Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы
Появление планарной технологии вызвало качественный сдвиг в полупроводниковой электронике. Возможность точного проектирования геометрических конфигураций p – n-переходов, их взаимного расположения, а также защита мест выхода p – n-переходов на поверхность от внешних влияний – вот, те основные черты, которые обеспечили планарной технологии блестящее будущее.
Уникальные свойства кремния для литографии и выращивания изоляционных слоев предопределили судьбу германия, который постепенно вышел из состава сырьевой базы промышленной электроники.
Технологическая цепочка по производству полупроводникового кремния состоит из следующих звеньев: 1) добыча кварцевого песка; 2) получение поликристаллического (металлургического) кремния; 3) выращивание монокристаллов; 4) получение пластин необходимого диаметра и физических свойств, – и требует сложного и дорогостоящего оборудования.
Более 80 % кристаллов кремния получают методом Чохральского, названным в честь польского химика начала XX века. Однажды он нечаянно уронил в тигель с расплавленным оловом металлическое перышко. Медленно вытаскивая его, чтобы не обжечься, ученый заметил, что перо тянет за собой нитку застывающего олова. Оказалось, что она представляет собой монокристалл. Почти полвека никто не вспоминал о Яне Чохральском (1885 – 1953). Наконец в 1950 г. в США его методом, впервые, были успешно выращены монокристаллы германия, а затем кремния.
Если донорские и акцепторные примеси, введенные в расплав кремния, таковы, что одни из них больше «предпочитают» твердую фазу, чем другие, то при вытягивании кристалла с чередованием ускорения и замедления можно создавать чередующиеся слои n- и p-типа, и в одном слитке получать множество транзисторных слоев с заданной топологией.
Транзисторы постепенно обосновывались в радиоприемниках и телевизорах, в приборах промышленной автоматики и вычислительной техники. Однако производители вакуумной электроники сдаваться без боя не собирались. В 1959 г. RCA выпустила первую серию нувисторов – сверхминиатюрных и надежных металлокерамических приемно-усилительных радиоламп. «Великий перелом» наступил в 1961 г., когда объём производства полупроводниковых приборов в США превысил объём производства радиоламп: было изготовлено 190 млн. шт. транзисторов и 260 млн. шт. точечных диодов, по сравнению с 360 млн. шт. радиоламп.
Благодаря транзисторам удалось увеличить плотность расположения компонентов радиоэлектронной аппаратуры, сделать ее более компактной и менее энергозатратной, ускорить и усовершенствовать процессы ее сборки. В производстве радиоэлектронной аппаратуры стали широко применяться многослойные печатные платы (англ. printing plate), в которых все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с поверхности фольгированного диэлектрика. Основные элементы печатной платы – основание (подложка) и проводники. Данные элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой. Круг второстепенных элементов несколько шире: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели для контактирования с разъемами, участки для осуществления теплоотвода и т. д.
В СССР разработка технологии печатных плат началось в первой половине 1950-х. Этим занимался горьковский Центральный научно-исследовательский институт технологии и организации производства (ЦНИИТОП). Первые образцы радиоэлектронной аппаратуры с применением печатных плат были изготовлены в 1953-1954 гг. на Воронежском радиозаводе (радиоприемник «Дорожный») и на Кунцевском электромеханическом заводе (телевизор «Старт»). Процесс изготовления первых отечественных печатных плат весьма оригинален. Основанием плат служили пластины, прессованные из карболита. Прессование производилось таким образом, что в пластинах образовывались канавки, после металлизации которых они служили проводниками.
Внедрение технологии печатных плат позволило повысить надежность контактных соединений между радиодеталями.
Естественным развитием технологии печатных плат стало изобретение интегральной микросхемы (англ. integrated circuit), все компоненты которой (транзисторы, конденсаторы и проводники) собираются в виде единого блока. Первым эту техническую идею в 1954 г. выдвинул англичанин Джефф Даммер (Geoff Dummer), но практически в 1958-1959 гг. реализовали Джек Килби из Texas Instruments и Роберт Нойс из Fairchild Semicondactor. Независимо друг от друга они пришли к выводу о том, что «объемное сопротивление самого полупроводника и емкость p-n-перехода внутри него можно скомбинировать с транзисторами и создать завершенную схему из одного и того же материала» (из Нобелевской лекции Джека Килби 8 декабря 2000 г.).
Первая интегральная схема (ИС) Джека Килби под названием Type 502, собранная на пластине кристалла германия площадью 11×1,5 мм, представляла собою триггер – простейший цифровой автомат, выполняющий логическую функцию ИЛИ – НЕ либо И – НЕ. Этот класс электронных устройств (изобретены в 1918 г. английскими физиками В. Эклси и Ф. Джорданом) используется для формирования импульсов, в генераторах единичных сигналов, для построения делителей частоты, счетчиков и сумматоров. Триггеры является принципиально важным элементом любого компьютера.
В марте 1960 г. Джек Килби впервые продемонстрировал инновацию на выставке американского Института радиоинженеров. Специалисты встретили solid circuit («цельную схему») довольно прохладно. Сразу же обратили внимание на конструктивный недостаток: все соединения ИС выполнены золотыми проволочками, что с точки зрения надежности не давало ей никаких преимуществ, по сравнению с печатными платами.
Этот недостаток смог исправить Роберт Нойс. Он разработал схему триггера на пластине кристалла кремния и соединил ее компоненты токоведущими дорожками из алюминия. Дорожки наносились на поверхность пластины вакуумным напылением, по шаблону (маске), через оставленные отверстия, и отлично, без всякой сварки, «прилипали» к контактам.
Первая в мире промышленная партия кремниевых ИС под названием «Micrologic» с 20 элементами на кристалле была изготовлена компанией Fairchild Semicondactor в 1960 г. по заказу Пентагона и использовалась в системе наведения («вычислителе») ракет класса «Минитмен». Помимо основной функции расчета уравнений наведения «вычислитель» выполнял ряд дополнительных функций, связанных со сборкой ракеты, ее хранением в шахте и при подготовке к запуску.
В СССР первый опытный образец ИС, напоминающий «цельную схему» Джека Килби, в 1959 г. изготовила группа разработчиков КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (РЗПП): Карнов, Осокин и Пахомов. В 1962-63 гг. РЗПП по заказу ВМФ выпустил несколько тысяч монолитных схем-триггеров под индексом «Р12-2». Они предназначались для использования в аппаратуре корабельных АТС. Конструктивно «Р12-2» были выполнены в виде «таблетки» из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм. В ней размещался кристалл германия (с двумя транзисторами и двумя резисторами) и заливался полимерным компаундом, из которого выходили короткие внешние концы выводов из золотой проволоки диаметром 50 мкм, приваренные к кристаллу. Масса «Р12-2» не превышала 25 мг.[10]
Интегральные схемы значительно сократили габариты электронных изделий и устранили необходимость сварки контактов радиодеталей паяльными жалами – филигранной и трудоемкой операции, выполняя которую даже самые опытные сборщики и наладчики допускали в среднем по 10 ошибок на 1000 спаек.
Превращение Японии в мировой центр высоких технологий во многом стало возможно, благодаря использованию дешевого труда стрессоустойчивых, опрятных, дисциплинированных и добросовестных сельских девушек. Переехав в города, они заняли рабочие места в цехах и лабораториях, и своими длинными и гибкими пальчиками обеспечили ставшее легендарным качество японской электронной аппаратуры. В конце 1960-х гг. этот опыт решили внедрить в СССР, в частности, на Западной Украине, располагавшей избыточным сельским населением. Деревенских девушек везли в города и ставили к конвейеру. Увы, японский опыт не сработал: даже на заводах, выпускавших электронику для военных целей, брак иногда доходил до 100 %. Когда стали выяснять причины, по которым наши «заводские девчата» оказались настолько менее эффективными, чем японские, обнаружилось одно недоучтенное поначалу обстоятельство. Хотя японок действительно везли в города из сел, происхождение у них было отнюдь не крестьянское – они росли в семьях потомственных ремесленников, то есть там, где на протяжении многих столетий оттачивались навыки кропотливого труда и работы с весьма деликатными инструментами. Отсюда и гибкие пальцы, и усидчивость, и дисциплина, и готовность к самопожертвованию.[11]
