102ая и 116ая серии

   Микросхемы, уникальные для советской электроники, и не только. Это германиевые логические схемы.

   Технологические особенности
   История появления и жизненный цикл
   Система обозначений
   Фотогалерея

   Твердая схема Р12-2 содержала два германиевых дрейфовых p-n-p-транзистора (модифицированные транзисторы типа П401 и П403) в качестве переключаемых элементов с общей нагрузкой в виде распределённого германиевого резистора р-типа.

   Основой техпроцесса стали три фотолитографии.
   В ходе первой на пластине р-германия с сформированным n-слоем под базовую область (методом диффузии Sb) создавалась маска под эмиттер. Через неё гальванически осаждали и вплавляли эмиттерный сплав PbInSb (т. е. в теле базы n-типа формировали p-область эмиттера). Затем одновременно с удалением использованного фоторезиста удалялись и излишки эмиттерного сплава так, что образовывалась плоская поверхность германиевой пластины, что упрощало последующие фотолитографии.
   При второй фотолитографии формировали маску под мезу транзисторных структур (так решался вопрос изоляции транзисторов).
   Третья фотолитография производилась для придания требуемой конфигурации кристаллу ТС - при помощи ее из кристалла убирались ненужные и мешающие части германия. В результате получали сложную в плане конфигурацию кристалла в виде лопатки, где p-германий “черенка” служил резистором R1, острие “штыка” лопатки – резистором R2, а сам “штык” лопатки являлся коллекторной областью транзисторов. По третьей маске осуществлялось глубокое, почти сквозное травление германиевой пластины по контурам кристаллов ТС, почти до их разделения.
   Окончательно пластина разделялась на кристаллы ТС при шлифовке её тыльной стороны до толщины около 100 мкм, ТС структуры при этом распадались на отдельные кристаллы сложной формы.

   Внешние выводы формировались термокомпрессионной сваркой между германиевыми областями ТС структуры и золотом выводных проводников.  Это обеспечило устойчивую работу схем при внешних воздействиях в условиях тропиков и морского тумана, что было особенно важно для работы в военно-морских квазиэлектронных АТС, выпускаемых рижским заводом ВЭФ, так же заинтересовавшимся этой разработкой.

    Конструктивно ТС Р12-2 были выполнены в виде "таблетки" из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,6 мм. В неё размещался кристалл ТС и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из мягкой золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу.

Электрические параметры схем серии Р12-2 (К102)

Электрические параметры схем серии "Квант" (К116)

    История этих микросхем не отличается однозначностью. Так нередко бывает, когда встаёт вопрос о приоритете - а эти микросхемы претендуют на титул первых отечественных.

   Согласно "официальной" версии, приводимой в большинстве мемуарных книг, они были разработаны в КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (ныне "Альфа") в 1962 году, когда главный инженер НИИ-131 (НИИ радиоэлектроники) В.И. Смирнов попросил директора РЗПП С.А. Бергмана найти путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ-ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.

   Директор РЗПП поручил эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину. Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой твёрдой схемы (термина "интегральная схема" тогда не существовало) 2НЕ-ИЛИ, получившей заводское обозначение "Р12-2".

   Но. Иная картина вырисовывается из воспоминаний В.М. Ляховича, работавшего в том самом НИИ-131.

"В мае 1960 года инженер моей лаборатории — физик по образованию, Лев Иосифович Реймеров, предложил в качестве универсального элемента 2НЕ-ИЛИ использовать двойной транзистор в одном корпусе с внешним резистором, заверив нас, что практически это предложение уже обеспечивается в существующем технологическом процессе изготовления транзисторов П401 — П403, который ему хорошо известен по практике на заводе «Светлана». В процессе изготовления транзисторов на одной пластинке «германия» формируются несколько десятков транзисторов. Исходная пластина «германия» является общим коллектором, а все транзисторы изолированы друг от друга навстречу включенными PN-NP переходами, а их коллекторы соединены между собой, что и требуется. Нужно лишь нанести риски и разделить по парам транзисторы и поместить их в корпусах с четырьмя выводами. Сформировать коллекторную нагрузку из-за малого удельного сопротивления «германия» при существующей технологии было невозможно. Требовался дополнительный внешний резистор для создания типового логического
элемента «2HE-ИЛИ». Но и резистор можно разместить в том же корпусе. Это уже было почти все, что надо! Ключевые режимы работы транзисторов и высочайший уровень унификации. Теперь мы знали, как решать задачу транзисторизации ламповой аппаратуры. Не менять лампы на транзисторы, а создавать транзисторную аппаратуру на универсальных логических элементах. А через неделю Лев принес эскиз структуры кристалла, на котором к двум транзисторам на их общем коллекторе добавлялся P-N-переход, образующий слоистый (диффузионный) резистор, который, согласно его расчетам, составлял 200–300 Ом. ... В 1960 году Лев Иосифович Реймеров оформил на свое предложение авторское свидетельство и получил положительное решение на устройство № 24864 от восьмого марта 1962 года." 

   Идея была воплощена в железе с помощью работавшего в то время на "Светлане" О. В. Веденеева:

"Летом меня вызвал в проходную Лев Иосифович Реймеров, тогда просто Лева. ... У него возникла идея сделать технически и технологически схему «НЕ-ИЛИ». На такой прибор: на металлической основе (дюраль) крепится германиевый кристалл, на котором создаются четыре слоя с N-P-N-P-проводимостью. Дополнительный слой нужен для создания в диффузном N-P-переходе слоистого (диффузионного) сопротивления. ... Работу по вплавлению золотых выводов хорошо освоила молодая монтажница Люда Турнас, и я привлек ее к работе. Полученное изделие помещалось на керамическую галету размером 10×10×0,2, приклеивалось каплей эпоксидки и выводы распаивались. Для этого на каждой стороне у галеты имелось по 3 зазубрины с припоем. Таких галет до 10 штук можно было легко вынести через проходную завода, просто зажав в кулак. Мы сделали Леве таких галет несколько сотен штук."

   Вынос через проходную здесь упомянут не случайно. Все работы по "твёрдым схемам" на начальном этапе были чистой авантюрой, личной инициативой небольшого коллектива молодых инженеров. Их легко могли закрыть, как непрофильные для НИИ. Так что разработчикам приходилось использовать не только технические, но и организационные навыки.

"Первые несколько сот штук были изготовлены втихую в течение нескольких дней! В этой партии полупроводниковых «твердых схем», как мы в дальнейшем стали их называть, были и годные по параметрам, и негодные. После отбраковки приемлемых по параметрам приборов собрали несколько простейших схем триггеров и счетчик. Все работает! Вот она — первая интегральная микросхема! Июнь 1960 года. ... В лаборатории мы изготовили демонстрационные сборки типовых узлов на этих твердых схемах, размещенных на панелях из оргстекла. ... На демонстрацию первых твердых схем (простых, но первых в стране!) пригласили главного инженера НИИ-131 Вениамина Ивановича Смирнова и рассказали ему, что этот элемент является универсальным и его одного достаточно для построения любых сложных устройств. ... Демонстрация твердых схем произвела впечатление. Наша работа была одобрена. ... В октябре 1960 года с этими поделками главный инженер НИИ-131, изобретатель твердой схемы инженер Л. И. Реймеров и я, начальник лаборатории, выехали в Москву и показали наши изделия председателю ГКРЭ В. Д. Калмыкову и его заместителю А. И. Шокину. ... В. Д. Калмыков и А. И. Шокин положительно оценили проделанную нами работу. Они отметили важность этого направления работ и предложили обращаться при необходимости к ним за помощью. ... Сразу после доклада министру и поддержки министром выполняемых нами работ по созданию и отработке германиевой твердой схемы В. И. Смирнов распорядился создать лабораторию физики твердых схем с экспериментальным производственным участком ... Все основные работы по созданию участка твердых схем были выполнены в течение 1960 года. В первом квартале 1961 года на участке были изготовлены первые наши твердые схемы, правда, пока с помощью друзей на заводе «Светлана» (припайка золотых выводов, многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера)."

   Но это были одиночные образцы, которые использовали в интересах отработки технологического процесса. На первом этапе работ многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера «доставали» на заводе «Светлана», золотые выводы припаивать также возили на «Светлану», так как своей монтажницы и золотой 50 мкм проволоки в НИИ не было. Под вопросом оказалось комплектование микросхемами даже экспериментальных образцов БЦВМ, разрабатываемых в НИИ, а про массовый выпуск не могло быть и речи. Нужно было искать серийный завод.

 "Мы (В. И. Смирнов, Л. И. Реймеров и я) с изготовленными в НИИ-131 образцами ТС весной 1961 года выехали в Ригу на Рижский приборостроительный завод (РПЗ), директором которого был С. А. Бергман, чтобы определить возможность использования этого завода в будущем для серийного производства наших твердых схем. Мы знали, что в советское время директора заводов неохотно брали дополнительный выпуск любой продукции. Поэтому мы обратились на РПЗ, чтобы нам для начала изготовили в порядке оказания технической помощи экспериментальную партию (500 штук) нашего «универсального элемента», технология изготовления которого и материалы полностью совпадали с используемыми на технологической линии РПЗ при изготовлении транзисторов П401 — П403. ... С этого момента началось наше «вторжение» на серийный завод с передачей «документации» нарисованной мелом на доске и изложенной устно технологией. Электрические параметры и методики измерений были изложены на одной странице формата А4, но задача разбраковки и контроля параметров была за нами. ... У наших предприятий оказались совпадающие номера почтовых ящиков п/я-233 (РПЗ) и а/я-233 (НИИ-131). Отсюда и родилось название нашего «элемента Реймерова» — ТС-233.
   В 1961 году (3-й квартал) к началу запуска большой партии ТС-233 (15 000 шт.) наш институт изготовил для РПЗ необходимое количество таких стендов [полуавтоматических устройств контроля параметров ТС - К.]. ... Главным результатом изготовления экспериментальной партии можно считать появление у нас уверенности в том, что РПЗ может стать серийным заводом по выпуску ТС-233."

Встречаются и такие милые подробности:

   "В то время на заводе (как и на других заводах) использовалась ручная технология переноса материала эмиттера и базы на германиевую пластину деревянными шипами от цветочного дерева акации и ручная припайка выводов. Все эти работы выполнялись под микроскопом молодыми девушками."

   К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тысяч схем Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч. 

   Следующим этапом развития должны были стать Р12-5 - более скоростной вариант и с прямоугольной топологией кристалла. История их появления связана с температурными ограничениями - аппаратура на схемах Р12-2 первоначального варианта могла работать только при охлаждении погружением во фреон. Необходимо было повысить верхнюю границу до максимально возможных у германия +70°С.

   Увеличение предельной рабочей температуры предполагалось обеспечить заменой слоистого (диффузного) резистора в коллекторной цепи твердой схемы на объемное за счет формирования резистора методом травления через маску фоторезиста. Другой метод — это формирование структуры твердой схемы в тонком диффузном слое Р-типа на исходной пластине германия N-типа. Работы проводились одновременно по двум направлениям.

   "С появлением фотолитографии оказалось возможным создать объемный резистор вместо слоистого при существующих размерах кристалла и путем травления коллекторной пластины через фотомаску сформировать объемный резистор. Л. И. Реймеров попросил Ю. Осокина попробовать подобрать разные фотомаски и попытаться на пластинке германия Р-типа получить объемный резистор порядка 300 Ом. ... Такой объемный резистор в ТС Р12-2 Юра изготовил и считал, что работа закончена, так как температурная проблема решена. Вскоре Юрий Валентинович принес мне около 100 твердых схем в виде «гитарки» с объемным резистором в коллекторе, которое получено специальным травлением коллекторного слоя германия Р-типа. ... Показал, что эти ТС работают до +70 градусов, какой получился процент выхода годных и какой разброс параметров. В институте (Ленинград) мы собрали на этих твердых схемах модули «Квант». Все проверки в диапазоне рабочих температур прошли успешно.
...
   К концу 1962 года в твердой схеме Р12-2 со слоистым (диффузным) резистором (под таким названием она изготавливалась
целый год, так же как и ранее названная ТС-233) без каких-либо формальностей заменили коллекторный резистор со слоистого на объемный, полученный травлением германия через фотомаску. При этом в документации название Р12-2 сохранилось."

    Удачным оказался и второй путь. "Во втором квартале 1963 года [Л.И. Реймеров] закончил на нашем экспериментальном участке работу по созданию такой быстродействующей твердой схемы с объемным резистором на диффузном слое. Им была изготовлена партия таких ТС, проведены проверки основных параметров и в том числе проведены климатические испытания. ... Таким образом, у нас появилась возможность получать нужный результат по температуре двумя способами."

   Но запустить второй, казалось бы более перспективный, вариант в производство так просто не получилось. Образцы схем и описание технологического процесса было передано на РЗПП, но там к этому моменту уже был начато серийное изготовление Р12-2 с объёмным резистором. Появление улучшенных схем означало бы остановку производства старых, что могло сорвать план. К тому же, по всей вероятности, у Ю.В. Осокина были и личные причины сохранить выпуск Р12-2 старого варианта. На ситуацию наложились и проблемы межведомственного согласования, ибо НИИРЭ относился к ГКРЭ, а РЗПП к ГКЭТ. Нормативные требования к изделиям у комитетов были разные, да и рычагов влияния у предприятия одного комитета на завод из другого практически не было. В итоге, стороны пришли к компромиссу - выпуск Р12-2 сохранялся, а новые быстродействующие схемы получили индекс Р12-5. На самом деле, это всё не так просто как кажется, ибо к тому времени вся документация - в том числе и на аппаратуру более высокой интеграции - была согласована для только Р12-2. Для Р12-5 пришлось разрабатывать отдельные технические условия и другую конструкторскую документацию. 

   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 всё время выпуска Р12-2 их применение освоили НИИРЭ, Жигулевский радиозавод Минрадиопрома, ВЭФ, НИИП и немногие другие предприятия. Понимая проблему, разработчики в НИИРЭ сразу же продумали второй уровень конструкции, который одновременно увеличил плотность компоновки аппаратуры.

   В 1961-65 гг. в рамках ОКР “Квант” (ГК А.Н. Пелипенко, при участии Е.М. Ляховича) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре Р12-2. На начальном этапе микроплату из тонкого текстолита размещали от двух до четырёх бескорпусных Р12-2 и покрывали клеем МБК-3. Далее на платке золотые усики подпаивались к выводам (штырькам) из твердой медной проволоки диаметром 0,4 мм, плата размещалась в алюминиевую штампованную "ванночку" размером 21,6х6,6 мм и глубиной 3,1 мм и заливалась эпоксидным компаундом с пластификатором.

    Позднее возникла необходимость создания конструкции ТС, позволяющей осуществлять её транспортировку в Ленинград и в другие города. Поэтому в НИИРЭ создали конструкцию в виде таблетки диаметром 3 мм и толщиной 0,8 мм. В таком виде это изделие могло поставляться потребителям в специальной влагозащитной транспортной упаковке. В результате получилась гибридная интегральная схема (первая в СССР и одна из первых в мире) с двойной герметизацией элементов:

(фото с форума Портативное ретрорадио)

     Плотность упаковки элементов в этих модулях 40 эл/см³, они обеспечивают плотность монтажа в блоках аппаратуры 6...8 эквивалентных деталей на 1 см³.

   Вся конструкторская документация на твердую схему в таблеточной конструкции, модули первого уровня интеграции «Квант»
на этих элементах, а также автомат для изготовления чашечек и оригинальное контактное приспособление под новую конструкцию
ТС разработали в конструкторской группе отдела № 570 под руководством ведущего конструктора И. Я. Анисимова.

   Было разработано восемь типов модулей с общим названием “Квант”, образующих законченный унифицированный ряд, позволяющий реализовать любые логические функции без применения других радиокомпонентов.

   Модули “Квант” сначала выпускало опытное производство НИИРЭ (1961 год - макетная мастерская и участок ТС отдела 570, 1962–1965 годы — 5-й цех опытного производства НИИ), затем в 1966–1967 годах Гатчинский опытный завод, в 1966–1971 годах — Жигулевский радиозавод Минрадиопрома СССР. Модули жигулевского производства:

   В 1972 году совместным решением Минэлектронпрома и Минрадиопрома производство модулей было возвращено от Жигулевского радиозавода на РЗПП. Это исключило транспортировку ИС серии 102 на дальние расстояния, что позволило отказаться от герметизации кристалла каждой ИС 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 ("Квант-М"):

   Заказчиками и первыми потребителями ТС Р12-2 и модулей были создатели конкретных систем: ЭВМ “Гном” для бортовой пилотажно-навигационной системы “Купол” (НИИРЭ, ГК Ляхович Е.М.) и военно-морских и гражданских АТС (завод ВЭФ, ГК Мисуловин Л.Я.). Активно участвовало на всех стадиях создания ТС Р12-2 и модулей на них и КБ-1, главным куратором этого сотрудничества от КБ-1 был Н.А. Барканов.

   Жизненный цикл этих изделий определил и необычайно долгую жизнь самих микросхем. В конце 1989 года Ю.В. Осокин, тогда генеральный директор ПО “Альфа”, обратился к руководству Военно-промышленной комиссии при Совмина СССР (ВПК) с просьбой о снятии серий 102, 103, 116 и 117 с производства. Угроза остановки выпуска этих схем возникла из-за полного износа технологического оборудования (автоматической системы контроля и разбраковки твердых схем и модулей), а собственных средств для восстановления оборудования у завода не было. Но эта просьба получила категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В.Л. Коблов сказал, что любыми средствами надо сохранить выпуск твердых схем и модулей «Квант» до 1996 года - новой модернизации системы «Купол» не разрабатывалось, а самолеты ИЛ-76 должны выпускаться по 1995 год. Заводу "Альфа" было выделено 500 тысяч рублей и производство микросхем и модулей продолжалось до середины 1990-х годов, т. е. более 30 лет:

    Отдельная тема - система обозначения этой серии, которая простотой не отличается.

    Для ранних выпусков в начале названия ставили "ТМ" (Твердосхемный Модуль), далее типы микросхем кодировались буквами: Д, К, М, П, И, Т, Р, причем буквы М и Т удваивались для типономиналов с цифрой 2. При этом буквы "ТМ" на маркировке корпусов обычно пропускали.
    Каждый тип имел четыре цифровых суффикса для обозначения групп разбраковки - 3, 4, 7, 8, идущих именно в таком порядке. Впрочем, это неполный набор, ибо в документации встречается "допускается замена модулей 3 и 7 групп соответственно на 2 и 6, и 4 и 8 группы".
    Кроме этого, были варианты с цифрой "1" после суффикса, которые отличались, как правило, более высокими входными напряжениями и пониженным быстродействием; впрочем из этого правила были исключения. Что конкретно являлось нормирующим параметром, определяющим суффикс "1", установить пока не удалось. Возможно это конструктивный или технологический фактор (например, отсутствие двойной герметизации).
    Но и этого мало - часто встречаются микросхемы в подобных корпусах, не дешифруемые по системе. Например: И5; 1И; 2Ч; Ч; У.

    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 1ЛБ021, цифровые суффиксы заменили на буквенные Ж, И, В, Г.
   Любопытно, что нет микросхем с суффиксами А/Б и Д/Е. Логично предположить, что они выпускались на раннем этапе - в перечне элементов схем Р12-2 они присутствуют. В дальнейшем, после решения сделать минимальную границу 300 мВ, две позиции разбраковки, соответственно, отпали.

   А 19 сентября 1970 года в ЦБПИМС были утверждены технические условия АВ0.308.014ТУ на модули “Квант-1”, получившие обозначение ИС серии 116. Хотя модули "Квант" фактически были гибридными, но по просьбе РЗПП их обозначение маркировано как полупроводниковых.
   В состав серии входило девять микросхем: 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 их этих схем имела от четырёх до семи вариантов исполнения, отличающихся напряжением выходных сигналов и нагрузочной способностью, всего было 58 типономиналов ИС. В дальнейшем номенклатура модулей расширялась.

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

   Для дальнейшего усложнения картины нужно упомянуть про 117ую серию ("Квант-2"), которая по электрическим параметрам и принципиальным схемам полностью совпадает с 116ой. Отличие в базовом элементе - 117ые микросхемы сделаны на основе серии 103 (Р12-5). Почти совпадают у них и функциональные ряды, хотя есть единичные типы, уникальные для каждой из серий. Более того, исходя из старой системы обозначений, различить микросхемы 116 и 117 серий невозможно. Они четко различимы только с новыми обозначениями по ГОСТ и внешне - цветом корпуса; для серии 116 цвет покрытия колпачка от светло-серого до светло-синего, для серии 117 цвет покрытия колпачка от светло-желтого до темно-оранжевого.

(плата бортовой ЭВМ самолёта Ан-22)

Источники:

1. Catalog digital and analog integrated circuits. - VO Mashpriborintorg, SSSR, Moskva.
2. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Р. Г. Варламова. М., «Сов. радио», 1973.
3. Ляхович Е. М. Я из времени первых. - СПб.: "Скифия-принт", 2019.
4. Б. Малашевич. Первые интегральные схемы - Виртуальный компьютерный музей.

домой