102ая и 116ая серии

   Микросхемы, уникальные для советской электроники, и не только. Это германиевые логические схемы. Они разработаны в КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (ныне "Альфа").

   История их начинается в 1962 году, когда главный инженер 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".

   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.

   Рижане сумели создать вполне технологичные ИС на германиевых меза-транзисторах. 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)

Выходной ток закрытой схемы не менее 1,5...2,0 мА*
Напряжение на входе открываемой схемы 270...315 мВ*
Средняя потребляемая мощность 3,6 мВт
Помехоустойчивость 100...150 мВ
Перепад напряжений при воздействии сигнала 200 мВ
Средняя задержка распространения сигнала на один логический элемент 100...300 нс
Коэффициент разветвления по выходу 3...6*
Средняя частота отказов (при достоверности 0,95) 10-6
Масса не более 25 мг
Относительная влажность 80% при температуре окружающей среды 40°С
Диапазон рабочих температур -60°...+60°С
Циклические изменения температуры -60°...+60°С
* Полупроводниковая технология тогда не гарантировала строгой повторяемости параметров, поэтому приборы рассортировывали по группам параметров на 8 типономиналов

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

   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 ТС совместно с НИИРЭ сразу же продумали второй уровень конструкции, который одновременно увеличил плотность компоновки аппаратуры.

   В 1963 г. в НИИРЭ в рамках ОКР “Квант” (ГК А.Н. Пелипенко, при участии Е.М. Ляховича) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2. На микроплату из тонкого стеклотекстолита размещали от двух до четырёх ТС Р12-2 (в корпусе), реализующих в совокупности определённый функциональный узел. На плату впрессовывали до 17 выводов (число менялось для конкретного модуля) длиной 4 мм. Микроплату помещали в металлическую штампованную чашечку размером 21,6х6,6 мм и глубиной 3,1 мм и заливали полимерным компаундом.


(фото с форума Портативное ретрорадио)

   В результате получилась гибридная интегральная схема (первая в СССР и одна из первых в мире) с двойной герметизацией элементов.

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

Электрические параметры схем серии "Квант" (К116)

Напряжение питания -1,2...+0,2 В
Потребляемая мощность не более 5 мВт
Помехоустойчивость не менее 100 мВ
Выходное напряжение
   в состоянии «0» не более 0,12 В
   в состоянии «1» не менее 1,0 В
Задержка распространения сигнала не более 400 нс
Нагрузочная способность 3...6
Масса не более 0,75 г
Относительная влажность 98% при температуре окружающей среды 40°С
Диапазон рабочих температур -60°...+60°С
Постоянные ускорения до 150g
Одиночные удары до 1000g
Вибрационные нагрузки в диапазоне частот 5...5000 Гц с ускорением до 40g

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

На двух независимых группах твердых схем модуля Д могут быть реализованы основные логические функции двух переменных. Модуль П обычно используется в сумматоре по модулю 2. Соединением выхода 22 со входом 44 получают из модуля П триггер с раздельным управлением входами. Назначение модуля Р - увеличение мощности сигналов «1» в цепях, объединяющих до 16 и более входов. Основной триггерной ячейкой любого дискретного устройства является модуль Т. Он используется для построения любых регистров.
Модуль К используется как коммутатор информации, подаваемой на входы 2 и 4. Разрешающим является «0» управляющего сигнала, подаваемого соответственно на входы 1 и 3. При наличии информации в прямом и обратном кодах модуль К может быть использован как схема равнозначности (неравнозначности) двух переменных. Модуль И применяется в качестве клапана с инверсией для четырех переменных (1, 2, 3 и 4), при управлении по входу 5 и 6 в качестве инвертора четырех переменных при нулевом сигнале на входе 5. Основное применение модуля М многовходовые сборки И и ИЛИ (в сочетании с модулями И), если с промежуточных ступеней этих сборок сигналы не разветвляются.

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

    Для ранних выпусков в начале названия ставили "ТМ (какой-нибудь Твердотельный Модуль, впрочем на расшифровке не настаиваю), 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. 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 (что бы это ни значило). 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.

   ИС серии 116 фактически были гибридными, но по просьбе РЗПП были маркированы как полупроводниковые (первая цифра в обозначении – “1” , у гибридных должно быть “2”).

   Модули “Квант” сначала выпускало опытное производство НИИРЭ, а затем их передали на Жигулевский радиозавод Минрадиопрома СССР, поставлявший их различным потребителям, в том числе заводу ВЭФ. Вот, как я полагаю, как раз модули жигулевского производства:

В 1972 году совместным решением Минэлектронпрома и Минрадиопрома производство модулей было передано из 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:

   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 СМ СССР (ВПК) с просьбой о снятии серий 102, 103, 116 и 117 с производства ввиду их морального старения и высокой трудоёмкости (за 25 лет микроэлектроника далеко ушла вперед), но получил категорический отказ. Заместитель председателя ВПК В.Л. Коблов сказал ему, что самолеты летают надёжно, замена исключается. Производство их продолжалось до середины 1990-х годов, т. е. более 30 лет:


(плата бортовой ЭВМ самолёта Ан-22)

Источники:

1. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Р. Г. Варламова. М., «Сов. радио», 1973.
2. Б. Малашевич. Первые интегральные схемы - Виртуальный компьютерный музей.

домой