IBM-a. Zdjęcie STL ze strony http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

W ślad za IBM inne firmy zaczęły produkować GIS, dla którego GIS stał się produktem komercyjnym. Standardowa konstrukcja płaskich mikromodułów i modułów SLT firmy IBM stała się jednym ze standardów dla hybrydowych układów scalonych.

Pierwsze półprzewodnikowe układy scalone

Pod koniec lat pięćdziesiątych przemysł miał wszelkie możliwości produkcji tanich elementów sprzętu elektronicznego. Ale jeśli tranzystory lub diody były wykonane z germanu i krzemu, wówczas rezystory i kondensatory były wykonane z innych materiałów. Wielu wówczas wierzyło, że przy tworzeniu obwodów hybrydowych nie będzie problemów z montażem tych elementów, wyprodukowanych osobno. A jeśli uda się wyprodukować wszystkie elementy o standardowym rozmiarze i kształcie, a tym samym zautomatyzować proces montażu, wówczas koszt sprzętu zostanie znacznie obniżony. Opierając się na takim rozumowaniu, zwolennicy technologii hybrydowej uznali ją za ogólny kierunek rozwoju mikroelektroniki.

Ale nie wszyscy podzielali tę opinię. Faktem jest, że tranzystory mesa, a zwłaszcza tranzystory planarne, powstałe już w tym okresie, zostały przystosowane do przetwarzania grupowego, w którym jednocześnie wykonywano szereg operacji wytwarzania wielu tranzystorów na jednej płycie podłoża. Oznacza to, że na jednej płytce półprzewodnikowej wyprodukowano jednocześnie wiele tranzystorów. Następnie płytkę pocięto na poszczególne tranzystory, które umieszczono w poszczególnych obudowach. Następnie producent sprzętu połączył tranzystory na jednej płytce drukowanej. Byli ludzie, którzy uważali takie podejście za śmieszne - po co rozdzielać tranzystory, a potem łączyć je ponownie. Czy da się je od razu połączyć na płytce półprzewodnikowej? Jednocześnie pozbądź się kilku skomplikowanych i kosztownych operacji! Ci ludzie wymyślili półprzewodnikowe układy scalone.

Pomysł jest niezwykle prosty i całkowicie oczywisty. Ale, jak to często bywa, dopiero wtedy, gdy ktoś to pierwszy ogłosił i udowodnił. Udowodnił, że samo ogłoszenie często, jak w tym przypadku, nie wystarczy. Pomysł układu scalonego został ogłoszony w 1952 roku, przed pojawieniem się grupowych metod wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych. Na dorocznej konferencji poświęconej elementom elektronicznym, która odbyła się w Waszyngtonie, pracownik brytyjskiego Królewskiego Biura Radarowego w Malvern, Jeffrey Dummer, przedstawił raport na temat niezawodności elementów radarowych. W raporcie złożył prorocze stwierdzenie: „ Wraz z pojawieniem się tranzystorów i pracami w dziedzinie technologii półprzewodników, ogólnie rzecz biorąc, można sobie wyobrazić sprzęt elektroniczny w postaci solidnego bloku niezawierającego przewodów łączących. Blok może składać się z warstw materiałów izolacyjnych, przewodzących, prostujących i wzmacniających, w których określone obszary są wycięte tak, aby mogły bezpośrednio pełnić funkcje elektryczne.”. Ale ta prognoza pozostała niezauważona przez ekspertów. Przypomnieli sobie o tym dopiero po pojawieniu się pierwszych układów półprzewodnikowych, czyli po praktycznym udowodnieniu dawno nagłośnionej idei. Ktoś musiał być pierwszym, który wymyśli na nowo i wdroży pomysł półprzewodnikowego układu scalonego.

Podobnie jak w przypadku tranzystora, powszechnie uznani twórcy układów półprzewodnikowych mieli mniej lub bardziej udanych poprzedników. Sam Dammer podjął próbę realizacji swojego pomysłu w 1956 roku, ale zakończyła się niepowodzeniem. W 1953 roku Harvick Johnson z RCA otrzymał patent na jednoukładowy oscylator, a w 1958 wraz z Torkelem Wallmarkem ogłosił koncepcję „zintegrowanego urządzenia półprzewodnikowego”. W 1956 roku Ross, pracownik Bell Labs, wyprodukował binarny obwód licznikowy oparty na strukturach n-p-n-p w pojedynczym monokrysztale. W 1957 roku Yasuro Taru z japońskiej firmy MITI otrzymał patent na łączenie różnych tranzystorów w jednym krysztale. Ale wszystkie te i inne podobne osiągnięcia miały charakter prywatny, nie zostały wprowadzone do produkcji i nie stały się podstawą rozwoju zintegrowanej elektroniki. Tylko trzy projekty przyczyniły się do rozwoju własności intelektualnej w produkcji przemysłowej.

Szczęśliwcami byli wspomniany już Jack Kilby z Texas Instruments (TI), Robert Noyce z Fairchild (obaj z USA) i Yuri Valentinovich Osokin z biura projektowego Ryskiej Fabryki Urządzeń Półprzewodnikowych (ZSRR). Amerykanie stworzyli eksperymentalne próbki układów scalonych: J. Kilby - prototyp generatora IC (1958), a następnie wyzwalacz na tranzystorach mesa (1961), R. Noyce - wyzwalacz wykorzystujący technologię planarną (1961) i Yu. Osokin – logiczny układ scalony „2NOT-OR” natychmiast wszedł do masowej produkcji w Niemczech (1962). Firmy te rozpoczęły seryjną produkcję IP niemal jednocześnie, w 1962 roku.

Pierwsze układy półprzewodnikowe w USA

IP autorstwa Jacka Kilby'ego. Seria JEST SN-51”

W 1958 roku J. Kilby (pionier zastosowania tranzystorów w aparatach słuchowych) przeniósł się do Texas Instruments. Nowicjusz Kilby, jako projektant obwodów, został „wrzucony” w ulepszanie mikromodułowego napełniania rakiet, tworząc alternatywę dla mikromodułów. Rozważano możliwość składania klocków z części o standardowych kształtach, na wzór składania modeli zabawek z figurek LEGO. Kilby’ego fascynowało jednak coś innego. Decydującą rolę odegrał efekt „świeżego spojrzenia”: po pierwsze od razu stwierdził, że mikromoduły to ślepa uliczka, a po drugie, podziwiając struktury mes, doszedł do wniosku, że obwód powinien (i może) być zrealizowany z jednego materiału – półprzewodnika. Kilby wiedział o pomyśle Dummera i jego nieudanej próbie jego realizacji w 1956 roku. Po przeanalizowaniu zrozumiał przyczynę niepowodzenia i znalazł sposób na jej przezwyciężenie. „ Moją zasługą jest to, że przyjąłem ten pomysł i przekształciłem go w rzeczywistość.”, powiedział później J. Kilby w swoim przemówieniu noblowskim.

Nie zasłużył jeszcze na prawo do urlopu, pracował w laboratorium bez ingerencji, podczas gdy wszyscy odpoczywali. 24 lipca 1958 roku Kilby sformułował koncepcję w czasopiśmie laboratoryjnym zatytułowanym Monolithic Idea. Jej istotą było to, że „. ..elementy obwodu takie jak rezystory, kondensatory, kondensatory rozproszone i tranzystory można zintegrować w jednym chipie - pod warunkiem, że są wykonane z tego samego materiału... W konstrukcji obwodu typu flip-flop wszystkie elementy muszą być wykonane z krzemu, w przypadku rezystorów wykorzystuje się rezystancję objętościową krzemu, a w kondensatorach - pojemność złączy p-n„. „Pomysł na monolit” spotkał się z protekcjonalną i ironiczną postawą kierownictwa Texas Instruments, które domagało się udowodnienia możliwości wykonania tranzystorów, rezystorów i kondensatorów z półprzewodnika oraz funkcjonalności układu złożonego z takich elementów.

We wrześniu 1958 roku Kilby zrealizował swój pomysł - wykonał generator z dwóch kawałków germanu o wymiarach 11,1 x 1,6 mm sklejonych woskiem pszczelim na szklanym podłożu, zawierającym dwa rodzaje obszarów dyfuzyjnych (ryc. 1). Wykorzystał te obszary oraz istniejące styki do stworzenia obwodu generatora, łącząc elementy cienkimi złotymi drutami o średnicy 100 mikronów za pomocą zgrzewania termokompresyjnego. W jednym obszarze utworzono mesatranzystor, a w drugim obwód RC. Zmontowane trzy generatory zostały zademonstrowane kierownictwu firmy. Po podłączeniu zasilania zaczęły pracować na częstotliwości 1,3 MHz. Stało się to 12 września 1958 r. Tydzień później Kilby wykonał wzmacniacz w podobny sposób. Nie były to jednak jeszcze konstrukcje zintegrowane, były to trójwymiarowe makiety układów półprzewodnikowych, potwierdzające ideę wykonania wszystkich elementów obwodów z jednego materiału – półprzewodnika.

Ryż. 3. Typ spustu 502 J. Kilby. Zdjęcie ze strony http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Pierwszym prawdziwie zintegrowanym obwodem Kilby'ego, wykonanym z jednego kawałka monolitycznego germanu, był eksperymentalny układ scalony wyzwalający typu 502 (rys. 3). Wykorzystano w nim zarówno rezystancję objętościową germanu, jak i pojemność złącza p-n. Jej prezentacja odbyła się w marcu 1959 r. Niewielka liczba takich układów scalonych została wyprodukowana w warunkach laboratoryjnych i sprzedana małemu kręgowi za 450 dolarów. Układ scalony zawierał sześć elementów: cztery tranzystory mesa i dwa rezystory, umieszczone na płytce krzemowej o średnicy 1 cm. Ale układ Kilby'ego miał poważną wadę - tranzystory mesa, które w postaci mikroskopijnych „aktywnych” kolumn górowały nad resztą. , „pasywna” część kryształu. Połączenie kolumn mesa ze sobą w Kilby IS odbyło się za pomocą gotowanych cienkich złotych drutów - znienawidzonej przez wszystkich „włochatej technologii”. Stało się jasne, że przy takich połączeniach nie można wykonać mikroukładu z dużą liczbą elementów - siatka druciana pęknie lub ponownie się połączy. A german w tym czasie był już uważany za materiał mało obiecujący. Nie było przełomu.

W tym czasie Fairchild opracował technologię płaskiego krzemu. Biorąc to wszystko pod uwagę, firma Texas Instruments musiała odłożyć na bok wszystko, co zrobił Kilby i rozpocząć, bez Kilby'ego, opracowywanie serii układów scalonych opartych na technologii krzemu planarnego. W październiku 1961 roku firma ogłosiła powstanie serii układów scalonych typu SN-51, a w 1962 roku rozpoczęła ich masową produkcję i dostawy w interesie Departamentu Obrony USA i NASA.

IP autorstwa Roberta Noyce'a. Seria JESTMikrologika”

W 1957 roku z różnych powodów W. Shockley, wynalazca tranzystora planarnego, opuścił grupę ośmiu młodych inżynierów, którzy chcieli spróbować wdrożyć własne pomysły. „Ośmiu zdrajców”, jak ich nazywał Shockley, których przywódcami byli R. Noyce i G. Moore, założyło firmę Fairchild Semiconductor („piękne dziecko”). Firmą kierował Robert Noyce, miał wtedy 23 lata.

Pod koniec 1958 roku fizyk D. Horney, pracujący w Fairchild Semiconductor, opracował technologię produkcji tranzystorów planarnych. Urodzony w Czechach fizyk Kurt Lehovec, który pracował w Sprague Electric, opracował technikę wykorzystania odwrotnie połączonego złącza n-p do elektrycznej izolacji komponentów. W 1959 roku Robert Noyce, słysząc o projekcie układu scalonego Kilby'ego, postanowił spróbować stworzyć układ scalony, łącząc procesy zaproponowane przez Horneya i Lehoveca. Zamiast „włochatej technologii” interkonektów Noyce zaproponował selektywne osadzanie cienkiej warstwy metalu na strukturach półprzewodnikowych izolowanych dwutlenkiem krzemu z połączeniem styków elementów przez otwory pozostawione w warstwie izolacyjnej. Umożliwiło to „zanurzenie” elementów aktywnych w korpusie półprzewodnika, zaizolowanie ich tlenkiem krzemu, a następnie połączenie tych elementów ze ścieżkami napylanymi z aluminium lub złota, które powstają w procesach fotolitografii, metalizacji i trawienia ostatni etap wytwarzania produktu. W ten sposób uzyskano prawdziwie „monolityczną” wersję łączenia komponentów w jeden obwód, a nową technologię nazwano „planarną”. Najpierw jednak trzeba było przetestować pomysł.

Ryż. 4. Eksperymentalny wyzwalacz R. Noyce’a. Zdjęcie ze strony http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Ryż. 5. Zdjęcie Micrologic IC w magazynie Life. Zdjęcie ze strony http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

W sierpniu 1959 roku R. Noyce zlecił firmie Joy Last opracowanie wersji układu scalonego opartej na technologii planarnej. Najpierw, podobnie jak Kilby, wykonali prototyp wyzwalacza na kilku kryształach krzemu, na którym wykonano 4 tranzystory i 5 rezystorów. Następnie 26 maja 1960 roku wyprodukowano pierwszy jednochipowy spust. Aby wyizolować znajdujące się w nim pierwiastki, na tylnej stronie płytki krzemowej wytrawiono głębokie rowki i wypełniono żywicą epoksydową. 27 września 1960 roku wyprodukowano trzecią wersję wyzwalacza (rys. 4), w której elementy zostały odizolowane za pomocą odwrotnie połączonego złącza p-n.

Do tego czasu firma Fairchild Semiconductor zajmowała się wyłącznie tranzystorami; nie miała projektantów obwodów, którzy mogliby tworzyć półprzewodnikowe układy scalone. Dlatego Robert Norman ze Sperry Gyroskop został zaproszony jako projektant obwodów. Norman znał logikę rezystorowo-tranzystorową, którą firma zgodnie z jego sugestią wybrała jako podstawę swojej przyszłej serii układów scalonych „Micrologic”, która znalazła swoje pierwsze zastosowanie w wyposażeniu rakiety Minuteman. W marcu 1961 roku Fairchild ogłosił pierwszy eksperymentalny układ scalony z tej serii (przerzutnik F składający się z sześciu elementów: czterech tranzystorów bipolarnych i dwóch rezystorów umieszczonych na płytce o średnicy 1 cm), publikując swoją fotografię (ryc. 5). ) w czasopiśmie Życie(z dnia 10 marca 1961 r.). W październiku ogłoszono kolejnych 5 adresów IP. A od początku 1962 roku Fairchild uruchomił masową produkcję układów scalonych i ich dostawy także w interesie Departamentu Obrony USA i NASA.

Kilby i Noyce musieli wysłuchać wielu krytyki na temat swoich innowacji. Uważano, że praktyczna wydajność odpowiednich układów scalonych będzie bardzo niska. Oczywiste jest, że powinna być niższa niż w przypadku tranzystorów (ponieważ zawiera kilka tranzystorów), dla których wówczas nie była wyższa niż 15%. Po drugie, wielu uważało, że w układach scalonych zastosowano niewłaściwe materiały, ponieważ rezystory i kondensatory nie były wówczas wykonane z półprzewodników. Po trzecie, wielu nie mogło zaakceptować idei nienaprawialności własności intelektualnej. Wyrzucanie produktu, w którym zawiódł tylko jeden z wielu elementów, wydawało im się bluźnierstwem. Wszelkie wątpliwości zostały stopniowo rozwiane, gdy układy scalone zaczęto z powodzeniem stosować w amerykańskich programach wojskowych i kosmicznych.

Jeden z założycieli Fairchild Semiconductor, G. Moore, sformułował podstawowe prawo rozwoju mikroelektroniki krzemowej, zgodnie z którym liczba tranzystorów w krysztale układu scalonego podwaja się co roku. Prawo to, zwane „prawem Moore’a”, obowiązywało dość wyraźnie przez pierwsze 15 lat (począwszy od 1959 r.), a następnie to podwojenie nastąpiło w ciągu około półtora roku.

Co więcej, branża IP w Stanach Zjednoczonych zaczęła się rozwijać w szybkim tempie. W Stanach Zjednoczonych rozpoczął się lawinowy proces pojawiania się przedsiębiorstw nastawionych wyłącznie na „planarność”, czasami osiągający poziom rejestrowania kilkunastu firm tygodniowo. W pogoni za weteranami (firmy W. Shockleya i R. Noyce’a), a także dzięki ulgom podatkowym i usługom zapewnianym przez Uniwersytet Stanforda, „nowi przybysze” skupili się głównie w dolinie Santa Clara (Kalifornia). Nic więc dziwnego, że w 1971 roku lekką ręką dziennikarza i popularyzatora nowinek technicznych Dona Hoflera do obiegu trafił romantyczno-technologiczny obraz „Doliny Krzemowej”, stając się na zawsze synonimem Mekki półprzewodnikowej rewolucji technologicznej. Swoją drogą, rzeczywiście w tych okolicach znajduje się dolina, która wcześniej słynęła z licznych sadów morelowych, wiśniowych i śliwkowych, która przed pojawieniem się firmy Shockley nosiła inną, przyjemniejszą nazwę – Dolina Rozkoszy Serca, teraz niestety , prawie zapomniany.

W 1962 roku rozpoczęto masową produkcję układów scalonych w Stanach Zjednoczonych, choć ich wielkość dostaw do klientów wyniosła zaledwie kilka tysięcy. Najsilniejszą zachętą do rozwoju przemysłu przyrządowego i elektronicznego na nowych podstawach była technologia rakietowa i kosmiczna. Stany Zjednoczone nie dysponowały wówczas tak potężnymi międzykontynentalnymi rakietami balistycznymi jak radzieckie i w celu zwiększenia ładunku zmuszone były do ​​minimalizacji masy nośnika, w tym systemów sterowania, poprzez wprowadzenie najnowszych zdobyczy techniki elektronicznej . Texas Instrument i Fairchild Semiconductor zawarły duże kontrakty na projektowanie i produkcję układów scalonych z Departamentem Obrony USA i NASA.

Pierwsze układy półprzewodnikowe w ZSRR

Pod koniec lat pięćdziesiątych przemysł radziecki tak bardzo potrzebował diod i tranzystorów półprzewodnikowych, że konieczne były radykalne działania. W 1959 r. powstały fabryki urządzeń półprzewodnikowych w Aleksandrowie, Briańsku, Woroneżu, Rydze itp. W styczniu 1961 r. Komitet Centralny KPZR i Rada Ministrów ZSRR przyjęły kolejną uchwałę „W sprawie rozwoju przemysłu półprzewodników”, która przewidywała budowa fabryk i instytutów badawczych w Kijowie, Mińsku, Erewaniu, Nalczyku i innych miastach.

Nas zainteresuje jedna z nowych fabryk - wspomniana już Ryga Semiconductor Devices Plant (RZPP, kilkakrotnie zmieniała nazwę, dla uproszczenia posługujemy się tą najsłynniejszą, która działa do dziś). Jako bazę startową dla nowego zakładu przeznaczono powstający budynek technikum spółdzielczego o powierzchni 5300 m2, jednocześnie rozpoczęto budowę budynku specjalnego. Do lutego 1960 roku w zakładzie utworzono już 32 serwisy, 11 laboratoriów oraz produkcję pilotażową, która rozpoczęła się w kwietniu w celu przygotowania do produkcji pierwszych urządzeń. Zakład zatrudniał już 350 osób, z czego 260 w ciągu roku wysłano na studia do Moskiewskiego Instytutu Badawczego-35 (później Instytutu Badawczego Pulsar) i fabryki w Leningradzie Swietłana. A pod koniec 1960 roku liczba pracowników osiągnęła 1900 osób. Początkowo linie technologiczne znajdowały się w przebudowanej sali gimnastycznej budynku spółdzielczego technikum, natomiast laboratoria OKB mieściły się w dawnych salach dydaktycznych. Zakład wyprodukował pierwsze urządzenia (tranzystory ze stopu dyfuzji i konwersji germanowej P-401, P-403, P-601 i P-602 opracowane przez NII-35) 9 miesięcy po podpisaniu zamówienia na jego utworzenie, w marcu 1960 r. A do końca lipca wyprodukował pierwszy tysiąc tranzystorów P-401. Następnie opanował produkcję wielu innych tranzystorów i diod. W czerwcu 1961 roku zakończono budowę specjalnego budynku, w którym rozpoczęto masową produkcję urządzeń półprzewodnikowych.

Od 1961 roku zakład rozpoczął samodzielne prace technologiczne i rozwojowe obejmujące mechanizację i automatyzację produkcji tranzystorów w oparciu o fotolitografię. W tym celu opracowano pierwszy domowy fotoreplikator (fotostempel) – instalację do łączenia i stykowego drukowania zdjęć (opracowanie: A.S. Gotman). Dużą pomoc w finansowaniu i produkcji unikalnego sprzętu udzieliły przedsiębiorstwa Ministerstwa Przemysłu Radiowego, w tym KB-1 (później NPO Almaz, Moskwa) i NIIRE. W tamtym czasie najaktywniejsi twórcy małogabarytowego sprzętu radiowego, nie posiadający własnego zaplecza technologicznego w zakresie półprzewodników, poszukiwali sposobów twórczej interakcji z nowo powstającymi fabrykami półprzewodników.

W RZPP prowadzono aktywne prace nad automatyzacją produkcji tranzystorów germanowych typu P401 i P403 w oparciu o stworzoną przez zakład linię produkcyjną Ausma. Jej główny projektant (GC) A.S. Gottman zaproponował wykonanie na powierzchni germanu ścieżek przewodzących prąd od elektrod tranzystora do obwodu kryształu, aby ułatwić spawanie przewodów tranzystora w obudowie. Ale co najważniejsze, ścieżki te można było wykorzystać jako zewnętrzne zaciski tranzystora, gdy zostały zmontowane w płytki (zawierające elementy łączące i pasywne) bez opakowania, lutując je bezpośrednio do odpowiednich pól stykowych (w rzeczywistości technologia tworzenia hybrydowych układów scalonych była zaproponowano). Proponowana metoda, w której ścieżki przewodzące prąd kryształu zdają się całować pola stykowe płytki, otrzymała oryginalną nazwę - „technologia całowania”. Jednak ze względu na szereg problemów technologicznych, które okazały się wówczas nierozwiązywalne, związanych głównie z problemami z dokładnością uzyskania styków na płytce drukowanej, nie było możliwe praktyczne wdrożenie „technologii pocałunku”. Kilka lat później podobny pomysł został wdrożony w USA i ZSRR i znalazł szerokie zastosowanie w tzw. „przewodach kulowych” oraz w technologii „chip-to-board”.

Jednak współpracujące z RZPP firmy hardware, w tym NIIRE, liczyły na „technologię pocałunku” i planowały jej zastosowanie. Wiosną 1962 roku, kiedy stało się jasne, że jego realizacja została odroczona na czas nieokreślony, główny inżynier NIIRE V.I. Smirnow zapytał dyrektora RZPP S.A. Bergmana do znalezienia innego sposobu na realizację wieloelementowego obwodu 2NOR, uniwersalnego do budowy urządzeń cyfrowych.

Ryż. 7. Obwód zastępczy układu scalonego R12-2 (1LB021). Na podstawie prospektu emisyjnego IP z 1965 r.

Pierwszy IS i GIS autorstwa Jurija Osokina. Solidny schemat R12-2(seria IS 102 I 116 )

Dyrektor RZPP powierzył to zadanie młodemu inżynierowi Jurijowi Walentinowiczowi Osokinowi. Zorganizowaliśmy dział składający się z laboratorium technologicznego, laboratorium opracowywania i produkcji fotomasek, laboratorium pomiarowego oraz pilotażowej linii produkcyjnej. W tym czasie dostarczono do RZPP technologię wytwarzania diod i tranzystorów germanowych, która stała się podstawą nowego opracowania. I już jesienią 1962 roku uzyskano pierwsze prototypy germanowego obwodu stałego 2NOT-OR (ponieważ wówczas nie istniało określenie IS, z szacunku dla ówczesnych spraw, nazwę „obwód twardy” zachowamy - TS), który otrzymał fabryczne oznaczenie „P12-2”. Zachowała się książeczka reklamowa z 1965 r. na P12-2 (ryc. 6), z informacjami i ilustracjami, z których będziemy korzystać. TS R12-2 zawierał dwa germanowe tranzystory p - n - p (modyfikowane tranzystory typu P401 i P403) ze wspólnym obciążeniem w postaci rozproszonego germanowego rezystora typu p (ryc. 7).

Ryż. 8. Struktura IC R12-2. Na podstawie prospektu emisyjnego IP z 1965 r.

Ryż. 9. Rysunek wymiarowy pojazdu R12-2. Na podstawie prospektu emisyjnego IP z 1965 r.

Zewnętrzne przewody powstają poprzez zgrzewanie termokompresyjne pomiędzy germanowymi obszarami struktury TC a złotem przewodów ołowianych. Zapewnia to stabilną pracę obwodów pod wpływem czynników zewnętrznych w warunkach tropikalnej i mgły morskiej, co jest szczególnie ważne w przypadku pracy w morskich quasi-elektronicznych automatycznych centralach telefonicznych produkowanych przez zakład VEF w Rydze, który również był zainteresowany tym opracowaniem.

Konstrukcyjnie R12-2 TS (i kolejne R12-5) wykonano w formie „tabletki” (ryc. 9) z okrągłej metalowej miseczki o średnicy 3 mm i wysokości 0,8 mm. Umieszczono w nim kryształ TC i wypełniono związkiem polimerowym, z którego wyszły krótkie zewnętrzne końcówki wyprowadzeń wykonanych z miękkiego złotego drutu o średnicy 50 mikronów, przyspawanych do kryształu. Masa P12-2 nie przekraczała 25 mg. W tej konstrukcji pojazdy były odporne na wilgotność względną powietrza na poziomie 80% w temperaturze otoczenia 40°C oraz na cykliczne zmiany temperatury od -60° do 60°C.

Do końca 1962 roku w pilotażowej produkcji RZPP wyprodukowano około 5 tysięcy pojazdów R12-2, a w 1963 roku wyprodukowano ich kilkadziesiąt tysięcy. Tym samym rok 1962 stał się rokiem narodzin przemysłu mikroelektronicznego w USA i ZSRR.

Ryż. 10. Grupy TS R12-2

Ryż. 11. Podstawowe właściwości elektryczne R12-2

Technologia półprzewodników była wówczas w powijakach i nie gwarantowała jeszcze ścisłej powtarzalności parametrów. Dlatego obsługiwane urządzenia zostały podzielone na grupy parametrów (często robi się to w naszych czasach). To samo zrobili mieszkańcy Rygi, instalując 8 standardowych ocen pojazdu R12-2 (ryc. 10). Wszystkie inne właściwości elektryczne i inne są takie same dla wszystkich standardowych wartości znamionowych (rys. 11).

Produkcja TS R12-2 rozpoczęła się jednocześnie z badaniami i rozwojem „Twardość”, które zakończyły się w 1964 r. (GK Yu.V. Osokin). W ramach tych prac opracowano udoskonaloną technologię grupową do seryjnej produkcji pojazdów germanowych opartą na fotolitografii i galwanicznym osadzaniu stopów poprzez fotomaskę. Jej główne rozwiązania techniczne są zarejestrowane jako wynalazek Yu.V. Osokin. i Mikhalovich D.L. (AS nr 36845). Kilka artykułów Yu.V. zostało opublikowanych w tajnym czasopiśmie Spetsradioelectronics. Osokina we współpracy ze specjalistami KB-1 I.V. Nic, G.G. Smolko i Yu.E. Naumova z opisem budowy i charakterystyki pojazdu R12-2 (i późniejszego pojazdu R12-5).

Konstrukcja P12-2 była dobra pod każdym względem, poza jedną rzeczą – konsumenci nie wiedzieli, jak używać tak małych produktów z najcieńszymi przewodami. Z reguły firmy produkujące sprzęt nie miały do ​​tego ani technologii, ani sprzętu. Przez cały okres produkcji R12-2 i R12-5 ich użycie zostało opanowane przez NIIRE, Zakład Radiowy Żigulewskiego Ministerstwa Przemysłu Radiowego, VEF, NIIP (od 1978 NPO Radiopribor) i kilka innych przedsiębiorstw. Rozumiejąc problem, programiści TS wraz z NIIRE natychmiast pomyśleli o drugim poziomie projektowania, co jednocześnie zwiększyło gęstość rozmieszczenia sprzętu.

Ryż. 12. Moduł 4 pojazdów R12-2

W 1963 r. w NIIRE, w ramach prac projektowo-rozwojowych Kvant (GK A.N. Pelipenko, przy udziale E.M. Lyakhovicha), opracowano projekt modułowy łączący cztery pojazdy R12-2 (ryc. 12). Od dwóch do czterech urządzeń R12-2 (w obudowie) umieszczono na mikropłycie wykonanej z cienkiego włókna szklanego, które wspólnie realizowały określoną jednostkę funkcjonalną. Na płytkę wciśnięto aż 17 pinów (ilość była różna dla konkretnego modułu) o długości 4 mm. Mikropłytę umieszczono w tłoczonym metalowym kubku o wymiarach 21,6 ? O głębokości 6,6 mm i 3,1 mm, wypełnione masą polimerową. Rezultatem jest hybrydowy układ scalony (HIC) z podwójnym uszczelnieniem elementów. I jak już powiedzieliśmy, był to pierwszy na świecie GIS z dwupoziomową integracją i być może pierwszy GIS w ogóle. Opracowano osiem typów modułów o ogólnej nazwie „Quantum”, które pełniły różne funkcje logiczne. W ramach takich modułów pojazdy R12-2 pozostawały sprawne pod wpływem stałych przyspieszeń do 150 g i obciążeń wibracyjnych w zakresie częstotliwości 5–2000 Hz z przyspieszeniem do 15 g.

Moduły Kvant zostały najpierw wyprodukowane w ramach pilotażowej produkcji NIIRE, a następnie zostały przekazane do Zakładów Radiowych Żigulewskiego Ministerstwa Przemysłu Radiowego ZSRR, które dostarczyły je różnym konsumentom, w tym zakładowi VEF.

Oparte na nich moduły TS R12-2 i „Kvant” sprawdziły się i są szeroko stosowane. W 1968 r. wydano normę ustanawiającą ujednolicony system oznaczeń układów scalonych w kraju, a w 1969 r. Ogólne specyfikacje techniczne układów półprzewodnikowych (NP0.073.004TU) i hybrydowych (NP0.073.003TU) z ujednoliconym systemem wymagań . Zgodnie z tymi wymaganiami Centralne Biuro Zastosowań Układów Scalonych (TsBPIMS, później CDB Dayton, Zelenograd) w dniu 6 lutego 1969 r. zatwierdziło nową specyfikację techniczną ShT3.369.001-1TU dla pojazdu. W tym samym czasie w oznaczeniu produktu po raz pierwszy pojawiło się określenie „układ scalony” serii 102 TS R12-2: 1LB021V, 1LB021G, 1LB021Zh, 1LB021I. W rzeczywistości był to jeden układ scalony, podzielony na cztery grupy według napięcia wyjściowego i obciążalności.

Ryż. 13. Układy scalone serii 116 i 117

A 19 września 1970 r. TsBPIMS zatwierdził specyfikacje techniczne AB0.308.014TU dla modułów Kvant, oznaczonych jako seria IS 116 (ryc. 13). Seria obejmowała dziewięć układów scalonych: 1ХЛ161, 1ХЛ162 i 1ХЛ163 – wielofunkcyjne układy cyfrowe; 1LE161 i 1LE162 – dwa i cztery elementy logiczne 2NOR; 1TP161 i 1TP1162 – jeden i dwa wyzwalacze; 1UP161 – wzmacniacz mocy oraz 1LP161 – element logiczny „hamujący” dla 4 wejść i 4 wyjść. Każdy z tych układów scalonych miał od czterech do siedmiu opcji konstrukcyjnych, różniących się napięciem sygnału wyjściowego i obciążalnością, co daje łącznie 58 typów układów scalonych. Projekty oznaczono literą znajdującą się po cyfrowej części oznaczenia IS, np. 1ХЛ161ж. Następnie rozszerzono zakres modułów. Układy scalone serii 116 faktycznie były hybrydowe, ale na prośbę RZPP oznaczono je jako półprzewodnikowe (pierwsza cyfra w oznaczeniu to „1”, w hybrydach powinna być „2”).

W 1972 r. Wspólną decyzją Ministerstwa Przemysłu Elektronicznego i Ministerstwa Przemysłu Radiowego produkcja modułów została przeniesiona z Zakładów Radiowych w Żigulewskim do RZPP. Wyeliminowało to możliwość transportu układów scalonych serii 102 na duże odległości, więc zrezygnowano z konieczności uszczelniania matrycy każdego układu scalonego. W rezultacie konstrukcja układów scalonych serii 102 i 116 została uproszczona: nie było potrzeby pakowania układów scalonych serii 102 w metalowy kubek wypełniony związkiem. Nieopakowane układy scalone serii 102 w kontenerach technologicznych zostały dostarczone do sąsiedniego warsztatu w celu montażu układów scalonych serii 116, zamontowanych bezpośrednio na ich mikropłytce i uszczelnionych w obudowie modułu.

W połowie lat 70. wydano nowy standard systemu oznaczania IP. Następnie na przykład IS 1LB021V otrzymał oznaczenie 102LB1V.

Drugi IS i GIS autorstwa Yuri Osokin. Solidny schemat R12-5(seria IS 103 I 117 )

Na początku 1963 roku, w wyniku poważnych prac nad rozwojem tranzystorów n - p - n wysokiej częstotliwości, zespół Yu.V. Osokina zgromadził rozległe doświadczenie w pracy z warstwami p na oryginalnej płytce n-germanowej. To oraz obecność wszystkich niezbędnych komponentów technologicznych pozwoliło Osokinowi w 1963 roku rozpocząć opracowywanie nowej technologii i projektowanie szybszej wersji pojazdu. W 1964 roku na zlecenie NIIRE zakończono prace nad pojazdem R12-5 i opartymi na nim modułami. Na podstawie jego wyników w 1965 r. Otwarto ośrodek badawczo-rozwojowy w Połądze (GK Yu.V. Osokin, jego zastępca - D.L. Mikhalovich, ukończono w 1966 r.). Moduły oparte na R12-5 zostały opracowane w ramach tego samego projektu badawczo-rozwojowego „Kvant”, co moduły oparte na R12-2. Równolegle ze specyfikacjami technicznymi dla serii 102 i 116 zostały opracowane specyfikacje techniczne ShT3.369.002-2TU dla układu scalonego serii 103 (R12-5) i AV0.308.016TU dla układu scalonego serii 117 (moduły oparte na układzie scalonym serii 103). zatwierdzony. Nazewnictwo typów i standardowych wartości znamionowych TS R12-2, modułów na nich oraz serii IS 102 i 116 było identyczne z nazewnictwem odpowiednio TS R12-5 oraz IS serii 103 i 117. Różniły się jedynie szybkością i technologią wykonania kryształu IC. Typowy czas opóźnienia propagacji dla serii 117 wynosił 55 ns w porównaniu do 200 ns dla serii 116.

Strukturalnie R12-5 TS był czterowarstwową konstrukcją półprzewodnikową (ryc. 14), w której podłoże typu n i emitery typu p+ zostały podłączone do wspólnej szyny uziemiającej. Główne rozwiązania techniczne konstrukcji pojazdu R12-5 są zarejestrowane jako wynalazek Yu.V. Osokina, D.L. Kaydalova Zh.A i Akmensa Ya.P. (A.S. nr 248847). Podczas produkcji czterowarstwowej struktury TC R12-5 ważną wiedzą było utworzenie warstwy p typu n w oryginalnej płycie germanowej. Osiągnięto to poprzez dyfuzję cynku w szczelnie zamkniętej ampułce kwarcowej, gdzie płytki znajdują się w temperaturze około 900°C, a cynk znajduje się na drugim końcu ampułki w temperaturze około 500°C. Dalsze powstawanie struktury TS w utworzonej warstwie p jest podobna do struktury P12-2 TS. Nowa technologia pozwoliła uniknąć skomplikowanego kształtu kryształu TS. Płytki z P12-5 zostały również oszlifowane od tyłu na grubość około 150 mikronów, zachowując część oryginalnej płytki, a następnie zostały wpisane w poszczególne prostokątne chipy IC.

Ryż. 14. Struktura kryształu TS R12-5 z AS nr 248847. 1 i 2 – masa, 3 i 4 – wejścia, 5 – wyjście, 6 – zasilanie

Po pierwszych pozytywnych wynikach produkcji eksperymentalnych pojazdów R12-5, na zlecenie KB-1 otwarto projekt badawczy Mezon-2, mający na celu stworzenie pojazdu z czterema R12-5. W 1965 roku uzyskano próbki robocze w płaskiej metalowo-ceramicznej obudowie. Jednak P12-5 okazał się trudny w produkcji, głównie ze względu na trudność w utworzeniu domieszkowanej cynkiem warstwy p na oryginalnej płytce n-Ge. Produkcja kryształu okazała się pracochłonna, wydajność jest niska, a koszt pojazdu wysoki. Z tych samych powodów R12-5 TC był produkowany w małych ilościach i nie mógł wyprzeć wolniejszego, ale bardziej zaawansowanego technologicznie R12-2. Projekt badawczy Mezon-2 w ogóle nie był kontynuowany, m.in. ze względu na problemy z połączeniami.

W tym czasie Instytut Badawczy Pulsar i NIIME prowadziły już szeroko zakrojone prace nad rozwojem technologii krzemu planarnego, która ma wiele zalet w porównaniu z technologią germanową, z których główną jest wyższy zakres temperatur pracy (+150°C dla krzemu i +70°C dla germanu) oraz obecność naturalnej warstwy ochronnej SiO 2 na krzemie. Specjalizacja RZPP została przeorientowana na tworzenie analogowych układów scalonych. Dlatego specjaliści RZPP uznali rozwój technologii germanu do produkcji układów scalonych za niewłaściwy. Jednak w produkcji tranzystorów i diod german przez jakiś czas nie stracił swojej pozycji. W dziale Yu.V. Osokin, po 1966 r., opracowano i wyprodukowano germanowe planarne niskoszumowe tranzystory mikrofalowe RZPP GT329, GT341, GT 383 itp. Ich stworzenie zostało nagrodzone Nagrodą Państwową Łotewskiego ZSRR.

Aplikacja

Ryż. 15. Urządzenie arytmetyczne na modułach półprzewodnikowych. Zdjęcie z książeczki TS z 1965 roku.

Ryż. 16. Wymiary porównawcze urządzenia sterującego automatyczną centralą telefoniczną wykonanego na przekaźniku i pojeździe. Zdjęcie z książeczki TS z 1965 roku.

Klientami i pierwszymi odbiorcami R12-2 TS i modułów byli twórcy konkretnych systemów: komputera Gnome (ryc. 15) dla pokładowego systemu pokładowego samolotu Kupol (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) oraz morskich i cywilnych automatycznych central telefonicznych (roślina VEF, GK Misulovin L.Ya.). Aktywnie uczestniczył we wszystkich etapach tworzenia pojazdów R12-2, R12-5 i modułów na nich oraz KB-1, głównym kuratorem tej współpracy z KB-1 był N.A. Barkanow. Pomagali w finansowaniu, produkcji sprzętu oraz badaniach pojazdów i modułów w różnych trybach i warunkach pracy.

Pierwszymi w kraju mikroukładami były TS R12-2 i oparte na nim moduły „Kvant”. I na świecie byli jednymi z pierwszych - dopiero w USA Texas Instruments i Fairchild Semiconductor zaczęły produkować swoje pierwsze półprzewodnikowe układy scalone, a w 1964 roku IBM Corporation rozpoczęła produkcję grubowarstwowych hybrydowych układów scalonych do swoich komputerów. W innych krajach nie myślano jeszcze o własności intelektualnej. Dlatego układy scalone były ciekawostką dla publiczności; skuteczność ich wykorzystania robiła piorunujące wrażenie i była odtwarzana w reklamie. Zachowana książeczka pojazdu R12-2 z 1965 roku (oparta na rzeczywistych zastosowaniach) głosi: „ Zastosowanie półprzewodnikowych obwodów P12-2 w pokładowych urządzeniach komputerowych umożliwia 10–20-krotne zmniejszenie masy i wymiarów tych urządzeń, zmniejszenie zużycia energii i zwiększenie niezawodności działania. ... Zastosowanie w układach sterowania stałych obwodów P12-2 i przełączanie torów transmisji informacji automatycznych central telefonicznych pozwala zmniejszyć głośność urządzeń sterujących około 300-krotnie, a także znacznie zmniejszyć zużycie energii elektrycznej (30-50 czasy)” . Stwierdzenia te zilustrowano zdjęciami urządzenia arytmetycznego komputera Gnome (ryc. 15) oraz porównaniem produkowanego wówczas przez zakłady VEF stojaka przekaźnikowego ATS z małym blokiem na dłoni dziewczyny (ryc. 16) . Było wiele innych zastosowań pierwszych układów scalonych w Rydze.

Produkcja

Trudno teraz odtworzyć pełny obraz wielkości produkcji układów scalonych serii 102 i 103 w ujęciu rocznym (dziś RZPP z dużego zakładu przekształciło się w małą produkcję i wiele archiwów zaginęło). Ale według wspomnień Yu.V. Osokin, w drugiej połowie lat 60. produkcja sięgała wielu setek tysięcy rocznie, w latach 70. – milionów. Z jego zachowanych notatek wynika, że ​​w 1985 roku wyprodukowano układy scalone serii 102 – 4 100 000 szt., moduły serii 116 – 1 025 000 szt., układy scalone serii 103 – 700 000 szt., moduły serii 117 – 175 000 szt. .

Pod koniec 1989 roku Yu.V. Osokin, ówczesny dyrektor generalny Alpha Production Association, zwrócił się do kierownictwa Komisji Wojskowo-Przemysłowej przy Radzie Ministrów (MIC) ZSRR z prośbą o wycofanie z produkcji serii 102, 103, 116 i 117 ze względu na ich starzenie się i wysoka pracochłonność (za 25 lat mikroelektronika jest daleka od postępu), ale otrzymała kategoryczną odmowę. Zastępca Przewodniczącego Kompleksu Wojskowo-Przemysłowego V.L. Kobłow powiedział mu, że samoloty latają niezawodnie, wymiana jest wykluczona. Po rozpadzie ZSRR serie IC 102, 103, 116 i 117 produkowane były do ​​połowy lat 90-tych, czyli przez ponad 30 lat. Komputery Gnome są nadal instalowane w kabinie nawigacyjnej Ił-76 i niektórych innych samolotów. „To jest superkomputer” – nasi piloci nie są zaskoczeni, gdy ich zagraniczni koledzy są zaskoczeni ich zainteresowaniem tym niespotykanym urządzeniem.

O priorytetach

Pomimo tego, że J. Kilby i R. Noyce mieli poprzedników, są oni uznawani przez społeczność światową za wynalazców układu scalonego.

R. Kilby i J. Noyce za pośrednictwem swoich firm złożyli wnioski o patent na wynalazek układu scalonego. Firma Texas Instruments złożyła wniosek o patent wcześniej, w lutym 1959 r., a Fairchild zrobił to dopiero w lipcu tego roku. Jednak patent nr 2981877 został wydany w kwietniu 1961 r. R. Noyce'owi. J. Kilby pozwał i dopiero w czerwcu 1964 roku otrzymał swój patent o numerze 3138743. Potem wybuchła dziesięcioletnia wojna o priorytety, w wyniku której (w rzadkim przypadku) „wygrała przyjaźń”. Ostatecznie Sąd Apelacyjny podtrzymał twierdzenie Noyce'a o prymacie technologicznym, ale orzekł, że J. Kilby'emu należy przypisać stworzenie pierwszego działającego mikroukładu. Firmy Texas Instruments i Fairchild Semiconductor podpisały umowę w sprawie technologii wzajemnego licencjonowania.

W ZSRR patentowanie wynalazków nie dawało autorom nic poza kłopotami, niewielką jednorazową zapłatą i moralną satysfakcją, dlatego wiele wynalazków w ogóle nie zostało zarejestrowanych. I Osokin też się nie spieszył. Ale dla przedsiębiorstw jednym ze wskaźników była liczba wynalazków, więc nadal trzeba było je rejestrować. Dlatego Yu. Osokina i D. Mikhalovich otrzymali Certyfikat Autorski ZSRR nr 36845 na wynalezienie pojazdu R12-2 dopiero 28 czerwca 1966 roku.

A J. Kilby w 2000 roku został jednym z laureatów Nagrody Nobla za wynalezienie własności intelektualnej. R. Noyce nie zyskał światowego uznania, zmarł w 1990 roku i zgodnie z przepisami Nagroda Nobla nie jest przyznawana pośmiertnie. Co w tym przypadku nie jest do końca sprawiedliwe, gdyż cała mikroelektronika podążała drogą zapoczątkowaną przez R. Noyce’a. Autorytet Noyce’a wśród specjalistów był tak wysoki, że otrzymał nawet przydomek „burmistrz Doliny Krzemowej”, gdyż był wówczas najpopularniejszym z naukowców pracujących w tej części Kalifornii, która otrzymała nieoficjalną nazwę Doliny Krzemowej (V. Shockley nazywał się „Mojżesz z Doliny Krzemowej”). Jednak droga J. Kilby’ego („włochatego” germanu) okazała się ślepą uliczką i nie została wdrożona nawet w jego firmie. Ale życie nie zawsze jest sprawiedliwe.

Nagrodę Nobla przyznano trzem naukowcom. Połowę z nich otrzymał 77-letni Jack Kilby, a drugą połowę podzielono pomiędzy akademika Rosyjskiej Akademii Nauk Zhoresa Alferowa i profesora Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Amerykanina niemieckiego pochodzenia Herberta Kremera, za „ rozwój heterostruktur półprzewodnikowych stosowanych w optoelektronice dużych prędkości.”

Oceniając te prace, eksperci zauważyli, że „układy scalone to oczywiście odkrycie stulecia, które wywarło ogromny wpływ na społeczeństwo i światową gospodarkę”. Dla zapomnianego J. Kilby’ego Nagroda Nobla była niespodzianką. W wywiadzie dla magazynu Wiadomości z eurofizyki Przyznał: " Myślałem wtedy tylko o tym, co będzie istotne dla rozwoju elektroniki z ekonomicznego punktu widzenia. Ale wtedy nie rozumiałem, że obniżka kosztów produktów elektronicznych spowoduje lawinę rozwoju technologii elektronicznych”..

A dzieła Yu Osokina są doceniane nie tylko przez Komitet Noblowski. W naszym kraju są one również zapomniane; priorytet kraju w tworzeniu mikroelektroniki nie jest chroniony. I bez wątpienia był.

W latach pięćdziesiątych XX wieku stworzono bazę materiałową do formowania produktów wieloelementowych – układów scalonych – w jednym monolitycznym krysztale lub na jednym podłożu ceramicznym. Nic więc dziwnego, że niemal jednocześnie idea IP samodzielnie zrodziła się w głowach wielu specjalistów. A szybkość realizacji nowego pomysłu zależała od możliwości technologicznych autora i zainteresowania producenta, czyli obecności pierwszego konsumenta. Pod tym względem Yu.Osokin znalazł się w lepszej sytuacji niż jego amerykańscy koledzy. Kilby był nowy w TI, musiał nawet udowodnić kierownictwu firmy zasadniczą możliwość wdrożenia obwodu monolitycznego poprzez wykonanie jego układu. Właściwie rola J. Kilby'ego w tworzeniu IP sprowadza się do ponownej edukacji kierownictwa TI i sprowokowania R. Noyce'a do aktywnego działania swoim układem. Wynalazek Kilby'ego nie wszedł do masowej produkcji. R. Noyce w swoim młodym i jeszcze nie silnym towarzystwie poszedł stworzyć nową technologię planarną, która co prawda stała się podstawą późniejszej mikroelektroniki, ale nie od razu ustąpiła autorowi. W związku z powyższym zarówno oni, jak i ich firmy musieli włożyć wiele wysiłku i czasu, aby w praktyce wdrożyć swoje pomysły na budowę układów scalonych produkowanych masowo. Ich pierwsze próbki pozostały eksperymentalne, ale inne mikroukłady, nawet przez nich nie opracowane, weszły do ​​​​masowej produkcji. W przeciwieństwie do Kilby'ego i Noyce'a, którym daleko było do produkcji, właściciel fabryki Yu Osokin oparł się na opracowanych przemysłowo technologiach półprzewodników RZPP i zapewnił konsumentom pierwsze pojazdy w postaci inicjatora rozwoju NIIRE i pobliskiej fabryki VEF, co pomogło w tej pracy. Z tych powodów pierwsza wersja jego pojazdu od razu trafiła do produkcji eksperymentalnej, która płynnie przeszła do produkcji masowej, która trwała nieprzerwanie przez ponad 30 lat. Tak więc, Yu Osokin (nie wiedząc o tym konkursie) zaczął rozwijać TS później niż Kilby i Noyce i szybko ich dogonił. Co więcej, prace Yu.Osokina nie są w żaden sposób powiązane z twórczością Amerykanów, czego dowodem jest absolutna odmienność jego pojazdu i zastosowanych w nim rozwiązań od mikroukładów Kilby i Noyce. Texas Instruments (nie wynalazek Kilby'ego), Fairchild i RZPP rozpoczęły produkcję swoich układów scalonych niemal jednocześnie, w 1962 roku. Daje to pełne prawo uważać Yu. Osokina za jednego z wynalazców układu scalonego na równi z R. Noyce'em, a nawet więcej niż J. Kilby, i sprawiedliwe byłoby dzielenie się częścią Nagrody Nobla dla J. Kilby'ego z Yu. Osokin. Jeśli chodzi o wynalezienie pierwszego GIS z dwupoziomową integracją (i ewentualnie GIS w ogóle), tutaj priorytet A. Pelipenko z NIIRE jest absolutnie bezdyskusyjny.

Niestety nie udało się odnaleźć próbek pojazdów i bazujących na nich urządzeń niezbędnych muzeom. Autor byłby bardzo wdzięczny za takie próbki lub ich zdjęcia.