CXEMA INTÉGRÉ (IC, circuit intégré, microcircuit), un produit microélectronique fonctionnellement complet, qui est un ensemble d'éléments électriquement interconnectés (transistors, etc.) formés dans une plaquette monocristalline semi-conductrice. Les circuits intégrés constituent la base élémentaire de tous les appareils radioélectroniques, informatiques et systèmes d'information et de télécommunication modernes.

Référence historique. Le circuit intégré a été inventé en 1958 par J. Kilby (prix Nobel, 2000) qui, sans diviser la plaquette monocristalline de germanium en transistors individuels qui y sont formés, les a connectés entre eux avec les fils les plus fins, de sorte que le dispositif résultant est devenu une radio complète. -circuit électrique. Six mois plus tard, le physicien américain R. Noyce a mis en œuvre ce que l'on appelle le circuit intégré de silicium planaire, dans lequel des zones métallisées (appelées plages de contact) ont été créées à la surface de la plaquette de silicium pour chaque zone de transistors bipolaires (émetteur , base et collecteur), et les connexions entre eux ont été réalisées avec des conducteurs à couches minces. En 1959, la production industrielle de circuits intégrés au silicium a commencé aux États-Unis ; la production de masse de propriété intellectuelle en URSS a été organisée au milieu des années 1960 à Zelenograd sous la direction de K. A. Valiev.

La technologie du SI. La structure d'un CI semi-conducteur est représentée sur la figure. Les transistors et autres éléments sont formés dans une couche superficielle très fine (jusqu'à plusieurs microns) d'une plaquette de silicium ; un système à plusieurs niveaux de connexions inter-éléments est créé par le haut. À mesure que le nombre d'éléments du SI augmente, le nombre de niveaux augmente et peut atteindre 10 ou plus. Les connexions inter-éléments doivent avoir une faible résistance électrique. Cette exigence est par exemple satisfaite par le cuivre. Des couches isolantes (diélectriques) (SiO 2, etc.) sont placées entre les couches de conducteurs. Jusqu'à plusieurs centaines de circuits intégrés sont formés simultanément sur une plaquette en PP, après quoi la plaquette est divisée en cristaux individuels (puces).

Le cycle technologique de fabrication des circuits intégrés comprend plusieurs centaines d'opérations dont la plus importante est la photolithographie (PL). Le transistor contient des dizaines de pièces dont les contours sont formés grâce au PL, qui détermine également la configuration des interconnexions dans chaque couche et la position des zones conductrices (contacts) entre les couches. Dans le cycle technologique, PL est répété plusieurs dizaines de fois. Chaque opération PL est suivie d'opérations de fabrication de pièces de transistor, par exemple dépôt de couches minces diélectriques, PP et métalliques, gravure, dopage par implantation d'ions dans le silicium, etc. La photolithographie détermine taille minimale(MR) de pièces individuelles. Le principal outil PL est constitué de scanners pas à pas à projection optique, qui sont utilisés pour effectuer une exposition d'image étape par étape (de puce en puce) (éclairage de la puce, sur la surface de laquelle une couche photosensible est appliquée - photorésist, à travers un masque appelé photomasque) avec une réduction (4 : 1) de la taille des images par rapport aux dimensions du masque et avec un balayage du point lumineux au sein d'une seule puce. La RM est directement proportionnelle à la longueur d’onde de la source de rayonnement. Initialement, les installations PL utilisaient les raies g et i (respectivement 436 et 365 nm) du spectre d'émission d'une lampe à mercure. Pour changer lampe au mercure des lasers excimer basés sur des molécules KrF (248 nm) et ArF (193 nm) sont arrivés. L'amélioration du système optique, l'utilisation de photorésists à contraste et sensibilité élevés, ainsi qu'une technologie spéciale haute résolution lors de la conception de photomasques et de scanners pas à pas avec une source lumineuse d'une longueur d'onde de 193 nm permettent d'obtenir un MR égal à 30 nm ou moins sur de gros copeaux (d'une superficie de 1 à 4 cm 2) avec une capacité allant jusqu'à 100 plaques (diamètre 300 mm) par heure. L'avancement dans la région des RM plus petites (30-10 nm) est possible en utilisant des rayons X mous ou des ultraviolets extrêmes (EUV) d'une longueur d'onde de 13,5 nm. En raison de l’absorption intense du rayonnement par les matériaux à cette longueur d’onde, l’optique réfractive ne peut pas être utilisée. Par conséquent, les steppers EUV utilisent des optiques réfléchissantes sur les miroirs à rayons X. Les modèles doivent également être réfléchissants. La lithographie EUV est un analogue de la lithographie par projection optique, ne nécessite pas la création de nouvelles infrastructures et offre une productivité élevée. Ainsi, en 2000, la technologie IC a franchi la barrière des 100 nm (MR) et est devenue la nanotechnologie.

Structure du circuit intégré : 1 couche de passivation (de protection) ; 2 - couche supérieure de conducteur ; 3 - couche diélectrique ; 4 - connexions inter-niveaux ; 5 - plage de contact ; 6 - transistors MOS ; 7 - plaquette de silicium (substrat).

Orientations de développement. Les circuits intégrés sont divisés en numériques et analogiques. La part principale des microcircuits numériques (logiques) est constituée de circuits intégrés de processeur et de circuits intégrés de mémoire, qui peuvent être combinés sur un seul cristal (puce), formant un « système sur puce ». La complexité d'un CI est caractérisée par le degré d'intégration déterminé par le nombre de transistors sur la puce. Avant 1970, le degré d’intégration des circuits intégrés numériques doublait tous les 12 mois. Ce modèle (remarqué pour la première fois par le scientifique américain G. Moore en 1965) était appelé loi de Moore. Moore a ensuite affiné sa loi : la complexité des circuits mémoire double tous les 18 mois, et celle des circuits processeur double tous les 24 mois. À mesure que le degré d'intégration des circuits intégrés augmentait, de nouveaux termes ont été introduits : grand circuit intégré (LSI, avec un nombre de transistors allant jusqu'à 10 000), circuit intégré ultra-large (VLSI - jusqu'à 1 million), circuit intégré ultra-large (ULSI - jusqu'à à 1 milliard) et le géant LSI (GBIS - plus de 1 milliard).

Il existe des circuits intégrés numériques basés sur des transistors bipolaires (Bi) et MOS (métal-oxyde-semi-conducteur), y compris dans la configuration CMOS (MOS complémentaires, c'est-à-dire des transistors r-MOS et w-MOS complémentaires connectés en série dans le circuit « source » alimentation - un point avec un potentiel nul"), ainsi que BiCMOS (sur transistors bipolaires et transistors CMOS dans une seule puce).

Une augmentation du degré d'intégration est obtenue en réduisant la taille des transistors et en augmentant la taille de la puce ; cela réduit le temps de commutation de l'élément logique. À mesure que la taille diminuait, la consommation d'énergie et l'énergie (le produit de la puissance par le temps de commutation) dépensée pour chaque opération de commutation diminuaient. En 2005, les performances des circuits intégrés s'étaient améliorées de 4 ordres de grandeur et atteignaient des fractions de nanoseconde ; le nombre de transistors sur une puce atteignait 100 millions.

La part principale (jusqu'à 90 %) de la production mondiale depuis 1980 est constituée de circuits intégrés CMOS numériques. L'avantage de tels circuits est que dans l'un des deux états statiques (« 0 » ou « 1 »), l'un des transistors est fermé et le courant dans le circuit est déterminé par le courant du transistor à l'état bloqué I OFF. . Cela signifie que si I OFF est négligeable, le courant de l'alimentation est consommé uniquement en mode de commutation, et la consommation électrique est proportionnelle à la fréquence de commutation et peut être estimée par la relation Ρ Σ ≈C Σ ·Ν·f·U 2, où C Σ est la capacité de charge totale à la sortie de l'élément logique, N est le nombre d'éléments logiques sur la puce, f est la fréquence de commutation, U est la tension d'alimentation. Presque toute la consommation d’énergie est libérée sous forme de chaleur Joule, qui doit être évacuée du cristal. Dans ce cas, la puissance consommée en mode commutation s'ajoute à la puissance consommée en mode statique (déterminée par les courants I OFF et les courants de fuite). Avec une diminution de la taille des transistors, la puissance statique peut devenir comparable à la puissance dynamique et atteindre un ordre de grandeur de 1 kW pour 1 cm 2 de cristal. Le problème de la libération d'énergie élevée nous oblige à limiter fréquence maximale commutation de circuits intégrés CMOS hautes performances dans la plage 1-10 GHz. Par conséquent, pour augmenter les performances des systèmes sur puce, des méthodes architecturales et algorithmiques supplémentaires (appelées processeurs multicœurs) sont utilisées.

Pour des longueurs de canal de transistors MOS de l'ordre de 10 nm, les caractéristiques du transistor commencent à être affectées par des effets quantiques, tels que la quantification longitudinale (un électron se propage dans le canal sous la forme d'une onde de Broglie) et la quantification transversale (due à la étroitesse du canal), tunnel direct des électrons à travers le canal. Ce dernier effet limite les possibilités d'utilisation d'éléments CMOS dans les circuits intégrés, car il contribue largement au courant de fuite total. Cela devient significatif à une longueur de canal de 5 nm. Les circuits intégrés CMOS seront remplacés par des dispositifs quantiques, des dispositifs électroniques moléculaires, etc.

Les circuits intégrés analogiques comprennent une large classe de circuits qui remplissent les fonctions d'amplificateurs, d'oscillateurs, d'atténuateurs, de convertisseurs numérique-analogique et analogique-numérique, de comparateurs, de déphaseurs, etc., y compris les basses fréquences (LF), les hautes fréquences ( HF) et les circuits intégrés micro-ondes. Les circuits intégrés hyperfréquences sont des circuits avec un degré d'intégration relativement faible, qui peuvent inclure non seulement des transistors, mais également des inductances à film, des condensateurs et des résistances. Pour créer des circuits intégrés micro-ondes, non seulement la technologie traditionnelle du silicium est utilisée, mais également la technologie des circuits intégrés à hétérojonction basés sur des solutions solides Si - Ge, des composés A III B V (par exemple, arséniure et nitrure de gallium, phosphure d'indium), etc. il est possible d'atteindre des fréquences de fonctionnement de 10 à 20 GHz pour le Si-Ge et de 10 à 50 GHz et plus pour les circuits intégrés hyperfréquences sur les connexions A III B V. Les circuits intégrés analogiques sont souvent utilisés avec des capteurs et des dispositifs micromécaniques, des biopuces, etc., qui assurent l'interaction des dispositifs microélectroniques avec les humains et l'environnement, et peuvent être enfermés avec eux dans le même boîtier. De telles conceptions sont appelées multi-puces ou système dans un package.

À l'avenir, le développement de la propriété intellectuelle conduira à la fusion de deux directions et à la création de dispositifs microélectroniques d'une grande complexité, contenant de puissants dispositifs informatiques, des systèmes de contrôle environnemental et des moyens de communication avec les humains.

Allumé. regardez l'art. Microélectronique.

A. A. Orlikovsky.

Premiers circuits intégrés

Dédié au 50e anniversaire de la date officielle

B. Malachevitch

Le 12 septembre 1958, Jack Kilby, employé de Texas Instruments (TI), a présenté à la direction trois appareils étranges : des appareils constitués de deux morceaux de silicium mesurant 11,1 x 1,6 mm collés ensemble avec de la cire d'abeille sur un substrat de verre (Fig. 1). Il s'agissait de maquettes tridimensionnelles - des prototypes d'un circuit intégré (CI) du générateur, prouvant la possibilité de fabriquer tous les éléments du circuit à partir d'un seul matériau semi-conducteur. Cette date est célébrée dans l'histoire de l'électronique comme un anniversaire circuits intégrés. Mais est-ce le cas ?

Riz. 1. Mise en page de la première IP par J. Kilby. Photo du site http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

À la fin des années 1950, la technologie d’assemblage d’équipements électroniques (REA) à partir d’éléments discrets avait épuisé ses capacités. Le monde était confronté à une crise aiguë de la REA ; des mesures radicales étaient nécessaires. À cette époque, les technologies intégrées pour la production de dispositifs à semi-conducteurs et de cartes de circuits imprimés en céramique à couches épaisses et à couches minces étaient déjà maîtrisées industriellement aux États-Unis et en URSS, c'est-à-dire que les conditions étaient réunies pour surmonter cette crise en créant des systèmes multi-éléments. produits standards - circuits intégrés.

Les circuits intégrés (puces, CI) comprennent les appareils électroniques de complexité variable, dans lequel tous les éléments similaires sont fabriqués simultanément dans un seul cycle technologique, c'est-à-dire en utilisant une technologie intégrée. Contrairement à cartes de circuits imprimés(dans lequel tous les conducteurs de connexion sont fabriqués simultanément en un seul cycle en utilisant une technologie intégrée), les résistances, les condensateurs et (dans les circuits intégrés à semi-conducteurs) les diodes et les transistors sont formés de la même manière dans les circuits intégrés. De plus, de nombreux circuits intégrés sont fabriqués simultanément, de plusieurs dizaines à plusieurs milliers.

Les circuits intégrés sont développés et produits par l'industrie sous forme de séries, combinant un certain nombre de microcircuits à diverses fins fonctionnelles, destinés à être utilisés conjointement dans des équipements électroniques. Les circuits intégrés de la série ont une conception standard et un système unifié de caractéristiques électriques et autres. Les circuits intégrés sont fournis par le fabricant à divers consommateurs en tant que produits commerciaux indépendants répondant à un certain système d'exigences standardisées. Les circuits intégrés sont des produits non réparables ; lors de la réparation d’équipements électroniques, les circuits intégrés défectueux sont remplacés.

Il existe deux groupes principaux de circuits intégrés : les hybrides et les semi-conducteurs.

Dans les circuits intégrés hybrides (HIC), tous les conducteurs et éléments passifs sont formés à la surface d'un substrat de microcircuit (généralement en céramique) à l'aide d'une technologie intégrée. Les éléments actifs sous forme de diodes sans boîtier, de transistors et de cristaux IC semi-conducteurs sont installés sur le substrat individuellement, manuellement ou automatiquement.

Dans les circuits intégrés semi-conducteurs, les éléments de connexion, passifs et actifs sont formés en un seul cycle technologique à la surface d'un matériau semi-conducteur (généralement du silicium) avec invasion partielle de son volume à l'aide de méthodes de diffusion. Dans le même temps, sur une plaquette semi-conductrice, en fonction de la complexité du dispositif et de la taille de son cristal et de sa plaquette, de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de circuits intégrés sont fabriqués. L'industrie produit des circuits intégrés semi-conducteurs dans des boîtiers standard, sous forme de puces individuelles ou sous forme de tranches non divisées.

L’introduction des circuits intégrés hybrides (SIG) et semi-conducteurs dans le monde s’est produite de différentes manières. GIS est le produit du développement évolutif des micromodules et de la technologie de montage de cartes céramiques. Par conséquent, ils sont passés inaperçus : il n'y a pas de date de naissance généralement acceptée du SIG ni d'auteur généralement reconnu. Les circuits intégrés à semi-conducteurs étaient un résultat naturel et inévitable du développement de la technologie des semi-conducteurs, mais ils nécessitaient la génération de nouvelles idées et la création de nouvelles technologies, qui ont leurs propres dates de naissance et leurs propres auteurs. Les premiers circuits intégrés hybrides et semi-conducteurs sont apparus en URSS et aux États-Unis presque simultanément et indépendamment les uns des autres.

Les premiers circuits intégrés hybrides

Les circuits intégrés hybrides comprennent les circuits intégrés dont la production combine la technologie intégrale de fabrication d'éléments passifs avec une technologie individuelle (manuelle ou automatisée) d'installation et d'assemblage d'éléments actifs.

À la fin des années 40, la société Centralab aux États-Unis a développé les principes de base pour la fabrication de circuits imprimés à couche épaisse à base de céramique, qui ont ensuite été développés par d'autres sociétés. La base reposait sur les technologies de fabrication de cartes de circuits imprimés et condensateurs céramiques. À partir des cartes de circuits imprimés, nous avons utilisé une technologie intégrée pour former la topologie des conducteurs de connexion : la sérigraphie. Des condensateurs - le matériau du substrat (céramique, souvent sital), ainsi que les matériaux des pâtes et la technologie thermique de leur fixation sur le substrat.

Et au début des années 1950, la société RCA a inventé la technologie des couches minces : en pulvérisant sous vide divers matériaux et en les déposant à travers un masque sur des substrats spéciaux, elle a appris à produire simultanément de nombreux films miniatures connectant des conducteurs, des résistances et des condensateurs sur un seul appareil. substrat céramique.

Par rapport à la technologie des couches épaisses, la technologie des couches minces offrait la possibilité de fabriquer plus précisément des éléments topologiques de plus petite taille, mais nécessitait un équipement plus complexe et plus coûteux. Les appareils fabriqués sur des circuits imprimés en céramique utilisant la technologie des couches épaisses ou des couches minces sont appelés « circuits hybrides ». Les circuits hybrides étaient produits en tant que composants de produits de leur propre production ; chaque fabricant avait sa propre conception, ses dimensions et ses objectifs fonctionnels ; ils ne sont pas entrés sur le marché libre et sont donc peu connus.

Les circuits hybrides ont également envahi les micromodules. Au début, ils utilisaient des éléments miniatures passifs et actifs discrets, unis par un câblage imprimé traditionnel. La technologie d'assemblage était complexe, avec une part énorme de travail manuel. Les micromodules étaient donc très coûteux et leur utilisation était limitée aux équipements embarqués. Ensuite, des foulards miniatures en céramique à film épais ont été utilisés. Ensuite, les résistances ont commencé à être fabriquées en utilisant la technologie des couches épaisses. Mais les diodes et transistors utilisés étaient toujours discrets, emballés individuellement.

Le micromodule est devenu un circuit intégré hybride au moment où des transistors et des diodes non emballés y étaient utilisés et où la structure était scellée dans un boîtier commun. Cela a permis d'automatiser considérablement le processus de leur assemblage, de réduire considérablement les prix et d'élargir le champ d'application. Sur la base de la méthode de formation des éléments passifs, on distingue les SIG à couches épaisses et à couches minces.

Le premier SIG en URSS

Les premiers SIG (modules de type « Kvant », plus tard désignés série IS 116) en URSS ont été développés en 1963 au NIIRE (plus tard NPO Leninets, Leningrad) et la même année, son usine pilote a commencé leur production en série. Dans ces SIG, les circuits intégrés semi-conducteurs « R12-2 », développés en 1962 par l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Riga, ont été utilisés comme éléments actifs. En raison de l'inextricabilité des histoires de création de ces CI et de leurs caractéristiques, nous les considérerons ensemble dans la section consacrée au P12-2.

Sans aucun doute, les modules Kvant ont été les premiers au monde SIG à intégrer deux niveaux : ils utilisaient des circuits intégrés à semi-conducteurs plutôt que des transistors discrets comme éléments actifs. Il est probable qu'ils furent également les premiers au monde en matière de SIG - des produits multiéléments structurellement et fonctionnellement complets, fournis au consommateur en tant que produit commercial indépendant. Les premiers produits étrangers similaires identifiés par l'auteur sont les modules IBM Corporation SLT décrits ci-dessous, mais ils ont été annoncés l'année suivante, 1964.

Le premier SIG aux USA

L'apparition du SIG à couche épaisse comme élément principal de base du nouvel ordinateur IBM System /360 a été annoncée pour la première fois par IBM en 1964. Il semble que ce soit la première utilisation du SIG en dehors de l'URSS ; l'auteur n'a pas pu trouver d'exemples antérieurs. .

Déjà connues à l'époque dans les milieux spécialisés, les séries de circuits intégrés à semi-conducteurs « Micrologic » de Fairchild et « SN-51 » de TI (nous en parlerons ci-dessous) étaient encore inaccessibles et d'un coût prohibitif pour des applications commerciales, telles que la construction de un gros ordinateur. Ainsi, la société IBM, prenant comme base la conception d'un micromodule plat, a développé sa série de SIG à couches épaisses, annoncée sous le nom général (par opposition aux « micromodules ») - « modules SLT » (Solid Logic Technology - solid technologie logique. Habituellement, le mot « solide » est traduit en russe par « solide », ce qui est absolument illogique. En effet, le terme « modules SLT » a été introduit par IBM par opposition au terme « micromodule » et devrait refléter leur différence. Mais les deux les modules sont "solides", c'est-à-dire que cette traduction ne l'est pas. Le mot "solide" a d'autres significations - "solide", "entier", qui soulignent avec succès la différence entre "modules SLT" et "micromodules" - les modules SLT sont indivisibles, non réparable, c'est-à-dire « tout ». Nous n'avons pas utilisé la traduction généralement acceptée en russe : Solid Logic Technology - technologie de logique solide).

Le module SLT était une microplaque carrée en céramique à film épais d’un demi-pouce avec des broches verticales enfoncées. Des conducteurs de connexion et des résistances ont été appliqués sur sa surface par sérigraphie (selon le schéma du dispositif mis en œuvre) et des transistors non emballés ont été installés. Des condensateurs, si nécessaire, ont été installés à côté du module SLT sur la carte de l'appareil. Bien qu'extérieurement presque identiques (les micromodules sont légèrement plus hauts, Fig. 2.), les modules SLT se distinguaient des micromodules plats par leur densité d'éléments plus élevée, leur faible consommation d'énergie, leurs hautes performances et leur haute fiabilité. De plus, la technologie SLT était assez facile à automatiser et pouvait donc être produite en grandes quantités à un coût suffisamment bas pour être utilisée dans des équipements commerciaux. C'est exactement ce dont IBM avait besoin. L'entreprise a construit une usine automatisée à East Fishkill, près de New York, pour la production de modules SLT, qui les a produits à des millions d'exemplaires.

Riz. 2. Micromodule URSS et module SLT f. IBM. Photo STL du site http://infolab.stanford.edu/pub/voy/museum/pictures/display/3-1.htm

À la suite d'IBM, d'autres sociétés ont commencé à produire des SIG, pour lesquels les SIG sont devenus un produit commercial. La conception standard des micromodules plats et des modules SLT d'IBM est devenue l'une des normes pour les circuits intégrés hybrides.

Les premiers circuits intégrés à semi-conducteurs

À la fin des années 1950, l’industrie avait toutes les possibilités de produire des éléments d’équipement électronique bon marché. Mais si les transistors ou les diodes étaient constitués de germanium et de silicium, alors les résistances et les condensateurs étaient constitués d'autres matériaux. Beaucoup pensaient alors que lors de la création de circuits hybrides, l'assemblage de ces éléments, fabriqués séparément, ne poserait aucun problème. Et s'il est possible de produire tous les éléments de taille et de forme standard et ainsi d'automatiser le processus d'assemblage, le coût de l'équipement sera alors considérablement réduit. Sur la base d'un tel raisonnement, les partisans de la technologie hybride la considéraient comme l'orientation générale du développement de la microélectronique.

Mais tout le monde ne partageait pas cette opinion. Le fait est que les transistors mesa, et en particulier les transistors planaires, déjà créés à cette époque, étaient adaptés au traitement de groupe, dans lequel un certain nombre d'opérations de fabrication de plusieurs transistors sur une plaque de substrat étaient effectuées simultanément. Autrement dit, de nombreux transistors ont été fabriqués à la fois sur une seule plaquette semi-conductrice. Ensuite, la plaque a été découpée en transistors individuels, placés dans des boîtiers individuels. Et puis le fabricant de matériel a combiné les transistors sur une seule carte de circuit imprimé. Il y avait des gens qui pensaient que cette approche était ridicule : pourquoi séparer les transistors puis les reconnecter ? Est-il possible de les combiner immédiatement sur une plaquette semi-conductrice ? Débarrassez-vous par la même occasion de plusieurs opérations complexes et coûteuses ! Ces personnes ont inventé les circuits intégrés à semi-conducteurs.

L’idée est extrêmement simple et tout à fait évidente. Mais, comme cela arrive souvent, seulement après que quelqu'un l'ait annoncé et prouvé. Il a prouvé que le simple fait de l’annoncer n’est souvent pas suffisant, comme dans ce cas-ci. L'idée d'un circuit intégré a été annoncée en 1952, avant l'avènement des méthodes de groupe pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. Lors de la conférence annuelle sur les composants électroniques, tenue à Washington, Jeffrey Dummer, employé du British Royal Radar Office à Malvern, a présenté un rapport sur la fiabilité des composants radar. Dans le rapport, il fait une déclaration prophétique : « Avec l'avènement du transistor et les travaux dans le domaine de la technologie des semi-conducteurs, il est généralement possible d'imaginer un équipement électronique sous la forme d'un bloc massif ne contenant aucun fil de connexion. Le bloc peut être constitué de couches de matériaux isolants, conducteurs, rectifiants et de renforcement dans lesquelles certaines zones sont découpées afin de pouvoir remplir directement des fonctions électriques.. Mais cette prévision est passée inaperçue auprès des experts. Ils ne s'en sont souvenus qu'après l'apparition des premiers circuits intégrés à semi-conducteurs, c'est-à-dire après la preuve pratique d'une idée longtemps médiatisée. Quelqu'un devait être le premier à réinventer et à mettre en œuvre l'idée des circuits intégrés à semi-conducteurs.

Comme dans le cas du transistor, les créateurs généralement reconnus de circuits intégrés à semi-conducteurs ont eu des prédécesseurs plus ou moins réussis. Dammer lui-même a tenté de concrétiser son idée en 1956, mais a échoué. En 1953, Harvick Johnson de RCA a reçu un brevet pour un oscillateur monopuce et, en 1958, avec Torkel Wallmark, a annoncé le concept d'un « dispositif intégré à semi-conducteurs ». En 1956, Ross, employé des Bell Labs, a produit un circuit de compteur binaire basé sur base n-p-n-p structures dans un seul monocristal. En 1957, Yasuro Taru de la société japonaise MITI a reçu un brevet pour combiner divers transistors dans un seul cristal. Mais tous ces développements et d'autres similaires étaient de nature privée, n'étaient pas mis en production et ne sont pas devenus la base du développement. électronique intégrée. Seuls trois projets ont contribué au développement de la propriété intellectuelle dans la production industrielle.

Les plus chanceux étaient Jack Kilby de Texas Instruments (TI), Robert Noyce de Fairchild (tous deux des États-Unis) et Yuri Valentinovich Osokin du bureau d'études de l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Riga (URSS). Les Américains ont créé des échantillons expérimentaux de circuits intégrés : J. Kilby - un prototype de générateur IC (1958), puis un déclencheur sur transistors mesa (1961), R. Noyce - un déclencheur utilisant la technologie planaire (1961) et Yu. Osokin – le circuit intégré logique « 2NOT-OR » est immédiatement entré en production de masse en Allemagne (1962). Ces sociétés ont commencé la production en série d’IP presque simultanément, en 1962.

Premiers circuits intégrés à semi-conducteurs aux États-Unis

Propriété intellectuelle de Jack Kilby. Série IS SN-51”

En 1958, J. Kilby (un pionnier dans l'utilisation de transistors dans les aides auditives) a rejoint Texas Instruments. Le nouveau venu Kilby, en tant que concepteur de circuits, a été « lancé » dans l'amélioration du remplissage micromodulaire des fusées en créant une alternative aux micromodules. L'option d'assembler des blocs à partir de pièces de forme standard, similaire à l'assemblage de modèles de jouets à partir de figurines LEGO, a été envisagée. Cependant, Kilby était fasciné par autre chose. Le rôle décisif a été joué par l'effet d'un « regard neuf » : d'une part, il a immédiatement déclaré que les micromodules sont une impasse, et d'autre part, après avoir admiré les structures mesa, il est venu à l'idée que le circuit devrait (et peut) être mis en œuvre à partir d'un seul matériau - un semi-conducteur. Kilby connaissait l'idée de Dummer et sa tentative infructueuse de la mettre en œuvre en 1956. Après analyse, il comprit la raison de l'échec et trouva un moyen de le surmonter. " Mon mérite est d’avoir pris cette idée et de l’avoir transformée en réalité.», a déclaré J. Kilby plus tard dans son discours Nobel.

N'ayant pas encore obtenu le droit de partir, il a travaillé dans le laboratoire sans interférence pendant que tout le monde se reposait. Le 24 juillet 1958, Kilby a formulé un concept dans un journal de laboratoire appelé Monolithic Idea. Son essence était la suivante : « . ..les éléments de circuit tels que les résistances, les condensateurs, les condensateurs distribués et les transistors peuvent être intégrés dans une seule puce - à condition qu'ils soient constitués du même matériau... Dans la conception d'un circuit bascule, tous les éléments doivent être en silicium, les résistances utilisant la résistance volumique du silicium et les condensateurs - la capacité des jonctions p-n". L'« idée du monolithe » a suscité une attitude condescendante et ironique de la part de la direction de Texas Instruments, qui a exigé la preuve de la possibilité de fabriquer des transistors, des résistances et des condensateurs à partir d'un semi-conducteur et de l'opérabilité d'un circuit assemblé à partir de tels éléments.

En septembre 1958, Kilby réalisa son idée : il fabriqua un générateur à partir de deux morceaux de germanium mesurant 11,1 x 1,6 mm, collés ensemble avec de la cire d'abeille sur un substrat de verre, contenant deux types de régions de diffusion (Fig. 1). Il a utilisé ces zones et les contacts existants pour créer un circuit générateur, reliant les éléments avec de fins fils d'or d'un diamètre de 100 microns par soudage par thermocompression. Un mésatransistor a été créé à partir d’une zone et un circuit RC à partir de l’autre. Les trois générateurs assemblés ont été présentés à la direction de l'entreprise. Une fois l'alimentation connectée, ils ont commencé à fonctionner à une fréquence de 1,3 MHz. Cela s'est produit le 12 septembre 1958. Une semaine plus tard, Kilby fabriquait un amplificateur de la même manière. Mais il ne s'agissait pas encore de structures intégrées, il s'agissait de maquettes tridimensionnelles de circuits intégrés à semi-conducteurs, prouvant l'idée de fabriquer tous les éléments de circuit à partir d'un seul matériau - un semi-conducteur.

Riz. 3. Détente Type 502 J. Kilby. Photo du site http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1958-Miniaturized.html

Le premier circuit véritablement intégré de Kilby, réalisé dans une seule pièce de germanium monolithique, était le circuit intégré déclencheur expérimental de type 502 (Fig. 3). Il utilisait à la fois la résistance volumique du germanium et la capacité de la jonction p-n. Sa présentation a eu lieu en mars 1959. Un petit nombre de ces circuits intégrés ont été fabriqués en laboratoire et vendus à un petit cercle pour 450 dollars. Le circuit intégré contenait six éléments : quatre transistors mesa et deux résistances, placés sur une plaquette de silicium d'un diamètre de 1 cm. Mais le circuit intégré de Kilby présentait un sérieux inconvénient : les transistors mesa, qui, sous la forme de colonnes « actives » microscopiques, dominaient les autres. , partie « passive » du cristal. La connexion des colonnes mesa entre elles dans le Kilby IS a été réalisée au moyen de fins fils d'or bouillants - la « technologie poilue » détestée de tous. Il est devenu clair qu'avec de telles interconnexions, le microcircuit avec gros montant les éléments ne peuvent pas être fabriqués - la bande métallique se brisera ou se reconnectera. Et le germanium, à cette époque, était déjà considéré comme un matériau peu prometteur. Il n’y a eu aucune percée.

À cette époque, Fairchild avait développé la technologie du silicium planaire. Compte tenu de tout cela, Texas Instruments a dû mettre de côté tout ce que Kilby avait fait et commencer, sans Kilby, à développer une série de circuits intégrés basés sur la technologie du silicium planaire. En octobre 1961, la société a annoncé la création d'une série de circuits intégrés de type SN-51 et, en 1962, elle a commencé leur production et leurs livraisons en série dans l'intérêt du département américain de la Défense et de la NASA.

Propriété intellectuelle de Robert Noyce. Série ISMicrologique”

En 1957, pour plusieurs raisons, W. Shockley, l'inventeur du transistor planaire, quitte un groupe de huit jeunes ingénieurs qui souhaitent tenter de mettre en œuvre leurs propres idées. « Les Huit Traîtres », comme les appelait Shockley, dont les dirigeants étaient R. Noyce et G. Moore, fondèrent la société Fairchild Semiconductor (« bel enfant »). L'entreprise était dirigée par Robert Noyce, il avait alors 23 ans.

Fin 1958, le physicien D. Horney, qui travaillait chez Fairchild Semiconductor, développa la technologie planaire pour la fabrication de transistors. Et le physicien d'origine tchèque Kurt Lehovec, qui a travaillé chez Sprague Electric, a développé une technique permettant d'utiliser une jonction NP connectée en inverse pour isoler électriquement les composants. En 1959, Robert Noyce, ayant entendu parler de la conception des circuits intégrés de Kilby, décida d'essayer de créer un circuit intégré en combinant les processus proposés par Horney et Lehovec. Et au lieu d'une « technologie poilue » d'interconnexions, Noyce a proposé le dépôt sélectif d'une fine couche de métal sur des structures semi-conductrices isolées par du dioxyde de silicium avec une connexion aux contacts des éléments à travers des trous laissés dans la couche isolante. Cela a permis de « plonger » les éléments actifs dans le corps du semi-conducteur, en les isolant avec de l'oxyde de silicium, puis de relier ces éléments avec des pistes pulvérisées en aluminium ou en or, qui sont créées à l'aide des procédés de photolithographie, de métallisation et de gravure à la dernière étape de la fabrication du produit. Ainsi, une version véritablement « monolithique » de combinaison de composants en un seul circuit a été obtenue, et la nouvelle technologie a été appelée « planaire ». Mais il fallait d’abord tester l’idée.

Riz. 4. Déclencheur expérimental par R. Noyce. Photo du site http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

Riz. 5. Photo de Micrologic IC dans le magazine Life. Photo du site http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1960-FirstIC.html

En août 1959, R. Noyce chargea Joy Last de développer une version du circuit intégré basée sur la technologie planaire. Tout d'abord, comme Kilby, ils ont réalisé un prototype de déclencheur sur plusieurs cristaux de silicium, sur lequel ont été réalisés 4 transistors et 5 résistances. Puis, le 26 mai 1960, le premier déclencheur monopuce était fabriqué. Pour isoler les éléments qu'elle contient, des rainures profondes ont été gravées sur la face arrière de la plaquette de silicium et remplies de résine époxy. Le 27 septembre 1960, une troisième version du déclencheur a été fabriquée (Fig. 4), dans laquelle les éléments étaient isolés par une jonction p-n connectée en inverse.

Jusqu'alors, Fairchild Semiconductor ne s'occupait que des transistors ; elle ne disposait pas de concepteurs de circuits pour créer des circuits intégrés à semi-conducteurs. C'est pourquoi Robert Norman de Sperry Gyroscope a été invité en tant que concepteur de circuits. Norman connaissait la logique résistance-transistor, que la société, à sa suggestion, a choisie comme base pour sa future série de circuits intégrés « Micrologic », qui a trouvé sa première application dans l'équipement de la fusée Minuteman. En mars 1961, Fairchild annonçait le premier circuit intégré expérimental de cette série (flip-flop contenant six éléments : quatre transistors bipolaires et deux résistances placés sur une plaque d'un diamètre de 1 cm) avec la publication de sa photographie (Fig. 5 ) dans le magazine Vie(daté du 10 mars 1961). Cinq autres IP ont été annoncées en octobre. Et dès le début de 1962, Fairchild a lancé la production en série de circuits intégrés et leur fourniture, également dans l'intérêt du département américain de la Défense et de la NASA.

Kilby et Noyce ont dû écouter de nombreuses critiques concernant leurs innovations. On pensait que le rendement pratique de circuits intégrés appropriés serait très faible. Il est clair qu'elle devrait être inférieure à celle des transistors (puisqu'elle contient plusieurs transistors), pour lesquels elle n'était alors pas supérieure à 15 %. Deuxièmement, beaucoup pensaient que des matériaux inappropriés étaient utilisés dans les circuits intégrés, car à cette époque, les résistances et les condensateurs n'étaient pas fabriqués à partir de semi-conducteurs. Troisièmement, beaucoup ne pouvaient pas accepter l’idée de la non-réparabilité de la propriété intellectuelle. Il leur semblait blasphématoire de jeter un produit dont un seul élément parmi tant d’autres était défaillant. Tous les doutes ont été progressivement dissipés lorsque les circuits intégrés ont été utilisés avec succès dans les programmes militaires et spatiaux américains.

L'un des fondateurs de Fairchild Semiconductor, G. Moore, a formulé la loi fondamentale du développement de la microélectronique sur silicium, selon laquelle le nombre de transistors dans un cristal de circuit intégré doublait chaque année. Cette loi, appelée « loi de Moore », a fonctionné très clairement pendant les 15 premières années (à partir de 1959), puis ce doublement s'est produit en un an et demi environ.

En outre, le secteur de la propriété intellectuelle aux États-Unis a commencé à se développer à un rythme rapide. Aux États-Unis, un processus semblable à une avalanche d'émergence d'entreprises orientées exclusivement « pour le plan » a commencé, atteignant parfois le point qu'une douzaine d'entreprises étaient enregistrées par semaine. A la recherche d'anciens combattants (les cabinets W. Shockley et R. Noyce), ainsi que grâce aux incitations fiscales et aux services fournis par l'Université de Stanford, les « nouveaux arrivants » se sont concentrés principalement dans la vallée de Santa Clara (Californie). Il n’est donc pas surprenant qu’en 1971, avec la main légère du journaliste et vulgarisateur des innovations techniques Don Hofler, l’image romantique et technologique de la « Silicon Valley » soit apparue, devenant à jamais synonyme de la Mecque de la révolution technologique des semi-conducteurs. À propos, dans cette région, il y a vraiment une vallée qui était autrefois célèbre pour ses nombreux vergers d'abricots, de cerisiers et de pruniers, qui avant l'apparition de la société Shockley avait un autre nom plus agréable - la Vallée des Délices du Coeur, maintenant, malheureusement , presque oublié.

En 1962, la production de masse de circuits intégrés a commencé aux États-Unis, même si leur volume de livraisons aux clients ne s'élevait qu'à quelques milliers. La plus forte incitation au développement des industries de la fabrication d'instruments et de l'électronique en nouvelle base la technologie des fusées et de l'espace est apparue. Les États-Unis ne disposaient pas alors des mêmes puissants missiles balistiques intercontinentaux que les Soviétiques et, pour augmenter la charge, ils furent contraints de minimiser la masse du porteur, y compris les systèmes de contrôle, grâce à l'introduction des dernières avancées en matière de technologie électronique. . Texas Instrument et Fairchild Semiconductor ont conclu d'importants contrats pour la conception et la fabrication de circuits intégrés avec le département américain de la Défense et la NASA.

Les premiers circuits intégrés semi-conducteurs en URSS

À la fin des années 1950, l’industrie soviétique avait tellement besoin de diodes semi-conductrices et de transistors que des mesures radicales étaient nécessaires. En 1959, des usines de fabrication de semi-conducteurs ont été fondées à Alexandrov, Briansk, Voronej, Riga, etc. En janvier 1961, le Comité central du PCUS et le Conseil des ministres de l'URSS ont adopté une autre résolution « Sur le développement de l'industrie des semi-conducteurs », qui prévoyait la construction d'usines et d'instituts de recherche à Kiev, Minsk, Erevan, Naltchik et dans d'autres villes.

Nous serons intéressés par l'une des nouvelles usines - l'usine de dispositifs semi-conducteurs de Riga mentionnée ci-dessus (RZPP, elle a changé de nom à plusieurs reprises, pour plus de simplicité, nous utilisons la plus célèbre, qui est toujours en activité aujourd'hui). Le bâtiment de l'école technique coopérative en construction, d'une superficie de 5 300 m2, a été désigné comme rampe de lancement pour la nouvelle usine et, en même temps, la construction d'un bâtiment spécial a commencé. En février 1960, l'usine avait déjà créé 32 services, 11 laboratoires et une production pilote, qui commença en avril pour préparer la production des premiers appareils. L'usine employait déjà 350 personnes, dont 260 ont été envoyées étudier à l'Institut de recherche de Moscou-35 (plus tard l'Institut de recherche Pulsar) et à l'usine de Leningrad Svetlana au cours de l'année. Et à la fin des années 1960, le nombre d'employés atteignait 1 900 personnes. Initialement, les lignes technologiques étaient situées dans la salle de sport reconstruite du bâtiment de l'école technique coopérative, et les laboratoires OKB étaient situés dans les anciennes salles de classe. L'usine a produit les premiers dispositifs (transistors en germanium de diffusion et de conversion en alliage P-401, P-403, P-601 et P-602 développés par NII-35) 9 mois après la signature de la commande pour sa création, en mars 1960. Et fin juillet, il avait fabriqué les mille premiers transistors P-401. Puis il maîtrise la production de nombreux autres transistors et diodes. En juin 1961, la construction d'un bâtiment spécial a été achevée, dans laquelle la production en série de dispositifs semi-conducteurs a commencé.

Depuis 1961, l'usine a commencé des travaux technologiques et de développement indépendants, notamment la mécanisation et l'automatisation de la production de transistors basés sur la photolithographie. À cette fin, le premier répéteur photo domestique (tampon photo) a été développé - une installation de combinaison et d'impression photo par contact (développée par A.S. Gotman). Une grande aide dans le financement et la fabrication d'équipements uniques a été fournie par des entreprises du ministère de l'Industrie radiophonique, notamment KB-1 (plus tard NPO Almaz, Moscou) et NIIRE. À cette époque, les développeurs les plus actifs d'équipements radio de petite taille, ne disposant pas de leur propre base technologique de semi-conducteurs, cherchaient des moyens d'interagir de manière créative avec les usines de semi-conducteurs nouvellement créées.

Au RZPP, des travaux actifs ont été menés pour automatiser la production de transistors au germanium des types P401 et P403 sur la base de la ligne de production Ausma créée par l'usine. Son concepteur en chef (GC) A.S. Gottman a proposé de créer des chemins de courant à la surface du germanium depuis les électrodes du transistor jusqu'à la périphérie du cristal pour faciliter le soudage des conducteurs du transistor dans le boîtier. Mais surtout, ces pistes pouvaient être utilisées comme bornes externes du transistor lorsqu'elles étaient assemblées en cartes (contenant des éléments de connexion et passifs) sans emballage, en les soudant directement aux plages de contact correspondantes (en fait, la technologie de création de circuits intégrés hybrides était proposé). La méthode proposée, dans laquelle les chemins de courant du cristal semblent embrasser les plages de contact de la carte, a reçu le nom original - « technologie du baiser ». Mais en raison d'un certain nombre de problèmes technologiques qui se sont révélés insolubles à cette époque, principalement liés à des problèmes de précision d'obtention de contacts sur un circuit imprimé, il n'a pas été possible de mettre en œuvre pratiquement la « technologie du baiser ». Quelques années plus tard, une idée similaire a été mise en œuvre aux États-Unis et en URSS et a trouvé une large application dans la technologie dite des « câbles à billes » et dans la technologie « chip-to-board ».

Cependant, les sociétés de matériel informatique coopérant avec le RZPP, dont le NIIRE, espéraient une « technologie du baiser » et planifiaient son utilisation. Au printemps 1962, lorsqu'il devint évident que sa mise en œuvre était reportée sine die, l'ingénieur en chef du NIIRE V.I. Smirnov a demandé au directeur de RZPP S.A. Bergman pour trouver une autre façon de mettre en œuvre un circuit 2NOR multi-éléments, universel pour la construction d'appareils numériques.

Riz. 7. Circuit équivalent de IC R12-2 (1LB021). Tiré du prospectus IP de 1965.

Le premier SI et SIG par Yuri Osokin. Schéma solide R12-2(série IS 102 Et 116 )

Le directeur du RZPP a confié cette tâche au jeune ingénieur Yuri Valentinovich Osokin. Nous avons organisé un département composé d'un laboratoire technologique, d'un laboratoire de développement et de production de masques photo, d'un laboratoire de mesure et d'une ligne de production pilote. À cette époque, la technologie de fabrication des diodes et des transistors au germanium a été fournie à RZPP et a servi de base au nouveau développement. Et déjà à l'automne 1962, les premiers prototypes du circuit solide en germanium 2NOT-OR furent obtenus (puisque le terme IS n'existait pas alors, par respect pour les affaires de l'époque, on retiendra le nom de « circuit dur » - TS), qui a reçu la désignation d'usine « P12-2 ». Un livret publicitaire de 1965 sur P12-2 a survécu (Fig. 6), informations et illustrations dont nous utiliserons. Le TS R12-2 contenait deux transistors p-n-p en germanium (transistors modifiés de type P401 et P403) avec une charge commune sous la forme d'une résistance distribuée de type p en germanium (Fig. 7).

Riz. 8. Structure du CI R12-2. Tiré du prospectus IP de 1965.

Riz. 9. Dessin dimensionnel du véhicule R12-2. Tiré du prospectus IP de 1965.

Les conducteurs externes sont formés par soudage par thermocompression entre les régions en germanium de la structure TC et l'or des conducteurs de plomb. Cela garantit un fonctionnement stable des circuits sous influences extérieures dans des conditions tropicales et de brouillard marin, ce qui est particulièrement important pour le fonctionnement des centraux téléphoniques automatiques quasi électroniques navals produits par l'usine de Riga VEF, qui s'est également intéressée à ce développement.

Structurellement, le R12-2 TS (et le R12-5 ultérieur) ont été réalisés sous la forme d'une « tablette » (Fig. 9) à partir d'une coupelle métallique ronde d'un diamètre de 3 mm et d'une hauteur de 0,8 mm. Le cristal TC y était placé et rempli d'un composé polymère, d'où sortaient les extrémités extérieures courtes des fils en fil d'or doux d'un diamètre de 50 microns, soudés au cristal. La masse de P12-2 ne dépassait pas 25 mg. Dans cette conception, les véhicules résistaient à une humidité relative de 80 % à une température ambiante de 40 °C et aux changements de température cycliques de -60 ° à 60 °C.

À la fin de 1962, la production pilote du RZPP produisait environ 5 000 véhicules R12-2 et, en 1963, plusieurs dizaines de milliers d'entre eux étaient fabriqués. Ainsi, 1962 est devenue l’année de naissance de l’industrie microélectronique aux États-Unis et en URSS.

Riz. 10. Groupes TS R12-2

Riz. 11. Caractéristiques électriques de base du R12-2

La technologie des semi-conducteurs en était alors à ses balbutiements et ne garantissait pas encore une stricte répétabilité des paramètres. Par conséquent, les appareils utilisables ont été triés en groupes de paramètres (cela se fait souvent à notre époque). Les habitants de Riga ont fait de même en installant 8 classifications standards du véhicule R12-2 (Fig. 10). Toutes les autres caractéristiques électriques et autres sont les mêmes pour toutes les valeurs standard (Fig. 11).

La production du TS R12-2 a commencé simultanément avec la R&D « Dureté », qui s'est terminée en 1964 (GK Yu.V. Osokin). Dans le cadre de ces travaux, une amélioration technologie de groupe production en série de véhicules en germanium basée sur la photolithographie et le dépôt galvanique d'alliages à travers un photomasque. Ses principales solutions techniques sont enregistrées comme invention par Yu.V. Osokin. et Mikhalovitch D.L. (A.S. n° 36845). Plusieurs articles de Yu.V. ont été publiés dans la revue classifiée Spetsradioelectronics. Osokina en collaboration avec les spécialistes KB-1 I.V. Rien, G.G. Smolko et Yu.E. Naumov avec une description de la conception et des caractéristiques du véhicule R12-2 (et du véhicule R12-5 ultérieur).

La conception du P12-2 était bonne en tout, sauf sur une chose : les consommateurs ne savaient pas comment utiliser des produits aussi petits avec les câbles les plus fins. En règle générale, les fabricants de matériel informatique ne disposaient ni de la technologie ni de l'équipement nécessaires. Pendant toute la période de production du R12-2 et du R12-5, leur utilisation a été maîtrisée par le NIIRE, l'usine radio Zhigulevsky du ministère de l'Industrie radiophonique, VEF, NIIP (depuis 1978 NPO Radiopribor) et quelques autres entreprises. Comprenant le problème, les développeurs de TS, en collaboration avec le NIIRE, ont immédiatement pensé à un deuxième niveau de conception, qui en même temps augmentait la densité de la disposition des équipements.

Riz. 12. Module de 4 véhicules R12-2

En 1963, au NIIRE, dans le cadre des travaux de conception et de développement de Kvant (GK A.N. Pelipenko, avec la participation de E.M. Lyakhovich), une conception de module a été développée combinant quatre véhicules R12-2 (Fig. 12). De deux à quatre appareils R12-2 (dans un boîtier) ont été placés sur une microcarte en fibre de verre fine, qui implémentait collectivement une certaine unité fonctionnelle. Jusqu'à 17 broches (le nombre variait pour un module spécifique) d'une longueur de 4 mm ont été pressées sur la carte. Le microboard a été placé dans une coupelle en métal estampé mesurant 21,6 ? 6,6 mm et 3,1 mm de profondeur et rempli d'un composé polymère. Le résultat est un circuit intégré hybride (HIC) avec double étanchéité des éléments. Et, comme nous l'avons déjà dit, il s'agissait du premier SIG au monde à intégration à deux niveaux et, peut-être, du premier SIG en général. Huit types de modules ont été développés sous le nom général « Quantum », qui remplissaient diverses fonctions logiques. Dans le cadre de ces modules, les véhicules R12-2 sont restés opérationnels lorsqu'ils ont été exposés à des accélérations constantes allant jusqu'à 150 g et à des charges vibratoires dans la plage de fréquences de 5 à 2 000 Hz avec une accélération allant jusqu'à 15 g.

Les modules Kvant ont d'abord été produits par la production pilote du NIIRE, puis transférés à l'usine radio Zhigulevsky du ministère de l'Industrie radiophonique de l'URSS, qui les a fournis à divers consommateurs, y compris l'usine VEF.

Les modules TS R12-2 et « Kvant » basés sur ceux-ci ont fait leurs preuves et sont largement utilisés. En 1968, une norme a été publiée établissant un système de désignation unifié pour les circuits intégrés dans le pays, et en 1969 - Spécifications techniques générales pour les circuits intégrés semi-conducteurs (NP0.073.004TU) et hybrides (NP0.073.003TU) avec système unifié exigences. Conformément à ces exigences, le Bureau central pour l'application des circuits intégrés (TsBPIMS, plus tard CDB Dayton, Zelenograd) a approuvé le 6 février 1969 de nouvelles spécifications techniques ShT3.369.001-1TU pour le véhicule. Dans le même temps, le terme « circuit intégré » de la série 102 apparaît pour la première fois dans la désignation du produit. TS R12-2 commence à s'appeler IS : 1LB021V, 1LB021G, 1LB021ZH, 1LB021I. En fait, il s'agissait d'un seul circuit intégré, classé en quatre groupes en fonction de la tension de sortie et de la capacité de charge.

Riz. 13. CI séries 116 et 117

Et le 19 septembre 1970, le TsBPIMS a approuvé les spécifications techniques AB0.308.014TU pour les modules Kvant, désignés IS série 116 (Fig. 13). La série comprenait neuf circuits intégrés : 1ХЛ161, 1ХЛ162 et 1ХЛ163 – multifonctionnels circuits numériques; 1LE161 et 1LE162 – deux et quatre éléments logiques 2NOR ; 1TP161 et 1TP1162 – un et deux déclencheurs ; 1UP161 – amplificateur de puissance, ainsi que 1LP161 – élément logique « inhibition » pour 4 entrées et 4 sorties. Chacun de ces circuits intégrés avait quatre à sept options de conception, différant par la tension des signaux de sortie et capacité de chargement, il y avait 58 types de circuits intégrés au total. Les dessins étaient marqués d'une lettre après la partie numérique de la désignation IS, par exemple 1ХЛ161ж. Par la suite, la gamme de modules s'est élargie. Les circuits intégrés de la série 116 étaient en réalité hybrides, mais à la demande du RZPP, ils ont été étiquetés comme semi-conducteurs (le premier chiffre de la désignation est « 1 », les circuits hybrides devraient avoir « 2 »).

En 1972, par décision conjointe du ministère de l'Industrie électronique et du ministère de l'Industrie radiophonique, la production de modules a été transférée de l'usine radio Zhigulevsky à RZPP. Cela a éliminé la possibilité de transporter les circuits intégrés de la série 102 sur de longues distances, et ils ont donc abandonné la nécessité de sceller la puce de chaque circuit intégré. En conséquence, la conception des circuits intégrés des séries 102 et 116 a été simplifiée : il n'était pas nécessaire de conditionner les circuits intégrés de la série 102 dans une coupelle métallique remplie de composé. Les CI non emballés de la série 102 dans des conteneurs technologiques ont été livrés à un atelier voisin pour l'assemblage des CI de la série 116, montés directement sur leur microcarte et scellés dans le boîtier du module.

Au milieu des années 1970, une nouvelle norme pour le système de désignation IP a été publiée. Après cela, par exemple, IS 1LB021V a reçu la désignation 102LB1V.

Deuxième SI et SIG par Yuri Osokin. Schéma solide R12-5(série IS 103 Et 117 )

Au début de 1963, à la suite de travaux sérieux sur le développement de transistors n-p-n haute fréquence, l'équipe de Yu.V. Osokina a accumulé une vaste expérience en travaillant avec les couches P sur la plaquette de n-germanium originale. Ceci et la présence de tous les composants technologiques nécessaires ont permis à Osokin de commencer en 1963 à développer de nouvelles technologies et à concevoir une version plus rapide du véhicule. En 1964, sur ordre du NIIRE, le développement du véhicule R12-5 et des modules basés sur celui-ci a été achevé. Sur la base de ses résultats, le R&D de Palanga a été ouvert en 1965 (GK Yu.V. Osokin, son adjoint - D.L. Mikhalovich, a achevé ses travaux en 1966). Les modules basés sur le R12-5 ont été développés au sein du même projet R&D « Kvant » que les modules basés sur le R12-2. Simultanément aux spécifications techniques des séries 102 et 116, les spécifications techniques ShT3.369.002-2TU pour le circuit intégré de la série 103 (R12-5) et AV0.308.016TU pour le circuit intégré de la série 117 (modules basés sur le circuit intégré de la série 103) ont été approuvé. La nomenclature des types et des valeurs standard du TS R12-2, des modules qui les composent et des séries IS 102 et 116 était identique à la nomenclature des séries TS R12-5 et IS 103 et 117, respectivement. Ils ne différaient que par la vitesse et la technologie de fabrication du cristal IC. Le temps de propagation typique de la série 117 était de 55 ns contre 200 ns pour la série 116.

Structurellement, le R12-5 TS était une structure semi-conductrice à quatre couches (Fig. 14), dans laquelle le substrat de type n et les émetteurs de type p + étaient connectés à un bus de masse commun. Les principales solutions techniques pour la construction du véhicule R12-5 sont enregistrées comme étant l'invention de Yu.V. Osokin, D.L. Mikhalovich. Kaydalova Zh.A et Akmensa Ya.P. (A.S. n° 248847). Lors de la fabrication de la structure à quatre couches du TC R12-5, un savoir-faire important a été la formation d'une couche P de type N dans la plaque de germanium d'origine. Ceci a été réalisé par diffusion de zinc dans une ampoule de quartz scellée, où les plaques sont situées à une température d'environ 900°C, et le zinc est situé à l'autre extrémité de l'ampoule à une température d'environ 500°C. La structure TS dans la couche P créée est similaire à celle du TS P12-2. Nouvelle technologie nous a permis de nous éloigner de la forme complexe du cristal TS. Les tranches avec P12-5 ont également été meulées depuis l'arrière jusqu'à une épaisseur d'environ 150 microns, préservant une partie de la tranche d'origine, puis elles ont été gravées dans des puces IC rectangulaires individuelles.

Riz. 14. Structure du cristal TS R12-5 du numéro AS 248847. 1 et 2 – masse, 3 et 4 – entrées, 5 – sortie, 6 – alimentation

Après les premiers résultats positifs de la production de véhicules expérimentaux R12-5, le projet de recherche Mezon-2 a été ouvert sur ordre de KB-1, visant à créer un véhicule équipé de quatre R12-5. En 1965, des échantillons de travail dans un boîtier plat en métal-céramique ont été obtenus. Mais le P12-5 s'est avéré difficile à fabriquer, principalement en raison de la difficulté de former une couche P dopée au zinc sur la plaquette de n-Ge d'origine. La production du cristal s'est avérée laborieuse, le pourcentage de rendement est faible et le coût du véhicule est élevé. Pour les mêmes raisons, le R12-5 TC a été produit en petits volumes et ne pouvait pas remplacer le R12-2, plus lent mais plus avancé technologiquement. Et le projet de recherche Mezon-2 n'a pas été poursuivi du tout, notamment en raison de problèmes d'interconnexion.

À cette époque, l'Institut de recherche Pulsar et le NIIME menaient déjà des travaux approfondis sur le développement de la technologie du silicium planaire, qui présente de nombreux avantages par rapport à la technologie du germanium, dont le principal est une plage de températures de fonctionnement plus élevée (+150°C). pour le silicium et +70°C pour le germanium) et la présence d'un film protecteur naturel de SiO 2 sur le silicium. Et la spécialisation du RZPP a été réorientée vers la création de circuits intégrés analogiques. Par conséquent, les spécialistes du RZPP ont jugé inapproprié le développement de la technologie du germanium pour la production de circuits intégrés. Cependant, dans la production de transistors et de diodes, le germanium n'a pas perdu sa place depuis un certain temps. Dans le département de Yu.V. Osokin, après 1966, ont été développés et produits des transistors micro-ondes planaires à faible bruit en germanium RZPP GT329, GT341, GT 383, etc.. Leur création a reçu le Prix d'État de l'URSS lettone.

Application

Riz. 15. Dispositif arithmétique sur modules à circuits solides. Photo du livret TS daté de 1965.

Riz. 16. Dimensions comparatives du dispositif de commande automatique du central téléphonique, réalisé sur un relais et un véhicule. Photo du livret TS daté de 1965.

Les clients et premiers consommateurs du R12-2 TS et des modules ont été les créateurs de systèmes spécifiques : l'ordinateur Gnome (Fig. 15) pour le système embarqué de l'avion Kupol (NIIRE, GK Lyakhovich E.M.) et les centraux téléphoniques automatiques navals et civils (usine VEF, GK Misulovin L.Ya.). A participé activement à toutes les étapes de la création des véhicules et modules R12-2, R12-5 sur ceux-ci et KB-1, le principal conservateur de cette coopération de KB-1 était N.A. Barkanov. Aide au financement, à la production d'équipements, à la recherche de véhicules et de modules en divers modes et les conditions d'exploitation.

Les modules TS R12-2 et « Kvant » basés sur celui-ci ont été les premiers microcircuits du pays. Et au monde, ils ont été parmi les premiers - ce n'est qu'aux États-Unis que Texas Instruments et Fairchild Semiconductor ont commencé à produire leurs premiers circuits intégrés à semi-conducteurs, et en 1964, IBM Corporation a commencé à produire des circuits intégrés hybrides à couche épaisse pour ses ordinateurs. Dans d’autres pays, la propriété intellectuelle n’a pas encore été envisagée. Les circuits intégrés constituaient donc une curiosité pour le public ; l'efficacité de leur utilisation produisait une impression frappante et était mise en avant dans la publicité. Le livret survivant sur le véhicule R12-2 de 1965 (basé sur des applications réelles) dit : « L'utilisation de circuits à semi-conducteurs P12-2 dans les appareils informatiques embarqués permet de réduire de 10 à 20 fois le poids et les dimensions de ces appareils, de réduire la consommation d'énergie et d'augmenter la fiabilité opérationnelle. ... L'utilisation de circuits solides P12-2 dans les systèmes de contrôle et la commutation des chemins de transmission d'informations des centraux téléphoniques automatiques permet de réduire le volume des dispositifs de contrôle d'environ 300 fois, ainsi que de réduire considérablement la consommation électrique (30-50 fois)" . Ces déclarations ont été illustrées par des photographies du dispositif arithmétique de l'ordinateur Gnome (Fig. 15) et une comparaison du rack ATS à relais produit par l'usine VEF à cette époque avec un petit bloc sur la paume de la fille (Fig. 16) . Il existe de nombreuses autres applications des premiers circuits intégrés de Riga.

Production

Il est désormais difficile de restituer une image complète des volumes de production des séries IC 102 et 103 par année (aujourd'hui, RZPP est passée d'une grande usine à une petite production et de nombreuses archives ont été perdues). Mais selon les mémoires de Yu.V. Osokin, dans la seconde moitié des années 1960, la production s'élevait à plusieurs centaines de milliers par an, dans les années 1970, à des millions. Selon ses notes personnelles survivantes, en 1985, les circuits intégrés de la série 102 ont été produits - 4 100 000 pièces, les modules de la série 116 - 1 025 000 pièces, les circuits intégrés de la série 103 - 700 000 pièces, les modules de la série 117 - 175 000 pièces. .

Fin 1989, Yu.V. Osokin, alors directeur général de l'Alpha Production Association, s'est tourné vers la direction de la Commission militaro-industrielle du Conseil des ministres de l'URSS (MIC) pour lui demander de retirer les séries 102, 103, 116 et 117 de la production en raison de leur obsolescence et une forte intensité de travail (en 25 ans, la microélectronique est loin d'avoir progressé), mais a reçu un refus catégorique. Vice-président du complexe militaro-industriel V.L. Koblov lui a dit que les avions volaient de manière fiable et que le remplacement était exclu. Après l'effondrement de l'URSS, les séries IC 102, 103, 116 et 117 ont été produites jusqu'au milieu des années 1990, soit pendant plus de 30 ans. Les ordinateurs Gnome sont toujours installés dans la cabine de navigation de l'Il-76 et de certains autres avions. "C'est un supercalculateur", nos pilotes ne sont pas désemparés lorsque leurs collègues étrangers sont surpris par leur intérêt pour cet appareil inédit.

À propos des priorités

Malgré le fait que J. Kilby et R. Noyce aient eu des prédécesseurs, ils sont reconnus par la communauté mondiale comme les inventeurs du circuit intégré.

R. Kilby et J. Noyce, par l'intermédiaire de leurs sociétés, ont déposé des demandes de brevet pour l'invention d'un circuit intégré. Texas Instruments a déposé une demande de brevet plus tôt, en février 1959, et Fairchild ne l'a fait qu'en juillet de la même année. Mais le brevet numéro 2981877 a été délivré en avril 1961 à R. Noyce. J. Kilby a intenté une action en justice et n'a reçu son brevet numéro 3138743 qu'en juin 1964. Il y a ensuite eu une guerre de priorités de dix ans, à la suite de laquelle (dans de rares cas) « l'amitié a gagné ». En fin de compte, la Cour d'appel a confirmé la prétention de Noyce à la primauté technologique, mais a statué que J. Kilby devait être crédité de la création du premier microcircuit fonctionnel. Et Texas Instruments et Fairchild Semiconductor ont signé un accord sur les technologies de licences croisées.

En URSS, le brevetage des inventions ne procurait aux auteurs que des tracas, un paiement unique insignifiant et une satisfaction morale, de sorte que de nombreuses inventions n'étaient pas du tout enregistrées. Et Osokin n'était pas non plus pressé. Mais pour les entreprises, le nombre d’inventions était l’un des indicateurs, elles devaient donc toujours être enregistrées. Par conséquent, Yu. Osokina et D. Mikhalovich n'ont reçu le certificat d'auteur de l'URSS n° 36845 pour l'invention du véhicule R12-2 que le 28 juin 1966.

Et J. Kilby est devenu en 2000 l'un des lauréats du prix Nobel pour l'invention de la propriété intellectuelle. R. Noyce n'a pas reçu de reconnaissance mondiale, il est décédé en 1990 et, selon le règlement, le prix Nobel n'est pas décerné à titre posthume. Ce qui, dans ce cas, n'est pas tout à fait juste, puisque toute la microélectronique a suivi la voie amorcée par R. Noyce. L'autorité de Noyce parmi les spécialistes était si élevée qu'il reçut même le surnom de « maire de la Silicon Valley », car il était alors le plus populaire des scientifiques travaillant dans cette partie de la Californie, qui reçut le nom officieux de Silicon Valley (V. Shockley s'appelait « Moïse de la Silicon Valley »). Mais le chemin de J. Kilby (germanium « poilu ») s'est avéré être une impasse et n'a pas été mis en œuvre même dans son entreprise. Mais la vie n'est pas toujours juste.

Le prix Nobel a été décerné à trois scientifiques. La moitié de cette somme a été reçue par Jack Kilby, 77 ans, et l'autre moitié a été partagée entre l'académicien de l'Académie russe des sciences Zhores Alferov et le professeur de l'Université de Californie à Santa Barbara, l'allemand-américain Herbert Kremer, pour « le développement d’hétérostructures semi-conductrices utilisées en optoélectronique à grande vitesse.

En évaluant ces travaux, les experts ont noté que "les circuits intégrés sont, bien entendu, la découverte du siècle, qui a eu un profond impact sur la société et l'économie mondiale". Pour l’oublié J. Kilby, le prix Nobel a été une surprise. Dans une interview avec le magazine Actualités Europhysique Il admit: " À cette époque, je ne pensais qu’à ce qui serait important d’un point de vue économique pour le développement de l’électronique. Mais je ne comprenais pas alors que la réduction du coût des produits électroniques provoquerait une avalanche de croissance dans les technologies électroniques.».

Et les travaux de Yu. Osokin ne sont pas seulement appréciés par le Comité Nobel. Ils sont également oubliés dans notre pays ; la priorité du pays dans la création de la microélectronique n’est pas protégée. Et il l’était sans aucun doute.

Dans les années 1950, la base matérielle a été créée pour la formation de produits multi-éléments - des circuits intégrés - dans un cristal monolithique ou sur un substrat céramique. Il n’est donc pas surprenant que presque simultanément l’idée de propriété intellectuelle soit apparue indépendamment dans l’esprit de nombreux spécialistes. Et la rapidité de mise en œuvre d'une nouvelle idée dépendait des capacités technologiques de l'auteur et de l'intérêt du fabricant, c'est-à-dire de la présence du premier consommateur. À cet égard, Yu. Osokin s'est retrouvé dans une meilleure position que ses collègues américains. Kilby était nouveau chez TI, il devait même prouver à la direction de l'entreprise la possibilité fondamentale de mettre en œuvre un circuit monolithique en réalisant son tracé. En fait, le rôle de J. Kilby dans la création de l'IP revient à rééduquer la direction de TI et à inciter R. Noyce à agir activement avec sa mise en page. L'invention de Kilby n'a pas été produite en série. R. Noyce, dans sa jeune et pas encore entreprise solide, est allé créer une nouvelle technologie planaire, qui est effectivement devenue la base de la microélectronique ultérieure, mais n'a pas immédiatement cédé à l'auteur. En relation avec ce qui précède, eux et leurs entreprises ont dû consacrer beaucoup d'efforts et de temps pour mettre en pratique leurs idées sur la construction de circuits intégrés produits en série. Leurs premiers échantillons sont restés expérimentaux, mais d'autres microcircuits, qu'ils n'ont même pas développés, ont été produits en série. Contrairement à Kilby et Noyce, qui étaient loin de la production, le propriétaire de l'usine Yu. Osokin s'appuyait sur les technologies de semi-conducteurs RZPP développées industriellement, et il avait garanti aux consommateurs des premiers véhicules sous la forme de l'initiateur du développement du NIIRE et de l'usine voisine VEF, qui a aidé dans ce travail. Pour ces raisons, la première version de son véhicule est immédiatement passée en production expérimentale, qui a ensuite évolué en douceur vers une production de masse, qui s'est poursuivie sans interruption pendant plus de 30 ans. Ainsi, ayant commencé à développer le TS plus tard que Kilby et Noyce, Yu. Osokin (ne connaissant pas cette compétition) les rattrapa rapidement. De plus, les travaux de Yu. Osokin n'ont aucun lien avec les travaux des Américains, comme en témoigne la dissemblance absolue de son véhicule et des solutions mises en œuvre à partir des microcircuits Kilby et Noyce. Texas Instruments (et non l'invention de Kilby), Fairchild et RZPP ont commencé la production de leurs circuits intégrés presque simultanément, en 1962. Cela donne tous les droits considérez Yu. Osokin comme l'un des inventeurs du circuit intégré au même titre que R. Noyce et plus que J. Kilby, et il serait juste de partager une partie du prix Nobel pour J. Kilby avec Yu. Osokin. Quant à l'invention du premier SIG à intégration à deux niveaux (et éventuellement du SIG en général), ici la priorité d'A. Pelipenko du NIIRE est absolument incontestable.

Malheureusement, il n'a pas été possible de trouver des échantillons de véhicules et d'appareils basés sur ceux-ci, nécessaires aux musées. L’auteur serait très reconnaissant pour de tels échantillons ou photographies d’eux.

Classification des circuits intégrés

Selon la conception et la conception technologique, ils se distinguent CI semi-conducteurs, films et hybrides.

Les dispositifs semi-conducteurs comprennent les SMC (circuits intégrés à semi-conducteurs), dont tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés dans le volume ou à la surface du semi-conducteur. Selon les méthodes d'isolation des éléments individuels, on distingue les PMS avec isolation par jonctions p-n et les microcircuits avec isolation diélectrique (oxyde). Le SLM peut également être réalisé sur un substrat en matériau diélectrique à base de transistors à la fois bipolaires et à effet de champ. Généralement, dans ces circuits, les transistors sont réalisés sous la forme de structures à trois couches avec deux jonctions p-n (type n-p-n), et les diodes sont réalisées sous la forme de structures à deux couches avec une jonction p-n. Parfois, au lieu de diodes, des transistors sont utilisés dans la connexion des diodes. Les résistances PMS, représentées par des sections d'un semi-conducteur dopé à deux bornes, ont une résistance de plusieurs kilo-ohms. La résistance inverse d'une jonction p-n ou la résistance d'entrée des répéteurs émetteurs sont parfois utilisées comme résistances à haute résistance. Le rôle des condensateurs dans le PMS est assuré par des jonctions p-rt polarisées en inverse. La capacité de ces condensateurs est de 50 à 200 pF. Il est difficile de créer des selfs dans le PMS, c'est pourquoi la plupart des appareils sont conçus sans éléments inductifs. Tous les éléments PMS sont produits en un seul cycle technologique dans un cristal semi-conducteur. Les connexions des éléments de tels circuits sont réalisées à l'aide de films d'aluminium ou d'or réalisés par dépôt sous vide. Le circuit est connecté aux bornes externes à l'aide de conducteurs en aluminium ou en or d'un diamètre d'environ 10 microns, qui sont fixés sur des films par compression thermique puis soudés aux bornes externes du microcircuit. Les puces semi-conductrices peuvent dissiper une puissance de 50 à 100 mW, fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 20 à 100 MHz et fournir un temps de retard allant jusqu'à 5 ns. La densité d'installation d'appareils électroniques sur le PMS peut aller jusqu'à 500 éléments par 1 cm3. Un cycle technologique de groupe moderne permet le traitement simultané de dizaines de tranches de semi-conducteurs, chacune contenant des centaines de PMS avec des centaines d'éléments dans le cristal, connectés dans des circuits électroniques donnés. Cette technologie garantit une identité élevée Caractéristiques électriques microcircuits

Intégrale du film(ou simplement circuits de films PS) sont appelés IC, dont tous les éléments et connexions inter-éléments sont réalisés uniquement sous forme de films. Les circuits intégrés sont divisés en couches minces et épaisses. Ces régimes peuvent présenter des différences quantitatives et qualitatives. Les CI avec des épaisseurs de film allant jusqu'à 1 micron sont classiquement classés comme des couches minces, et les CI avec des épaisseurs de film supérieures à 1 µm sont classés comme des couches épaisses. La différence qualitative est déterminée par la technologie de fabrication du film. Les éléments IC en couches minces sont déposés sur le substrat par dépôt thermique sous vide et pulvérisation cathodique. Les éléments des circuits intégrés à couche épaisse sont fabriqués principalement par sérigraphie suivie d'une gravure.

Circuits intégrés hybrides(GIS) sont une combinaison d'éléments radio actifs montés (microtransistors, diodes) et d'éléments passifs en film et de leurs connexions. Généralement, les SIG contiennent : des bases isolantes en verre ou. céramique, cadres à la surface desquels ne sont pas formés des films conducteurs, des résistances, des condensateurs grande capacité; éléments actifs montés à cadre ouvert (diodes, transistors); éléments passifs montés de conception miniature (selfs, transformateurs, condensateurs de grande capacité), qui ne peuvent pas être réalisés sous forme de films. Un tel SIG fabriqué est scellé dans du plastique ou boîtier métallique. Les résistances d'une résistance allant du millième d'ohm à la dizaine de kilo-ohms en GIS sont réalisées sous la forme d'un film mince de nichrome ou de tantale. Les films sont appliqués sur une base isolante (substrat) et soumis à un recuit thermique. Pour obtenir des résistances d'une résistance de plusieurs dizaines de mégaohms, des mélanges métal-diélectrique (chrome, monoxyde de silicium, etc.) sont utilisés. Les dimensions moyennes des résistances à film sont de (1 - 2) X 10 ~ 3 cm2. Les condensateurs du SIG sont constitués de films minces de cuivre, d'argent, d'aluminium ou d'or. Ces métaux sont pulvérisés d'une sous-couche de chrome, de titane et de molybdène, assurant une bonne adhésion au matériau isolant du substrat. Un film d'oxyde de silicium, de béryllium, de dioxyde de titane, etc. est utilisé comme diélectrique dans les condensateurs. Les condensateurs à film sont fabriqués avec une capacité allant de dixièmes de picofarad à des dizaines de milliers de picofarads avec des tailles allant de 10 ~ 3 à 1 cm2. Les conducteurs GIS, à l'aide desquels sont réalisées les connexions inter-éléments et les connexions aux bornes de sortie, sont réalisés sous la forme d'un mince film d'or, de cuivre ou d'aluminium avec une sous-couche de nickel, chrome, titane, qui assure une haute adhérence à le support isolant. Les circuits intégrés hybrides, dans lesquels l'épaisseur des films formés lors de la fabrication d'éléments passifs peut atteindre 1 micron avec une largeur de 100 à 200 microns, sont classés comme films minces. De tels films sont produits par projection thermique sur la surface de substrats sous vide à l'aide de pochoirs et de peintures. Les circuits intégrés hybrides d'une épaisseur de 1 micron ou plus sont classés comme films épais et sont fabriqués par pulvérisation de pâtes conductrices ou diélectriques sur des substrats à l'aide de pochoirs à mailles, puis par combustion dans les substrats à haute température. Ces régimes ont grandes tailles et beaucoup d'éléments passifs. Les éléments actifs montés sont constitués de conducteurs « à bille » flexibles ou rigides, qui sont connectés à une puce de film par brasage ou soudage.

La densité des éléments passifs et actifs avec leur disposition multicouche dans un SIG réalisé à l'aide de la technologie des couches minces atteint 300 à 500 éléments par 1 cm3, et la densité d'installation d'appareils électroniques sur un SIG est de 60 à 100 éléments par 1 cm3. Avec une telle densité d'installation, le volume de l'appareil contenant 107 éléments est de 0,1 à 0,5 m3 et la durée de fonctionnement sans problème est de 103 à 104 heures.

Le principal avantage du SIG est la possibilité d'intégration partielle d'éléments réalisés à l'aide de différentes technologies(bipolaires, couches minces et épaisses, etc.) avec une large gamme de paramètres électriques (basse puissance, forte puissance, actif, passif, haut débit, etc.).

Actuellement, l'hybridation de différents types de circuits intégrés est prometteuse. Avec de petites dimensions géométriques d'éléments de film et une grande surface de substrats passifs, des dizaines ou des centaines de circuits intégrés et autres composants peuvent être placés sur leur surface. De cette manière, des circuits intégrés hybrides multipuces sont créés avec un grand nombre (plusieurs milliers) de diodes et de transistors dans un élément indivisible. Dans les microcircuits combinés, il est possible de placer des unités fonctionnelles présentant des caractéristiques électriques différentes.

Comparaison du PMS et du SIG. Les microcircuits semi-conducteurs avec un degré d'intégration allant jusqu'à des milliers d'éléments ou plus dans une seule puce ont reçu la priorité. diffusion. Le volume de production de PMS est d'un ordre de grandeur supérieur au volume de production de SIG. Dans certains appareils, il est conseillé d'utiliser le SIG pour plusieurs raisons.

La technologie SIG est relativement simple et nécessite des coûts d'équipement initiaux inférieurs à ceux de la technologie des semi-conducteurs, ce qui simplifie la création de produits et d'équipements non standard et non standard.

La partie passive du GIS est fabriquée sur un substrat séparé, ce qui permet d'obtenir des éléments passifs Haute qualité et créer des circuits intégrés haute fréquence.

La technologie GIS permet de remplacer les méthodes existantes d'assemblage de circuits imprimés multicouches lors du placement de CI et LSI non emballés et d'autres composants semi-conducteurs sur des substrats. La technologie SIG est privilégiée pour les circuits intégrés haute puissance. Il est également préférable d'utiliser une conception hybride de circuits intégrés de dispositifs linéaires qui assurent une relation proportionnelle entre les signaux d'entrée et de sortie. Dans ces dispositifs, les signaux varient sur une large gamme de fréquences et de puissances, de sorte que leurs circuits intégrés doivent avoir une large gamme de valeurs nominales qui ne sont pas compatibles dans un seul processus de fabrication d'éléments passifs et actifs. Les grands circuits intégrés LSI permettent la combinaison de diverses unités fonctionnelles et sont donc largement utilisés dans les dispositifs linéaires.

Avantages et inconvénients des circuits intégrés.

• Les avantages des circuits intégrés sont une grande fiabilité, une petite taille et un petit poids. La densité d'éléments actifs dans LSI atteint 103 - 104 pour 1 cm3. Lors de l'installation de microcircuits dans des cartes de circuits imprimés et de leur connexion en blocs, la densité des éléments est de 100 à 500 pour 1 cm3, soit 10 à 50 fois plus élevée que lors de l'utilisation de transistors, de diodes et de résistances individuels dans des dispositifs micromodulaires.
• Les circuits intégrés fonctionnent sans inertie. En raison de la petite taille des microcircuits, les capacités et inductances interélectrodes des fils de connexion sont réduites, ce qui permet de les utiliser à ultra-hautes fréquences (jusqu'à 3 GHz) et dans des circuits logiques à faibles temps de retard (jusqu'à 0,1 ns).
• Les microcircuits sont économiques (de 10 à 200 mW) et réduisent la consommation électrique et le poids des alimentations.

Le principal inconvénient Le circuit intégré a une faible puissance de sortie (50 à 100 mW).

Selon l'objectif fonctionnel, les CI sont divisés en deux catégories principales - analogique (ou impulsion linéaire) et numérique (ou logique).

Analogique intégré Les circuits AIS sont utilisés dans les appareils techniques radio et servent à générer et à amplifier linéairement des signaux qui varient selon la loi d'une fonction continue sur une large gamme de puissances et de fréquences. En conséquence, les circuits intégrés analogiques doivent contenir des éléments passifs et actifs avec des valeurs et des paramètres différents, ce qui complique leur développement. Les microcircuits hybrides réduisent les difficultés de fabrication de dispositifs analogiques de conception microminiature. Les microcircuits intégrés deviennent la base principale des équipements radioélectroniques.

Numérique intégré Les circuits ISC sont utilisés dans les ordinateurs, les dispositifs discrets de traitement de l'information et d'automatisation. Avec l'aide de CIS, ils sont convertis et traités codes numériques. Une variante de ces circuits sont les puces logiques qui effectuent des opérations sur les codes binaires dans la plupart des ordinateurs et appareils numériques modernes.

Les circuits intégrés analogiques et numériques sont produits en série. La série comprend des circuits intégrés qui peuvent remplir diverses fonctions, mais qui ont une conception et une conception technologique uniques et sont destinés à une utilisation conjointe. Chaque série contient plusieurs types différents, qui peuvent être divisés en classifications standard ayant un objectif fonctionnel et un symbole spécifiques. La combinaison des valeurs nominales standards forme un type IP.

Introduction

Actuellement, les tâches principales dans la création d'équipements radioélectroniques (REA) et d'ordinateurs électroniques (ordinateurs) consistent à augmenter la vitesse de fonctionnement et à réduire la taille physique. A cet effet, les caractéristiques et paramètres des éléments et circuits intégrés sont améliorés, et ils sont également optimisés. Cependant, lorsque le fonctionnement des appareils atteint l'ordre de la nanoseconde, de nouveaux problèmes surviennent liés à la distorsion du signal dans les lignes de communication. À mesure que la vitesse des circuits logiques augmente, la vitesse de conversion de l'information se rapproche de la vitesse de sa transmission et, avec les retards des éléments logiques, elle y devient comparable. Dans ce cas, l'amélioration des caractéristiques dynamiques des éléments eux-mêmes peut ne pas donner l'effet souhaité. Puisque les circuits intégrés sont à proprement parler des composants des cartes de circuits imprimés, il est nécessaire Une approche complexeà la conception de circuits imprimés.

Par conséquent, lors de la conception d'assemblages de circuits imprimés, il est nécessaire d'en tenir compte et de rechercher des méthodes permettant d'augmenter considérablement l'immunité au bruit de l'équipement. Les questions nutritionnelles doivent également être prises en compte. condensateur intégré d'intégrité du signal

Dans ce travail, nous mènerons une étude et montrerons qu'avec une conception correcte des cartes de circuits imprimés, nous pouvons réduire considérablement les interférences résultantes lors de la transmission des informations.

Circuits intégrés

Histoire du développement des circuits intégrés

Un circuit intégré est un microcircuit électronique fabriqué sur un substrat semi-conducteur (plaque ou film) et placé dans un boîtier non séparable, ou sans, s'il fait partie d'un microensemble. La plupart des puces sont fabriquées dans des boîtiers montés en surface.

Souvent, un circuit intégré (CI) est compris comme le véritable cristal ou film avec un circuit électronique, et un microcircuit est un CI enfermé dans un boîtier.

L'histoire de l'apparition des circuits intégrés remonte à la seconde moitié du XXe siècle. Leur apparition est due au besoin urgent d'augmenter la fiabilité des équipements et d'automatiser les processus de fabrication et d'assemblage. circuits électroniques.

Une autre raison de la création du SI était la possibilité technologique de placer et d'interconnecter plusieurs Composants electroniques- des diodes, des transistors, etc., sur une plaquette semi-conductrice. Le fait est que les transistors et diodes mésa et planaires créés à cette époque étaient fabriqués simultanément en utilisant la technologie de traitement de groupe sur une seule plaque de pièce.

Le concept de circuits intégrés a été proposé bien avant l’avènement des méthodes de fabrication par lots pour les dispositifs semi-conducteurs. Les premiers circuits intégrés au monde ont été conçus et créés en 1959 par les Américains Jack St. Clair Kilby (Texas Instruments) et Robert N. Noyce (Fairchild Semiconductor), indépendamment l'un de l'autre.

En mai 1958, Jack Kilby quitte Centralab pour Texas Instruments, où il dirige le programme de développement d'appareils auditifs, pour lequel la société crée une petite entreprise pour la création de transistors au germanium. Déjà en juillet 1958, Kilby avait eu l’idée de créer une IP. Ils étaient déjà capables de fabriquer des résistances, des condensateurs et des transistors à partir de matériaux semi-conducteurs. Les résistances ont été fabriquées en utilisant les propriétés ohmiques du corps semi-conducteur, et celles à polarisation inverse ont été utilisées pour créer des condensateurs. p-n-les transitions. Il ne restait plus qu'à apprendre à créer de telles transitions dans un monolithe de silicium.

Bon nombre des défauts des « circuits durs » ont été éliminés plus tard par Robert Noyce. Depuis janvier 1959, alors qu'il recherchait les capacités du transistor planaire chez Fairchild Semiconductor (FS), il a compris l'idée qu'il avait avancée de créer des résistances à diffusion intégrale ou à pulvérisation cathodique en isolant des dispositifs utilisant des dispositifs à polarisation inverse. р-n-transitions et connexions d'éléments à travers des trous dans l'oxyde par pulvérisation de métal sur la surface. Une demande de brevet fut rapidement déposée et les développeurs de cellules commencèrent à travailler en étroite collaboration avec des spécialistes de la photolithographie pour interconnecter les résistances de diffusion et les transistors sur des tranches de silicium.

Le développement de la propriété intellectuelle a commencé à progresser à un rythme effréné. FS a invité Robert Norman de Sperry en tant que concepteur de circuits. Norman connaissait la logique résistance-transistor, choisie comme base pour la future série de circuits intégrés Micrologic... C'était le début d'une nouvelle ère.

Degré d'intégration

Selon le degré d'intégration, les noms de circuits intégrés suivants sont utilisés :

• · petit circuit intégré (MIS) - jusqu'à 100 éléments par puce,
• circuit intégré moyen (SIS) - jusqu'à 1000 éléments par puce,
• · grand circuit intégré (LSI) - jusqu'à 10 000 éléments dans un cristal,
• · Circuit intégré à très grande échelle (VLSI) - plus de 10 000 éléments dans un cristal.

Auparavant, des noms désormais obsolètes étaient également utilisés : circuit intégré à très grande échelle (ULIS) - de 1 à 10 millions à 1 milliard d'éléments dans un cristal et, parfois, circuit intégré à grande échelle (GBIC) - plus de 1 milliards d'éléments dans un cristal. Actuellement, dans les années 2010, les noms « UBIS » et « GBIS » ne sont pratiquement pas utilisés et tous les microcircuits comportant plus de 10 000 éléments sont classés comme VLSI.

Le contenu de l'article

CIRCUIT INTÉGRÉ(IC), un circuit microélectronique formé sur une minuscule plaquette (cristal ou « puce ») de matériau semi-conducteur, généralement du silicium, utilisé pour contrôler et amplifier le courant électrique. Un circuit intégré typique est constitué de nombreux composants microélectroniques interconnectés, tels que des transistors, des résistances, des condensateurs et des diodes, fabriqués au niveau de la couche superficielle de la puce. Les tailles des cristaux de silicium vont d'environ 1,3 à 1,3 mm à 13 à 13 mm. Les progrès des circuits intégrés ont conduit au développement de technologies de circuits intégrés à grande et très grande échelle (LSI et VLSI). Ces technologies permettent d'obtenir des circuits intégrés contenant chacun plusieurs milliers de circuits : une seule puce peut contenir plus d'un million de composants.

Les circuits intégrés présentent un certain nombre d'avantages par rapport à leurs prédécesseurs : des circuits assemblés à partir de composants individuels montés sur un châssis. Les circuits intégrés ont petites tailles, des performances et une fiabilité supérieures ; Ils sont également moins chers et moins sujets aux pannes causées par les vibrations, l’humidité et le vieillissement.

La miniaturisation des circuits électroniques a été rendue possible grâce aux propriétés particulières des semi-conducteurs. Un semi-conducteur est un matériau qui a une conductivité électrique (conductivité) bien supérieure à celle d'un diélectrique tel que le verre, mais nettement inférieure à celle des conducteurs tels que le cuivre. Le réseau cristallin d’un matériau semi-conducteur tel que le silicium contient trop peu d’électrons libres à température ambiante pour fournir une conductivité significative. Les semi-conducteurs purs ont donc une faible conductivité. Cependant, l’introduction d’une impureté appropriée dans le silicium augmente sa conductivité électrique.

Les dopants sont introduits dans le silicium selon deux méthodes. Pour un dopage important ou dans les cas où un contrôle précis de la quantité d'impureté introduite n'est pas nécessaire, la méthode de diffusion est généralement utilisée. La diffusion du phosphore ou du bore s'effectue habituellement dans une atmosphère d'un dopant à des températures comprises entre 1000 et 1150°C pendant d'une demi-heure à plusieurs heures. Lors de l’implantation ionique, le silicium est bombardé d’ions dopants à haute vitesse. La quantité d'impureté implantée peut être ajustée avec une précision de plusieurs pour cent ; la précision dans certains cas est importante, puisque le gain du transistor dépend du nombre d'atomes d'impuretés implantés par 1 cm 2 de base ( voir ci-dessous).

Production.

La fabrication d'un circuit intégré peut prendre jusqu'à deux mois car certaines zones du semi-conducteur doivent être précisément dopées. Dans un processus appelé croissance des cristaux, ou extraction des cristaux, une plaque cylindrique de silicium de haute pureté est d'abord produite. A partir de ce cylindre, on découpe des plaques d'une épaisseur par exemple de 0,5 mm. La tranche est finalement découpée en centaines de petits morceaux appelés puces, dont chacun est transformé en circuit intégré grâce au processus décrit ci-dessous.

Le processus de traitement des puces commence par la production de masques pour chaque couche du circuit intégré. Un pochoir à grande échelle est réalisé, en forme de carré d'une superficie d'env. 0,1 m2. Un ensemble de tels masques contient tous les composants du CI : niveaux de diffusion, niveaux d'interconnexion, etc. L’ensemble de la structure résultante est photographiquement réduit à la taille d’un cristal et reproduit couche par couche sur une plaque de verre. Une fine couche de dioxyde de silicium se développe à la surface de la plaquette de silicium. Chaque plaque est recouverte d'un matériau photosensible (photorésist) et exposée à la lumière transmise à travers des masques. Les zones non exposées du revêtement photosensible sont éliminées avec un solvant et, à l'aide d'un autre réactif chimique qui dissout le dioxyde de silicium, ce dernier est gravé des zones où il n'est plus protégé par le revêtement photosensible. Des variantes de cette technologie de processus de base sont utilisées dans la fabrication de deux principaux types de structures de transistors : bipolaires et à effet de champ (MOS).

Transistor bipolaire.

Un tel transistor a une structure comme n-p-n ou, beaucoup moins souvent, comme p-n-p. Généralement processus technologique commence par une plaque (substrat) de matériau fortement dopé p-taper. Une fine couche de silicium légèrement dopé est épitaxiée à la surface de cette plaquette. n-taper; ainsi, la couche développée a la même structure cristalline que le substrat. Cette couche doit contenir la partie active du transistor - des collecteurs individuels y seront formés. La plaque est d'abord placée dans un four à vapeur de bore. La diffusion du bore dans la plaquette de silicium se produit uniquement là où sa surface a été gravée. En conséquence, des zones et des fenêtres de matériau se forment n-taper. Un deuxième processus à haute température, qui utilise de la vapeur de phosphore et un autre masque, permet d'entrer en contact avec la couche collectrice. En effectuant des diffusions successives de bore et de phosphore, on forme respectivement la base et l'émetteur. L'épaisseur de la base est généralement de plusieurs microns. Ces minuscules îlots de conductivité n- Et p-type connecté à régime général grâce à des interconnexions en aluminium déposé en phase vapeur ou pulvérisé sous vide. Parfois, des métaux nobles comme le platine et l’or sont utilisés à ces fins. Les transistors et autres éléments de circuit, tels que les résistances, les condensateurs et les inductances, ainsi que les interconnexions associées, peuvent être formés dans la tranche par des techniques de diffusion via une série d'opérations, créant finalement un circuit électronique complet.

Transistor MOSFET.

Le plus largement utilisé est le MOS (métal-oxyde-semi-conducteur) - une structure composée de deux zones de silicium étroitement espacées. n-type, mis en œuvre sur un substrat p-taper. Une couche de dioxyde de silicium se forme à la surface du silicium et, au-dessus de cette couche (entre les régions n-type et en les saisissant légèrement), une couche localisée de métal se forme, agissant comme une porte. Les deux domaines mentionnés ci-dessus n-les types, appelés source et drain, servent respectivement d'éléments de connexion pour l'entrée et la sortie. Grâce aux fenêtres prévues dans le dioxyde de silicium, des connexions métalliques sont établies vers la source et le drain. Canal de surface étroit en matériau n-type connecte la source et le drain ; dans d'autres cas, le canal peut être induit, créé par une tension appliquée à la grille. Lorsqu'une tension positive est appliquée à la grille d'un transistor à canal induit, la couche située sous la grille p-se transforme en quelque sorte en une couche n-type, et le courant, contrôlé et modulé par le signal entrant dans la porte, circule de la source au drain. Le MOSFET consomme très peu d'énergie ; il a une impédance d'entrée élevée, un faible courant de drain et un très niveau faible bruit Étant donné que la grille, l'oxyde et le silicium forment un condensateur, un tel dispositif est largement utilisé dans les systèmes de mémoire informatique ( voir ci-dessous). Dans les circuits complémentaires, ou CMOS, les structures MOS sont utilisées comme charges et ne consomment pas d'énergie lorsque le transistor MOS principal est à l'état inactif.

Une fois le traitement terminé, les plaques sont découpées en morceaux. L'opération de découpe est réalisée avec une scie circulaire à bords diamantés. Chaque cristal (puce ou CI) est ensuite enfermé dans l'un des nombreux types de boîtiers. Un fil d'or de 25 microns est utilisé pour connecter les composants IC à la grille de connexion du boîtier. Des broches de cadre plus épaisses permettent de connecter le circuit intégré au dispositif électronique dans lequel il fonctionnera.

Fiabilité.

La fiabilité d'un circuit intégré est approximativement la même que celle d'un transistor au silicium individuel, équivalent en forme et en taille. Théoriquement, les transistors peuvent durer des milliers d’années sans défaillance – un facteur critique pour des applications telles que les fusées et la technologie spatiale, où une seule défaillance peut entraîner l’échec complet du projet.

Microprocesseurs et mini-ordinateurs.

Introduits publiquement pour la première fois en 1971, les microprocesseurs exécutaient la plupart des fonctions de base d'un ordinateur sur un seul circuit intégré en silicium, implémenté sur une puce de 5 à 5 mm. Grâce aux circuits intégrés, il est devenu possible de créer des mini-ordinateurs, de petits ordinateurs où toutes les fonctions sont exécutées sur un ou plusieurs grands circuits intégrés. Cette miniaturisation impressionnante a conduit à une réduction spectaculaire du coût de l’informatique. Les mini-ordinateurs actuellement produits, vendus à moins de 1 000 dollars, sont aussi puissants que les premiers très gros ordinateurs, qui coûtaient jusqu'à 20 millions de dollars au début des années 1960. Les microprocesseurs sont utilisés dans les équipements de communication, calculatrices de poche, montres-bracelets, sélecteurs de chaînes TV, jeux électroniques, équipements automatisés de cuisine et de banque, moyens de contrôle automatique de l'alimentation en carburant et de neutralisation des gaz d'échappement dans les voitures particulières, ainsi que dans de nombreux autres appareils. Une grande partie de l’industrie électronique mondiale, estimée à 15 milliards de dollars, dépend d’une manière ou d’une autre des circuits intégrés. Partout dans le monde, les circuits intégrés sont utilisés dans des équipements d’une valeur totale de plusieurs dizaines de milliards de dollars.

Périphériques de stockage informatique.

En électronique, le terme « mémoire » désigne généralement tout dispositif conçu pour stocker des informations sous forme numérique. Parmi les nombreux types de périphériques de stockage (MSD), nous considérons la mémoire vive (RAM), le dispositif à couplage de charge (CCD) et la mémoire morte (ROM).

Pour la RAM, le temps d’accès à n’importe quelle cellule mémoire située sur la puce est le même. De tels dispositifs peuvent stocker 65 536 bits (unités binaires, généralement 0 et 1), un bit par cellule, et constituent un type de mémoire électronique largement utilisé ; sur chaque puce, ils ont env. 150 000 composants. Les RAM sont disponibles avec une capacité de 256 Kbits (K = 2 10 = 1024 ; 256 K = 262 144). Dans les dispositifs de mémoire à accès séquentiel, la circulation des bits stockés s'effectue comme sur un convoyeur fermé (les CCD utilisent exactement ce type d'échantillonnage). Un CCD, un circuit intégré spécialement configuré, peut placer des paquets de charges électriques sous de minuscules morceaux de métal étroitement espacés et électriquement isolés de la puce. La charge (ou son absence) peut ainsi se déplacer dans tout le dispositif semi-conducteur d'une cellule à l'autre. De ce fait, il devient possible de mémoriser des informations sous la forme d'une séquence de uns et de zéros ( code binaire), ainsi que d'y accéder en cas de besoin. Bien que les CCD ne puissent pas rivaliser avec la mémoire RAM en termes de vitesse, ils peuvent traiter de grandes quantités d'informations à moindre coût et sont utilisés là où la mémoire vive n'est pas requise. La RAM créée sur un tel circuit intégré est volatile et les informations qui y sont enregistrées sont perdues lorsque l'alimentation est coupée. Les informations sont entrées dans la ROM pendant processus de production et est stocké de manière permanente.

Le développement et la publication de nouveaux types de propriété intellectuelle ne s'arrêtent pas. Les ROM programmables effaçables (EPROM) ont deux portes, l'une au-dessus de l'autre. Lorsqu'une tension est appliquée à la grille supérieure, la grille inférieure peut acquérir une charge, ce qui correspond à 1 dans le code binaire, et lors de la commutation (inversion) de la tension, la grille peut perdre sa charge, ce qui correspond à 0 dans le code binaire. .