Создание первых отечественных интегральных схем

Термокомпрессионные контакты формировались только между германиевыми областями структуры ТС и золотом  выводных проводников. Это обеспечивало устойчивость к внешним воздействиям в условиях тропиков и морского тумана, что особенно важно для работы в военно-морских квазиэлектронных АТС, выпускаемых рижским заводом  ВЭФ, также заинтересовавшимся этой разработкой.

 

Рис.6. Структура ТС Р12-2

Конструктивно ТС Р12-2 (и последующая за ней Р12-5) были выполнены в виде "таблетки" (рис.7) из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм. В ней размещался кристалл ТС и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из мягкой золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу. Масса Р12-2 не превышала 25 мг. В таком исполнении ТС были устойчивы к воздействию относительной влажности 80% при температуре окружающей среды 40°С и к циклическим изменениям температуры от -60° до 60°С.

Рис.7. Габаритный чертеж ТС Р12-2

К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тыс. ТС Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч. Таким образом, 1962 год стал годом рождения микроэлектронной промышленности в США и СССР. При изготовлении работоспособные приборы рассортировывали по группам параметров (это делают и поныне), установив восемь типономиналов ТС Р12-2 (табл.1 и 2).

Табл.1. Группы ТС Р12-2

(форма таблицы и обозначения  величин – как в оригинале)

 

Табл.2. Основные электрические  характеристики Р12-2

(форма таблицы и обозначения  величин – как в оригинале)

 

Выпуск ТС Р12-2 начался  одновременно с проведением ОКР "Твердость", завершившейся в 1964 году (ГК Ю.В. Осокин). В рамках этой работы была разработана усовершенствованная групповая технология серийного производства германиевых ТС на основе фотолитографии и гальванического осаждения сплавов через фотомаску. Ее основные технические решения зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В. и Михаловича Д.Л. (А.С. №36845). В издававшемся с грифом "секретно" журнале "Спецрадиоэлектроника" вышло несколько статей Ю.В.Осокина в соавторстве со специалистами КБ-1 И.В.Ничего, Г.Г.Смолко и Ю.Е.Наумовым с описанием конструкции и характеристик ТС Р12-2 (и последовавшей за ней ТС Р12-5).

Конструкция Р12-2 была всем хороша, кроме одного – потребители не умели применять такие маленькие  изделия с тончайшими выводами. Ни технологии, ни оборудования для этого  у аппаратурных фирм, как правило, не было. За все время выпуска  Р12-2 и Р12-5 их применение освоили  НИИРЭ, Жигулевский радиозавод, ВЭФ, НИИП (с 1978 года НПО "Радио-прибор") и немногие другие предприятия. Понимая проблему, разработчики ТС совместно с НИИРЭ сразу же продумали второй уровень конструкции, который одновременно увеличил плотность компоновки аппаратуры.

В НИИРЭ в рамках ОКР "Квант" (ГК А.Н.Пелипенко, при участии Е.М.Ляховича) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 (рис.8). На микроплату из тонкого стеклотекстолита размещали от двух дочетырех ТС Р12-2 (в корпусе), реализующих определенный функциональный узел. На плату впрессовывали до 17 выводов (число менялось для конкретного модуля) длиной 4 мм. Микроплату помещали в металлическую штампованную чашечку 21,6×6,6 мм и глубиной 3,1 мм и заливали полимерным компаундом. В результате получилась гибридная интегральная схема (ГИС) с двойной герметизацией элементов.Это была первая в мире ГИС с двухуровневой интеграцией, в которой в качестве активных элементов использовались не дискретные транзисторы и диоды, а полупроводниковые ИС. Возможно, это была вообще первая ГИС, так как четкой, общепризнанной даты создания первой ГИС, по-видимому, не существует. (ГИС компании IBM, используемые в ЭВМ IBM System 360, увидели свет в 1964 году, похоже, они в зарубежных странах были первыми.) Было разработано восемь типов модулей с общим названием "Квант", выполнявших различные логические функции. В составе таких модулей ТС Р12-2 сохраняли работоспособность при воздействии постоянных ускорений до 150g и вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5–2000 Гц с ускорением до 15g.

Рис.8. Модуль из 4 ТС Р12-2

Модули "Квант" сначала  выпускало опытное производство НИИРЭ, а затем их передали на Жигулевский  радиозавод, поставлявший их различным  потребителям, в том числе заводу ВЭФ.

ТС Р12-2 и модули "Квант" на их основе хорошо зарекомендовали  себя и широко применялись. В 1968 году вышел стандарт, устанавливающий  единую в стране систему обозначений  интегральных схем, а в 1969 году –  Общие технические условия на полупроводниковые (НП0.073.004ТУ) и гибридные (НП0.073.003ТУ) ИС с единой системой требований. В соответствии с этими требованиями в Центральном бюро по применению интегральных схем (ЦБПИМС, позже ЦКБ "Дейтон", Зеленоград) 6 февраля 1969 года на ТС были утверждены новые технические условия ЩТ3.369.001-1ТУ. При этом в обозначении изделия впервые появился термин "интегральная схема" серии 102. ТС Р12-2 стали называться ИС: 1ЛБ021В, 1ЛБ021Г, 1ЛБ021Ж, 1ЛБ021И. Фактически это была одна ИС, рассортированная на четыре группы по выходному напряжению и нагрузочной способности.

А 19 сентября 1970 года в ЦБПИМС были утверждены технические условия  АВ0.308.014ТУ на модули "Квант", получив- шие обозначение ИС серии 116 (рис.9). В состав серии входило девять ИС: 1ХЛ161, 1ХЛ162 и 1ХЛ163 – многофункциональные цифровые схемы; 1ЛЕ161 и 1ЛЕ162 – два и четыре логических элемента 2НЕ-ИЛИ; 1ТР161 и 1ТР1162 – один и два триггера; 1УП161 – усилитель мощности, а также 1ЛП161 – логический элемент "запрет" на 4 входа и 4 выхода. Каждая из этих ИС имела от четырех до семи вариантов исполнения, отличающихся напряжением выходных сигналов и нагрузочной способностью, всего было 58 типономиналов ИС. Исполнения маркировались буквой после цифровой части обозначения ИС, например 1ХЛ161Ж. В дальнейшем номенклатура модулей расширялась. ИС серии 116 фактически были гибридными, но по просьбе РЗПП были маркированы как полупроводниковые (первая цифра в обозначении – "1", у гибридных должно быть "2").

Рис.9. ИС серии 116 и 117

 

В 1972 году совместным решением Минэлектронпрома и Минрадиопрома производство модулей было передано из Жигулевска на РЗПП. Это исключило транспортировку ИС серии 102 на дальние расстояния, поэтому от герметизации кристалла каждой ИС отказались. В результате упростилась конструкция ИС и 102-й, и 116-й серий: отпала необходимость корпусировать ИС серии 102 в металлическую чашечку с заливкой компаундом. Бескорпусные ИС серии 102 в технологической таре поступали в соседний цех на сборку ИС серии 116, монтировались непосредственно на их микроплату и герметизировались в корпусе модуля.

В середине 1970-х годов  вышел новый стандарт на систему  обозначений ИС. После этого, например, ИС 1ЛБ021В получила обозначение 102ЛБ1В.

Твердая схема Р12-5 (ИС серий 103 и 117)

К началу 1963 года в результате серьезных работ по разработке высокочастотных n-p-n-транзисторов коллектив Ю.В.Осокина  накопил большой опыт работы с p-слоями на исходной n-германиевой пластине. Это и наличие всех необходимых технологических компонентов позволило Осокину в 1963 году приступить к разработке новой технологии и конструкции более быстродействующего варианта ТС. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка ТС Р12-5 и модулей на ее основе. По ее результатам в 1965 году была открыта ОКР "Паланга" (ГК Ю.В.Осокин, его заместитель – Д.Л.Михалович, завершена в 1966 году). Разрабатывались модули на основе Р12-5 в рамках той же ОКР "Квант", что и модули на Р12-2. Одновременно с техническими условиями на серии 102 и 116 были утверждены технические условия ЩТ3.369.002-2ТУ на ИС серии 103 (Р12-5) и АВ0.308.016ТУ на ИС серии 117 (модули на основе ИС серии 103). Номенклатура типов и типономиналов ТС Р12-2, модулей на них и серий ИС 102 и 116 была идентична номенклатуре ТС Р12-5 и ИС серий 103 и 117, соответственно. Различались они только быстродействием и технологией изготовления кристалла ИС. Типовое время задержки распространения сигнала серии 117 составило 55 нс против 200 нс в серии 116.

Конструктивно ТС Р12-5 представляла собой четырехслойную полупроводниковую  структуру (рис.10), где подложка n-типа и эммитеры p-типа подсоединялись к общей шине "земли". Основные технические решения построения ТС Р12-5 зарегистрированы как изобретение Осокина Ю.В., Михаловича Д.Л. Кайдалова Ж.А и Акменса Я.П.(А.С. №248847). При изготовлении четырехслойной структуры ТС Р12-5 важным ноу-хау было формирование в исходной германиевой пластине n-типа p-слоя. Это достигалось диффузией цинка в кварцевой отпаянной ампуле, где пластины располагаются при температуре около 900°С, а цинк – в другом конце ампулы при температуре около 500°С. Дальнейшее формирование структуры ТС в созданном p-слое аналогично ТС Р12-2. Новая технология позволила уйти от

сложной формы кристалла  ТС. Пластины с Р12-5 также шлифовались  с тыльной стороны до толщины  около 150 мкм с сохранением части исходной пластины, далее они скрайбировались на отдельные прямоугольные кристаллы ИС.

После первых положительных  результатов изготовления опытных  ТС Р12-5, по заказу КБ-1 была открыта НИР "Мезон-2", направленная на создание ТС с четырьмя Р12-5. В 1965 году получены действующие образцы в плоском  металлокерамическом корпусе. Но Р12-5 оказалась сложной в производстве, главным образом – из-за трудности  формирования легированного цинком p-слоя на исходной n-Ge пластине. Кристалл оказался трудоемким в изготовлении, процент выхода годных низкий, стоимость ТС высокая. По этим причинам ТС Р12-5 выпускалась в небольших объемах и вытеснить более медленную, но технологичную Р12-2 она не смогла. А НИР "Мезон-2" вообще не получила продолжения, в том числе – из-за проблем межсоединений.

 

Рис.10. Структура кристалла  ТС Р12-5 из А.С. №248847:

1 и 2 – "земля", 3 и  4 – входы, 5 – выход, 6 – питание

 

К этому времени уже  широким фронтом велись работы по развитию планарной кремниевой технологии, обладающей рядом преимуществ перед германиевой, главные из которых – более высокий диапазон рабочих температур (150°С у кремния и 70°С у германия) и наличие у кремния естественной защитной пленки SiO2. Поэтому специалисты РЗПП посчитали развитие германиевой технологии для производства ИС нецелесообразным. Однако при производстве транзисторов и диодов германий еще какое-то время не сдавал своих позиций. В отделе Ю.В.Осокина уже после 1966 года были разработаны и производились РЗПП германиевые планарные малошумящие СВЧ-транзисторы ГТ329, ГТ341, ГТ 383 и др. Их создание было отмечено Государственной премией Латвийской ССР.

Применение интегральных схем

Заказчиками и первыми  потребителями ТС Р12-2 и модулей  были создатели конкретных систем: ЭВМ "Гном" (рис.11) для бортовой самолетной системы "Купол" (НИИРЭ, ГК Е.М.Ляхович) и военно-морских и гражданских АТС (завод ВЭФ, ГК Л.Я.Мисуловин). Активно участвовало на всех стадиях создания ТС Р12-2, Р12-5 и модулей на их основе и КБ‑1, главным куратором этого сотрудничества от КБ-1 был Н.А. Барканов. Помогали финансированием, изготовлением оборудования, исследованиями ТС и модулей в различных режимах и условиях эксплуатации.

Рис.11. Арифметическое устройство на твердосхемных модулях.

Фото из буклета ТС от 1965 года

 

ТС Р12-2 и модули "Квант" на ее основе были первыми микросхемами в стране. Да и в мире они были среди первых – только в США  начинали выпускать свои первые ИС фирмы Texas Instruments и Fairchild Semiconductor (полупро- водниковые ИС), а также IBM (толстопленочные гибридные ИС), в других странах об ИС еще и не задумывались. Поэтому эффективность применения ИС была впечатляющей. В сохранившемся буклете на ТС Р12-2 от 1965 года (на основе уже реальных применений) сказано: "Применение твердых схем Р12-2 в бортовых вычислительных устройствах позволяет в 10–20 раз сократить вес и габариты этих устройств, уменьшить потребляемую мощность и увеличить надежность работы … Применение твердых схем Р12-2 в системах управления и коммутации трактов передачи информации АТС позволяет сократить объем управляющих устройств примерно в 300 раз, а также значительно снизить потребление электроэнергии (в 30–50 раз)". Это иллюстрирует фотография выпускаемых тогда заводом ВЭФ стойки АТС на основе реле в сравнении с маленьким блочком на ладони девушки (рис.12). Были и другие многочисленные применения первых рижских ИС.

Рис.12. Сравнительные габариты устройства управления АТС,

выполненного на реле и  ТС . Фото из буклета ТС от 1965 года

Производство отечественных  интегральных схем

Сейчас трудно восстановить полную картину объемов производства ИС серий 102 и 103 по годам (сегодня РЗПП из крупного завода превратился в  небольшое производство, и многие архивы утеряны). Но по воспоминаниям  Ю.В.Осокина, во второй половине 1960-х  годов производство исчислялось  многими сотнями тысяч в год, в 1970-х годах – миллионами. По его личным записям, в 1985 году было выпущено ИС серии 102 – 4 100 000 шт., модулей серии 116 – 1 025 000 шт., ИС серии 103 – 700 000 шт., модулей серии 117 – 175 000 шт.

В конце 1989 года Ю.В. Осокин, тогда генеральный директор ПО "Альфа", обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при СМ СССР (ВПК) с просьбой о снятии серий 102, 103, 116 и 117 с производства ввиду их морального старения и высокой  трудоемкости (за 25 лет микроэлектроника далеко ушла вперед), но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В.Л.Коблов сказал ему, что самолеты летают надежно, замена исключается. После распада СССР ИС серий 102, 103, 116 и 117 выпускались еще до середины 90-х годов, т.е. более 30 лет. ЭВМ "Гном" до сих пор стоят в штурманской кабине "Ил-76" и некоторых других самолетов. "Это суперкомпьютер", – не теряются наши летчики, когда зарубежные коллеги удивленно интересуются невиданным ныне агрегатом.

О приоритетах

Приоритет авторов ИС закреплен  Патентами США Дж.Килби (Патент США №3138743, приоритет от 6 февраля 1959 года), Р.Нойса (патент США № 2981877 от 30 июля 1959 года) и Авторским свидетельством СССР Ю.Осокина и Д.Михаловича № 36845 от 28 июня 1966 года. В 2000 году Дж.Килби за изобретение ИС стал одним из лауреатов Нобелевской премии. Р.Нойс не дождался мирового признания как изобретатель ИС, он скончался в 1990 году, а Нобелевская премия не присваивается посмертно. Работы же Ю.Осокина не оценены не только Нобелевским комитетом, забыты они и в нашей стране, приоритет страны в создании микроэлектроники не защищен. А он бесспорно был. (Важно отметить, что если Fairchild Semiconductor и Texas instruments начали развиватьименно планарную технологию ИС, то Ю.В.Осокин занимался технологией ИС на основе меза-структур. Это – принципиально иное направление, активно развиваемое сегодня вовсем мире при создании монолитных СВЧ ИС и мощных полупроводниковых приборов, которые сами по себе являются ИС).

В 1950-е годы полупроводниковая  технология достигла уровня, позволяющего на одной германиевой или кремниевой пластине в едином технологическом  цикле изготавливать множество  диодов или транзисторов. В результате была создана материальная основа для формирования в одном монолитном кристалле многоэлементных изделий – интегральных схем. Поэтому не удивительно, что почти одновременно идея ИС независимо возникла в головах нескольких специалистов. А оперативность внедрения новой идеи зависела от технологической оснащенности автора и заинтересованности изготовителя, т.е. от наличия первого потребителя. В этом отношении Ю.Осокин оказался в лучшем положении, чем его американские коллеги. Килби был новичком в TI, не владел полупроводниковой технологией, ему даже пришлось доказывать руководству фирмы принципиальную возможность реализации монолитной (его термин) схемы изготовлением ее макета. Собственно роль Дж.Килби в создании ИС сводится к перевоспитанию руководства TI ив провокации своим макетом Р.Нойса к активным действиям. В серийное производство изобретение Килби не пошло. Р.Нойс в своей молодой и еще не окрепшей компании пошел на создание новой планарной технологии, которая действительно стала основой последующей микроэлектроники, но поддалась автору не сразу. В связи с вышесказанным им обоим пришлось потратить немало сил и времени для практической реализации своих идей по построению серийноспособных ИС. Их первые образцы остались опытными, а в серийное производство пошли уже другие микросхемы, даже не ими разработанные. В отличие от Килби и Нойса, которые были далеки от производства, заводчанин Ю.Осокин опирался на промышленно освоенные полупроводниковые технологии РЗПП, и у него были гарантированные потребители первых ТС в виде инициатора разработки НИИРЭ и рядом расположенного завода ВЭФ, помогавших в данной работе. По этим причинам уже первый вариант его ТС сразу пошел в опытное, плавно перешедшее в серийное производство, которое непрерывно продолжалось более 30 лет. Таким образом, начав разработку ТС позже Килби и Нойса, Ю.Осокин (не зная об этом соревновании) быстро догнал их. Производство своих ИС они начали почти одновременно – в 1962 году. Причем работы Ю.Осокина никак не связаны с работами американцев, свидетельство тому абсолютная непохожесть его ТС и реализованных в ней решений на микросхемы Килби и Нойса. Это дает полное право рассматривать Ю.Осокина одним из изобретателей интегральной схемы наравне с Дж.Килби и Р.Нойсом, а часть Нобелевской премии Дж.Килби было бы справедливо поделить с Ю.Осокиным. Что же касается изобретения первой ГИС с двухуровневой интеграцией (в которой в качестве активного элемента использована полупроводниковая ИС), то здесь приоритет А.Пелипенко из НИИРЭ абсолютно бесспорен.