Bản chất của một mạch tích hợp là gì? Vi mạch
1 Mạch tích hợp (IC)
Cơ sở chính của cơ học rời rạc hiện đại là vi điện tử tích hợp. Quá trình chuyển đổi sang IC đã thay đổi đáng kể cách chế tạo thiết bị điện tử, vì các sản phẩm vi mạch là các đơn vị chức năng hoàn chỉnh, có thể là các phần tử logic để thực hiện các hoạt động đơn giản hoặc bộ xử lý máy tính bao gồm hàng nghìn phần tử.
1.Thuật ngữ
Phù hợp với GOST 17021-88 “Vi mạch tích hợp. Thuật ngữ và định nghĩa".
Mạch tích hợp (IC) ) - sản phẩm vi điện tử thực hiện chức năng cụ thể là chuyển đổi và xử lý tín hiệu và có mật độ đóng gói cao của các phần tử (hoặc các phần tử và thành phần) được kết nối điện và (hoặc) tinh thể, theo quan điểm về các yêu cầu đối với thử nghiệm, chấp nhận, giao hàng và vận hành được coi là một tổng thể thống nhất.
Mạch tích hợp bán dẫn - mạch tích hợp, tất cả các phần tử và các mối nối giữa các phần tử của chúng được thực hiện trong khối và trên bề mặt của chất bán dẫn.
Mạch tích hợp phim - mạch tích hợp, tất cả các phần tử và kết nối giữa các phần tử của chúng được chế tạo dưới dạng màng (trường hợp đặc biệt của IC màng là IC màng dày và IC màng mỏng).
Mạch tích hợp lai - mạch tích hợp ngoài các phần tử còn chứa các thành phần và (hoặc) tinh thể (trường hợp đặc biệt của IC lai là IC nhiều chip).
Công nghệ màng mỏng - vật liệu cơ bản:
Chất nền - để áp dụng và tạo mẫu (gốm sứ);
Màng dẫn điện - đồng, nhôm, vàng;
Vật liệu điện trở - kim loại và hợp kim của chúng, oxit thiếc, chất điện môi, hỗn hợp.
Màng dày - chủ yếu dùng làm bảng chuyển mạch.
Hiện nay có các mạch tích hợp có 6 bậc tích hợp (Bảng 1).
Mạch tích hợp nhỏ (MIC) - IC chứa tối đa 100 phần tử và (hoặc) thành phần bao gồm (1,.2 độ).
Mạch tích hợp trung bình (MIC) ) - IC chứa trên 100 đến 1000 phần tử và (hoặc) linh kiện đối với IC số và trên 100 đến 500 phần tử đối với IC analog (2,3 độ).
Mạch tích hợp lớn (LSI) - IC chứa trên 1000 phần tử và (hoặc) linh kiện dành cho IC số và trên 500 phần tử và (hoặc) thành phần dành cho IC analog (3,4 độ).
Mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) - IC chứa trên 100.000 phần tử và (hoặc) linh kiện đối với IC kỹ thuật số có cấu trúc thông thường, trên 50.000 đối với IC kỹ thuật số có cấu trúc không đều và trên 10.000 đối với IC analog (5,7 độ).
Ghi chú: IC kỹ thuật số có cấu trúc thông thường bao gồm các mạch bộ nhớ và mạch dựa trên các tín hiệu ma trận cơ bản, có cấu trúc mạch điện toán không đều.
Mạch tích hợp siêu tốc (USIC) ) – IC kỹ thuật số, tốc độ hoạt động của nó ít nhất là 1*10 13 Hz/cm 3 mỗi cái phần tử logic.
Theo tốc độ chức năng, chúng tôi muốn nói đến tích của tần số hoạt động của một phần tử logic, bằng giá trị bốn lần nghịch đảo của thời gian trễ truyền tín hiệu trung bình tối đa với số phần tử logic trên 1 cm vuông diện tích tinh thể.
3. Phân loại mạch tích hợp theo mức độ tích hợp.
Bảng 1 - Phân loại IS theo mức độ tích hợp
Ste-Level Số phần tử và thành phần trong một chip
gốc tích hợp- Chip kỹ thuật số Analog
tích hợp trên vi mạch lưỡng cực MOS-on
bóng bán dẫn bộ đàm bóng bán dẫn
1..2 MIS<= 100 <= 100 <= 100
2..3 SIS > 100<= 1000 > 100 <= 500 > 100 <= 500
3..4 BIS > 1000<= 10000 > 500 <= 2000 > 500
4..5 VLSI > 100000 > 50000 > 10000
Mạch tích hợp tương tự - mạch tích hợp được thiết kế để chuyển đổi và xử lý tín hiệu theo định luật hàm liên tục (trường hợp đặc biệt của IC analog là vi mạch có đặc tính tuyến tính - IC tuyến tính).
IC kỹ thuật số - mạch tích hợp, được thiết kế để chuyển đổi và xử lý các tín hiệu thay đổi theo quy luật của hàm rời rạc (trường hợp đặc biệt của IC kỹ thuật số là chip logic)
Mức độ tích hợp mạch tích hợp – một chỉ số về mức độ phức tạp của một vi mạch, được đặc trưng bởi số lượng phần tử và thành phần mà nó chứa.
Được xác định theo công thức: k=logN,
trong đó k là hệ số xác định mức độ tích phân, được làm tròn đến số nguyên lớn hơn gần nhất.
N là số phần tử và linh kiện có trong mạch tích hợp.
Dòng mạch tích hợp - một tập hợp các loại mạch tích hợp có thể thực hiện các chức năng khác nhau, có một thiết kế và thiết kế công nghệ duy nhất và được thiết kế để sử dụng chung.
Ở mức thấp nhất, bằng 0 trong hệ thống phân cấp mang tính xây dựng của EVA thuộc bất kỳ loại và mục đích nào, có các IC thực hiện các chức năng logic, phụ trợ, đặc biệt cũng như chức năng bộ nhớ. Hiện nay, ngành công nghiệp sản xuất một số lượng lớn các mạch tích hợp, có thể được phân loại theo một số đặc điểm.
2 Phân loại vi mạch và ký hiệu
Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất IC được chia thành 4 loại: chất bán dẫn; phim ảnh; hỗn hợp; kết hợp
Các phần tử mạch điện của IC bán dẫn được hình thành ở dạng khối hoặc trên bề mặt của vật liệu bán dẫn (chất nền). Sự hình thành các nguyên tố chủ động và thụ động bằng cách đưa vào một nồng độ tạp chất nhất định với số lượng tấm đơn tinh thể khác nhau.
Hình 1 - Phân loại mạch tích hợp
Trong IC lai, phần thụ động được chế tạo dưới dạng màng phủ lên bề mặt vật liệu điện môi (đế nền) và các phần tử hoạt động, có thiết kế độc lập, được gắn vào bề mặt của đế.
Tùy thuộc vào phương pháp kết nối các phần tử rắn chủ động, IC chủ động có các dây dẫn linh hoạt và cứng nhắc.
Một loại IC bán dẫn là IC tổ hợp.
Trong IC kết hợp, các phần tử hoạt động được tạo ra bên trong chất nền bán dẫn và phần thụ động ở dạng màng kim loại trên bề mặt của nó.
Theo mục đích chức năng IS có thể được chia thành:
1) kỹ thuật số; 2) tương tự.
IC kỹ thuật số được sử dụng trong máy tính kỹ thuật số, thiết bị tự động hóa rời rạc, v.v. Chúng bao gồm các mạch vi xử lý, mạch bộ nhớ và IC thực hiện các chức năng logic.
IC tuyến tính và xung tuyến tính được sử dụng trong tín hiệu tương tự máy tính và trong các thiết bị chuyển đổi thông tin.
Chúng bao gồm các bộ khuếch đại hoạt động, bộ so sánh và các mạch khác.
Cơ sở của việc phân loại điện tử vi mạch có ba đặc điểm:
1) loại thành phần mạch logic mà trên đó các phép toán logic qua các biến đầu vào;
2) phương thức kết nối Thiết bị bán dẫn thành một mạch logic;
3) loại kết nối giữa các mạch logic.
Dựa trên những đặc điểm này, IC logic có thể được phân loại như sau:
1) các mạch có kết nối trực tiếp trên cấu trúc MOS - NSTLM (MOS - kim loại - oxit - chất bán dẫn hoặc chất cách điện kim loại MOS - chất bán dẫn).
2) mạch có kết nối điện trở-điện dung - RTL; RETL – mạch có logic đầu vào được thực hiện bằng mạch điện trở. RETL và RTL đã lỗi thời về mặt đạo đức và không được sử dụng trong các phát triển mới;
3) các mạch có logic đầu vào được thực hiện bằng điốt - DTL;
4 mạch, logic đầu vào được thực hiện bởi bóng bán dẫn đa bộ phát - TTL;
5) mạch có bộ phát ghép nối - ESL hoặc PTTL - logic trên các công tắc dòng điện;
6) logic tích hợp tiêm IIL hoặc I 2 L - trên cơ sở đó, các vi mạch có mức độ tích hợp cao, hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp được tạo ra;
7) các mạch dựa trên kết nối chung của một cặp bóng bán dẫn với các kênh có loại dẫn điện khác nhau, được gọi là cấu trúc bổ sung. (cấu trúc CMOS).
Trong ký hiệu IC, kiểu dáng và thiết kế công nghệ được biểu thị bằng một số:
1,5,6,7 – chất bán dẫn; 2,4,8 – lai;
3 cái khác – (phim, chân không, v.v.).
Theo tính chất của các chức năng được thực hiện trong REA, IC được chia thành các nhóm nhỏ (ví dụ: máy phát điện, bộ khuếch đại, v.v.) và các loại (ví dụ: bộ biến tần, pha, điện áp); ví dụ: bộ tạo HS (G) của tín hiệu hài ( C), điốt ND-set (N) (D))
4 vỏ chip
GOST 17467-88 chứa các thuật ngữ liên quan đến thiết kế IC.
Thân hình - phần của vỏ không có dây dẫn.
Vị trí đầu ra - một trong số các vị trí cách đều nhau của các đầu nối ở lối ra khỏi thân vỏ, nằm xung quanh một vòng tròn hoặc trong một hàng, có thể có hoặc không có đầu nối chiếm giữ. Mỗi vị trí đầu ra được chỉ định bởi một số sê-ri.
Mặt phẳng lắp đặt – mặt phẳng nơi lắp đặt IC.
Trong các máy tính điện đời đầu, các thành phần mạch thực hiện các hoạt động là các ống chân không. Những ống này trông giống như bóng đèn, tiêu thụ nhiều điện năng và tỏa nhiều nhiệt. Mọi thứ thay đổi vào năm 1947 với việc phát minh ra bóng bán dẫn. Trong đó thiết bị nhỏđã sử dụng một loại vật liệu bán dẫn được đặt tên theo khả năng dẫn điện và ngăn chặn điện, tùy thuộc vào việc có dòng điện trong chất bán dẫn hay không. Công nghệ mới này cho phép chế tạo tất cả các loại công tắc điện trên chip silicon. Mạch bán dẫn chiếm ít không gian hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Để có những máy tính mạnh hơn, các mạch tích hợp hoặc IC đã được tạo ra.
Ngày nay, các bóng bán dẫn đã trở nên nhỏ đến mức hiển vi và toàn bộ mạch IC nằm gọn trên một miếng bán dẫn hình vuông 1 inch. Các khối nhỏ được gắn thành hàng trên bảng mạch máy tính là các mạch tích hợp được bọc trong vỏ nhựa. Mỗi vi mạch chứa một tập hợp các phần tử hoặc thiết bị mạch đơn giản. Hầu hết chúng đều bị chiếm giữ bởi các bóng bán dẫn. Một IC cũng có thể bao gồm điốt, cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng và các điện trở, chặn dòng điện.
Các bộ phận cố định. Bên trong máy tính, các dãy mạch tích hợp trong vỏ bảo vệ, như minh họa bên dưới, được gắn trên bảng mạch của máy tính (màu xanh lá cây). Mỗi đường màu xanh nhạt tượng trưng cho một đường đi của dòng điện; chúng cùng nhau tạo thành những “đường cao tốc” qua đó dòng điện được truyền từ mạch này sang mạch khác.
Những sứ giả nhỏ bé. Dọc theo rìa của con chip, các dây có từ tính cao giống như sợi tóc của con người sẽ gửi tín hiệu điện từ mạch điện(tên ở trên). Những dây vàng hoặc nhôm này hầu như có khả năng chống ăn mòn và là chất dẫn điện tốt.
Giải phẫu của một bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn, phần tử vi mô cơ bản của mạch điện tử, là công tắc bật và tắt dòng điện. Đường ray kim loại nhỏ ( màu xám) dẫn dòng điện (đỏ và xanh lá cây) từ các thiết bị này. Được tổ chức thành một tổ hợp gọi là cổng logic, bóng bán dẫn phản ứng với các xung điện theo nhiều cách khác nhau được cài sẵn, cho phép máy tính thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.
Sơ đồ logic. Nếu dòng điện đi vào (mũi tên màu đỏ) kích hoạt đế của mỗi bóng bán dẫn, thì dòng điện (mũi tên màu xanh lá cây) sẽ chạy đến dây dẫn đầu ra.
Mạch tích hợp (chip)- một thiết bị điện tử thu nhỏ bao gồm số lượng lớn các phần tử vô tuyến điện tử được kết nối về mặt cấu trúc và điện. Thông thường, một mạch tích hợp được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể. Về cơ bản, vi mạch kết hợp một số loại mạch điện tử, trong đó tất cả các phần tử (bóng bán dẫn, điốt, điện trở, tụ điện) và các kết nối điện giữa chúng được cấu trúc trên một tinh thể. Vì các kích thước các thành phần riêng lẻ rất nhỏ (micro và nanomet), thì với sự phát triển hiện đại của công nghệ, hơn một triệu linh kiện điện tử có thể được đặt trên một con chip.
Khái niệm mạch tích hợp có một số từ đồng nghĩa: vi mạch, vi mạch, chip. Mặc dù có một số điểm đặc biệt trong định nghĩa của các thuật ngữ này và sự khác biệt giữa chúng, nhưng trong cuộc sống hàng ngày, chúng đều được dùng để chỉ mạch tích hợp. Trong các thiết bị điện tử hiện đại, hầu hết nhiều lĩnh vực khác nhau Các ứng dụng từ thiết bị gia dụng đến các thiết bị điện khoa học và y tế phức tạp, rất khó để tìm thấy một thiết bị không sử dụng mạch tích hợp. Đôi khi một con chip thực hiện hầu hết mọi chức năng trong một thiết bị điện tử.
Mạch tích hợp được chia thành các nhóm theo một số tiêu chí. Theo mức độ tích hợp - số lượng phần tử được đặt trên chip. Theo loại tín hiệu được xử lý: kỹ thuật số, analog và analog-to-digital. Theo công nghệ sản xuất và vật liệu được sử dụng - chất bán dẫn, màng, v.v.
Ngày nay, trình độ phát triển công nghệ trong sản xuất mạch tích hợp đã ở mức rất cao. Việc tăng mức độ tích hợp và cải thiện các thông số của mạch tích hợp bị cản trở không phải bởi những hạn chế về công nghệ mà bởi các quá trình xảy ra ở cấp độ phân tử trong vật liệu được sử dụng để sản xuất (thường là chất bán dẫn). Vì vậy, nghiên cứu của các nhà sản xuất và phát triển microchip đang được tiến hành theo hướng tìm kiếm những loại vật liệu mới có thể thay thế
Mạch tích hợp đầu tiên
Dành riêng cho lễ kỷ niệm 50 năm ngày chính thức
B. Malasevich
Vào ngày 12 tháng 9 năm 1958, nhân viên Jack Kilby của Texas Instruments (TI) đã trình diễn cho ban quản lý ba thiết bị kỳ lạ - thiết bị làm từ hai miếng silicon có kích thước 11,1 x 1,6 mm dán lại với nhau bằng sáp ong trên đế thủy tinh (Hình 1). Đây là những mô hình ba chiều - nguyên mẫu của mạch tích hợp (IC) của máy phát điện, chứng minh khả năng sản xuất tất cả các phần tử mạch dựa trên một vật liệu bán dẫn. Ngày này được kỷ niệm trong lịch sử điện tử như là ngày ra đời của mạch tích hợp. Nhưng nó là?
Cơm. 1. Bố cục của IP đầu tiên của J. Kilby. Ảnh từ trang web http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html
Đến cuối những năm 1950, công nghệ lắp ráp thiết bị vô tuyến điện tử(REA) từ các phần tử rời rạc đã cạn kiệt khả năng của nó. Thế giới đã bước vào cuộc khủng hoảng trầm trọng của REA; cần phải có những biện pháp triệt để. Vào thời điểm này, các công nghệ tích hợp để sản xuất cả thiết bị bán dẫn cũng như bảng mạch gốm màng dày và màng mỏng đã được làm chủ về mặt công nghiệp ở Hoa Kỳ và Liên Xô, tức là các điều kiện tiên quyết đã chín muồi để vượt qua cuộc khủng hoảng này bằng cách tạo ra nhiều nguyên tố. sản phẩm tiêu chuẩn - mạch tích hợp.
Mạch tích hợp (chip, IC) bao gồm các thiết bị điện tử có độ phức tạp khác nhau, trong đó tất cả các phần tử tương tự được sản xuất đồng thời trong một chu trình công nghệ duy nhất, tức là. sử dụng công nghệ tích hợp. Không giống như các bảng mạch in (trong đó tất cả các dây dẫn kết nối được sản xuất đồng thời trong một chu trình duy nhất sử dụng công nghệ tích hợp), điện trở, tụ điện, điốt và bóng bán dẫn (trong IC bán dẫn) được hình thành tương tự trong IC. Ngoài ra, nhiều IC được sản xuất đồng thời, từ hàng chục đến hàng nghìn.
IC được ngành công nghiệp phát triển và sản xuất dưới dạng nối tiếp, kết hợp một số vi mạch cho các mục đích chức năng khác nhau, nhằm mục đích sử dụng chung trong thiết bị điện tử. Các IC dòng này có thiết kế tiêu chuẩn và hệ thống thống nhất về điện và các đặc tính khác. IC được nhà sản xuất cung cấp cho nhiều người tiêu dùng khác nhau dưới dạng sản phẩm thương mại độc lập đáp ứng một hệ thống yêu cầu tiêu chuẩn nhất định. IC là sản phẩm không thể sửa chữa được; khi sửa chữa các thiết bị điện tử, IC bị lỗi sẽ được thay thế.
Có hai nhóm IC chính: lai và bán dẫn.
Trong IC lai (HIC), tất cả các dây dẫn và phần tử thụ động được hình thành trên bề mặt của đế vi mạch (thường là gốm) bằng công nghệ tích hợp. Các phần tử hoạt động ở dạng điốt, bóng bán dẫn và tinh thể IC bán dẫn được lắp đặt riêng lẻ trên đế, bằng tay hoặc tự động.
Trong IC bán dẫn, các phần tử kết nối, thụ động và chủ động được hình thành trong một chu trình công nghệ duy nhất trên bề mặt vật liệu bán dẫn (thường là silicon) với sự xâm lấn một phần thể tích của nó bằng phương pháp khuếch tán. Đồng thời, trên một tấm bán dẫn, tùy theo độ phức tạp của thiết bị cũng như kích thước tinh thể và tấm bán dẫn của nó mà có thể sản xuất từ vài chục đến vài nghìn IC. Ngành công nghiệp sản xuất IC bán dẫn trong các gói tiêu chuẩn, ở dạng chip riêng lẻ hoặc ở dạng tấm bán dẫn không phân chia.
Việc đưa IC lai (GIS) và IC bán dẫn ra thế giới diễn ra theo nhiều cách khác nhau. GIS là sản phẩm của sự phát triển tiến hóa của mô-đun vi mô và công nghệ lắp đặt bảng gốm. Do đó, chúng dường như không được chú ý; không có ngày sinh được chấp nhận rộng rãi của GIS và không có tác giả nào được công nhận rộng rãi. IC bán dẫn là kết quả tự nhiên và tất yếu của sự phát triển của công nghệ bán dẫn, nhưng chúng đòi hỏi phải tạo ra những ý tưởng mới và tạo ra công nghệ mới, có ngày ra đời và tác giả riêng. IC lai và bán dẫn đầu tiên xuất hiện ở Liên Xô và Hoa Kỳ gần như đồng thời và độc lập với nhau.
IC lai đầu tiên
IC lai bao gồm IC, việc sản xuất chúng kết hợp công nghệ tích hợp sản xuất các phần tử thụ động với công nghệ riêng lẻ (thủ công hoặc tự động) để lắp đặt và lắp ráp các phần tử hoạt động.
Trở lại cuối những năm 1940, công ty Centralab ở Hoa Kỳ đã phát triển các nguyên tắc cơ bản để sản xuất bảng mạch in làm từ gốm màng dày, sau đó được các công ty khác phát triển. Cơ sở là công nghệ sản xuất bảng mạch in và tụ gốm. Từ các bảng mạch in, chúng tôi đã sử dụng một công nghệ tích hợp để hình thành cấu trúc liên kết của dây dẫn kết nối - in lụa. Từ tụ điện - vật liệu nền (gốm sứ, thường là sital), cũng như vật liệu bột nhão và công nghệ nhiệt để cố định chúng trên đế.
Và vào đầu những năm 1950, công ty RCA đã phát minh ra công nghệ màng mỏng: bằng cách phun nhiều vật liệu khác nhau trong chân không và lắng đọng chúng qua mặt nạ lên các chất nền đặc biệt, họ đã học được cách sản xuất đồng thời nhiều màng thu nhỏ kết nối các dây dẫn, điện trở và tụ điện trên một tấm duy nhất. chất nền gốm.
So với công nghệ màng dày, công nghệ màng mỏng mang lại khả năng sản xuất các thành phần cấu trúc liên kết chính xác hơn kích thước nhỏ hơn nhưng đòi hỏi thiết bị phức tạp và đắt tiền hơn. Các thiết bị được sản xuất trên bảng mạch gốm sử dụng công nghệ màng dày hoặc màng mỏng được gọi là “mạch lai”. Các mạch lai được sản xuất như các thành phần của sản phẩm do chính họ sản xuất; mỗi nhà sản xuất có thiết kế, kích thước và mục đích chức năng riêng; chúng không được đưa vào thị trường tự do và do đó ít được biết đến.
Mạch lai cũng đã xâm chiếm các mô-đun vi mô. Lúc đầu, họ sử dụng các phần tử thu nhỏ thụ động và chủ động rời rạc, được thống nhất bằng hệ thống dây in truyền thống. Công nghệ lắp ráp rất phức tạp với tỷ lệ lao động thủ công rất lớn. Do đó, mô-đun vi mô rất đắt tiền và việc sử dụng chúng chỉ giới hạn ở các thiết bị trên tàu. Sau đó, những chiếc khăn gốm thu nhỏ màng dày được sử dụng. Tiếp theo, điện trở bắt đầu được sản xuất bằng công nghệ màng dày. Nhưng các điốt và bóng bán dẫn được sử dụng vẫn còn rời rạc, được đóng gói riêng lẻ.
Mô-đun vi mô đã trở thành một mạch tích hợp lai vào thời điểm mà các bóng bán dẫn và điốt không đóng gói được sử dụng trong đó và cấu trúc được niêm phong trong một vỏ chung. Điều này giúp có thể tự động hóa đáng kể quá trình lắp ráp, giảm giá mạnh và mở rộng phạm vi ứng dụng. Dựa trên phương pháp hình thành các phần tử thụ động, GIS màng dày và màng mỏng được phân biệt.
GIS đầu tiên ở Liên Xô
GIS đầu tiên (các mô-đun thuộc loại “Kvant”, sau này được đặt tên là IS series 116) ở Liên Xô được phát triển vào năm 1963 tại NIIRE (sau này là NPO Leninets, Leningrad) và cùng năm đó, nhà máy thí điểm của nó bắt đầu hoạt động. sản xuất hàng loạt. Trong các hệ thống GIS này, các IC bán dẫn “R12-2”, được Nhà máy Thiết bị Bán dẫn Riga phát triển vào năm 1962, được sử dụng làm các phần tử hoạt động. Do lịch sử hình thành các IC này không thể tách rời và đặc điểm của chúng, chúng tôi sẽ cùng nhau xem xét chúng trong phần dành cho P12-2.
Không còn nghi ngờ gì nữa, mô-đun Kvant là mô-đun đầu tiên trong thế giới GIS có tích hợp hai cấp độ - chúng sử dụng IC bán dẫn thay vì các bóng bán dẫn đóng gói rời rạc làm thành phần hoạt động. Có khả năng họ cũng là những người đầu tiên trong thế giới GIS - các sản phẩm đa thành phần hoàn chỉnh về mặt cấu trúc và chức năng, được cung cấp cho người tiêu dùng như một sản phẩm thương mại độc lập. Các sản phẩm tương tự nước ngoài sớm nhất được tác giả xác định là các mô-đun SLT của Tập đoàn IBM được mô tả bên dưới, nhưng chúng đã được công bố vào năm sau, 1964.
GIS đầu tiên ở Mỹ
Sự xuất hiện của GIS màng dày làm nền tảng thành phần chính của máy tính IBM System/360 mới được IBM công bố lần đầu tiên vào năm 1964. Có vẻ như đây là lần sử dụng GIS đầu tiên bên ngoài Liên Xô, tác giả không thể tìm thấy các ví dụ trước đó; .
Vào thời điểm đó, đã được biết đến trong giới chuyên môn, dòng IC bán dẫn “Micrologic” của Fairchild và “SN-51” của TI (chúng ta sẽ nói về chúng bên dưới) vẫn còn rất hiếm và cực kỳ đắt đỏ đối với các ứng dụng thương mại, chẳng hạn như xây dựng các một máy tính lớn Do đó, tập đoàn IBM, lấy thiết kế vi mô-đun phẳng làm cơ sở, đã phát triển loạt GIS màng dày của mình, được công bố dưới tên chung (trái ngược với “mô-đun vi mô”) - “mô-đun SLT” (Công nghệ logic rắn - rắn công nghệ logic Thông thường từ “rắn” được dịch sang tiếng Nga là “rắn”, điều này hoàn toàn phi logic. Thật vậy, thuật ngữ “mô-đun SLT” được IBM đưa ra nhằm tương phản với thuật ngữ “mô-đun vi mô” và sẽ phản ánh sự khác biệt của chúng. cả hai mô-đun đều là “rắn”, tức là bản dịch này thì không. Từ “rắn” còn có các nghĩa khác – “rắn”, “toàn bộ”, nhấn mạnh thành công sự khác biệt giữa “mô-đun SLT” và “mô-đun vi mô” - SLT-modules. không thể phân chia, không thể sửa chữa, tức là “toàn bộ”. Chúng tôi không sử dụng bản dịch được chấp nhận rộng rãi sang tiếng Nga: Công nghệ logic rắn - công nghệ logic vững chắc).
Mô-đun SLT là một tấm vi mạch màng gốm dày hình vuông nửa inch có các chốt dọc được ép vào. Các dây dẫn và điện trở kết nối được dán lên bề mặt của nó bằng cách in lụa (theo sơ đồ của thiết bị đang được triển khai) và các bóng bán dẫn chưa đóng gói đã được lắp đặt. Các tụ điện, nếu cần, đã được lắp đặt bên cạnh mô-đun SLT trên bo mạch thiết bị. Mặc dù bên ngoài gần như giống hệt nhau (mô-đun vi mô cao hơn một chút, Hình 2.) mô-đun SLT khác biệt nhiều hơn so với mô-đun vi mô phẳng mật độ cao bố trí các yếu tố, tiêu thụ điện năng thấp, hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Ngoài ra, công nghệ SLT khá dễ tự động hóa nên chúng có thể được sản xuất với số lượng lớn với chi phí đủ thấp để sử dụng trong các thiết bị thương mại. Đây chính xác là những gì IBM cần. Công ty đã xây dựng một nhà máy tự động ở East Fishkill gần New York để sản xuất các mô-đun SLT, sản xuất chúng với số lượng hàng triệu bản.
Cơm. 2. Mô-đun vi mô Liên Xô và mô-đun SLT f. IBM. Ảnh STL từ trang web http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm
Theo sau IBM, các công ty khác bắt đầu sản xuất GIS và GIS đã trở thành một sản phẩm thương mại. Thiết kế tiêu chuẩn của các mô-đun vi mô phẳng và mô-đun SLT của IBM đã trở thành một trong những tiêu chuẩn cho IC lai.
IC bán dẫn đầu tiên
Vào cuối những năm 1950, ngành công nghiệp này có mọi cơ hội để sản xuất các bộ phận thiết bị điện tử giá rẻ. Nhưng nếu bóng bán dẫn hoặc điốt được làm từ gecmani và silicon thì điện trở và tụ điện được làm bằng vật liệu khác. Nhiều người khi đó tin rằng khi tạo ra các mạch lai sẽ không có vấn đề gì trong việc lắp ráp các phần tử này, được sản xuất riêng biệt. Và nếu có thể sản xuất tất cả các bộ phận có kích thước và hình dạng tiêu chuẩn và từ đó tự động hóa quá trình lắp ráp, thì giá thành của thiết bị sẽ giảm đáng kể. Dựa trên lý luận như vậy, những người ủng hộ công nghệ hybrid coi đây là hướng phát triển chung của ngành vi điện tử.
Nhưng không phải ai cũng chia sẻ ý kiến này. Thực tế là các bóng bán dẫn mesa, và đặc biệt là các bóng bán dẫn phẳng, đã được tạo ra vào thời kỳ đó, đã được điều chỉnh để xử lý nhóm, trong đó một số hoạt động sản xuất nhiều bóng bán dẫn trên một tấm đế được thực hiện đồng thời. Nghĩa là, nhiều bóng bán dẫn được sản xuất trên một tấm bán dẫn cùng một lúc. Sau đó, tấm này được cắt thành các bóng bán dẫn riêng lẻ, được đặt trong các hộp riêng lẻ. Và sau đó nhà sản xuất phần cứng đã kết hợp các bóng bán dẫn trên một bảng mạch in. Có người cho rằng cách tiếp cận này thật lố bịch - tại sao phải tách các bóng bán dẫn ra rồi kết nối chúng lại. Có thể kết hợp chúng ngay lập tức trên một tấm bán dẫn được không? Đồng thời, loại bỏ một số hoạt động phức tạp và tốn kém! Những người này đã nghĩ ra IC bán dẫn.
Ý tưởng này cực kỳ đơn giản và hoàn toàn rõ ràng. Tuy nhiên, như thường lệ, chỉ sau khi có người lần đầu tiên công bố và chứng minh điều đó. Đã được chứng minh chính xác, chỉ cần thông báo thường xuyên, như trong trong trường hợp này, đôi khi nó không đủ. Ý tưởng về vi mạch được công bố vào năm 1952, trước khi các phương pháp nhóm sản xuất thiết bị bán dẫn ra đời. Tại hội nghị thường niên về linh kiện điện tử được tổ chức tại Washington, Jeffrey Dummer, nhân viên Văn phòng Radar Hoàng gia Anh ở Malvern, đã trình bày một báo cáo về độ tin cậy của các thành phần radar. Trong báo cáo, ông đã đưa ra một tuyên bố mang tính tiên tri: “ Với sự ra đời của bóng bán dẫn và hoạt động trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn, nhìn chung có thể hình dung các thiết bị điện tử có dạng một khối đặc không chứa dây nối. Khối này có thể bao gồm các lớp vật liệu cách điện, dẫn điện, làm thẳng và gia cố, trong đó khu vực nhất định cắt theo cách mà chúng có thể trực tiếp thực hiện các chức năng điện.”. Nhưng dự báo này đã không được các chuyên gia chú ý. Họ chỉ nhớ đến nó sau khi xuất hiện những IC bán dẫn đầu tiên, tức là sau khi có bằng chứng thực tế về một ý tưởng đã được công bố từ lâu. Ai đó phải là người đầu tiên phát minh lại và thực hiện ý tưởng về vi mạch bán dẫn.
Như trong trường hợp của bóng bán dẫn, những người tạo ra IC bán dẫn được công nhận rộng rãi đều có những người tiền nhiệm ít nhiều thành công. Bản thân Dammer đã cố gắng hiện thực hóa ý tưởng của mình vào năm 1956 nhưng không thành công. Năm 1953, Harvick Johnson của RCA nhận được bằng sáng chế cho bộ dao động đơn chip, và vào năm 1958, cùng với Torkel Wallmark, đã công bố khái niệm về “thiết bị tích hợp bán dẫn”. Năm 1956, nhân viên Ross của Bell Labs đã sản xuất một mạch đếm nhị phân dựa trên cấu trúc n-p-n-p trong một tinh thể duy nhất. Năm 1957, Yasuro Taru từ công ty MITI của Nhật Bản đã nhận được bằng sáng chế cho việc kết hợp nhiều bóng bán dẫn khác nhau trong một tinh thể. Nhưng tất cả những điều này và những phát triển tương tự khác đều mang tính chất riêng tư, không được đưa vào sản xuất và không trở thành nền tảng cho sự phát triển của thiết bị điện tử tích hợp. Chỉ có ba dự án góp phần phát triển sở hữu trí tuệ trong sản xuất công nghiệp.
Những người may mắn đã được đề cập là Jack Kilby từ Texas Instruments (TI), Robert Noyce từ Fairchild (cả hai đều đến từ Hoa Kỳ) và Yury Valentinovich Osokin từ phòng thiết kế của Nhà máy Thiết bị Bán dẫn Riga (Liên Xô). Người Mỹ đã tạo ra các mẫu mạch tích hợp thử nghiệm: J. Kilby - nguyên mẫu của máy phát điện IC (1958), và sau đó là bộ kích hoạt trên bóng bán dẫn mesa (1961), R. Noyce - bộ kích hoạt sử dụng công nghệ phẳng (1961) và Yu. Osokin – IC logic “2NOT-OR” ngay lập tức được đưa vào sản xuất hàng loạt ở Đức (1962). Các công ty này bắt đầu sản xuất hàng loạt IP gần như đồng thời vào năm 1962.
IC bán dẫn đầu tiên ở Hoa Kỳ
IP của Jack Kilby. dòng IS SN - 51”
Năm 1958, J. Kilby (người tiên phong trong việc sử dụng bóng bán dẫn trong máy trợ thính) chuyển đến Texas Instruments. Người mới đến Kilby, với tư cách là một nhà thiết kế mạch, đã được “ném” vào việc cải tiến việc lấp đầy tên lửa bằng mô-đun vi mô bằng cách tạo ra một giải pháp thay thế cho mô-đun vi mô. Phương án lắp ráp các khối từ các bộ phận có hình dạng tiêu chuẩn, tương tự như lắp ráp các mô hình đồ chơi từ các nhân vật LEGO, đã được xem xét. Tuy nhiên, Kilby lại bị mê hoặc bởi một thứ khác. Vai trò quyết định được thực hiện bởi tác động của một “cái nhìn mới mẻ”: thứ nhất, ông ngay lập tức tuyên bố rằng các mô-đun vi mô là ngõ cụt, và thứ hai, sau khi ngưỡng mộ các cấu trúc mesa, ông nảy ra ý tưởng rằng mạch nên (và có thể) được được thực hiện từ một vật liệu - chất bán dẫn. Kilby biết đến ý tưởng của Dummer và nỗ lực thực hiện nó không thành công vào năm 1956. Sau khi phân tích, ông hiểu được nguyên nhân thất bại và tìm ra cách khắc phục. “ Công lao của tôi là tôi đã lấy ý tưởng này và biến nó thành hiện thực.”, J. Kilby sau đó đã nói trong bài phát biểu nhận giải Nobel của mình.
Chưa giành được quyền rời đi, anh ấy làm việc trong phòng thí nghiệm mà không bị can thiệp trong khi mọi người đang nghỉ ngơi. Vào ngày 24 tháng 7 năm 1958, Kilby đã đưa ra một khái niệm trong tạp chí thí nghiệm có tên là Ý tưởng nguyên khối. Bản chất của nó là thế”. ..các phần tử mạch như điện trở, tụ điện, tụ điện phân tán và bóng bán dẫn có thể được tích hợp vào một con chip duy nhất - miễn là chúng được làm từ cùng một vật liệu... Trong thiết kế mạch lật, tất cả các phần tử phải được làm bằng silicon, với điện trở sử dụng điện trở khối của silicon và tụ điện - điện dung của các điểm nối p-n". “Ý tưởng nguyên khối” vấp phải thái độ trịch thượng và mỉa mai từ ban quản lý Texas Instruments, họ yêu cầu bằng chứng về khả năng sản xuất bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện từ chất bán dẫn cũng như khả năng hoạt động của mạch được lắp ráp từ những phần tử đó.
Vào tháng 9 năm 1958, Kilby hiện thực hóa ý tưởng của mình - ông đã chế tạo một máy phát điện từ hai mảnh germanium có kích thước 11,1 x 1,6 mm, dán lại với nhau bằng sáp ong trên đế thủy tinh, chứa hai loại vùng khuếch tán (Hình 1). Ông đã sử dụng những khu vực này và các điểm tiếp xúc hiện có để tạo ra một mạch máy phát điện, kết nối các phần tử bằng dây vàng mỏng có đường kính 100 micron bằng phương pháp hàn nén nhiệt. Một mesatransistor được tạo ra từ một khu vực và mạch RC được tạo ra từ khu vực kia. Ba máy phát điện được lắp ráp đã được trình bày cho ban lãnh đạo công ty. Khi nguồn được kết nối, chúng bắt đầu hoạt động ở tần số 1,3 MHz. Chuyện này xảy ra vào ngày 12 tháng 9 năm 1958. Một tuần sau, Kilby chế tạo một bộ khuếch đại theo cách tương tự. Nhưng đây chưa phải là những cấu trúc tích hợp, đây là những mô hình ba chiều của IC bán dẫn, chứng minh ý tưởng sản xuất tất cả các phần tử mạch từ một vật liệu - chất bán dẫn.
Cơm. 3. Loại kích hoạt 502 J. Kilby. Ảnh từ trang web http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html
Mạch tích hợp thực sự đầu tiên của Kilby, được chế tạo từ một mảnh germanium nguyên khối, là IC kích hoạt Loại 502 thử nghiệm (Hình 3). Nó sử dụng cả điện trở thể tích của germani và điện dung của tiếp giáp p-n. Buổi thuyết trình của nó diễn ra vào tháng 3 năm 1959. Một lượng nhỏ Những IC như vậy được sản xuất trong điều kiện phòng thí nghiệm và được bán theo vòng tròn hẹp với mức giá 450 USD. IC chứa sáu phần tử: bốn bóng bán dẫn mesa và hai điện trở, được đặt trên một tấm wafer silicon có đường kính 1 cm. Nhưng IC của Kilby có một nhược điểm nghiêm trọng - bóng bán dẫn mesa, ở dạng cột “hoạt động” cực nhỏ, cao hơn phần còn lại. , phần “thụ động” của tinh thể. Việc kết nối các cột mesa với nhau trong Kilby IS được thực hiện bằng cách đun sôi những sợi dây vàng mỏng - “công nghệ lông” bị mọi người ghét bỏ. Rõ ràng là với các kết nối như vậy, không thể tạo ra một vi mạch với số lượng lớn các phần tử - mạng lưới sẽ bị đứt hoặc kết nối lại. Và germanium vào thời điểm đó đã được coi là một vật liệu không có triển vọng. Không có sự đột phá nào cả.
Vào thời điểm này, Fairchild đã phát triển công nghệ silicon phẳng. Với tất cả những điều này, Texas Instruments đã phải đặt mọi thứ Kilby đã làm sang một bên và bắt đầu, không có Kilby, để phát triển một loạt IC dựa trên công nghệ silicon phẳng. Vào tháng 10 năm 1961, công ty tuyên bố tạo ra một loạt IC loại SN-51, và vào năm 1962, công ty bắt đầu sản xuất hàng loạt và giao hàng vì lợi ích của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và NASA.
IP của Robert Noyce. dòng ISvi mô”
Năm 1957, vì một số lý do, W. Shockley, người phát minh ra bóng bán dẫn phẳng, đã rời bỏ một nhóm gồm 8 kỹ sư trẻ muốn thử thực hiện ý tưởng của riêng họ. “Tám kẻ phản bội,” như Shockley gọi họ, mà lãnh đạo là R. Noyce và G. Moore, đã thành lập công ty Fairchild Semiconductor (“đứa trẻ xinh đẹp”). Công ty do Robert Noyce đứng đầu, khi đó anh 23 tuổi.
Cuối năm 1958, nhà vật lý D. Horney, người từng làm việc tại Fairchild Semiconductor, đã phát triển công nghệ chế tạo bóng bán dẫn phẳng. Và nhà vật lý người Séc Kurt Lehovec, người từng làm việc tại Sprague Electric, đã phát triển một kỹ thuật sử dụng mối nối n-p nối ngược để cách ly điện cho các bộ phận. Năm 1959, Robert Noyce, sau khi nghe về thiết kế vi mạch của Kilby, đã quyết định thử tạo ra một mạch tích hợp bằng cách kết hợp các quy trình do Horney và Lehovec đề xuất. Và thay vì “công nghệ lông” của các kết nối, Noyce đề xuất lắng đọng có chọn lọc một lớp kim loại mỏng lên trên các cấu trúc bán dẫn cách điện bằng silicon dioxide có kết nối với các điểm tiếp xúc của các phần tử thông qua các lỗ còn lại trên lớp cách điện. Điều này giúp có thể “nhúng” các phần tử hoạt động vào thân chất bán dẫn, cách điện chúng bằng oxit silic, sau đó kết nối các phần tử này với các rãnh nhôm hoặc vàng phun ra, được tạo ra bằng quá trình quang khắc, kim loại hóa và khắc axit tại công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất sản phẩm. Do đó, người ta đã thu được một phiên bản thực sự “nguyên khối” của việc kết hợp các thành phần thành một mạch duy nhất và công nghệ mới được gọi là “phẳng”. Nhưng trước hết ý tưởng này phải được thử nghiệm.
Cơm. 4. Trình kích hoạt thử nghiệm của R. Noyce. Ảnh từ trang web http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html
Cơm. 5. Ảnh IC Micrologic trên tạp chí Life. Ảnh từ trang web http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html
Vào tháng 8 năm 1959, R. Noyce ủy quyền cho Joy Last phát triển một phiên bản IC dựa trên công nghệ phẳng. Đầu tiên, giống như Kilby, họ tạo ra một nguyên mẫu của bộ kích hoạt trên một số tinh thể silicon, trên đó có 4 bóng bán dẫn và 5 điện trở. Sau đó, vào ngày 26 tháng 5 năm 1960, bộ kích hoạt chip đơn đầu tiên được sản xuất. Để cô lập các phần tử trong đó với mặt trái Tấm wafer silicon được khắc các rãnh sâu chứa đầy nhựa epoxy. Vào ngày 27 tháng 9 năm 1960, phiên bản thứ ba của bộ kích hoạt đã được sản xuất (Hình 4), trong đó các phần tử được cách ly bằng một điểm nối p-n được kết nối ngược.
Cho đến thời điểm đó, Fairchild Semiconductor chỉ tham gia vào lĩnh vực bóng bán dẫn; hãng chưa có nhà thiết kế mạch để tạo ra IC bán dẫn. Vì vậy, Robert Norman từ Sperry Gyrscope đã được mời làm nhà thiết kế mạch. Norman đã quen thuộc với logic điện trở-bóng bán dẫn, mà công ty, theo gợi ý của ông, đã chọn làm cơ sở cho loạt IC “Micrologic” trong tương lai, vốn đã tìm thấy ứng dụng đầu tiên trong thiết bị của tên lửa Minuteman. Vào tháng 3 năm 1961, Fairchild công bố IC thử nghiệm đầu tiên của dòng sản phẩm này (F-flip-flop chứa sáu phần tử: bốn bóng bán dẫn lưỡng cực và hai điện trở đặt trên một tấm có đường kính 1 cm) cùng với việc công bố bức ảnh của nó (Hình 5). ) trên tạp chí Mạng sống(ngày 10 tháng 3 năm 1961). 5 IP khác đã được công bố vào tháng 10. Và từ đầu năm 1962, Fairchild đã tiến hành sản xuất hàng loạt IC và việc cung cấp chúng cũng vì lợi ích của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và NASA.
Kilby và Noyce đã phải nghe rất nhiều lời chỉ trích về những đổi mới của mình. Người ta tin rằng hiệu suất thực tế của các mạch tích hợp phù hợp sẽ rất thấp. Rõ ràng là nó phải thấp hơn so với bóng bán dẫn (vì nó chứa một số bóng bán dẫn), khi đó nó không cao hơn 15%. Thứ hai, nhiều người tin rằng các vật liệu không phù hợp đã được sử dụng trong các mạch tích hợp, vì vào thời điểm đó điện trở và tụ điện không được chế tạo từ chất bán dẫn. Thứ ba, nhiều người không thể chấp nhận ý kiến cho rằng IP không thể sửa chữa được. Đối với họ, việc vứt bỏ một sản phẩm mà chỉ một trong nhiều bộ phận bị hỏng là điều báng bổ. Mọi nghi ngờ dần bị gạt sang một bên khi mạch tích hợp được sử dụng thành công trong các chương trình quân sự và không gian của Mỹ.
Một trong những người sáng lập Fairchild Semiconductor, G. Moore, đã xây dựng định luật cơ bản về sự phát triển của vi điện tử silicon, theo đó số lượng bóng bán dẫn trong một tinh thể mạch tích hợp tăng gấp đôi mỗi năm. Định luật này, được gọi là “Định luật Moore”, hoạt động khá rõ ràng trong 15 năm đầu tiên (bắt đầu từ năm 1959), và sau đó sự tăng gấp đôi này diễn ra trong khoảng một năm rưỡi.
Hơn nữa, ngành công nghiệp IP ở Hoa Kỳ bắt đầu phát triển với tốc độ nhanh chóng. Tại Hoa Kỳ, một quá trình giống như tuyết lở về sự xuất hiện của các doanh nghiệp chỉ định hướng “dành cho máy bay” đã bắt đầu, đôi khi đạt đến mức hàng chục công ty được đăng ký mỗi tuần. Phấn đấu vì những người kỳ cựu (các công ty của W. Shockley và R. Noyce), cũng như nhờ các ưu đãi về thuế và dịch vụ do Đại học Stanford cung cấp, những “người mới đến” tập trung chủ yếu ở Thung lũng Santa Clara (California). Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi vào năm 1971 bàn tay nhẹ nhàng nhà báo và nhà phổ biến các cải tiến kỹ thuật Don Hofler, hình ảnh công nghệ lãng mạn về “Thung lũng Silicon” đã được lưu hành, mãi mãi trở thành đồng nghĩa với Thánh địa của cuộc cách mạng công nghệ bán dẫn. Nhân tiện, trong khu vực đó thực sự có một thung lũng trước đây nổi tiếng với vô số vườn mơ, anh đào và mận, mà trước khi xuất hiện công ty Shockley đã có một cái tên khác dễ chịu hơn - thật không may, bây giờ là Thung lũng Niềm vui của Trái tim , gần như bị lãng quên.
Năm 1962, việc sản xuất hàng loạt mạch tích hợp bắt đầu ở Hoa Kỳ, mặc dù số lượng giao hàng cho khách hàng của họ chỉ lên tới vài nghìn. Động lực mạnh mẽ nhất cho sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo dụng cụ và điện tử ở cơ sở mới tên lửa và công nghệ vũ trụ xuất hiện. Vào thời điểm đó, Hoa Kỳ không có tên lửa đạn đạo xuyên lục địa mạnh như Liên Xô, và để tăng sức tấn công, họ buộc phải giảm thiểu khối lượng của tàu sân bay, bao gồm cả hệ thống điều khiển, do đưa vào sử dụng tên lửa đạn đạo xuyên lục địa. Những thành tựu mới nhất công nghệ điện tử. Texas Instrument và Fairchild Semiconductor đã ký kết các hợp đồng lớn về thiết kế và sản xuất mạch tích hợp với Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và NASA.
IC bán dẫn đầu tiên ở Liên Xô
Vào cuối những năm 1950, ngành công nghiệp Liên Xô quá cần điốt bán dẫn và bóng bán dẫn nên cần phải có những biện pháp triệt để. Năm 1959, các nhà máy sản xuất thiết bị bán dẫn được thành lập ở Aleksandrov, Bryansk, Voronezh, Riga, v.v. Vào tháng 1 năm 1961, Ủy ban Trung ương CPSU và Hội đồng Bộ trưởng Liên Xô đã thông qua một Nghị quyết khác “Về phát triển ngành công nghiệp bán dẫn”, nhằm tạo điều kiện cho xây dựng các nhà máy và viện nghiên cứu ở Kiev, Minsk, Yerevan, Nalchik và các thành phố khác.
Chúng ta sẽ quan tâm đến một trong những nhà máy mới - Nhà máy Thiết bị Bán dẫn Riga nói trên (RZPP, nó đã đổi tên nhiều lần, để đơn giản, chúng tôi sử dụng nhà máy nổi tiếng nhất vẫn còn hoạt động cho đến ngày nay). Tòa nhà trường kỹ thuật hợp tác đang được xây dựng với diện tích 5300 m2 được bố trí làm bệ phóng cho nhà máy mới, đồng thời bắt đầu xây dựng một tòa nhà đặc biệt. Đến tháng 2 năm 1960, nhà máy đã thành lập 32 dịch vụ, 11 phòng thí nghiệm và sản xuất thử nghiệm, bắt đầu vào tháng 4 để chuẩn bị sản xuất những thiết bị đầu tiên. Nhà máy đã tuyển dụng 350 người, 260 người trong số đó đã được cử đi học tại Viện Nghiên cứu Moscow-35 (sau này là Viện Nghiên cứu Pulsar) và nhà máy Leningrad Svetlana trong năm. Và đến cuối năm 1960, số lượng nhân viên lên tới 1.900 người. Ban đầu, các dây chuyền công nghệ được đặt trong phòng thể thao được xây dựng lại của tòa nhà trường kỹ thuật hợp tác, và các phòng thí nghiệm OKB được đặt trong các phòng học cũ. Nhà máy đã sản xuất các thiết bị đầu tiên (bóng bán dẫn germanium chuyển đổi và khuếch tán hợp kim P-401, P-403, P-601 và P-602 do NII-35 phát triển) 9 tháng sau khi đơn đặt hàng chế tạo nó được ký vào tháng 3 năm 1960. Và đến cuối tháng 7, ông đã sản xuất được hàng nghìn bóng bán dẫn P-401 đầu tiên. Sau đó, ông thành thạo việc sản xuất nhiều bóng bán dẫn và điốt khác. Vào tháng 6 năm 1961, việc xây dựng một tòa nhà đặc biệt đã hoàn thành, trong đó việc sản xuất hàng loạt thiết bị bán dẫn bắt đầu.
Từ năm 1961, nhà máy bắt đầu công việc phát triển và công nghệ độc lập, bao gồm cơ giới hóa và tự động hóa việc sản xuất bóng bán dẫn dựa trên kỹ thuật quang khắc. Với mục đích này, bộ lặp ảnh nội địa đầu tiên (tem ảnh) đã được phát triển - một bản cài đặt để kết hợp và in ảnh liên hệ (được phát triển bởi A.S. Gotman). Sự hỗ trợ lớn về tài chính và sản xuất thiết bị độc đáo được cung cấp bởi các doanh nghiệp của Bộ Công nghiệp Vô tuyến, bao gồm KB-1 (sau này là NPO Almaz, Moscow) và NIIRE. Vào thời điểm đó, những nhà phát triển tích cực nhất của thiết bị vô tuyến cỡ nhỏ, chưa có cơ sở công nghệ bán dẫn riêng, đang tìm cách tương tác sáng tạo với các nhà máy bán dẫn mới thành lập.
Tại RZPP, công việc tích cực đã được thực hiện để tự động hóa sản xuất bóng bán dẫn germani loại P401 và P403 trên dây chuyền công nghệ Ausma do nhà máy tạo ra. Nhà thiết kế chính của nó (GC) A.S. Gottman đề xuất tạo ra các đường dẫn dòng điện trên bề mặt germanium từ các điện cực của bóng bán dẫn đến ngoại vi của tinh thể để giúp hàn các dây dẫn bóng bán dẫn trong vỏ dễ dàng hơn. Nhưng quan trọng nhất, các track này có thể dùng làm cực ngoài của bóng bán dẫn khi chúng được lắp ráp thành các bo mạch (chứa các phần tử kết nối và thụ động) mà không cần đóng gói, hàn trực tiếp vào các miếng tiếp xúc tương ứng (trên thực tế, công nghệ tạo ra IC lai đã được sử dụng). đề xuất). Phương pháp được đề xuất, trong đó các rãnh mang dòng điện của tinh thể dường như tiếp xúc với các miếng tiếp xúc của bảng mạch, đã nhận được tên khai sinh- “công nghệ hôn”. Nhưng do một số vấn đề công nghệ hóa ra không thể giải quyết được vào thời điểm đó, chủ yếu liên quan đến vấn đề về độ chính xác của việc lấy danh bạ trên bảng mạch in, nên “công nghệ hôn” trên thực tế đã không thể triển khai được. Vài năm sau, một ý tưởng tương tự đã được triển khai ở Mỹ và Liên Xô và được ứng dụng rộng rãi trong cái gọi là “dây dẫn bi” và trong công nghệ “chip-to-board”.
Tuy nhiên, các công ty phần cứng hợp tác với RZPP, bao gồm NIIRE, hy vọng vào “công nghệ hôn” và lên kế hoạch sử dụng nó. Vào mùa xuân năm 1962, khi biết rõ việc triển khai kế hoạch này đã bị hoãn vô thời hạn, kỹ sư trưởng của NIIRE V.I. Smirnov đã yêu cầu giám đốc RZPP S.A. Bergman tìm ra cách khác để triển khai mạch 2NOR đa phần tử, phổ biến để chế tạo các thiết bị kỹ thuật số.
Cơm. 7. Mạch tương đương LÀ R12-2 (1LB021). Trích từ bản cáo bạch IP năm 1965.
IS và GIS đầu tiên của Yury Osokin. Sơ đồ vững chắc R12-2(Dòng IS 102 Và 116 )
Giám đốc RZPP giao nhiệm vụ này cho kỹ sư trẻ Yury Valentinovich Osokin. Chúng tôi tổ chức một bộ phận bao gồm phòng thí nghiệm công nghệ, phòng thí nghiệm phát triển và sản xuất khẩu trang ảnh, phòng thí nghiệm đo lường và dây chuyền sản xuất thí điểm. Vào thời điểm đó, công nghệ sản xuất điốt và bóng bán dẫn germanium đã được cung cấp cho RZPP và nó được lấy làm cơ sở cho sự phát triển mới. Và vào mùa thu năm 1962, người ta đã thu được các nguyên mẫu đầu tiên của mạch rắn germanium 2NOT-OR (vì khi đó thuật ngữ IS chưa tồn tại nên để tôn trọng các vấn đề thời đó, chúng tôi sẽ giữ lại tên “mạch cứng” - TS), đã nhận được ký hiệu nhà máy là “P12-2”. Một tập sách quảng cáo từ năm 1965 về P12-2 vẫn còn tồn tại (Hình 6), thông tin và hình ảnh minh họa mà chúng tôi sẽ sử dụng. TS R12-2 chứa hai bóng bán dẫn p - n - p -gecmani (bóng bán dẫn được sửa đổi loại P401 và P403) với tải chung ở dạng điện trở loại p germanium phân tán (Hình 7).
Cơm. 8. Cấu tạo của IC R12-2. Trích từ bản cáo bạch IP năm 1965.
Cơm. 9. Bản vẽ kích thước xe R12-2. Trích từ bản cáo bạch IP năm 1965.
Dây dẫn bên ngoài được hình thành bằng cách hàn nén nhiệt giữa các vùng germanium của cấu trúc TC và vàng của dây dẫn chì. Điều này đảm bảo hoạt động ổn định của các mạch dưới tác động bên ngoài trong điều kiện nhiệt đới và sương mù biển, điều này đặc biệt quan trọng đối với hoạt động trong các tổng đài điện thoại tự động bán điện tử của hải quân do nhà máy Riga VEF sản xuất, cũng quan tâm đến sự phát triển này.
Về mặt cấu trúc, R12-2 TS (và R12-5 tiếp theo) được chế tạo dưới dạng một “máy tính bảng” (Hình 9) từ một cốc kim loại tròn có đường kính 3 mm và cao 0,8 mm. Tinh thể TC được đặt trong đó và chứa đầy hợp chất polymer, từ đó tạo ra các đầu ngắn bên ngoài của dây dẫn làm bằng dây vàng mềm có đường kính 50 micron, được hàn vào tinh thể. Khối lượng P12-2 không vượt quá 25 mg. Trong thiết kế này, xe có khả năng chịu được độ ẩm tương đối 80% ở nhiệt độ môi trường xung quanh 40 ° C và nhiệt độ thay đổi theo chu kỳ từ -60 ° đến 60 ° C.
Đến cuối năm 1962, quá trình sản xuất thử nghiệm RZPP đã sản xuất được khoảng 5 nghìn xe R12-2, và vào năm 1963, hàng chục nghìn chiếc trong số đó đã được sản xuất. Vì vậy, năm 1962 trở thành năm ra đời của ngành vi điện tử ở Mỹ và Liên Xô.
Cơm. 10. Nhóm TS R12-2
Cơm. 11. Đặc tính điện cơ bản của R12-2
Công nghệ bán dẫn khi đó còn ở giai đoạn sơ khai và chưa đảm bảo tính lặp lại nghiêm ngặt của các tham số. Do đó, các thiết bị có thể hoạt động được sắp xếp thành các nhóm tham số (điều này thường được thực hiện ở thời đại chúng ta). Người dân Riga cũng làm như vậy, lắp đặt 8 xếp hạng tiêu chuẩn cho xe R12-2 (Hình 10). Tất cả các đặc tính điện và các đặc tính khác đều giống nhau đối với tất cả các xếp hạng tiêu chuẩn (Hình 11).
Việc sản xuất TS R12-2 bắt đầu đồng thời với “Độ cứng” R&D, kết thúc vào năm 1964 (GK Yu.V. Osokin). Là một phần của công việc này, một nhóm công nghệ cải tiến để sản xuất hàng loạt xe germanium đã được phát triển dựa trên phương pháp quang khắc và lắng đọng điện của hợp kim thông qua mặt nạ quang. Các giải pháp kỹ thuật chính của nó được đăng ký là phát minh của Yu.V. và Mikhalovich D.L. (AS số 36845). Một số bài báo của Yu.V. đã được đăng trên tạp chí mật Spetsradioelectronics. Osokina phối hợp với các chuyên gia KB-1 I.V. Không có gì, G.G. Smolko và Yu.E. Naumov kèm theo mô tả về thiết kế và đặc điểm của xe R12-2 (và xe R12-5 tiếp theo).
Thiết kế của P12-2 tốt về mọi mặt, ngoại trừ một điều - người tiêu dùng không biết cách sử dụng những sản phẩm nhỏ như vậy với kết luận tinh tế. Theo quy định, các công ty phần cứng không có công nghệ cũng như thiết bị cho việc này. Trong toàn bộ thời gian sản xuất R12-2 và R12-5, việc sử dụng chúng đã được NIIRE, Nhà máy vô tuyến Zhigulevsky của Bộ Công nghiệp vô tuyến, VEF, NIIP (từ năm 1978 NPO Radiopribor) và một số doanh nghiệp khác làm chủ. Hiểu được vấn đề, các nhà phát triển TS cùng với NIIRE ngay lập tức nghĩ đến cấp độ thiết kế thứ hai, đồng thời tăng mật độ bố trí thiết bị.
Cơm. 12. Module 4 xe R12-2
Năm 1963, tại NIIRE, trong khuôn khổ công việc thiết kế và phát triển Kvant (GK A.N. Pelipenko, với sự tham gia của E.M. Lyakhovich), một thiết kế mô-đun đã được phát triển kết hợp bốn xe R12-2 (Hình 12). Từ hai đến bốn thiết bị P12-2 (trong vỏ) được đặt trên một tấm microboard làm bằng sợi thủy tinh mỏng, chúng thực hiện chung một đơn vị chức năng nhất định. Tối đa 17 chân (số lượng thay đổi cho một mô-đun cụ thể) có chiều dài 4 mm được ép lên bảng. Tấm microboard được đặt trong một chiếc cốc kim loại có tem có kích thước 21,6? sâu 6,6 mm và 3,1 mm và chứa đầy hợp chất polymer. Kết quả là một mạch tích hợp lai (HIC) với các phần tử bịt kín kép. Và, như chúng tôi đã nói, đây là GIS đầu tiên trên thế giới có tích hợp hai cấp độ và có lẽ là GIS đầu tiên nói chung. Tám loại mô-đun có tên chung là “Lượng tử” đã được phát triển, thực hiện nhiều chức năng khác nhau. hàm logic. Là một phần của các mô-đun như vậy, xe R12-2 vẫn hoạt động khi chịu gia tốc không đổi lên tới 150 g và tải rung trong dải tần số 5–2000 Hz với gia tốc lên tới 15 g.
Các mô-đun Kvant lần đầu tiên được sản xuất thử nghiệm bởi NIIRE, sau đó chúng được chuyển đến Nhà máy vô tuyến Zhigulevsky của Bộ Công nghiệp Vô tuyến Liên Xô, nơi cung cấp chúng cho nhiều người tiêu dùng khác nhau, bao gồm cả nhà máy VEF.
Các mô-đun TS R12-2 và “Kvant” dựa trên chúng đã được chứng minh là tốt và được sử dụng rộng rãi. Năm 1968, một tiêu chuẩn được ban hành nhằm thiết lập một hệ thống ký hiệu thống nhất cho các mạch tích hợp trong nước, và vào năm 1969 - Tổng quát Thông số kỹ thuật dành cho IC bán dẫn (NP0.073.004TU) và IC lai (NP0.073.003TU) có hệ thống yêu cầu thống nhất. Để phù hợp với những yêu cầu này, Cục Ứng dụng Mạch tích hợp Trung ương (TsBPIMS, sau này là CDB Dayton, Zelenograd) vào ngày 6 tháng 2 năm 1969 đã phê duyệt các thông số kỹ thuật mới ShT3.369.001-1TU cho phương tiện này. Đồng thời, thuật ngữ “mạch tích hợp” của dòng 102 lần đầu tiên xuất hiện trong tên gọi của sản phẩm TS R12-2 bắt đầu được gọi là IS: 1LB021V, 1LB021G, 1LB021Zh, 1LB021I. Trên thực tế, đó là một IC được sắp xếp thành bốn nhóm theo điện áp đầu ra và khả năng tải.
Cơm. 13. IC dòng 116 và 117
Và vào ngày 19 tháng 9 năm 1970, TsBPIMS đã phê duyệt thông số kỹ thuật AB0.308.014TU cho mô-đun Kvant, được chỉ định là IS series 116 (Hình 13). Dòng sản phẩm này bao gồm chín IC: 1ХЛ161, 1ХЛ162 và 1ХЛ163 – mạch kỹ thuật số đa chức năng; 1LE161 và 1LE162 – hai và bốn phần tử logic 2NOR; 1TP161 và 1TP1162 – một và hai trình kích hoạt; 1UP161 – bộ khuếch đại công suất, cũng như 1LP161 – phần tử logic “ức chế” cho 4 đầu vào và 4 đầu ra. Mỗi IC này có từ bốn đến bảy tùy chọn thiết kế, khác nhau về điện áp tín hiệu đầu ra và khả năng tải, với tổng số 58 loại IC. Các thiết kế được đánh dấu bằng một chữ cái sau phần kỹ thuật số của ký hiệu IS, ví dụ: 1ХЛ161ж. Sau đó, phạm vi của các mô-đun được mở rộng. IC thuộc dòng 116 thực chất là IC lai, nhưng theo yêu cầu của RZPP, chúng được dán nhãn là chất bán dẫn (chữ số đầu tiên trong ký hiệu là “1”, IC lai phải có “2”).
Năm 1972, theo quyết định chung của Bộ Công nghiệp Điện tử và Bộ Công nghiệp Vô tuyến, việc sản xuất các mô-đun được chuyển từ Nhà máy Vô tuyến Zhigulevsky sang RZPP. Điều này loại bỏ việc vận chuyển IC dòng 102 tới khoảng cách xa, do đó, họ đã bỏ việc niêm phong tinh thể của mỗi IC. Do đó, thiết kế của cả IC dòng 102 và 116 đã được đơn giản hóa: không cần phải đóng gói IC dòng 102 trong cốc kim loại chứa đầy hợp chất. IC chưa đóng gói của dòng 102 được đựng trong các thùng chứa công nghệ đã được chuyển đến xưởng lân cận để lắp ráp IC của dòng 116, được gắn trực tiếp trên bo mạch vi mô của chúng và được niêm phong trong vỏ mô-đun.
Vào giữa những năm 1970 nó xuất hiện tiêu chuẩn mới vào hệ thống chỉ định IP. Ví dụ: sau này, IS 1LB021V nhận được ký hiệu 102LB1V.
IS và GIS thứ hai của Yury Osokin. Sơ đồ vững chắc R12-5(Dòng IS 103 Và 117 )
Đến đầu năm 1963, là kết quả của công việc nghiêm túc trong việc phát triển các bóng bán dẫn n - p - n tần số cao, nhóm Yu.V. Osokina đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm làm việc với các lớp p trên tấm wafer n-germanium nguyên bản. Điều này và sự hiện diện của tất cả các thành phần công nghệ cần thiết đã cho phép Osokin vào năm 1963 bắt đầu phát triển công nghệ mới và thiết kế một phiên bản xe nhanh hơn. Năm 1964, theo lệnh của NIIRE, quá trình phát triển xe R12-5 và các mô-đun dựa trên nó đã hoàn thành. Dựa trên kết quả của nó, R&D Palanga được mở vào năm 1965 (GK Yu.V. Osokin, cấp phó của ông - D.L. Mikhalovich, hoàn thành vào năm 1966). Các mô-đun dựa trên R12-5 được phát triển trong cùng dự án R&D “Kvant” giống như các mô-đun dựa trên R12-2. Đồng thời với thông số kỹ thuật cho dòng 102 và 116, thông số kỹ thuật ShT3.369.002-2TU cho IC dòng 103 (R12-5) và AV0.308.016TU cho IC dòng 117 (mô-đun dựa trên IC dòng 103) đã được công bố. tán thành. Danh pháp các loại và xếp hạng tiêu chuẩn của TS R12-2, các mô-đun trên chúng và IS dòng 102 và 116 tương ứng giống với danh pháp của TS R12-5 và IS dòng 103 và 117. Chúng chỉ khác nhau về tốc độ và công nghệ sản xuất tinh thể IC. Thời gian trễ lan truyền điển hình của chuỗi 117 là 55 ns so với 200 ns của chuỗi 116.
Về mặt cấu trúc, R12-5 TS là cấu trúc bán dẫn bốn lớp (Hình 14), trong đó chất nền loại n và bộ phát loại p + được kết nối với một bus nối đất chung. Các giải pháp kỹ thuật chính để chế tạo xe R12-5 được đăng ký là sáng chế của Yu.V Osokin, D.L. Kaydalova Zh.A và Akmensa Ya.P. (AS số 248847). Khi sản xuất cấu trúc bốn lớp của TC R12-5, một bí quyết quan trọng là hình thành lớp p loại n trong tấm germanium ban đầu. Điều này đạt được bằng cách khuếch tán kẽm trong ống thạch anh kín, trong đó các tấm được đặt ở nhiệt độ khoảng 900 ° C, và kẽm nằm ở đầu kia của ống ở nhiệt độ khoảng 500 ° C. Sự hình thành tiếp theo của cấu trúc TS trong lớp p được tạo tương tự như P12-2 TS. Công nghệ mới đã giúp bạn có thể thoát khỏi hình dáng phức tạp Tinh thể TS. Các tấm wafer có P12-5 cũng được mài từ mặt sau đến độ dày khoảng 150 micron, bảo toàn một phần tấm wafer ban đầu, sau đó chúng được ghi thành các chip IC hình chữ nhật riêng lẻ.
Cơm. 14. Cấu trúc của tinh thể TS R12-5 từ AS số 248847. 1 và 2 – nối đất, 3 và 4 – đầu vào, 5 – đầu ra, 6 – nguồn
Sau những kết quả tích cực đầu tiên của việc sản xuất xe R12-5 thử nghiệm, dự án nghiên cứu Mezon-2 đã được mở theo đơn đặt hàng của KB-1, nhằm tạo ra một chiếc xe có 4 xe R12-5. Năm 1965, người ta đã thu được các mẫu làm việc trong hộp gốm-kim loại phẳng. Nhưng P12-5 hóa ra lại khó sản xuất, chủ yếu là do khó hình thành lớp p pha tạp kẽm trên tấm wafer n-Ge ban đầu. Pha lê hóa ra đòi hỏi nhiều lao động để sản xuất, tỷ lệ sản lượng thấp và giá thành của phương tiện cao. Vì những lý do tương tự, R12-5 TC được sản xuất với số lượng nhỏ và không thể thay thế R12-2 chậm hơn nhưng có công nghệ tiên tiến hơn. Và dự án nghiên cứu Mezon-2 hoàn toàn không được tiếp tục, kể cả do vấn đề kết nối.
Vào thời điểm này, Viện nghiên cứu Pulsar và NIIME đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về phát triển công nghệ silicon phẳng, công nghệ này có một số ưu điểm so với công nghệ germanium, trong đó ưu điểm chính là nhiều hơn. thứ hạng cao nhiệt độ hoạt động (+150°C đối với silicon và +70°C đối với germanium) và sự hiện diện của lớp màng bảo vệ tự nhiên SiO 2 trên silicon. Và việc chuyên môn hóa RZPP đã được định hướng lại để tạo ra các IC tương tự. Do đó, các chuyên gia RZPP cho rằng việc phát triển công nghệ germanium để sản xuất IC là không phù hợp. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất bóng bán dẫn và điốt, germanium không hề mất đi vị thế của mình trong một thời gian. Trong khoa của Yu.V. Osokin, sau năm 1966, các bóng bán dẫn vi sóng tiếng ồn thấp phẳng RZPP GT329, GT341, GT 383, v.v. đã được phát triển và sản xuất. Sáng tạo của họ đã được trao Giải thưởng Nhà nước của Liên Xô Latvia.
Ứng dụng
Cơm. 15. Thiết bị tính toán trên module mạch rắn. Ảnh từ tập sách TS năm 1965.
Cơm. 16. Kích thước so sánh của thiết bị điều khiển tổng đài điện thoại tự động, được chế tạo trên rơle và trên xe. Ảnh từ tập sách TS năm 1965.
Khách hàng và người tiêu dùng đầu tiên của R12-2 TS và các mô-đun là những người tạo ra các hệ thống cụ thể: máy tính Gnome (Hình 15) cho hệ thống trên máy bay Kupol (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) và các tổng đài điện thoại tự động của hải quân và dân sự (nhà máy VEF, GK Misulovin L.Ya.). Tích cực tham gia vào tất cả các giai đoạn tạo ra các phương tiện và mô-đun R12-2, R12-5 trên chúng và KB-1, người phụ trách chính của sự hợp tác này từ KB-1 là N.A. Barkanov. Họ đã hỗ trợ tài chính, sản xuất thiết bị và nghiên cứu các phương tiện và mô-đun ở nhiều chế độ và điều kiện vận hành khác nhau.
Các mô-đun TS R12-2 và “Kvant” dựa trên nó là những vi mạch đầu tiên trong nước. Và trên thế giới, họ là một trong những công ty đầu tiên - chỉ ở Hoa Kỳ, Texas Instruments và Fairchild Semiconductor mới bắt đầu sản xuất IC bán dẫn đầu tiên của họ, và vào năm 1964, Tập đoàn IBM bắt đầu sản xuất IC lai màng dày cho máy tính của mình. Ở các nước khác, IP vẫn chưa được nghĩ đến. Vì vậy, các mạch tích hợp gây tò mò cho công chúng; hiệu quả sử dụng của chúng đã gây ấn tượng mạnh và được quảng cáo rầm rộ. Trong tập sách còn sót lại về xe R12-2 từ năm 1965 (dựa trên ứng dụng thực tế) nói: " Việc sử dụng mạch P12-2 trạng thái rắn trong các thiết bị điện toán tích hợp giúp giảm trọng lượng và kích thước của các thiết bị này xuống 10–20 lần, giảm mức tiêu thụ điện năng và tăng độ tin cậy vận hành. ... Việc sử dụng mạch P12-2 rắn trong hệ thống điều khiển và chuyển mạch đường truyền thông tin của tổng đài điện thoại tự động giúp giảm âm lượng của các thiết bị điều khiển khoảng 300 lần, cũng như giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng (30-50 lần)" . Những nhận định này được minh họa bằng các bức ảnh chụp thiết bị số học của máy tính Gnome (Hình 15) và so sánh giá đỡ ATS dựa trên rơle do nhà máy VEF sản xuất vào thời điểm đó với một khối nhỏ trên lòng bàn tay cô gái (Hình 16) . Có rất nhiều ứng dụng khác của IC Riga đầu tiên.
Sản xuất
Giờ đây, thật khó để khôi phục lại bức tranh toàn cảnh về khối lượng sản xuất IC dòng 102 và 103 theo từng năm (ngày nay RZPP đã chuyển từ một nhà máy lớn thành một cơ sở sản xuất nhỏ và nhiều tài liệu lưu trữ đã bị thất lạc). Nhưng theo hồi ký của Yu.V. Osokin, vào nửa cuối thập niên 1960, sản lượng lên tới hàng trăm nghìn mỗi năm, vào những năm 1970 - hàng triệu. Theo ghi chú cá nhân còn sót lại của ông, vào năm 1985, IC dòng 102 đã được sản xuất - 4.100.000 chiếc, mô-đun dòng 116 - 1.025.000 chiếc, IC dòng 103 - 700.000 chiếc, mô-đun dòng 117 - 175.000 chiếc .
Cuối năm 1989, Yu.V. Osokin thì CEO PA “Alpha” đã kháng cáo lên lãnh đạo Ủy ban Công nghiệp-Quân sự thuộc Hội đồng Bộ trưởng Liên Xô (MIC) với yêu cầu loại bỏ loạt 102, 103, 116 và 117 khỏi sản xuất do lỗi thời và cường độ lao động cao (vi điện tử) đã đi được một chặng đường dài sau 25 năm), nhưng lại nhận được sự từ chối thẳng thừng. Phó Chủ tịch Cụm công nghiệp quân sự V.L. Koblov nói với anh ta rằng máy bay bay đáng tin cậy, không cần thay thế. Sau sự sụp đổ của Liên Xô, các dòng IC 102, 103, 116 và 117 được sản xuất cho đến giữa những năm 1990, tức là hơn 30 năm. Máy tính Gnome vẫn được lắp đặt trong cabin điều hướng của Il-76 và một số máy bay khác. “Đây là một siêu máy tính”, các phi công của chúng tôi không khỏi bối rối khi các đồng nghiệp nước ngoài ngạc nhiên trước sự quan tâm của họ đối với thiết bị chưa từng có này.
Về các ưu tiên
Mặc dù thực tế là J. Kilby và R. Noyce đã có người tiền nhiệm nhưng họ vẫn được cộng đồng thế giới công nhận là nhà phát minh ra mạch tích hợp.
R. Kilby và J. Noyce, thông qua công ty của họ, đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho việc phát minh ra mạch tích hợp. Texas Instruments đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế trước đó vào tháng 2 năm 1959 và Fairchild đã không làm như vậy cho đến tháng 7 năm đó. Nhưng bằng sáng chế số 2981877 đã được cấp vào tháng 4 năm 1961 cho R. Noyce. J. Kilby đã khởi kiện và chỉ đến tháng 6 năm 1964 mới nhận được bằng sáng chế số 3138743. Sau đó, đã xảy ra một cuộc chiến kéo dài 10 năm về các ưu tiên, kết quả là (trong một trường hợp hiếm hoi) “tình bạn đã thắng”. Cuối cùng, Tòa phúc thẩm đã giữ nguyên tuyên bố của Noyce về tính ưu việt của công nghệ, nhưng phán quyết rằng J. Kilby phải được ghi nhận là người đã tạo ra vi mạch hoạt động đầu tiên. Và Texas Instruments và Fairchild Semiconductor đã ký một thỏa thuận về công nghệ cấp phép chéo.
Ở Liên Xô, việc cấp bằng sáng chế cho các phát minh không mang lại cho tác giả bất cứ điều gì ngoài rắc rối, khoản thanh toán một lần không đáng kể và sự hài lòng về mặt đạo đức, vì vậy nhiều phát minh hoàn toàn không được đăng ký. Và Osokin cũng không vội. Nhưng đối với doanh nghiệp, số lượng phát minh là một trong những chỉ tiêu nên vẫn phải đăng ký. Vì vậy, Yu. Osokina và D. Mikhalovich chỉ nhận được Giấy chứng nhận của Tác giả Liên Xô số 36845 cho việc phát minh ra xe R12-2 vào ngày 28 tháng 6 năm 1966.
Và J. Kilby năm 2000 đã trở thành một trong những người đoạt giải Nobel vì phát minh ra IP. R. Noyce không được thế giới công nhận; ông qua đời năm 1990, và theo quy định, giải Nobel không được trao sau khi chết. Trong trường hợp này, điều này không hoàn toàn công bằng vì tất cả các thiết bị vi điện tử đều đi theo con đường do R. Noyce bắt đầu. Quyền lực của Noyce trong giới chuyên gia cao đến mức ông thậm chí còn nhận được biệt danh “thị trưởng Thung lũng Silicon”, vì khi đó ông là nhà khoa học nổi tiếng nhất làm việc ở khu vực đó của California, nơi có cái tên không chính thức là Thung lũng Silicon (V. Shockley được gọi là “Moses của Thung lũng Silicon”). Nhưng con đường của J. Kilby (“có lông” germanium) hóa ra lại là ngõ cụt và thậm chí không được thực hiện ngay cả trong công ty của ông. Nhưng cuộc sống không phải lúc nào cũng công bằng.
Giải Nobel được trao cho ba nhà khoa học. Một nửa trong số đó được nhận bởi Jack Kilby, 77 tuổi, và nửa còn lại được chia cho viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Nga Zhores Alferov và giáo sư tại Đại học California ở Santa Barbara, Herbert Kremer, người Mỹ gốc Đức, vì “việc phát triển các cấu trúc dị thể bán dẫn được sử dụng trong quang điện tử tốc độ cao.”
Đánh giá những công trình này, các chuyên gia lưu ý rằng “mạch tích hợp tất nhiên là phát hiện của thế kỷ, có tác động sâu sắc đến xã hội và nền kinh tế thế giới”. Đối với J. Kilby bị lãng quên, giải Nobel là một điều bất ngờ. Trong cuộc phỏng vấn với tạp chí Tin tức vật lý châu Âu Anh ấy đã thừa nhận: " Vào thời điểm đó, tôi chỉ nghĩ về điều gì sẽ quan trọng đối với sự phát triển của ngành điện tử từ quan điểm kinh tế. Nhưng lúc đó tôi không hiểu rằng việc giảm giá thành sản phẩm điện tử sẽ gây ra sự tăng trưởng đột ngột trong công nghệ điện tử”..
Và các tác phẩm của Yu không chỉ được Ủy ban Nobel đánh giá cao. Chúng cũng bị lãng quên ở nước ta; ưu tiên của đất nước trong việc tạo ra các thiết bị vi điện tử không được bảo vệ. Và chắc chắn là anh ấy đã như vậy.
Vào những năm 1950, cơ sở vật chất đã được tạo ra để hình thành các sản phẩm đa thành phần - mạch tích hợp - trong một tinh thể nguyên khối hoặc trên một đế gốm. Vì vậy, không có gì đáng ngạc nhiên khi ý tưởng về IP gần như đồng thời nảy sinh trong đầu nhiều chuyên gia. Và tốc độ thực hiện một ý tưởng mới phụ thuộc vào khả năng công nghệ của tác giả và sự quan tâm của nhà sản xuất, tức là vào sự hiện diện của người tiêu dùng đầu tiên. Về vấn đề này, Yu. Vị trí tốt hơn hơn những người đồng nghiệp Mỹ của ông. Kilby là người mới tham gia TI, anh ấy thậm chí còn phải chứng minh cho ban lãnh đạo công ty thấy khả năng cơ bản của việc triển khai mạch nguyên khối bằng cách tạo ra nguyên mẫu của nó. Trên thực tế, vai trò của J. Kilby trong việc tạo ra IP là nhằm giáo dục lại cách quản lý TI và kích động R. Noyce bằng cách bố trí của anh ta hành động tích cực. Phát minh của Kilby không được đưa vào sản xuất hàng loạt. R. Noyce, trong công ty non trẻ và chưa vững mạnh của mình, đã tìm cách tạo ra một công nghệ phẳng mới, công nghệ này thực sự đã trở thành nền tảng cho vi điện tử tiếp theo, nhưng tác giả không nhượng bộ ngay lập tức. Liên quan đến những vấn đề trên, cả hai và công ty của họ đã phải bỏ ra rất nhiều công sức và thời gian để thực hiện ý tưởng xây dựng IC sản xuất hàng loạt trên thực tế. Các mẫu đầu tiên của họ vẫn mang tính thử nghiệm, nhưng các vi mạch khác, thậm chí không do họ phát triển, đã được đưa vào sản xuất hàng loạt. Không giống như Kilby và Noyce, những người không còn sản xuất, chủ nhà máy Yu. Osokin dựa vào công nghệ bán dẫn RZPP được phát triển công nghiệp và ông đã đảm bảo cho người tiêu dùng những chiếc xe đầu tiên dưới hình thức người khởi xướng phát triển NIIRE và nhà máy VEF gần đó. đã giúp ích trong công việc này. Vì những lý do này, phiên bản đầu tiên của chiếc xe của ông đã ngay lập tức được đưa vào sản xuất thử nghiệm, chuyển sang sản xuất hàng loạt một cách suôn sẻ và kéo dài liên tục trong hơn 30 năm. Vì vậy, bắt đầu phát triển TS muộn hơn Kilby và Noyce, Yu. (không biết về cuộc thi này) đã nhanh chóng bắt kịp họ. Hơn nữa, các tác phẩm của Yu Osokin không hề có mối liên hệ nào với các tác phẩm của người Mỹ, bằng chứng cho điều này là sự khác biệt tuyệt đối giữa phương tiện của anh ta và các giải pháp được triển khai trong đó với các vi mạch Kilby và Noyce. Texas Instruments (không phải phát minh của Kilby), Fairchild và RZPP bắt đầu sản xuất IC của họ gần như đồng thời vào năm 1962. Điều này mang lại luôn đúng coi Yu là một trong những nhà phát minh ra mạch tích hợp ngang hàng với R. Noyce và hơn J. Kilby, và sẽ công bằng nếu chia sẻ một phần giải thưởng Nobel cho J. Kilby với Yu. Đối với việc phát minh ra GIS đầu tiên có tích hợp hai cấp độ (và có thể cả GIS nói chung), ở đây ưu tiên của A. Pelipenko từ NIIRE là hoàn toàn không thể chối cãi.
Thật không may, không thể tìm thấy các mẫu phương tiện và thiết bị dựa trên chúng, những thứ cần thiết cho bảo tàng. Tác giả sẽ rất biết ơn nếu có những mẫu hoặc bức ảnh như vậy về chúng.
Phân loại mạch tích hợp
Theo thiết kế và thiết kế công nghệ, chúng được phân biệt IC bán dẫn, màng và IC lai.
Các thiết bị bán dẫn bao gồm SMC (mạch tích hợp bán dẫn), tất cả các phần tử và các kết nối giữa các phần tử được thực hiện trong khối hoặc trên bề mặt chất bán dẫn. Tùy thuộc vào phương pháp cách điện của từng phần tử riêng lẻ, người ta phân biệt giữa PMS có cách điện bằng tiếp giáp p-n và các vi mạch có cách điện điện môi (oxit). SLM cũng có thể được sản xuất trên chất nền làm bằng vật liệu điện môi dựa trên cả bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường. Thông thường, trong các mạch này, các bóng bán dẫn được chế tạo ở dạng cấu trúc ba lớp với hai điểm nối p-n (loại n-p-n) và điốt được chế tạo ở dạng cấu trúc hai lớp với một điểm nối p-n. Đôi khi, thay vì điốt, bóng bán dẫn được sử dụng trong kết nối điốt. Điện trở PMS, được biểu thị bằng các phần của chất bán dẫn pha tạp có hai cực, có điện trở vài kilo-ohm. Điện trở ngược của điểm nối p-n hoặc điện trở đầu vào của bộ lặp bộ phát đôi khi được sử dụng làm điện trở có điện trở cao. Vai trò của tụ điện trong PMS được thực hiện bởi các mối nối p-rt phân cực ngược. Công suất của các tụ điện như vậy là 50 - 200 pF. Rất khó để tạo ra cuộn cảm trong PMS nên hầu hết các thiết bị đều được thiết kế không có phần tử cảm ứng. Tất cả các phần tử PMS được sản xuất trong một chu trình công nghệ duy nhất trong tinh thể bán dẫn. Các kết nối của các phần tử của các mạch như vậy được thực hiện bằng cách sử dụng màng nhôm hoặc vàng được tạo ra bằng phương pháp lắng đọng chân không. Mạch được kết nối với các cực bên ngoài bằng dây dẫn bằng nhôm hoặc vàng có đường kính khoảng 10 micron, được gắn vào màng bằng cách nén nhiệt và sau đó hàn vào các cực bên ngoài của vi mạch. Chip bán dẫn có thể tiêu tán công suất 50 - 100 mW, hoạt động ở tần số lên tới 20 - 100 MHz và cung cấp thời gian trễ lên tới 5 ns. Mật độ lắp đặt các thiết bị điện tử trên PMS lên tới 500 phần tử trên 1 cm3. Một chu trình công nghệ nhóm hiện đại cho phép xử lý đồng thời hàng chục tấm bán dẫn, mỗi tấm chứa hàng trăm PMS với hàng trăm phần tử trong tinh thể, được kết nối vào các mạch điện tử nhất định. Công nghệ này đảm bảo nhận dạng cao các đặc tính điện của vi mạch.
Tích phân phim(hoặc đơn giản là mạch phim PS) được gọi là IC, tất cả các phần tử và kết nối giữa các phần tử trong đó chỉ được thực hiện dưới dạng phim. Mạch tích hợp được chia thành màng mỏng và màng dày. Những chương trình này có thể có sự khác biệt về số lượng và chất lượng. IC có độ dày màng lên tới 1 micron thường được phân loại là màng mỏng và IC có độ dày màng trên 1 µm được phân loại là màng dày. Sự khác biệt về chất được xác định bởi công nghệ sản xuất màng. Các phần tử IC màng mỏng được lắng đọng trên đế bằng phương pháp lắng đọng chân không nhiệt và phún xạ cực âm. Các thành phần của IC màng dày được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp in lụa sau đó được đốt cháy.
Mạch tích hợp lai(GIS) là sự kết hợp của các phần tử vô tuyến tích cực được gắn (microtransistor, điốt) và các phần tử thụ động dạng màng và các kết nối của chúng. Thông thường, GIS chứa: đế cách nhiệt làm bằng thủy tinh hoặc. gốm, khung, trên bề mặt không tạo thành màng dẫn điện, điện trở, tụ điện dung lượng lớn; gắn các phần tử hoạt động khung mở (điốt, bóng bán dẫn); gắn các phần tử thụ động trong thiết kế thu nhỏ (cuộn cảm, máy biến áp, tụ điện công suất cao), không thể chế tạo dưới dạng màng. GIS được sản xuất như vậy được niêm phong trong vỏ nhựa hoặc kim loại. Các điện trở có điện trở từ một phần nghìn ohm đến hàng chục kilo ohm trong GIS được chế tạo dưới dạng một màng mỏng nichrome hoặc tantalum. Các màng này được áp dụng cho một đế cách điện (chất nền) và được ủ nhiệt. Để thu được điện trở có điện trở hàng chục megaohm, người ta sử dụng hỗn hợp điện môi-kim loại (crom, silicon monoxide, v.v.). Kích thước trung bình của điện trở màng là (1 - 2) X 10 ~ 3 cm2. Tụ điện trong GIS được làm bằng màng mỏng đồng, bạc, nhôm hoặc vàng. Các kim loại này được phun một lớp phụ crom, titan và molypden, đảm bảo độ bám dính tốt với vật liệu cách điện của nền. Một màng oxit silic, berili, titan dioxide, v.v. được sử dụng làm chất điện môi trong tụ điện. Tụ điện dạng màng được chế tạo với công suất từ một phần mười picofarad đến hàng chục nghìn picofarad với kích thước từ 10 ~ 3 đến 1 cm2. Các dây dẫn GIS, với sự trợ giúp của các kết nối giữa các phần tử và kết nối với các thiết bị đầu cuối đầu ra, được chế tạo dưới dạng một màng mỏng bằng vàng, đồng hoặc nhôm với lớp lót bên dưới là niken, crom, titan, đảm bảo độ bám dính cao với đế cách điện. Các mạch tích hợp lai, trong đó độ dày của màng hình thành trong quá trình sản xuất các phần tử thụ động lên tới 1 micron với chiều rộng 100 - 200 micron, được phân loại là màng mỏng. Những màng như vậy được tạo ra bằng cách phun nhiệt lên bề mặt chất nền trong chân không bằng giấy nến và sơn. Các mạch tích hợp lai có độ dày từ 1 micron trở lên được phân loại là màng dày và được sản xuất bằng cách phun bột nhão dẫn điện hoặc điện môi lên các đế thông qua giấy nến dạng lưới, sau đó đốt chúng vào các đế ở nhiệt độ nhiệt độ cao. Các mạch này có kích thước lớn và có nhiều phần tử thụ động. Các phần tử hoạt động được gắn bao gồm các dây dẫn “quả bóng” linh hoạt hoặc cứng nhắc, được kết nối với chip màng bằng cách hàn hoặc hàn.
Mật độ của các phần tử thụ động và chủ động với sự sắp xếp đa lớp của chúng trong GIS được tạo ra bằng công nghệ màng mỏng đạt 300 - 500 phần tử trên 1 cm3 và mật độ lắp đặt các thiết bị điện tử trên GIS là 60 - 100 phần tử trên 1 cm3. Với mật độ lắp đặt như vậy, thể tích của thiết bị chứa 107 phần tử là 0,1 - 0,5 m3, thời gian vận hành không gặp sự cố là 103 - 104 giờ -
Ưu điểm chính của GIS là khả năng tích hợp một phần các phần tử được thực hiện bằng cách sử dụng công nghệ khác nhau(lưỡng cực, màng mỏng và dày, v.v.) với phạm vi rộng Thông số điện(công suất thấp, mạnh mẽ, chủ động, thụ động, tốc độ cao, v.v.).
Lai tạo hiện đang có triển vọng nhiều loại khác nhau mạch tích hợp. Đối với kích thước hình học nhỏ của các phần tử phim và khu vực rộng lớn chất nền thụ động, hàng chục hoặc hàng trăm IC và các thành phần khác có thể được đặt trên bề mặt của chúng. Bằng cách này, IC lai nhiều chip được tạo ra với số lượng lớn (vài nghìn) điốt và bóng bán dẫn trong một phần tử không thể phân chia. Trong các vi mạch kết hợp, có thể đặt các khối chức năng có các đặc tính điện khác nhau.
So sánh PMS và GIS. Các vi mạch bán dẫn có mức độ tích hợp lên tới hàng nghìn phần tử trở lên trong một chip đã được ưu tiên. truyền bá. Khối lượng sản xuất PMS cao hơn nhiều so với khối lượng sản xuất GIS. Trong một số thiết bị, nên sử dụng GIS vì một số lý do.
Công nghệ GIS tương đối đơn giản và yêu cầu chi phí thiết bị ban đầu thấp hơn so với công nghệ bán dẫn, giúp đơn giản hóa việc tạo ra các sản phẩm, thiết bị phi tiêu chuẩn, phi tiêu chuẩn.
Phần thụ động của GIS được sản xuất trên một đế riêng biệt, giúp thu được các phần tử thụ động Chất lượng cao và tạo ra IC tần số cao.
Công nghệ GIS có thể thay thế các phương pháp lắp ráp mạch in nhiều lớp hiện có khi đặt các IC và LSI không đóng gói cũng như các thành phần bán dẫn khác trên các đế. Công nghệ GIS được ưu tiên cho các IC công suất cao. Cũng nên sử dụng thiết kế kết hợp các mạch tích hợp của các thiết bị tuyến tính cung cấp mối quan hệ tỷ lệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra. Trong các thiết bị này, tín hiệu thay đổi trên một phạm vi tần số và công suất rộng, do đó IC của chúng phải có phạm vi xếp hạng rộng và không tương thích trong một quy trình sản xuất duy nhất các phần tử thụ động và chủ động. Các mạch tích hợp LSI lớn cho phép kết hợp nhiều đơn vị chức năng khác nhau và do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị tuyến tính.
Ưu điểm và nhược điểm của mạch tích hợp.
- Ưu điểm của IP là độ tin cậy cao, kích thước và trọng lượng nhỏ. Mật độ các nguyên tố hoạt động trong LSI đạt 103 - 104 trên 1 cm3. Khi lắp vi mạch vào bảng mạch in và nối thành khối, mật độ phần tử là 100 - 500 trên 1 cm3, cao gấp 10 - 50 lần so với khi sử dụng các bóng bán dẫn, điốt và điện trở riêng lẻ trong các thiết bị vi mô.
- Mạch tích hợp không có quán tính khi hoạt động. Do kích thước nhỏ của vi mạch, điện dung giữa các điện cực và độ tự cảm của dây kết nối giảm xuống, cho phép chúng được sử dụng ở tần số cực cao (lên đến 3 GHz) và trong các mạch logic có thời gian trễ thấp (lên tới 0,1). ns).
- Các vi mạch tiết kiệm điện (từ 10 đến 200 mW) và giảm mức tiêu thụ điện cũng như trọng lượng của nguồn điện.
Nhược điểm chính IS nhỏ Công suất ra(50 - 100 mW).
Tùy thuộc vào mục đích chức năng, IC được chia thành hai loại chính - analog (hoặc xung tuyến tính) và kỹ thuật số (hoặc logic).
Tích hợp analog Mạch AIS được sử dụng trong các thiết bị kỹ thuật vô tuyến và dùng để tạo và khuếch đại tuyến tính các tín hiệu thay đổi theo định luật hàm liên tục trong phạm vi rộng công suất và tần số. Do đó, IC analog phải chứa các phần tử thụ động và chủ động với các thông số và xếp hạng khác nhau, điều này làm phức tạp quá trình phát triển của chúng. Các vi mạch lai giúp giảm bớt những khó khăn khi sản xuất các thiết bị tương tự ở thiết kế vi mô. Các vi mạch tích hợp đang trở thành thành phần chính của thiết bị vô tuyến điện tử.
Tích hợp kỹ thuật số Mạch ISC được sử dụng trong máy tính và thiết bị xử lý rời rạc thông tin và tự động hóa. Với sự trợ giúp của hệ thống thông tin số, mã số được chuyển đổi và xử lý. Một biến thể của các sơ đồ này là chip logic, thực hiện các phép toán trên mã nhị phân trong hầu hết máy tính hiện đại và các thiết bị kỹ thuật số.
IC analog và kỹ thuật số được sản xuất nối tiếp. Dòng sản phẩm này bao gồm các IC có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau nhưng có một thiết kế và thiết kế công nghệ duy nhất và được thiết kế để sử dụng chung. Mỗi dòng chứa một số loại khác nhau, có thể được chia thành các xếp hạng tiêu chuẩn có mục đích và ký hiệu chức năng cụ thể. Sự kết hợp của các giá trị danh nghĩa tiêu chuẩn tạo thành một loại IP.
