Велика інтегральна схема(БІС) - інтегральна схема (ІВ) з високим ступенем інтеграції (кількість елементів у ній досягає 10000), використовується в електронній апаратурі як функціонально закінчений вузол пристроїв обчислювальної техніки, автоматики, вимірювальної техніки та ін.
За кількістю елементів всі інтегральні схеми умовно поділяють такі категорії:
■ прості (ПІС) - з кількістю елементів у кристалі до 10,
■ малі (МІС) - до 100,
■ середні (СІС) - до 1000,
■ великі (ВІС) - до 10000,
■ надвеликі (НВІС) - 1000000,
■ ультравеликі (УБІС) - до 1000000000,
■ гігавеликі (ГБІС) - понад 1000000000 елементів у кристалі.
Інтегральні мікросхеми (ІМ), що містять понад 100 елементів, називають мікросхемами підвищеного рівняінтеграції.
Використання БІС супроводжується різким покращенням всіх основних показників порівняно з аналогічним функціональним комплексом, виконаним на окремих ІВ. Інтеграція ІВ одному кристалі призводить до зменшення кількості корпусів, числа складальних і монтажних операцій, кількості зовнішніх - найменш надійних - сполук. Це сприяє зменшенню розмірів, маси, вартості та підвищенню надійності.
Додатковими перевагами від інтеграції ІВ є зменшення загальної кількості контактних майданчиків, скорочення довжини з'єднань, а також менший розкид параметрів, оскільки всі ІС розташовані на одному кристалі та виготовлені в єдиному технологічному циклі.
Досвід розробки БІС виявив також і низку загальних проблем, які обмежують підвищення ступеня інтеграції і які потрібно вирішувати в процесі подальшого розвитку мікроелектроніки:
■ проблема тепловідведення,
■ проблема міжз'єднань,
■ проблема контролю параметрів,
■ фізичні обмеження розмірів елементів.
У 1964 р. вперше на базі БІС фірма IBM випустила шість моделей сімейства IBM 360.
Прикладами БІС також можуть бути схеми пам'яті на 4 біт і більше, арифметико-логічні та керуючі пристрої ЕОМ, цифрові фільтри. ІС призначені для вирішення найрізноманітніших завдань, тому виготовляється поєднанням методів, що знаходяться в арсеналі напівпровідникової, тонко- та товстоплівкової технологій.
ЇМ прийнято класифікувати за способами виготовлення та за одержуваними при цьому структурами на
Напівпровідникова ІМ є ІВ, в якій всі елементи і з'єднання між ними виконані в єдиному обсязі і на єдиній поверхні напівпровідникової пластини.
У гібридних мікросхем пасивні компоненти (резистори і конденсатори) наносяться на поверхню діелектричної пластинки, активні (транзистори) виконуються у вигляді окремих дискретних мініатюрних компонентів і приєднуються до мікросхеми.
Література
1. Степаненко І. П., Основи мікроелектроніки, М: Лабораторія Базових Знань, 2003, с. 453-460.
2. Батушев А. В., Мікросхеми та їх застосування, М.: Радіо та зв'язок, 1984, с. 13-17.
3. Чорнозубов Ю. С., Як народжуються мікросхеми, М.: Просвітництво, 1989, с. 14-19.
Щоб працювала будь-яка більш-менш складна електроніка, зазвичай необхідно багато деталей. Коли їх багато, вони можуть «об'єднуватися», скажімо, в інтегральні схеми. Що вони собою являють? Як класифікуються? Як виготовляються, і які сигнали передають?
Чим є логічні інтегральні схеми (ІС)
По суті це мікроелектронний пристрій, який базується на кристалі довільної складності, що виготовлено на напівпровідниковій плівці або пластині. Воно поміщається в нерозбірний корпус (хоча може обійтися і без нього, але коли він є частиною мікроскладання). Перша інтегральна схема була запатентована 1968 року. Це стало своєрідним проривом у промисловості, хоча даний пристрій і не дуже відповідало сучасним уявленням за своїми параметрами. Інтегральні схемив своїй масі виготовляються для поверхневого монтажу. Часто під ІВ розуміють лише кристал або плівку. Найбільшого поширення набула інтегральна схема на пластині кремнію. Так сталося, що його застосування в промисловості має низку переваг, наприклад, ефективність передачі сигналів.
Рівні проектування
Дані пристрої складні, що чудово відображається. Нині вони створюються за допомогою спеціальних САПР, які автоматизують та значно прискорюють виробничі процеси. Отже, при проектуванні опрацьовується:
- Логічний рівень (інвертори, І-НЕ, АБО-НЕ та їм подібні).
- Системо- і схемотехнічний (проробляються тригери, шифратори, АЛУ, компаратори та інше);
- Електричний (конденсатори, транзистори, резистори та їм подібні пристрої).
- Топологічний рівень – фотошаблони для виробництва.
- Фізичний – як реалізовується один транзистор (або невелика група) на кристалі.
- Програмний - створюються інструкції для мікроконтролерів, мікропроцесорів та ПЛІС. Розробляється модель поведінки з допомогою вертикальної схеми.
Класифікація
Говорячи про те, як розрізняють інтегральні схеми, не можна обрати лише один параметр виду складності техніки, про яку йдеться. Тому в рамках статті було відібрано цілих три.
Ступінь інтеграції
- Мінімальна інтегральна схема. Містить менше ніж сто елементів.
- Середня інтегральна схема. Кількість елементів коливається у діапазоні сотня/тисяча.
- Велика інтегральна схема. Містить від тисячі до десяти тисяч елементів.
- Вони мають понад десять тисяч елементів.
Як правило, для побутових пристроїв часто використовується велика інтегральна схема. Раніше використовувалися й інші категорії:
- Ультравелика інтегральна схема. До неї зараховували ті зразки, які могли похвалитися кількістю елементів у діапазоні від 1 млн. до 1 млрд.
- Гігавелика інтегральна схема. Сюди відносили зразки, кількість елементів яких перевищувала 1 млрд елементів.
Але в Наразічасу вони не використовуються. А всі зразки, які раніше відносили до УБІС та ДВІС, зараз проходять як НВІС. Загалом це дозволило значним чином заощадити на кількості груп, оскільки два останні типи зазвичай використовуються специфічно у великих науково-дослідних центрах, де працюють комп'ютерні системи, потужність яких вимірюється в десятках та сотнях терабайт.
Технологія виготовлення
Зважаючи на різні можливості виробництва інтегральні схеми також класифікуються за тим, як вони виготовляються і з чого:
1. Напівпровідникові. Вони всі елементи і з'єднання виконуються одному й тому напівпровідниковому кристалі. Напівпровідникові інтегральні схеми використовують такі матеріали, як кремній, германій, арсенід галію та оксид гафнію.
2. Плівкові. Всі елементи та з'єднання зроблені як плівки:
Товстоплівкові.
Тонкоплівкові.
3. Гібридна. Має безкорпусні діоди, транзистори чи інші електронні активні компоненти. Пасивні (як резистори, котушки індуктивності, конденсатори) розміщені на загальній керамічній підкладці. Всі вони містяться в один герметизований корпус.
4. Змішана. Тут є не тільки напівпровідниковий кристал, а й тонкоплівкові (або товстоплівкові) пасивні елементи, які розміщуються на його поверхні.
Вигляд сигналу, що обробляється
І третій, останній вид, полягає в тому, які сигнали обробляє інтегральна схема. Вони бувають:
- Аналогові. Тут вхідні та вихідні сигнали змінюються згідно із законом. Вони можуть набувати значення в діапазоні від негативного до позитивного напруги живлення.
- Цифрові. Тут будь-який вхідний або вихідний сигнал може мати два значення: логічна одиниця або нуль. Кожному відповідає свій заздалегідь певний рівень напруги. Так, мікросхеми типу ТТЛ діапазон 0-0,4В оцінюють нуль, а 2,4-5В в одиницю. Можуть бути інші поділу, все залежить від конкретного зразка.
- Аналогово-цифрові. Поєднують у собі переваги та особливості попередніх зразків. Наприклад, вони можуть бути підсилювачі сигналів і аналого-цифрові перетворювачі.
Правові особливості
Що йдеться про інтегральні схеми у законодавстві? У нас у країні надано правову охорону топологій інтегральних мікросхем. Під нею мають на увазі зафіксоване на певному матеріальному носії геометрично-просторового розташування певної сукупності конкретних елементів та зв'язків між ними (згідно зі статтею 1448 Цивільного кодексу Російської Федерації). Автор топології має такі інтелектуальні права на свій винахід:
- Авторські.
- Виключне право.
Крім цього автору топології можуть належати й інші преференції, зокрема можливість отримання винагороди за її використання. діє протягом десяти років. За цей час винахідник, або людина, якій цей статус був поступлений, може зареєструвати топологію у відповідній службі інтелектуальної власності та патентів.
Висновок
От і все! Якщо у вас виникло бажання зібрати свою схему – можна лише побажати успіху. Але водночас хочеться звернути вашу увагу на одну особливість. Якщо є бажання зібрати мікросхему, то необхідно ґрунтовно підготуватися до цього процесу. Справа в тому, що для її створення потрібна виняткова чистота на рівні хірургічної операційної, до того ж через дрібність деталей попрацювати паяльником у звичайному режимі не вийде - всі дії здійснюються машинами. Тому в домашніх умовах можна створювати лише схеми. За бажання можна придбати промислові розробки, які пропонуватимуться на ринку, але ідею з їх виготовленням будинку без значних фінансів краще залишити.
Варади Г.К. 404 взвод.
Інтегральні схеми.
План:
1) Вступ (поняття, влаштування).
2) Типи ІВ.
3) Плюси та мінуси ІС.
4) Виробництво.
5) Застосування.
Вступ.
(Від лат. integratio- "з'єднання").
ІС - це мікроелектронна схема, сформована на крихітній платівці (кристаліку, або "чіпі") напівпровідникового матеріалу, зазвичай кремнію, яка використовується для керування електричним струмом та його посилення. Типова ІС складається з безлічі з'єднаних між собою мікроелектронних компонентів, таких як транзистори, резистори, конденсатори і діоди, виготовлені в поверхневому шарі кристала. Розміри кремнієвих кристалів лежать у межах приблизно від 1,3 х 1,3 мм до 13 х13 мм. Прогрес у галузі інтегральних схем призвів до розробки технологій великих та надвеликих інтегральних схем (ВІС та НВІС).
Класифікація.
Залежно від рівня інтеграції (кількість елементів для цифрових схем) застосовуються такі назви інтегральних схем:
мала інтегральна схема (МІС) - до 100 елементів у кристалі,
середня інтегральна схема (СІС) - до 1000 елементів у кристалі,
велика інтегральна схема (ВІС) - до 10 тис. елементів у кристалі,
надвелика інтегральна схема (НВІС) - понад 10 тис. елементів у кристалі.
Раніше використовувалися також тепер застарілі назви: ультравелика інтегральна схема (УБІС) – від 1-10 млн до 1 млрд елементів у кристалі та, іноді, гігавелика інтегральна схема (ГБІС) – понад 1 млрд. елементів у кристалі. В даний час, у 2010-х, назви «УБІС» та «ДБІС» практично не використовуються, і всі мікросхеми з числом елементів понад 10 тис. відносять до класу НВІС.
Плюси та мінуси ІС.
Інтегральні схеми мають цілу низку переваг перед своїми попередниками-аналоговими схемами, які збиралися з окремих компонентів, що монтуються на шасі. ІВ мають менші розміри, більш високу швидкодію та надійність; вони, крім того, дешевше і меншою мірою схильні до відмов, викликаних впливами вібрацій, вологи і старіння. Мініатюризація електронних схем виявилася можливою завдяки особливим властивостям напівпровідників. Їх основними плюсами вважаються:
Зменшене енергоспоживання пов'язане із застосуванням у цифровій електроніці імпульсних електричних сигналів. При отриманні та перетворенні таких сигналів активні елементиелектронних пристроїв (транзисторів) працюють у «ключовому» режимі, тобто транзистор або «відкритий» - що відповідає сигналу високого рівня (1), або «закритий» - (0), у першому випадку на транзисторі немає падіння напруги, у другому - через нього не йде струм. В обох випадках енергоспоживання близько до 0, на відміну від аналогових пристроїв, у яких більшу частину часу транзистори перебувають у проміжному (активному) стані.
Висока завадостійкістьцифрових пристроїв пов'язана з великою відмінністю сигналів високого (наприклад, 2,5-5) і низького (0-0,5) рівня. Помилка стану можлива за такого рівня перешкод, коли високий рівеньінтерпретується як низький та навпаки, що малоймовірно. Крім того, у цифрових пристроях можливе застосування спеціальних кодів, що дозволяють виправляти помилки.
Велика різниця рівнів станів сигналіввисокого та низького рівня(логічних «0» і «1») і досить широкий діапазон їх допустимих змін робить цифрову техніку нечутливою до неминучого в інтегральній технології розкиду параметрів елементів, позбавляє необхідності підбору компонентів та налаштування елементами регулювання в цифрових пристроях.
Надійність.Надійність інтегральної схеми приблизно така ж, як у окремого кремнієвого транзистора, еквівалентного за формою та розміром. Теоретично транзистори можуть безвідмовно служити тисячі років - один із найважливіших факторів для таких сфер застосування, як ракетна та космічна техніка, де єдина відмова може означати повний провал проекту, що здійснюється.
Виробництво.
Виготовлення інтегральної схеми може зайняти до двох місяців, оскільки деякі області напівпровідника потрібно легувати з високою точністю. В ході процесу, званого вирощуванням, або витягуванням кристала, спочатку отримують циліндричну заготівлю кремнію високої чистоти. З цього циліндра нарізають пластини завтовшки, наприклад, 0,5 мм. Пластину в кінцевому рахунку ріжуть на сотні маленьких шматочків, званих чіпами, кожен з яких в результаті проведення технологічного процесу, що описується нижче, перетворюється на інтегральну схему. Процес обробки чіпів починається з виготовлення масок кожного шару ІВ. Виконується великомасштабний трафарет, що має форму квадрата площею прибл. 0,1 м2. На комплекті таких масок містяться всі складові ІС: рівні дифузії, рівні міжз'єднань тощо. Вся одержана структура фотографічно зменшується до розміру. кристаліка та відтворюється пошарово на скляній пластині. На поверхні кремнієвої пластини вирощується тонкий шар двоокису кремнію. Кожна пластина покривається світлочутливим матеріалом (фоторезистом) та експонується світлом, що пропускається через маски. Неекспоновані ділянки світлочутливого покриття видаляють розчинником, а за допомогою іншого хімічного реагенту, що розчиняє двоокис кремнію, останній витравлюється з тих ділянок, де він тепер не захищений світлочутливим покриттям. Варіанти цього базового технологічного процесу використовуються у виготовленні двох основних типів транзисторних структур: біполярних та польових (МОП).
Застосування. Локальне\ Глобальне.
Локальне.
Безпосередньо у схемотехніці, інтегральна схема може взяти він безліч завдань. Серед них можуть бути:
Логічні елементи, Тригери, Лічильники, Регістри, Буферні, перетворювачі, Шифратори, Дешифратори, Цифровий компаратор, Мультиплексори, Демультиплексори, Суматори, Напівсуматори, Ключі, Мікроконтролери, (Мікро)процесори (в тому числі модулі пам'яті, ПЛІС (програмовані логічні інтегральні схеми).
Всесвітнє.
Мікропроцесори та мінікомп'ютери. Вперше представлені публічно в 1971 р. мікропроцесори виконували більшість основних функцій комп'ютера на єдиній кремнієвій ІВ, реалізованій на кристалі розміром 5х5 мм. Завдяки інтегральним схемамстало можливим створеннямінікомп'ютерів - малих ЕОМ, де всі функції виконуються на одній або кількох великих інтегральних схемах. Така вражаюча мініатюризація призвела до різкого зниження вартості обчислень. Міні-ЕОМ, що випускаються в даний час, ціною менше 1000 дол. за своєю продуктивністю не поступаються першим дуже великим обчислювальним машинам, вартість яких на початку 1960-х років доходила до 20 млн. дол. Мікропроцесори знаходять застосування в устаткуванні для зв'язку, кишенькових калькуляторах, наручних годинниках, селекторах телевізійних каналів, електронних іграх, автоматизованому кухонному та банківському устаткуванні, засобах автоматичного регулювання подачі палива та нейтралізації відпрацьованих газів у легкових автомобілях, а також у багатьох інших пристроях. Більшість світової електронної промисловості, оборот якої перевищує 795млрд рублів., однак залежить від інтегральних схем. У масштабах усього світу інтегральні схеми знаходять застосування в устаткуванні, сумарна вартість якого складає багато сотень мільярдів рублів.
Література
Мейзда Ф. Інтегральні схеми: технологія та застосування. М., 1981 Зі З. Фізика напівпровідникових приладів. М., 1984 Технологія НВІС. М., 1986; Маллер Р., Кеймін С. Елементи інтегральних схем. М., 1989 Шур М.С. Фізика напівпровідникових приладів. М., 1992
Перші інтегральні схеми
50-річчю офіційної дати присвячується
Б. Малашевич
12 вересня 1958 року співробітник фірми Texas Instruments(TI) Джек Кілбі продемонстрував керівництву три дивні прилади - склеєні бджолиним воском на скляній підкладці пристрою з двох шматочків кремнію розміром 11,1-1,6 мм (рис.1). Це були об'ємні макети – прототипи інтегральної схеми (ІС) генератора, що доводять можливість виготовлення всіх елементів схеми з урахуванням одного напівпровідникового матеріалу. Ця дата відзначається історія електроніки як день народження інтегральних схем. Але чи це так?
Мал. 1. Макет першої ІС Дж. Кілбі. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html
До кінця 1950-х років технологія збирання радіоелектронної апаратури(РЕА) із дискретних елементів вичерпала свої можливості. Світ прийшов до найгострішої кризи РЕА, були потрібні радикальні заходи. До цього моменту у США та СРСР вже були промислово освоєні інтегральні технології виробництва, як напівпровідникових приладів, так і товстоплівкових та тонкоплівкових керамічних плат, тобто дозріли передумови для виходу з цієї кризи шляхом створення багатоелементних стандартних виробів – інтегральних схем.
До інтегральних схем (мікросхем, ІВ) відносяться електронні пристрої різної складності, в яких всі однотипні елементи виготовляються одночасно в єдиному технологічному циклі, тобто. за інтегральною технологією. На відміну від друкованих плат (у яких у єдиному циклі за інтегральною технологією одночасно виготовляються всі з'єднувальні провідники) в ІВ аналогічно формуються і резистори, і конденсатори, і (у напівпровідникових ІВ) діоди та транзистори. Крім того, одночасно виготовляється багато ІС, від десятків до тисяч.
ІС розробляються та випускаються промисловістю у вигляді серій, що поєднує ряд мікросхем різного функціонального призначення, призначених для спільного застосування в електронній апаратурі. ІС серії мають стандартне конструктивне виконання та єдину систему електричних та інших характеристик. ІВ поставляються виробником різним споживачам як самостійна товарна продукція, яка задовольняє певну систему стандартизованих вимог. ІВ відносяться до виробів, що не ремонтуються, при ремонті РЕА вийшли з ладу ІВ замінюються.
Розрізняють дві основні групи ІВ: гібридні та напівпровідникові.
У гібридних ІВ (ГІС) на поверхні підкладки мікросхеми (як правило, з кераміки) за інтегральною технологією формуються всі провідники та пасивні елементи. Активні елементи у вигляді безкорпусних діодів, транзисторів та кристалів напівпровідникових ІВ встановлюються на підкладку індивідуально, вручну або автоматами.
У напівпровідникових ІС сполучні, пасивні та активні елементи формуються в єдиному технологічному циклі на поверхні напівпровідникового матеріалу (зазвичай кремнію) з частковим вторгненням у його обсяг методами дифузії. Одночасно на одній пластині напівпровідника, залежно від складності пристрою та розмірів його кристала та пластини, виготовляється від кількох десятків до кількох тисяч ІС. Промисловість напівпровідникові ІВ випускає у стандартних корпусах, у вигляді окремих кристалів або у вигляді нерозділених пластин.
Явище світу гібридних (ГІС) та напівпровідникових ІВ відбувалося по-різному. ГІС є продуктом еволюційного розвитку мікромодулів та технології монтажу на керамічних платах. Тому з'явилися вони непомітно, загальноприйнятої дати народження ГІС та загальновизнаного автора не існує. Напівпровідникові ІВ були природним і неминучим результатом розвитку напівпровідникової техніки, але вимагали генерації нових ідей та створення нової технології, які мають і свої дати народження, і свої автори. Перші гібридні та напівпровідникові ІС з'явилися в СРСР та США майже одночасно і незалежно один від одного.
Перші гібридні ІВ
До гібридних належать ІВ, у виробництві яких поєднується інтегральна технологія виготовлення пасивних елементів з індивідуальною (ручною або автоматизованою) технологією встановлення та монтажу активних елементів.
Ще наприкінці 1940-х років у фірмі Centralab у США були розроблені основні принципи виготовлення товстоплівкових друкованих плат на керамічній основі, потім розвинені іншими фірмами. В основу було покладено технології виготовлення друкованих плат та керамічних конденсаторів. Від друкованих плат взяли інтегральну технологію формування топології провідників – шовкографію. Від конденсаторів – матеріал підкладки (кераміка, частіше ситал), а також матеріали паст та термічну технологію їх закріплення на підкладці.
А на початку 1950-х років у фірмі RCA винайшли тонкоплівкову технологію: розпорошуючи у вакуумі різні матеріали та осаджуючи їх через маску на спеціальні підкладки, навчилися на єдиній керамічній підкладці одночасно виготовляти безліч мініатюрних плівкових з'єднувальних провідників, резисторів та конденс.
Порівняно з товстоплівковою, тонкоплівкова технологія забезпечувала можливість більш точного виготовлення елементів топології менших розмірів, але вимагала складнішого та дорогого обладнання. Пристрої, що виготовляються на керамічних платах за товстоплівковою або тонкоплівковою технологією, отримали назву "гібридні схеми". Гібридні схеми випускалися як комплектуючі вироби власного виробництва, їх конструкція, розміри, функціональне призначення у кожного виробника були свої, на вільний ринок вони не потрапляли, а тому мало відомі.
Вторглися гібридні схеми і мікромодулі. Спочатку в них застосовувалися дискретні пасивні та активні мініатюрні елементи, об'єднані традиційним друкованим монтажем. Технологія збирання була складною, з величезною часткою ручної праці. Тому мікромодулі були дуже дорогими, їх застосування було обмежено бортовою апаратурою. Потім застосували товстоплівкові мініатюрні керамічні хустки. Далі за товстоплівковою технологією почали виготовляти резистори. Але діоди та транзистори використовувалися ще дискретні, індивідуально корпусовані.
Гібридною інтегральною схемою мікромодуль став у той момент, коли в ньому застосували безкорпусні транзистори та діоди та герметизували конструкцію у загальному корпусі. Це дозволило значно автоматизувати процес їх складання, різко знизити ціни та розширити сферу застосування. За методом формування пасивних елементів розрізняють товстоплівкові та тонкоплівкові ГІС.
Перші ГІС у СРСР
Перші ГІС (модулі типу “Квант” пізніше одержали позначення ІВ серії 116) у СРСР розробили 1963 р. в НДІРЕ (пізніше НВО “Ленінец”, Ленінград) й у тому року його дослідний завод почав їх серійне виробництво. У цих ГІС як активні елементи використовувалися напівпровідникові ІС “Р12-2”, розроблені в 1962 р. Ризьким заводом напівпровідникових приладів. У зв'язку з нерозривністю історій створення цих ІВ та його характеристик, ми розглянемо їх у розділі, присвяченому Р12-2.
Безперечно, модулі “Квант” були першими у світі ГІС із дворівневою інтеграцією – як активні елементи в них використовувалися не дискретні безкорпусні транзистори, а напівпровідникові ІС. Цілком імовірно, що вони взагалі були і першими у світі ГІС – конструктивно та функціонально закінченими багатоелементними виробами, які постачаються споживачеві як самостійна товарна продукція. Найбільш раннім з виявлених автором зарубіжних подібних виробів є нижче описані SLT-модулі корпорації IBM, але вони були анонсовані наступного, 1964 року.
Перші ГІС у США
Поява товстоплівкових ГІС, як основної елементної бази нової ЕОМ IBM System / 360, вперше було анонсовано корпорації IBM в 1964 р. Схоже, що це було перше застосування ГІС за межами СРСР, раніше прикладів автору виявити не вдалося.
Вже відомі на той час у колах фахівців напівпровідникові ІС серій "Micrologic" фірми Fairchild і "SN-51" фірми TI (про них ми скажемо нижче) були ще недоступні рідкісні і недозволено дороги для комерційного застосування, яким була побудова великої ЕОМ. Тому корпорація IBM, взявши за основу конструкцію плоского мікромодуля, розробила свою серію товстоплівкових ГІС, анонсовану під загальною назвою (на відміну від "мікромодулів") - "SLT-модулі" (Solid Logic Technology - технологія цілісної логіки. Зазвичай слово "s перекладають російську мову як "твердий", що абсолютно нелогічно. Дійсно, термін "SLT-модулі" був введений IBM як протиставлення терміну "мікромодуль" і повинен відображати їхню відмінність. Але обидва модулі "тверді", тобто цей переклад не У слова "solid" є й інші значення - "суцільний", "цілий", які вдало підкреслюють відмінність "SLT-модулів" і "мікромодулів" - SLT-модулі неподільні, неремонтопридатні, тобто "цілі". ми й використовували не загальноприйнятий переклад російською мовою: Solid Logic Technology – технологія цілісної логіки).
SLT-модуль являв собою квадратну керамічну товстоплівну мікрохустку напівдюймового розміру з впресованими вертикальними штиревими висновками. На її поверхню методом шовкографії наносилися (відповідно до схеми реалізованого пристрою) сполучні провідники та резистори, і встановлювалися безкорпусні транзистори. Конденсатори, за потреби, встановлювалися поруч із SLT-модулем на платі пристрою. При зовнішній майже ідентичності (мікромодулі трохи вище, рис. 2.) SLT-модулі від плоских мікромодулів відрізнялися більш високою щільністю компонування елементів, низьким енергоспоживанням, високою швидкодією та високою надійністю. Крім того, SLT-технологія досить легко автоматизувалася, отже їх можна було випускати у величезних кількостях за досить низької для застосування у комерційній апаратурі вартості. Саме це IBM і було потрібне. Фірма побудувала для виробництва SLT-модулів автоматизований завод у East Fishkill поблизу Нью-Йорка, який випускав їх мільйонними тиражами.
Мал. 2. Мікромодуль СРСР та SLT-модуль ф. IBM. Фото STL із сайту http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm
Після IBM ГІС почали випускати й інші фірми, котрим ГІС стала товарної продукцією. Типова конструкція плоских мікромодулів та SLT-модулів корпорації IBM стала одним із стандартів для гібридних ІС.
Перші напівпровідникові ІВ
До кінця 1950-х років промисловість мала всі можливості для дешевих елементів електронної апаратури. Але якщо транзистори чи діоди виготовлялися з германію та кремнію, то резистори та конденсатори робили з інших матеріалів. Багато хто тоді вважав, що при створенні гібридних схем не буде проблем у складанні цих елементів, виготовлених окремо. А якщо вдасться виготовити всі елементи типового розміру та форми і тим самим автоматизувати процес складання, вартість апаратури буде значно знижена. На підставі таких міркувань прихильники гібридної технології розглядали її як генеральний напрямок розвитку мікроелектроніки.
Але не всі поділяли цю думку. Справа в тому, що вже створені на той період меза-транзистори і, особливо, планарні транзистори, були пристосовані для групової обробки, при якій ряд операцій з виготовлення багатьох транзистори на одній пластині-підкладці здійснювалися одночасно. Т. е. на одній напівпровідниковій пластині виготовлялося відразу безліч транзисторів. Потім пластина розрізалася окремі транзистори, які розміщувалися в індивідуальні корпуси. А потім виробник апаратури поєднував транзистори на одній друкованій платі. Знайшлися люди, яким такий підхід видався безглуздим – навіщо роз'єднувати транзистори, а потім знову об'єднувати їх. Чи не можна їх об'єднати одразу на напівпровідниковій пластині? При цьому позбавитися кількох складних і дорогих операцій! Ці люди і вигадали напівпровідникові ІС.
Ідея гранично проста та цілком очевидна. Але, як часто буває, лише після того, як хтось першим її оголосив та довів. Саме довів, просто оголосити часто, як і в даному випадкубуває недостатньо. Ідею ІВ було оголошено ще 1952 р., до появи групових методів виготовлення напівпровідникових приладів. на щорічної конференціїза електронними компонентами, що проходила у Вашингтоні, співробітник Британського королівського управління радіолокації в Малверні Джеффрі Даммер представив доповідь про надійність елементів радіолокаційної апаратури. У доповіді він зробив пророче твердження: “ З появою транзистора та робіт у галузі напівпровідникової техніки взагалі можна собі уявити електронне обладнання у вигляді твердого блоку, що не містить з'єднувальних проводів. Блок може складатися з шарів ізолюючих, провідних, випрямляючих та посилюючих матеріалів, в яких певні ділянки вирізані таким чином, щоб вони могли виконувати електричні функції безпосередньо”.. Але цей прогноз залишився фахівцями непоміченим. Згадали про нього лише після появи перших напівпровідникових ІВ, тобто після практичного доказу давно оголошеної ідеї. Хтось мав першим знову сформулювати та реалізувати ідею напівпровідникової ІВ.
Як і у випадку з транзистором, у загальновизнаних творців напівпровідникових ІС були більш менш удачливі попередники. Спробу реалізувати свою ідею 1956 р. зробив сам Даммер, але зазнав невдачі. У 1953 р. Харвік Джонсон з фірми RCA отримав патент на однокристальний генератор, а в 1958 р. спільно з Торкелом Валлмарк анонсував концепцію "напівпровідникового інтегрального пристрою". У 1956 році співробітник фірми Bell Labs Росс виготовив схему двійкового лічильника основі n-p-n-pструктур у єдиному монокристалі. У 1957 р. Ясуро Тару з японської фірми MITI отримав патент на з'єднання різних транзисторів одному кристалі. Але всі ці та інші подібні до них розробки мали приватний характер, не були доведені до виробництва і не стали основою для розвитку інтегральної електроніки. Розвитку ІС в промислове виробництвосприяли лише три проекти.
Удачливими виявилися вже згаданий Джек Кілбі з Texas Instruments (TI), Роберт Нойс із Fairchild (обидва зі США) та Юрій Валентинович Осокін із КБ Ризького заводу напівпровідникових приладів (СРСР). Американці створили експериментальні зразки інтегральних схем: Дж. Кілбі – макет ІС генератора (1958 р.), та був тригер на меза-транзисторах (1961 р.), Р. Нойс – тригер з планарної технології (1961 р.), а Ю. Осокін – одразу пішла у серійне виробництво логічну ІВ “2НЕ-АБО” на Німеччині (1962 р.). Серійне виробництво ІВ ці фірми розпочали майже одночасно, у 1962 р.
Перші напівпровідникові ІС у США
ІС Джека Кілбі. Серія ІС “ SN - 51”
У 1958 році Дж. Кілбі (піонер застосування транзисторів у слухових апаратах) перейшов у фірму Texas Instruments. Новачка Кілбі, як схемотехніка, "кинули" на вдосконалення мікромодульної начинки ракет шляхом створення альтернативи мікромодулям. Розглядався варіант складання блоків з деталей стандартної форми, подібний до складання іграшкових моделей з фігурок LEGO. Однак Кілбі захопило інше. Вирішальну роль зіграв ефект "свіжого погляду": по-перше, він відразу констатував, що мікромодулі - глухий кут, а по-друге, налюбувавшись меза-структурами, прийшов до думки, що схему потрібно (і можна) реалізувати з одного матеріалу - напівпровідника. Кілбі знав про ідею Даммера та її невдалої спробі її у 1956 р. Проаналізувавши, він зрозумів причину невдачі і знайшов спосіб її подолання. “ Моя заслуга в тому, що взявши цю ідею, я перетворив її на реальність”, сказав Дж. Кілбі пізніше у своїй нобелівській промові.
Не заробивши ще права на відпустку, він працював безперешкодно в лабораторії, поки всі відпочивали. 24 липня 1958 року Кілбі сформулював у лабораторному журналі концепцію, що отримала назву "Ідея моноліту" (Monolithic Idea). Її суть полягала в тому, що”. ..елементи схеми, такі як резистори, конденсатори, розподілені конденсатори і транзистори, можуть бути інтегровані в одну мікросхему - за умови, що вони будуть виконані з одного матеріалу... У конструкції тригерної схеми всі елементи повинні виготовлятися з кремнію, причому резистори будуть використовувати об'ємний опір кремнію, а конденсатори - ємності p-n-переходів”. "Ідея моноліту" зустріла поблажливо-іронічне ставлення з боку керівництва Texas Instruments, яке вимагало доказів можливості виготовлення транзисторів, резисторів і конденсаторів із напівпровідника та працездатності зібраної з таких елементів схеми.
У вересні 1958 р. Кілбі реалізував свою ідею - зробив генератор зі склеєних бджолиним воском на скляній підкладці двох шматочків германію розміром 11,1 х 1,6 мм, що містять дифузійні ділянки двох типів (рис. 1). Ці області і контакти він використовував для створення схеми генератора, з'єднуючи елементи тонкими золотими дротиками діаметром 100 мкм шляхом термокомпресійного зварювання. З однієї області створювався мезатранзистор, з іншого – RC-ланцюжок. Зібрані три генератори були продемонстровані керівництву компанії. При підключенні живлення вони заробили на частоті 13 МГц. Це сталося 12 вересня 1958 року. За тиждень аналогічним чином Кілбі виготовив підсилювач. Але це ще були інтегральні структури, це були об'ємні макети напівпровідникових ІВ, що доводять ідею виготовлення всіх елементів схеми з одного матеріалу – напівпровідника.
Мал. 3. Тригер Type 502 Дж. Кілбі. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html
Першою дійсно інтегральною схемою Кілбі, виконаною в одному шматочку монолітного германію, виявилася експериментальна ІС тригера "Type 502" (рис. 3). У ній були використані об'ємний опір германію, і ємність p-n-переходу. Її презентація відбулася у березні 1959 року. Не велика кількістьтаких ІВ було виготовлено у лабораторних умовах і продавалося у вузькому колі за ціною 450$. ІС містила шість елементів: чотири меза-транзистори і два резистори, розміщені на кремнієвій пластині діаметром 1 см. Але ІС Кілбі мала серйозний недолік - меза-транзистори, які у вигляді мікроскопічних "активних" стовпчиків височіли над іншою, "пасивною" частиною. З'єднання меза-стовпчиків один з одним в ІС Кілбі здійснювалося розварюванням тонких золотих зволікань - ненависна всім "волосата технологія". Стало ясно, що при таких міжз'єднаннях мікросхему з великою кількістю елементів не зробити – дротяне павутиння розірветься або перезамкнеться. Та й германій тоді вже розглядався як матеріал не перспективний. Прорив не відбувся.
На цей час у фірмі Fairchild була розроблена планарна кремнієва технологія. Враховуючи все це, Texas Instruments довелося відкласти все зроблене Кілбі набік і приступити, вже без Кілбі, до розробки серії ІС на основі кремнієвої планарної технології. У жовтні 1961 р. фірма анонсувала створення серії ІВ типу SN-51, а з 1962 р. розпочала їх серійне виробництво та постачання на користь Міноборони США та НАСА.
ІС Роберта Нойса. Серія ІС “Micrologic”
У 1957 р. з низки причин від У. Шоклі, винахідника площинного транзистора, пішла група у вісім молодих інженерів, які хотіли спробувати реалізувати власні ідеї. "Вісімка зрадників", як їх називав Шоклі, лідерами яких були Р. Нойс і Г. Мур, заснувала фірму Fairchild Semiconductor ("прекрасне дитя"). Очолив фірму Роберт Нойс, тоді йому було 23 роки.
Наприкінці 1958 року фізик Д. Хорні, який працював у компанії Fairchild Semiconductor, розробив планарну технологію виготовлення транзисторів. А фізик чеського походження Курт Леховек, який працював у Sprague Electric, розробив техніку використання обернено включеного n-p переходу для електричної ізоляції компонентів. В 1959 Роберт Нойс, почувши про макет ІС Кілбі, вирішив спробувати створити інтегральну схему, комбінуючи процеси, запропоновані Хорні і Леховеком. А замість "волосатої технології" міжз'єднань Нойс запропонував вибіркове напилення тонкого шару металу поверх ізольованих двоокисом кремнію напівпровідникових структур із підключенням до контактів елементів через отвори, залишені в ізолюючому шарі. Це дозволило “занурити” активні елементи в тіло напівпровідника, ізолювавши їх оксидом кремнію, а потім з'єднати ці елементи напиленими доріжками алюмінію або золота, які створюються за допомогою процесів фотолітографії, металізації та травлення на останній стадії виготовлення виробу. Таким чином, було отримано дійсно "монолітний" варіант об'єднання компонентів у єдину схему, а нова технологія отримала назву "планарної". Але спершу треба було ідею перевірити.
Мал. 4. Експериментальний тригер Р. Нойс. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html
Мал. 5. Фотографія ІС Micrologic у журналі Life. Фото із сайту http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html
Торішнього серпня 1959 р. Р. Нойс доручив Джою Ласту опрацювати варіант ІС на планарної технології. Спочатку, як і Кілбі, виготовили макет тригера на кількох кристалах кремнію, на яких було зроблено 4 транзистори та 5 резисторів. Потім 26 травня 1960 виготовили перший однокристальний тригер. Для ізоляції елементів у ньому з зворотного бокукремнієвої пластини протруювали глибокі канавки, що заповнюються епоксидною смолою. 27 вересня 1960 виготовили третій варіант тригера (рис. 4), в якому елементи ізолювалися назад включеним p - n переходом.
Фірма Fairchild Semiconductor досі займалася лише транзисторами, схемотехніків для створення напівпровідникових ІС у неї не було. Тому як розробник схем був запрошений Роберт Норман із фірми Sperry Gyroscope. Норман був знайомий з резисторно-транзисторною логікою, яку фірма з його подачі і вибрала як основу своєї майбутньої серії ІС Microlog, що знайшла своє перше застосування в апаратурі ракети Мінітмен. У березні 1961 р. Fairchild анонсувала першу дослідну ІС цієї серії (F-тригер, що містить шість елементів: чотири біполярний транзисторі два резистори, розміщені на пластині діаметром 1 см.) з опублікуванням її фотографії (рис. 5) в журналі Life(Від 10 березня 1961 р.). Ще 5 ІС було анонсовано у жовтні. А з початку 1962 р. Fairchild розгорнула серійне виробництво ІВ та постачання їх також на користь Міноборони США та НАСА.
Кілбі і Нойсу довелося вислухати чимало критичних зауважень щодо своїх новацій. Вважалося, що практичний вихід придатних інтегральних схем буде дуже низьким. Зрозуміло, що він має бути нижчим, ніж у транзисторів (оскільки містить кілька транзисторів), у яких він тоді був не вищим за 15%. По-друге, багато хто вважав, що в інтегральних схемах використовуються невідповідні матеріали, оскільки резистори та конденсатори робилися тоді аж ніяк не з напівпровідників. По-третє, багато хто не міг сприйняти думку про неремонтопридатність ІС. Їм здавалося блюзнірським викидати виріб, в якому вийшов з ладу лише один із багатьох елементів. Всі сумніви поступово були відкинуті, коли інтегральні схеми були успішно використані у військових та космічних програмахСША.
Один із засновників фірми Fairchild Semiconductor Г. Мур сформулював основний закон розвитку кремнієвої мікроелектроніки, згідно з яким кількість транзисторів у кристалі інтегральної схеми подвоювалася щороку. Цей закон, названий “закон Мура”, досить чітко діяв протягом 15 років (починаючи з 1959 р.), та був таке подвоєння відбувалося приблизно півтора року.
Далі промисловість ІВ США почала розвиватися стрімкими темпами. У почався лавиноподібний процес виникнення підприємств, орієнтованих виключно “під планар”, іноді доходило до того, що реєструвалися по десятку фірм на тиждень. Прагнучи до ветеранів (фірм У. Шоклі та Р. Нойса), а також завдяки податковим пільгам і сервісу, що надається Стенфордським університетом, “новачки” купкувались головним чином у долині Санта-Клара (Каліфорнія). Тому не дивно, що в 1971 р. у побут з легкої руки журналіста-популяризатора технічних новинок Дона Хофлера в обіг увійшов романтично-техногенний образ "Кремнієвої долини" (Silicon Valley), який назавжди став синонімом Мекки напівпровідникової технологічної революції. До речі, в тій місцевості дійсно є долина, що славилася раніше численними абрикосовими, вишневими і сливовими садами, мала до появи в ній фірми Шоклі іншу, приємнішу назву – Долина серцевого задоволення (the Valley of Heart's Delight), нині, на жаль, майже забуте.
У 1962 рік у США почалося серійне виробництво інтегральних схем, хоча їх обсяг поставок замовникам і становив лише кілька тисяч. Найсильнішим стимулом для розвитку приладобудівної та електронної промисловості на новій основі стала ракетно-космічна техніка. США тоді не мали таких потужних міжконтинентальних балістичних ракет, як радянські, і збільшення заряду змушені були піти на максимальне скорочення маси носія, зокрема систем управління, рахунок впровадження останніх досягнень електронної технології. Фірми Texas Instrument та Fairchild Semiconductor уклали великі контракти на розробку та виготовлення інтегральних схем з міністерством оборони США та НАСА.
Перші напівпровідникові ІС у СРСР
До кінця 1950-х років радянська промисловість потребувала напівпровідникових діодів і транзисторів настільки, що були потрібні радикальні заходи. У 1959 році були засновані заводи напівпровідникових приладів в Олександрові, Брянську, Воронежі, Ризі та ін. Єревані, Нальчик та інших містах.
Нас цікавитиме один із нових заводів – вище згаданий Ризький завод напівпровідникових приладів (РЗПП, він кілька разів змінював свої назви, для простоти ми використовуємо найбільш відоме, чинне й нині). Як стартовий майданчик новому заводу виділили будівлю кооперативного технікуму площею 5300 м 2 , одночасно почалося будівництво спеціальної будівлі. До лютого 1960 року на заводі було вже створено 32 служби, 11 лабораторій та дослідне виробництво, що розпочалося у квітні до підготовки виробництва перших приладів. На заводі вже працювало 350 осіб, 260 з яких протягом року прямували на навчання до московського НДІ-35 (пізніше НДІ “Пульсар”) та на ленінградський завод “Світлана”. А до кінця 1960 року чисельність працюючих досягла 1900 чоловік. Спочатку технологічні лінії розміщувалися у перебудованому спортивному залі корпусу кооперативного технікуму, а лабораторії ОКБ – у колишніх навчальних аудиторіях. Перші прилади (сплавно-дифузійні та конверсійні германієві транзистори П-401, П-403, П-601 та П-602 розробки НДІ-35) завод випустив через 9 місяців після підписання наказу про його створення у березні 1960 року. А до кінця липня виготовив першу тисячу транзисторів П-401. Потім освоїв у виробництві багато інших транзистори та діоди. У червні 1961 року завершилося будівництво спеціального корпусу, де розпочалося масове виробництво напівпровідникових приладів.
З 1961 року завод розпочав самостійні технологічні та дослідно-конструкторські роботи, у тому числі – з механізації та автоматизації виробництва транзисторів на основі фотолітографії. Для цього було розроблено перший вітчизняний фотоповторник (фотоштамп) – встановлення суміщення та контактного фотодруку (розробник А.С. Готман). Велику допомогу у фінансуванні та виготовленні унікального обладнання надавали підприємства Мінрадіопрому, у тому числі КБ-1 (пізніше НВО “Алмаз”, Москва) та НДІРЕ. Тоді найактивніші розробники малогабаритної радіоапаратури, не маючи своєї технологічної напівпровідникової бази, шукали шляхи творчої взаємодії з новоствореними напівпровідниковими заводами.
На РЗПП проводилися активні роботи з автоматизації виробництва германієвих транзисторів типу П401 і П403 на основі технологічної лінії, що створюється заводом “Аусма”. Її головний архітектор (ГК) А.С. Готман запропонував робити на поверхні германію струмопровідні доріжки від електродів транзистора до периферії кристала, щоб простіше розварювати висновки транзистора в корпусі. Але головне, ці доріжки можна було використовувати як зовнішні висновки транзистора при безкорпусному їх складання на плати (що містять сполучні та пасивні елементи), припаюючи їх безпосередньо до відповідних контактних майданчиків (фактично пропонувалася технологія створення гібридних ІС). Запропонований метод, у якому струмопровідні доріжки кристала хіба що цілуються з контактними майданчиками плати, отримав оригінальну назву – “поцілункова технологія”. Але через низку тих, хто виявився тоді нерозв'язними технологічних проблем, В основному пов'язаних з проблемами точності отримання контактів на друкованій платі, практично реалізувати "поцілункову технологію" не вдалося. Через кілька років подібна ідея була реалізована в США та СРСР і знайшла широке застосування в так званих "кулькових висновках" та в технології "чіп-на-плату".
Тим не менш, апаратурні підприємства, що співпрацюють з РЗПП, у тому числі НДІРЕ, сподівалися на "поцілункову технологію" та планували її застосування. Навесні 1962 року, коли зрозуміло, що її реалізація відкладається на невизначений термін, головний інженер НДІРЕ В.І. Смирнов попросив директора РЗВП С.А. Бергмана знайти інший шлях реалізації багатоелементної схеми типу 2НЕ-АБО, універсальної для побудови цифрових пристроїв.
Мал. 7. Еквівалентна схема ІС Р12-2 (1ЛБ021). Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.
Перша ІС та ГІС Юрія Осокіна. Тверда схема Р12-2(ІС серій 102 і 116 )
Директор РЗПП доручив це завдання молодому інженеру Юрію Валентиновичу Осокіну. Організували відділ у складі технологічної лабораторії, лабораторії розробки та виготовлення фотошаблонів, вимірювальної лабораторії та дослідно-виробничої лінійки. На той час у РЗПП було поставлено технологію виготовлення германієвих діодів і транзисторів, її і взяли за основу нової розробки. І вже восени 1962 року були отримані перші дослідні зразки германієвої твердої схеми 2НЕ-АБО (оскільки терміну ІС тоді не існувало, з поваги до справ тих днів збережемо назву "тверда схема" - ТЗ), що отримала заводське позначення "Р12-2". Зберігся рекламний буклет 1965 р. на Р12-2 (рис. 6), інформацією та ілюстраціями з якого ми скористаємося. ТС Р12-2 містила два германієвих p-n-p-транзистори (модифіковані транзистори типу П401 і П403) із загальним навантаженням у вигляді розподіленого германієвого резистора р-типу (рис.7).
Мал. 8. Структура ІВ Р12-2. Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.
Мал. 9. Габаритне креслення ТС Р12-2. Малюнок із проспекту ІС від 1965 р.
Зовнішні висновки формуються термокомпресійним зварюванням між германієвими областями ТС структури та золотом вивідних провідників. Це забезпечує стійку роботу схем при зовнішніх впливах в умовах тропіків та морського туману, що особливо важливо для роботи у військово-морських квазіелектронних АТС, що випускаються ризьким заводом ВЕФ, що так само зацікавився цією розробкою.
Конструктивно ТЗ Р12-2 (і наступна за нею Р12-5) були виконані у вигляді "таблетки" (рис.9) з круглої металевої чашки діаметром 3 мм і висотою 0,8 мм. У неї розміщувався кристал ТЗ і заливався полімерним компаундом, з якого виходили короткі зовнішні кінці виводів з золотого м'якого дроту діаметром 50 мкм, приварені до кристала. Маса Р12-2 не перевищувала 25 мг. У такому виконанні ТЗ були стійкі до впливу відносної вологості 80% при температурі навколишнього середовища 40°С та циклічних змін температури від -60° до 60°С.
До кінця 1962 року дослідне виробництво РЗПП випустило близько 5 тис. ТС Р12-2, а 1963 року їх було зроблено кілька десятків тисяч. Таким чином, 1962 став роком народження мікроелектронної промисловості в США і СРСР.
Мал. 10. Групи ТЗ Р12-2
Мал. 11. Основні електричні характеристики Р12-2
Напівпровідникова технологія тоді була на стадії становлення і ще не гарантувала суворої повторюваності параметрів. Тому працездатні прилади розсортували за групами параметрів (це часто роблять у наш час). Також вчинили і рижани, встановивши 8 типономіналів ТС Р12-2 (рис. 10). Усі інші електричні та інші характеристики у всіх типономіналів однакові (рис. 11).
Випуск ТС Р12-2 розпочався одночасно з проведенням ДКР "Твердість", що завершилося в 1964 році (ГК Ю.В. Осокін). В рамках цієї роботи було розроблено вдосконалену групову технологію серійного виробництва германієвих ТЗ на основі фотолітографії та гальванічного осадження сплавів через фотомаску. Її основні технічні рішення зареєстровані як винахід Осокіна Ю.В. та Михаловича Д.Л. (О.С. №36845). У журналі "Спецрадіоелектроніка", що видавався з грифом "таємно", вийшло кілька статей Ю.В. Осокіна у співавторстві зі спеціалістами КБ-1 І.В. Нічого, Г.Г. Смолко та Ю.Є. Наумовим з описом конструкції та характеристик ТС Р12-2 (і наступної за нею ТС Р12-5).
Конструкція Р12-2 була всім хороша, крім одного – споживачі не вміли застосовувати такі маленькі вироби з найтоншими висновками. Ні технології, ні устаткування при цьому у апаратурних фірм, зазвичай, був. За весь час випуску Р12-2 та Р12-5 їх застосування освоїли НДІРЕ, Жигулівський радіозавод Мінрадіопрому, ВЕФ, НДІП (з 1978 року НВО “Радіоприлад”) та деякі інші підприємства. Розуміючи проблему, розробники ТЗ спільно з НДІРЕ відразу ж продумали другий рівень конструкції, який одночасно збільшив щільність компонування апаратури.
Мал. 12. Модуль із 4 ТС Р12-2
В1963 р. в НДІРЕ в рамках ДКР "Квант" (ГК А.М. Пеліпенко, за участю О.М. Ляховича) була розроблена конструкція модуля, в якому поєднувалося чотири ТС Р12-2 (рис.12). На мікроплату з тонкого склотекстоліту розміщували від двох до чотирьох ТЗ Р12-2 (в корпусі), що реалізують у сукупності певний функціональний вузол. На плату пресували до 17 висновків (число змінювалося для конкретного модуля) довжиною 4 мм. Мікроплату поміщали в металеву штамповану чашку розміром 21,6? 6,6 мм та глибиною 3,1 мм і заливали полімерним компаундом. В результаті вийшла гібридна інтегральна схема (ГІС) з подвійною герметизацією елементів. І, як ми вже говорили, це була перша у світі ГІС із дворівневою інтеграцією, а, можливо, взагалі перша ГІС. Було розроблено вісім типів модулів із загальною назвою "Квант", які виконували різні логічні функції. У складі таких модулів ТЗ Р12-2 зберігали працездатність при дії постійних прискорень до 150 g і вібраційних навантажень у діапазоні частот 5-2000 Гц із прискоренням до 15 g.
Модулі “Квант” спочатку випускало дослідне виробництво НДІРЕ, а потім їх передали на Жигулівський радіозавод Мінрадіопрому СРСР, який їх постачав різним споживачам, у тому числі заводу ВЕФ.
ТС Р12-2 та модулі "Квант" на їх основі добре зарекомендували себе і широко застосовувалися. У 1968 року вийшов стандарт, встановлює єдину країні систему позначень інтегральних схем, а 1969 року – Загальні технічні умовина напівпровідникові (НП0.073.004ТУ) та гібридні (НП0.073.003ТУ) ІВ з єдиною системою вимог. Відповідно до цих вимог у Центральному бюро із застосування інтегральних схем (ЦБПІМС, пізніше ЦКЛ “Дейтон”, Зеленоград) 6 лютого 1969 року на МС було затверджено нові технічні умови ЩТ3.369.001-1ТУ. При цьому в позначенні виробу вперше з'явився термін "інтегральна схема" серії 102. ТЗ Р12-2 стали називатися ІС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021І. Фактично це була одна ІВ, розсортована на чотири групи з вихідної напруги та здатності навантаження.
Мал. 13. ІС серії 116 та 117
А 19 вересня 1970 року в ЦБПІМС було затверджено технічні умови АВ0.308.014ТУ на модулі "Квант", що одержали позначення ІС серії 116 (рис.13). До складу серії входило дев'ять ІС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 та 1ХЛ163 – багатофункціональні цифрові схеми; 1ЛЕ161 і 1ЛЕ162 – два та чотири логічні елементи 2НЕ-АБО; 1ТР161 і 1ТР1162 - один і два тригери; 1УП161 – підсилювач потужності, а також 1ЛП161 – логічний елемент"заборона" на 4 входи та 4 виходи. Кожна їх цих ІС мала від чотирьох до семи варіантів виконання, що відрізняються напругою вихідних сигналів і здатністю навантаження, всього було 58 типономіналів ІС. Виконання маркувалися буквою після цифрової частини позначення ІВ, наприклад, 1ХЛ161Ж. Надалі номенклатура модулів розширювалась. ІС серії 116 фактично були гібридними, але на прохання РЗПП були марковані як напівпровідникові (перша цифра в позначенні - "1", у гібридних має бути "2").
У 1972 році спільним рішенням Мінелектронпрому та Мінрадіопрому виробництво модулів було передано із Жигулівського радіозаводу на РЗПП. Це виключило транспортування ІВ серії 102 на далекі відстані, тому відмовилися від герметизації кристала кожної ІВ. В результаті спростилася конструкція ІВ і 102-ї, і 116-ї серій: відпала необхідність корпусувати ІВ серії 102 в металеву чашку із заливкою компаундом. Безкорпусні ІС серії 102 у технологічній тарі надходили в сусідній цех на збірку ІС серії 116, монтувалися безпосередньо на їхню мікроплату і герметизувалися в корпусі модуля.
У 1970-х років вийшов новий стандарт на систему позначень ІВ. Після цього, наприклад, ІС 1ЛБ021В одержала позначення 102ЛБ1В.
Друга ІС та ДВС Юрія Осокіна. Тверда схема Р12-5(ІС серій 103 і 117 )
На початку 1963 року у результаті серйозних робіт із розробки високочастотних n - p - n транзисторів колектив Ю.В. Осокіна накопичив великий досвід роботи з p-шарами на вихідній n-германієвій пластині. Це і наявність всіх необхідних технологічних компонентів дозволило Осокіну в 1963 приступити до розробки нової технології та конструкції більш швидкодіючого варіанта ТЗ. У 1964 році на замовлення НДІРЕ було завершено розробку ТС Р12-5 та модулів на її основі. За її результатами 1965 року було відкрито ОКР “Паланга” (ГК Ю.В. Осокін, його заступник – Д.Л. Михалович, завершено 1966 року). Розроблялися модулі з урахуванням Р12-5 у межах тієї ж ДКР “Квант”, як і модулі Р12-2. Одночасно з технічними умовами на серії 102 та 116 були затверджені технічні умови ЩТ3.369.002-2ТУ на ІВ серії 103 (Р12-5) та АВ0.308.016ТУ на ІВ серії 117 (модулі на основі ІС серії 103). Номенклатура типів та типономіналів ТС Р12-2, модулів на них та серій ІС 102 та 116 була ідентична номенклатурі ТС Р12-5 та ІС серій 103 та 117, відповідно. Відрізнялися вони лише швидкодією та технологією виготовлення кристала ІВ. Типовий час затримки поширення сигналу серії 117 склало 55 нс проти 200 нс серії 116.
Конструктивно ТС Р12-5 являла собою чотиришарову напівпровідникову структуру (рис.14), де підкладка n-типу та еммітери p+-типу приєднувалися до загальної шини "землі". Основні технічні рішення побудови ТЗ Р12-5 зареєстровані як винахід Осокіна Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А та Акменса Я.П. (О.С. №248847). При виготовленні чотиришарової структури ТС Р12-5 важливим ноу-хау було формування вихідної германієвої пластини n-типу p-шару. Це досягалося дифузією цинку в кварцовій відпаяній ампулі, де пластини розташовуються при температурі близько 900 ° С, а цинк - в іншому кінці ампули при температурі близько 500 ° С. Подальше формування структури ТС у створеному p-шарі аналогічно ТС Р12-2. Нова технологіядозволила уникнути складної форми кристала ТС. Пластини Р12-5 також шліфувалися з тильного боку до товщини близько 150 мкм зі збереженням частини вихідної пластини, далі вони скрайбувалися на окремі прямокутні кристали ІС.
Мал. 14. Структура кристала ТС Р12-5 з АС №248847. 1 і 2 – земля, 3 та 4 – входи, 5 – вихід, 6 – харчування
Після перших позитивних результатів виготовлення досвідчених ТЗ Р12-5, на замовлення КБ-1 було відкрито НДР “Мезон-2”, спрямовану створення ТЗ з чотирма Р12-5. У 1965 році отримані зразки, що діють, в плоскому металокерамічному корпусі. Але Р12-5 виявилася складною у виробництві, головним чином через складність формування легованого цинком p-шару на вихідній n-Ge пластині. Кристал виявився трудомістким у виготовленні, відсоток виходу придатних низький, вартість ТС висока. З цих причин ТС Р12-5 випускалася у невеликих обсягах і витіснити повільнішу, але технологічну Р12-2 вона змогла. А НДР “Мезон-2” взагалі не отримав продовження, у тому числі через проблеми міжз'єднань.
До цього часу в НДІ "Пульсар" і в НДІМЕ вже широким фронтом велися роботи з розвитку планарної кремнієвої технології, що має ряд переваг перед германієвою, головні з яких - більш високий діапазон робочих температур (+150 ° С у кремнію і +70 ° С у германію) та наявності у кремнію природної захисної плівки SiO 2 . А спеціалізація РЗПП була переорієнтована створення аналогових ІВ. Тому фахівці РЗПП вважали розвиток германієвої технології для виробництва ІВ недоцільним. Однак при виробництві транзисторів та діодів германій ще якийсь час не здавав своїх позицій. У відділі Ю.В. Осокіна вже після 1966 року були розроблені та вироблялися РЗПП германієві планарні малошумливі НВЧ транзистори ГТ329, ГТ341, ГТ 383 та ін. Їх створення було відзначено Державною премією Латвійської СРСР.
Застосування
Мал. 15. Арифметичний пристрій на твердосхемних модулях. Фото з буклету ТЗ від 1965 р.
Мал. 16. Порівняльні габарити пристрою управління АТС, виконаного на реле та ТС. Фото з буклету ТЗ від 1965 р.
Замовниками та першими споживачами ТС Р12-2 та модулів були творці конкретних систем: ЕОМ “Гном” (рис. 15) для бортової літакової системи “Купол” (НДІРЕ, ГК Ляхович Є.М.) та військово-морських та цивільних АТС (завод) ВЕФ, ДК Місуловін Л.Я.). Брала активну участь на всіх стадіях створення МС Р12-2, Р12-5 і модулів на них і КБ-1, головним куратором цієї співпраці від КБ-1 був Н.А. Барканів. Допомагали фінансуванням, виготовленням обладнання, дослідженнями ТЗ та модулів у різних режимахта умовах експлуатації.
ТС Р12-2 та модулі "Квант" на її основі були першими мікросхемами в країні. Та й у світі вони були серед перших - тільки в США починали випускати свої перші напівпровідникові ІВ фірми Texas Instruments і Fairchild Semiconductor, а в 1964 році корпорація IBM почала випуск товстоплівкових гібридних ІС для своїх ЕОМ. В інших країнах про ІВ ще й не замислювалися. Тому інтегральні схеми для громадськості були дивиною, ефективність їх застосування справляла вражаюче враження і обігравалася в рекламі. У буклеті, що зберігся на ТЗ Р12-2 від 1965 року (на основі вже реальних застосувань) сказано: “ Застосування твердих схем Р12-2 у бортових обчислювальних пристрояхдозволяє в 10-20 разів скоротити вагу та габарити цих пристроїв, зменшити споживану потужність та збільшити надійність роботи. … Застосування твердих схем Р12-2 в системах управління та комутації трактів передачі інформації АТС дозволяє скоротити обсяг керуючих пристроїв приблизно в 300 разів, а також значно знизити споживання електроенергії (в 30-50 разів))” . Ці твердження ілюструвалися фотографіями арифметичного пристрою ЕОМ “Гном” (рис. 15) і порівнянням стійки АТС, що випускається тоді заводом ВЕФ, на основі реле з маленьким блочком на долоні дівчини (рис.16). Були й інші численні застосування перших ризьких ІС.
Виробництво
Зараз важко відновити повну картину обсягів виробництва ІС серій 102 і 103 за роками (сьогодні РЗПП із великого заводу перетворився на невелике виробництво та багато архівів загублено). Але за спогадами Ю.В. Осокіна, у другій половині 1960-х років виробництво обчислювалося багатьма сотнями тисяч на рік, у 1970-х - мільйонами. За його збереженням особистим записам 1985 року було випущено ІС серії 102 – 4 100 000 шт., модулів серії 116 – 1 025 000 шт., ІС серії 103 – 700 000 шт., модулів серії 117 – 175 000
Наприкінці 1989 року Ю.В. Осокін, тоді генеральний директор ВО “Альфа”, звернувся до керівництва Військово-промислової комісії при РМ СРСР (ВПК) з проханням про зняття серій 102, 103, 116 та 117 з виробництва через їхнє моральне старіння та високу трудомісткість (за 25 років мікроелектроніка далеко пішла вперед), але отримав категоричну відмову. Заступник голови ВПК В.Л. Коблов сказав йому, що літаки літають надійно, заміна виключається. Після розпаду СРСР ІС серій 102, 103, 116 та 117 випускалися ще до середини 1990-х років, тобто понад 30 років. ЕОМ "Гном" досі стоять у штурманській кабіні "Іл-76" та деяких інших літаків. "Це суперкомп'ютер", - не губляться наші льотчики, коли закордонні колеги здивовано цікавляться небаченим нині агрегатом.
Про пріоритети
Незважаючи на те, що у Дж. Кілбі та Р. Нойса були попередники, саме вони визнані світовою громадськістю як винахідники інтегральної схеми.
Р. Кілбі та Дж. Нойс через свої фірми подали заявки на видачу патенту на винахід інтегральної схеми. Texas Instruments подала заявку на патент раніше, у лютому 1959 р., а Fairchild зробила це лише у липні того ж року. Але патент під номером 2981877 видали у квітні 1961 р. Р. Нойсу. Дж. Кілбі подав до суду і лише у червні 1964 р. отримав свій патент під номером 3138743. Потім була десятирічна війна про пріоритети, в результаті якої (рідкісний випадок) "перемогла дружба". Кінець кінцем, Апеляційний Суд підтвердив претензії Р. Нойса на першість у технології, але ухвалив вважати Дж. Кілбі творцем першої працюючої мікросхеми. А Texas Instruments та Fairchild Semiconductor підписали договір про крос-ліцензування технологій.
У СРСР патентування винаходів авторам нічого, крім клопоту, нікчемної разової виплати та морального задоволення не давало, тому багато винаходів взагалі не оформлювалися. І Осокін теж не поспішав. Але для підприємств кількість винаходів була одним із показників, так що їх все ж таки доводилося оформляти. Тому Авторське свідоцтво СРСР за №36845 на винахід ТЗ Р12-2 Ю. Осокіна та Д. Михалович отримали лише 28 червня 1966 року.
А Дж. Кілбі у 2000 р. за винахід ІС став одним із лауреатів Нобелівської премії. Р. Нойс не дочекався світового визнання, він помер у 1990 р., а за становищем Нобелівська премія не присвоюється посмертно. Що, в даному випадку, не зовсім справедливо, оскільки вся мікроелектроніка пішла шляхом, започаткованим Р. Нойсом. Авторитет Нойса серед фахівців був настільки високий, що він навіть отримав прізвисько "мер Кремнієвої долини", оскільки був тоді найпопулярнішим із учених, які працювали в тій частині Каліфорнії, яка отримала неофіційну назву Silicon Valley (В. Шоклі називали "Мойсеєм Кремнієвої долини") . А шлях Дж. Кілбі (“волосатий” германій) виявився тупиковим, і був реалізований навіть у його фірмі. Але життя не завжди справедливе.
Нобелівську премію було присвоєно трьом ученим. Половину її отримав 77-річний Джек Кілбі, а другу половину розділили між академіком Російської академії наук Жоресом Алфьоровим та професором Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, американцем німецького походження Гербертом Кремером, за “розвиток напівпровідникових гетероструктур”, що використовуються у високошвидкісній оптоелектроніці.
Оцінюючи ці роботи, експерти зазначили, що "інтегральні схеми є, безумовно, відкриття століття, що справило сильний вплив на суспільство та світову економіку". Для всіх забутого Дж. Кілбі присудження Нобелівської премії виявилося сюрпризом. В інтерв'ю журналу Europhysics Newsвін зізнався: “ На той час я лише думав про те, що було б важливим для розвитку електроніки з погляду економіки. Але я не розумів тоді, що зниження вартості електронних виробів спричинить лавинне зростання електронних технологій”.
А роботи Ю. Осокіна не оцінено не лише Нобелівським комітетом. Забуто вони і в нашій країні, пріоритет країни у створенні мікроелектроніки не захищений. А він безперечно був.
У 1950-ті роки було створено матеріальну основу для формування в одному монолітному кристалі або на одній керамічній підкладці багатоелементних виробів – інтегральних схем. Тому не дивно, що майже одночасно ідея ІС незалежно виникла у головах багатьох фахівців. А оперативність застосування нової ідеї залежала від технологічних можливостей автора та зацікавленості виробника, тобто від наявності першого споживача. Щодо цього Ю. Осокін опинився у кращому становищі, ніж його американські колеги. Кілбі був новачком в TI, йому навіть довелося доводити керівництву фірми важливу можливість реалізації монолітної схеми виготовленням її макета. Власне роль Дж. Кілбі у створенні ІС зводиться до перевиховання керівництва TI та у провокації своїм макетом Р. Нойса до активних дій. У серійне виробництво винахід Кілбі не пішов. Р. Нойс у своїй молодій компанії, що ще не зміцніла, пішов на створення нової планарної технології, яка дійсно стала основою подальшої мікроелектроніки, але піддалася автору не відразу. У зв'язку з вищесказаним їм обом і їх фірмам довелося витратити чимало сил і часу практичної реалізаціїсвоїх ідей щодо побудови серійноздатних ІВ. Їхні перші зразки залишилися експериментальними, а в серійне виробництво пішли вже інші мікросхеми, навіть не ними розроблені. На відміну від Кілбі і Нойса, які були далекі від виробництва, заводець Ю. Осокін спирався на промислово освоєні напівпровідникові технології РЗПП, і у нього були гарантовані споживачі перших ТЗ у вигляді ініціатора розробки НДІРЕ та поряд розташованого заводу ВЕФ, які допомагали в цій роботі. З цих причин вже перший варіант його ТЗ відразу пішов у дослідне, що плавно перейшло в серійне виробництво, яке безперервно тривало понад 30 років. Таким чином, розпочавши розробку ТЗ пізніше Кілбі та Нойса, Ю. Осокін (не знаючи про це змагання) швидко наздогнав їх. Причому роботи Ю. Осокіна ніяк не пов'язані з роботами американців, свідчення тому абсолютна несхожість його ТЗ та реалізованих у ній рішень на мікросхеми Кілбі та Нойса. Виробництво своїх ІС Texas Instruments (не винахід Кілбі), Fairchild та РЗПП почали майже одночасно, у 1962 році. Це дає повне право розглядати Ю. Осокіна одним із винахідників інтегральної схеми нарівні з Р. Нойсом і більш ніж Дж. Кілбі, а частину нобелівської премії Дж. Кілбі було б справедливо поділити з Ю. Осокіним. Що ж до винаходу першої ГІС із дворівневою інтеграцією (а можливо й ГІС взагалі), то тут пріоритет А. Пеліпенка з НДІРЕ абсолютно безперечний.
На жаль, не вдалося знайти зразків транспортних засобів та приладів на їх основі, необхідних для музеїв. Автор буде дуже вдячний за такі зразки чи їхні фотографії.
Інтегральна мікросхема(або просто інтегральна схема) є сукупність, як правило, великої кількості взаємопов'язаних компонентів (транзисторів, діодів, конденсаторів, резисторів і т.п.), виготовлена в єдиному технологічному циклі (тобто одночасно), на одній і тій же несучій конструкції - підкладці- та виконує певну функцію перетворення інформації.
Термін «інтегральна схема» (ІВ) відбиває факт поєднання (інтеграції) окремих деталей - компонентів - в конструктивно єдиний прилад, і навіть факт ускладнення виконуваних цим приладом функцій проти функціями окремих компонентів.
Компоненти, які входять до складу ІВ і тим самим не можуть бути виділені з неї як самостійні вироби, називаються елементамиІС або інтегральними елементамиВони мають деякі особливості в порівнянні з транзисторами і т.д., які виготовляються у вигляді конструктивно відокремлених одиниць і з'єднуються в схему шляхом паяння.
В основі розвитку електроніки лежить безперервне ускладнення функцій, що виконуються електронною апаратурою. на певних етапахстає неможливим вирішувати нові завдання старими засобами або, як то кажуть, на основі старої елементної бази,наприклад за допомогою електронних лампчи дискретних транзисторів. Основними факторами, що лежать в основі зміни елементної бази, є: надійність, габарити та маса, вартість та потужність.
Особливістю виробів мікроелектроніки є високий ступіньскладності виконуваних функцій, навіщо створюються схеми, у яких кількість компонентів обчислюється мільйонами. Звідси ясно, що забезпечити надійність функціонування при з'єднанні компонентів вручну – завдання нездійсненне. Єдиним способом її вирішення є застосування якісно нових високих технологій.
Для виготовлення інтегральних схем використовується груповий метод виробництва та планарна технологія.
Груповий методвиробництва полягає в тому, що по-перше, на одній пластині напівпровідникового матеріалу одночасно виготовляється велика кількість інтегральних схем; по-друге, якщо дозволяє технологічний процес, одночасно обробляються десятки таких пластин. Після завершення циклу виготовлення ІВ пластина розрізається у двох взаємно-перпендикулярних напрямках на окремі кристали, кожен з яких є ІВ.
Планарна технологія- це така організація технологічного процесу, коли всі елементи та їх складові створюються в інтегральній схемі шляхом формування через площину.
Одна або кілька технологічних операцій при виготовленні ІВ полягає у з'єднанні окремих елементіву схему та приєднання їх до спеціальних контактних майданчиків. Тому необхідно, щоб висновки всіх елементів та контактні майданчики знаходилися в одній площині. Таку нагоду забезпечує планарна технологія.
Фінальна операція - корпусування- це приміщення ІВ у корпус із приєднанням контактних майданчиків до ніжок ІВ (рис. 2.20).
Вартість Dоднієї ІВ (одного кристала) спрощено можна обчислити наступним чином:
де А- Витрати на науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи зі створення ІВ; У- Витрати на технологічне обладнання, приміщення та ін; З- поточні витратина матеріали, електроенергію, заробітну плату у перерахунку на одну пластину; Z- Кількість пластин, що виготовляються до амортизації основних виробничих фондів; X- Кількість кристалів на пластині; Y- Відношення придатних ІВ до кількості, запущеної у виробництво на початку його.
Крім очевидних коментарів щодо витрат, слід зазначити таке. Збільшення Yдосягається створенням все більш сучасної технології, мабуть, найбільш складної та чистої серед багатьох новітніх виробництв. Зростання числа кристалів Xна пластині можна досягти двома шляхами: збільшенням розміру пластини та зменшенням розмірів окремих елементів. Ці обидва напрями використовуються розробниками.
На закінчення зауважимо, що це константи, які входять у формулу, є ні постійними, ні залежними друг від друга, тому аналіз на мінімум вартості насправді є складним і многофакторным.
Класифікація ІВ.Класифікація ІС може здійснюватися за різними ознаками, обмежимося тут лише одним. За способом виготовлення та одержуваної при цьому структурі розрізняють два принципово різних типи інтегральних схем: напівпровідникові та плівкові.
Напівпровідникова ІВ- це мікросхема, елементи якої виконані у приповерхневому шарі напівпровідникової підкладки (рис. 2.21). Ці ІВ складають основу сучасної мікроелектроніки.
Плівкова ІВ- це мікросхема, елементи якої виконані у вигляді плівок різного роду, нанесених на поверхню діелектричної підкладки (рис. 2.22). Залежно від способу нанесення плівок та пов'язаної з цим їх товщиною розрізняють тонкоплівковіІС (товщина плівок до 1-2 мкм) та товстоплівковіІС (товщина плівок від 10-20 мкм та вище). Оскільки досі жодна комбінація напилених плівок не дозволяє отримати активні елементи типу транзисторів, плівкові ІВ містять лише пасивні елементи (резистори, конденсатори тощо). Тому функції, що виконуються суто плівковими ІВ, вкрай обмежені. Щоб подолати ці обмеження, плівкову ІВ доповнюють активними компонентами (окремими транзисторами або ІВ), розташовуючи їх на тій же підкладці та з'єднуючи з плівковими елементами. Тоді виходить ІВ, яку називають гібридною.
Гібридна ІВ(або ГІС) - це мікросхема, яка є комбінацією плівкових пасивних елементів і активних компонентів, розташованих на загальній діелектричній підкладці. Дискретні компоненти, що входять до складу гібридної ІВ, називають навісними,підкреслюючи цим їхня відособленість від основного технологічного циклу отримання плівкової частини схеми.
Ще один тип «змішаних» ІВ, в яких поєднуються напівпровідникові та плівкові інтегральні елементи, називають суміщеними.
Поєднана ІС- це мікросхема, у якої активні елементи виконані у приповерхневому шарі напівпровідникового кристала (як у напівпровідникової ІВ), а пасивні нанесені у вигляді плівок на попередньо ізольовану поверхню того ж кристала (як у плівкової ІВ).
Поєднані ІС вигідні тоді, коли необхідні високі номінали та висока стабільність опорів та ємностей; ці вимоги легше забезпечити з допомогою плівкових елементів, ніж з допомогою напівпровідникових.
У всіх типах ІС міжз'єднання елементів здійснюються за допомогою тонких металевих смужок, напилених або нанесених на поверхню підкладки і в потрібних місцях, що контактують з елементами, що з'єднуються. Процес нанесення цих сполучних смужок називають металізацією,а сам «малюнок» міжз'єднань - металевою розводкою.
Напівпровідникидо ові ІВ. В даний час розрізняють такі напівпровідникові ІВ: біполярні, МОП (метал-окис-напівпровідник) і БІМОП. Останні є поєднанням перших двох, і в них комбінуються позитивні їх якості.
Технологія напівпровідникових ІС заснована на легуванні напівпровідникової (кремнієвої) пластини почергово донорними та акцепторними домішками, у результаті під поверхнею утворюються тонкі шари з різним типом провідності р-n-Переходи на межах шарів. Окремі шари використовуються як резистори, а р-n-переходи - у діодних та транзисторних структурах.
Легування пластини доводиться здійснювати локально, тобто. на окремих ділянках, розділених чималими відстанями. Локальне легування здійснюється за допомогою спеціальних масокз отворами, якими атоми домішки проникають у пластину на потрібних ділянках. При виготовленні напівпровідникових ІС роль маски зазвичай грає плівка двоокису кремнію SiO 2 покриває поверхню кремнієвої пластини. У цій плівці спеціальними методами гравірується необхідна сукупність отворів різної форми або, як кажуть, необхідний малюнок(Мал. 2.22). Отвори в масках, зокрема в окисній плівці, називають вікнами.
Тепер коротко охарактеризуємо складові (елементи) напівпровідникових ІВ. Основним елементом біполярних ІВ є n-p-n-транзистор: з його виготовлення орієнтується весь технологічний цикл. Всі інші елементи повинні виготовлятися, наскільки можна, одночасно з цим транзистором, без додаткових технологічних операцій.
Основним елементом МДП ІВ є МДП-транзистор. Виготовлення інших елементів також підлаштовується під базовий транзистор.
Елементи біполярної ІС необхідно тим чи іншим способом ізолювати один від одного для того, щоб вони не взаємодіяли через кристал.
Елементи МОП ІВ не потребують спеціальної ізоляції один від одного, оскільки взаємодія між суміжними МОП-транзисторами немає місця. У цьому - одна з головних переваг МОП ІВ порівняно з біполярними.
Характерна рисанапівпровідникових ІВ полягає в тому, що серед їх елементів відсутні котушки індуктивності і, тим більше трансформатори. Це пояснюється тим, що досі не вдалося використати в твердому тілі якесь фізичне явище, еквівалентне електромагнітної індукції. Тому при розробці ІВ намагаються реалізувати необхідну функціюбез використання індуктивностей, що здебільшого вдається. Якщо котушка індуктивності або трансформатор принципово необхідні, їх доводиться використовувати у вигляді навісних компонентів.
Розміри кристалів у сучасних напівпровідникових ІС досягають 20х20 мм2. Чим більше площа кристала, тим складнішу, більш багатоелементну ІВ можна на ньому розмістити. При одній і тій же площі кристала можна збільшити кількість елементів, зменшуючи їх розміри та відстані між ними.
Функціональну складність ІС прийнято характеризувати ступенем інтеграції,тобто. кількістю елементів (найчастіше транзисторів) на кристалі. Максимальний ступінь інтеграції становить 10 байт елементів на кристалі. Підвищення ступеня інтеграції (а разом з нею та складності функцій, що виконуються ІВ) - одна з головних тенденцій у мікроелектроніці.
Для кількісної оцінкиступеня інтеграції використовують умовний коефіцієнт k= lg N.Залежно від його значення інтеральні схеми називаються по-різному:
k ≤ 2 (N ≤ 100) – інтегральна схема (ІВ);
2 ≤ k ≤ 3 (N ≤ 1000) - інтегральна схема середнього ступеня інтеграції (СІС);
3 ≤ k ≤ 5 (N ≤ 10 5) - велика інтегральна схема (ВІС);
k> 5 (N>10 5) - надвелика інтегральна схема (НВІС).
Нижче наведено англійські позначення та їх розшифрування:
ІС – Integrated Circuit;
MSI – Medium Scale Integration;
LSI – Large Scale Integration;
VLSI - Very Large Scale Integration.
Крім ступеня інтеграції, використовують ще такий показник, як щільність упаковки- Кількість елементів (найчастіше транзисторів) на одиницю площі кристала. Цей показник, який характеризує переважно рівень технології, нині становить до 500-1000 елементів/мм 2 .
Гібридні ІВ.Плівкові, а значить, і гібридні ІВ залежно від технології виготовлення діляться на товсто- та тонкоплівкові.
Товстоплівкові ГІС (позначимо їх ТсГІС) виготовляються дуже просто. На діелектричну пластинку-підкладку наносять пастирізного складу. Пасти, що проводять, забезпечують міжз'єднання елементів, обкладки конденсаторів і висновки до штирь корпусу; резистивні – отримання резисторів; діелектричні - ізоляцію між обкладками конденсаторів та загальний захист поверхні готової ГІС. Кожен шар повинен мати конфігурацію, свій малюнок. Тому при виготовленні кожного шару пасту наносять через свою маску. трафарет- з вікнами в тих місцях, куди має потрапити паста шару. Після цього приклеюють навісні компоненти і з'єднують їх висновки з контактні майданчики.
Тонкоплівкові ГІС (позначимо їх ТкГІС) виготовляються за складнішою технологією, ніж ТсГІС. Класична тонкоплівкова технологія характерна тим, що плівки осідають на підкладку з газової фази. Виростивши чергову плівку, змінюють хімічний склад газу і цим електрофізичні властивості наступної плівки. Таким чином, по черзі отримують провідні, резистивні та діелектричні шари. Конфігурація (малюнок) кожного шару визначається або трафаретом, як у випадку ТсГІС, або маскою, подібно до окисної маски напівпровідникових ІВ (див. рис. 1.4).
Навісні елементи ТкГИС, як і ТсГИС, приклеюють на поверхню готової плівкової частини схеми і з'єднують з відповідними контактними майданчиками елементів.
Ступінь інтеграції ГІС не може оцінюватися так само, як у напівпровідникових ІС. Тим не менш, існує термін велика ГІС(або БГІС), який означає, що до складу ГІС як навісні компоненти входять не окремі транзистори, а цілі напівпровідникові ІС.
