От печатных схем до сложных СБИС

Катман А.К.

Печатные схемы

В начале пятидесятых, теперь уже прошлого столетия, в электронике сложилось острое противоречие между потребностью в радиоэлектронной аппаратуре в составе систем связи, телевидения, вычислительной техники и особенно в управляемом оружии и ракетно-космической технике, и возможностью её создания. Возросшая потребность обостряла экономические проблемы, связанные с массовым производством электронной аппаратуры. Технология производства, заимствованная из общего машиностроения, содержала значительный процент ручного труда. Основной технологией соединения электронных компонентов, согласно электрической схеме, был навесной (объемный) ручной монтаж методом пайки последовательно каждого соединения (рис. 1).

Предположу, что в Министерстве радиотехнической промышленности на тот момент не было чёткого понимания по использованию и применению новых приборов. Более того, на конференцию по германиевым приборам Лашкарёва Вадима Евгеньевича и инженеров СКБ-245 в ноябре 1951 г. не приглашали (фото 1). Примечательный факт из 1954 г. — инженеры НИИ-35 не знали, какая конструкция транзисторов у СКБ-245. В отличие от этого, специалисты Министерства машиностроения были знакомы с совершенно секретной, на тот момент, продукцией завода НИИ-35.

Это не поддающаяся автоматизации технология была весьма трудоемка, не обеспечивала повторяемости электродинамических свойств изготавливаемых изделий и поэтому требовала на конечных этапах их производства индивидуальной высококвалифицированной настройки. Все это накладывало жесткие ограничения на развитие радиоэлектронной аппаратуры, оставляя её в классе уникальной, дорогостоящей продукции. А условия эксплуатации требовали более высокой вибро-, термо- и влагоустойчивости, устойчивости ко многим специальным воздействиям.

В Конструкторском Бюро №1 (КБ-1) все эти проблемы встали в период работ над стационарной зенитной ракетной системой С-25 и планирования дальнейших работ над мобильной зенитной ракетной системой С-75. Генеральный конструктор Александр Андреевич Расплетин, предвидя проблемы будущего, поручил Федору Викторовичу Лукину, Главному инженеру КБ-1 готовить конструкторско-технологическую базу на предприятии. Как результат в составе службы главного технолога Геннадия Фёдоровича Добровольского была организована лаборатория, затем создан конструкторско-технологический отдел Печатных схем [1].

Начальником отдела-заместителем Главного Конструктора назначили меня, поручив весь комплекс работ на предприятии по созданию технологии производства, конструкторско-технологических нормативов при конструировании аппаратуры высшей категории надёжности. Проектирование и организация комплекса производственных участков, обеспечивающих разработку, на основе принципиальной электрической схемы, конструкторской документации на фотошаблоны, производство фотошаблонов, изготовление печатных схем, монтаж навесных элементов, защита от внешних воздействий.

В связи с тем, что в стране, да и за рубежом в это время опыта использования печатных схем в специальной аппаратуре практически не было, пришлось начинать с нуля! Определились ведущие специалисты: Мария Александровна Вицен возглавила фотолитографическую лабораторию; Икар Степанович Строев возглавил лабораторию конструирования печатных схем; Иван Васильевич Боринский – лабораторию вакуумной технологии; Юрий Георгиевич Афиногенов – конструкторское бюро машиностроения и инструмента. Кроме основной тематики всем приходилось курировать работы смежников, так или иначе работающих по заказам КБ-1. Ф.В. Лукин, понимая наши трудности с организацией кооперации по разработке специальных материалов для печатных схем, обратился в ВПК при СМ [2]. Вскоре нас вызвал Александр Иванович Шокин [3]. Двухчасовая беседа в Кремле о состоянии дел в КБ-1 с развёртыванием работ по печатным схемам, закончилась приглашением на совещание у Заместителя Председателя СМ СССР М.Г. Первухина по состоянию дел в стране с печатными схемами в специальной технике. Совещание состоялось. Состав участников для меня был крайне неожиданным. В кабинете хозяина собрались выдающиеся деятели радиопромышленности и науки: Валерий Дмитриевич Калмыков, Аксель Иванович Берг, Александр Николаевич Щукин, Александр Иванович Шокин, Фёдор Викторович Лукин и Ваш покорный слуга. Основным докладчиком был А.И. Шокин, детально доложивший суть дела и высказавший предложения по комплексной организации работ в области электронной техники в стране и в частности, по печатным схемам. В процессе обсуждения прояснилось благожелательное отношение присутствующих к предложениям Александра Ивановича. Так “идеология”печатных схем приобрела в стране права гражданства.

Начались работы: в Электротехпроме по разработке и организации выпуска на заводе “Изолит” фольгированных гетинакса и стеклотекстолита (Главный инженер Худяков); в Минцветмете на одном из уральских заводов организован выпуск медной электролитической 50-микронной фольги; на предприятиях Минхимпрома организован выпуск по специальным ТУ химически стойких фоторезистов и других фотоматериалов; предприятия Минрадиопрома приступили к созданию навесных радиоэлементов, согласованных по конструктивным параметрам с ТУ на печатный монтаж.

Параллельно были начаты работы по микромодульному методу конструирования электронной аппаратуры. Комплекс производственных участков, организованных на заводе при КБ-1, обеспечивал весь цикл производства блоков аппаратуры на печатных схемах, от участка проектирования печатной платы, оснащенного автоматическими координатографами, участков изготовления фотошаблонов, фотолитографии, механической обработки (оснащённого программируемыми автоматами сверления), сборочного и испытательного участков. Завершенный производственный цикл обеспечивал разработчикам аппаратуры широкое поле для экспериментов. Это в свою очередь рождало уверенность в преимуществах печатных схем и их надёжности.

К середине 1950-х, разработчики системы наведения “ЕС” для авиационного противокорабельного комплекса (Главный конструктор Сергей Феофанович Матвеевский) первыми приняли решение использовать печатный монтаж. Система принята на вооружение в 1960 г.

Микромодули

В этот период большая часть разработчиков обсуживающей аппаратуры использовали печатный монтаж, тем самым, накапливая опыт и конструируя модули для дальнейшего их использования. Подразделение Н.А. Барканова создало стандартный их набор. Лаборатория И.В. Боринского экспериментировала с микромодулями этажерочного типа, интегрируя пассивные элементы на отдельных “этажах”, а в качестве активных элементов вместо электронных ламп – точечные или, появившиеся к тому времени, плоскостные транзисторы, разработанные НИИ- 35 (рис. 3). Передача на серийное производство разработок КБ-1 потребовала значительного объёма работ по передаче технологии печатных схем.

До середины 1960-х документация была передана на десятки предприятий-смежников. Казалось, что всё готово для принятия генерального решения. И оно состоялось! Как вспоминает Борис Николаевич Перовский, работавший вместе с А.А. Расплетиным “со стороны военных заказчиков”:

“В конце1966 г. была образована группа под руководством академика А.А. Расплетина по выбору путей создания массовой зенитной ракетной системы. В группу входили главные конструктора и представители заказчиков. Александр Андреевич довольно долго, но с трудом, выслушал предложения, затем прекратил разговоры и задал первый вопрос: “Давайте сперва ответим, на какой элементной базе следовало бы проектировать будущую систему? Исходя, конечно, из того, что она должна быть, безусловно, перспективной”. Так как участники совещания замялись, то он сам же на этот вопрос и ответил: «Это могут быть только микромодули на многослойных печатных платах. Ибо за этим прогресс, всё остальное – топтание на месте, а значит – отставание». Так было принято решение использовать печатный монтаж и модульный принцип конструирования в проектируемой массово производимой зенитной системе ПВО и всех последующих, в том числе, легендарной С-300 и С-400”.

Интегральные схемы

Наступил 1963 г. Я получил предложение Федора Викторовича Лукина (В то время уже бывшего заместителем Председателя Комитета по электронной технике – директором создаваемого в будущем Зеленограде Центра микроэлектроники), занять должность Главного инженера – заместителя директора по научной работе, во вновь создаваемом институте в Зеленограде, и начать подготовительную работу по его формированию. Я дал согласие. В течение полугода готовил юридическое оформление вновь создаваемой организации и её тематическую направленность. 25 июня 1963 года министр подписал приказ о создании, в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров, НИИ-336 (НИИТТ, в последствии ОАО «Ангстрем»). Поскольку я был первым и единственным сотрудником института, министр назначил меня исполняющим обязанности директора НИИ-336 [4].

Настало время определиться со стратегией и тактикой работ института в области микроэлектроники и подготовить конкретный план опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ. Многократные обсуждения вариантов стратегии привели, с учётом реальной ситуации в стране, к задаче тактической – необходимости ускоренного создания массового производства стандартных интегральных схем (ИС) в обеспечение цифровой аппаратуры специального назначения. Наличие, к этому времени, в отечественном производстве планарного транзистора “Плоскость” (КТ-315), опыта производства интегрированных резисторов и технологии печатных схем, а также необходимых материалов, позволяло в сравнительно короткие сроки решить проблему создания серий ИС для цифровой техники.

ГИС – гибридные интегральные схемы

За рубежом, по данным открытой печати, гибридные ИС уже использовались в разработках американской фирмы IBM. На ГИС STL строилась её новая ЭВМ IBM-360. Сравнительный анализ конструкций модулей отечественных и фирмы IBMпоказывает независимость и оригинальность разработок. Их внешнее сходство объясняется общим прототипом – микромодулями, широко применяемыми в СССР и США. А, учитывая фактор времени и то, что мы в то время уже располагали отечественными технологиями и материалами, НИИТТ смог быстро разработать и начать производство первой в стране серии стандартных цифровых ГИС “Тропа”. Бескорпусной планарный транзистор с гибкими, а затем шариковыми выводами был оригинальной отечественной разрабразработкой (НИИ-35, НИИТТ).

Эта задача была “тактической”. Решение её, обеспечивало создание в стране необходимого климата как в среде разработчиков цифровой аппаратуры на транзисторах, так и среди разработчиков ГИС создававших базовые технологии производства ИС. С другой стороны, обеспечивалась аэрокосмическая отрасль необходимой комплектацией. Иными словами, с чего начинать становилось более или менее ясно. К выполнению стратегической задачи, предусматривающей создание полупроводниковых ИС высокого уровня интеграции, можно будет приступить, создав развивая НИИТТ и завод «Ангстрем» при институте. В структуре создаваемого института, с расчётом на будущее, была предусмотрена лаборатория полупроводниковых ИС. Но сначала она сопровождала освоение на заводе технологии биполярного транзистора “Плоскость” (разработанного НИИ-35) и параллельно проектировала, на строящемся заводе Ангстрем, полупроводниковое производство.

В последующие годы “свободного” поиска, освоив биполярную технологию, молодёжь лаборатории (Васильев Г.Ф., Сапронов В.И., Старенький В.П., Яковлев А.Т.) создала, впервые в стране МОП-транзистор! Это было в 1966 г. что и обеспечило ощутимо важный шаг в достижении стратегических целей по созданию полупроводниковых ИС.

Итак, первой разработкой силами вновь создаваемого института была серия толстоплёночных цифровых гибридных ИС “Тропа”. Предполагаемым заказчиком и консультантом был НИИЭМ [5]– институт, имевший заказ на создание управляющей ЭВМ для аэрокосмических целей. В такой связке была успешно завершена работа по созданию стандартной серии логических ГИС и организовано её серийное произпроизводство (с приёмкой заказчика с индексом “ОС”). На основе ГИС “Тропа”, разработана управляющая ЭВМ “Аргон 11С”, успешно облетевшая Луну и вернувшаяся на Землю. В последствии она широко применялась в электронных системах управления серии космических аппаратов, совершивших экспедиции к планетам Солнечной системы. (рис. 5).

Последовавшие за “Тропой”, серии ГИС: “Трапеция”, “Терек”,“Тактика”, “Посол” и др., разработанные НИИТТ без использования зарубежных, аналогов, отвечали мировому уровню технологии. Толстоплёночная технология послужила основой для создания многослойных керамических плат и корпусов для защиты интегральных схем, в последующем получивших широкое распространение в микроэлектронике и приборостроении. В 1968 г. эта технология с успехом демонстрировалась на выставке в Париже.

Очередным этапом в совершенствовании толстоплёночной технологии была технология “Талисман” [6] (рис. 6) Анализ показал, что такой технологией может воспользоваться разработчик массовой аппаратуры, обеспечивая при этом уникальный по параметрам и экономике эффект.

В институте эта технология нашла так же широкое применение для проектирования корпусов для полупроводниковых БИС (рис. 7).

К моменту окончания строительства института и завода (1968 г.) на временных площадях выпущено и поставлено потребителям более 600 000 ИС. Сформированы коллективы разработчиков  и производственников. Разработанные серии ГИС переданы на серийное производство предприятиям МЭП [7] в Павловском-Пасаде, Калуге, Кишинёве, Тбилиси. Предприятиям-разработчикам электронной аппаратуры переданы, по их просьбе, “Руководства по производству ГИС частного применения”с полным комплектом технологической документации.

На этом этапе сыграли выдающуюся роль первопроходцы НИИ и завода! С благодарностью вспоминаю: Бенуа Э.Ф., Афанасьеву М.А., Мещанинова Н.И., Колобкова Г.В., Мухина В. Г., Яковлева Б.Я., Рыженкова В.И., Платонова С.К., Силантьева П.П., Онопко Д.И., Меркулову И.С., Зайцева А.И., Иванова Э.Е., Жилова Ю.К., Севостьянова Э.П., Назарова И.Л., Молчанова Ю.А., Васильева Г.В., Сапронова В.И., Старенького В.П., Головешкина Н.К., Овруцкого М.А., Маркелова А.В., Эйдензона Л.А., и многих других, вложивших свой труд в рождение микроэлектроники в стране! Создан научно- производственный комплекс (НПК) “НИИТТ - завод Ангстрем” на базе отечественной технологии, оснащённый отечественным оборудованием, в том числе, собственной разработки.

К концу 1973 года на предприятии выполнено около 300 НИР и ОКР[8], создано и освоено в производстве более 200 типов ГИС. В обеспечение гибридных ИС, разработаны и освоены в производстве бескорпусные биполярные транзисторы и диодные матрицы (в том числе с шариковыми выводами).

Корпуса интегральных схем

Располагая прецизионной технологией высокосортной керамики (тип 22хс) и стеклокерамики, научно-производственный комплекс НИИТТ – Ангстрем за первые15 лет существования, выполняя задания министра, разработал, освоил производство и организовал серийный выпуск 38 типов стандартных корпусов для 130 серий ГИС, ИС, БИС. Например, в 1973 г. предприятия отрасли по документации НИИТТ, выпустили более 9 миллионов корпусов 12 наименований, в том числе, завод Ангстрем более 3,5 миллионов. Выпуск осуществляли заводы МЭП в Торжке, Гомеле, Донском, Ташкенте, Павловском-Посаде. В 1972 г. начался выпуск многослойных керамических корпусов прежде всего на ДЗРД (г. Донской) и ИЗПП (г. Йошкар-Ола.).

Первый итог

“Тактическая” задача, коллективом НИИ и завода была выполнена за девять лет. Более 860 сотрудников были награждены орденами и медалями, восемь из них стали лауреатами Государственной премии СССР. В обеспечение выполнения стратегической задачи, разработки и производства полупроводниковых БИС, создан необходимый научный задел. Реализованы технологии NМОП и КМОП с разрешением 1 – 2 мкм. Организованы производственные подразделения, осваивающие выпуск высокоинтегрированных полупроводниковых логических устройств и устройств динамической памяти. Так в 1974 г. выпущены КМОП БИС памяти для микрокалькулятора –256 бит. В 1975 г. устройство динамической памяти 4К бит.

С благодарностью вспоминаю Виктора Петровича Старенького, Владислав Ивановича Сапронова, Анатолия Тимофеевича Яковлева, Юрия Анатольевича Молчанова, Геннадия Викторовича Васильева, и других специалистов НИИ и завода, внёсших огромный и определяющий вклад в разработку и освоение полупроводниковых БИС в отечественной электронной промышленности.

Решение руководства МЭП объединить на основе НИИТТ высококвалифицированные коллективы физиков-технологов НИИТТ и системотехников СВЦ [9], породило микропроцессорное направление в микроэлектронике, успешно реализуемое ОАО «Ангстрем» и поныне [10]!

Новое направление

На одной из Коллегий МЭП в1974г. рассматривался вопрос тематической направленности работ НИИ «Сапфир», одного из старейших институтов полупроводниковой промышленности. Основу тематики института, в то время, составляли полупроводниковые диоды, их разработка и внедрение в промышленное производство. Со временем, в СКБ при заводах, выпускающих диоды, образовались собственные группы разработчиков приборов, взявших на себя основной труд создания приборов, расширяющих необходимые ряды типономиналов. Встал вопрос о переориентации части работ высококвалифицированного коллектива института на особо важные проблемы в интегральной микроэлектронике. Одной из таких проблем в технологии ИС была проблема повышения их быстродействия, снижения потребляемой мощности и, что особо важно, повышения радиационной стойкости. В НИИ Сапфир в 1960-ые годы, а в НИИТТ совместно с НИИМВ, в 1970-ые были начаты разработки диодных матриц, (Цибульников М.Б., Фронк С.В., Сенников И.А.), счётчиков импульсов и ОЗУ 1 кбит (Старенький В.П., Чесноков В.П.) на основе КНС структур (кремний на сапфире) с толщиной плёнки кремния 1-3 мкм и др. В этой, обстановке Коллегия МЭП, приняла решение осуществить системный подход в министерстве к организации работ по КНС, поручив головную роль по проблеме НИИ «Сапфир». Главным инженером-заместителем директора по научной работе НИИ «Сапфир» с 1января 1975г. был назначен Ваш покорный слуга. Стратегической задачей, поставленной перед институтом, было создание радиационно-стойких БИС КНС специального назначения. В период формирования “Программы КНС” (1975—76 гг.) заложены основы кооперации в работах по созданию технологии и производства (НИИ «Сапфир», НИИТТ); разработке и организации производства КНС-структур (НИИМВ); исследовании радиационной стойкости (СПЭЛС, МИФИ); главные партнёры и заказчики радиационно-стойкого, быстродействующего микропроцессорного комплекта БИС КНС (ЛНПО «Автоматика» и ВНИИЭФ ). По мере расширения фронта работ расширился состав участников и заинтересованных в использовании отдельных частей комплекта. К участию в разработке привлечены в той или иной форме учёные ВУЗов и заказчики микросхем. Руководителем программы КНС назначен Станислав Владиславович Фронк. Программа КНС заняла доминирующее положение в тематике института. В 1976-78гг. выполнена серия НИР, определивших, на примере БИС АЛУ [11] (КМОП КНС), а затем четырёхразрядного микропроцессорного набора, с 3—4 мкм топологическими нормами, и технологический процесс производства КМОП КНС. В 1981году закончена серия ОКР, в результате которых создан первый микропроцессорный комплект из 11 схем, серии 1825 (главный конструктор Виктор Михайлович Деревянкин). С 1982 г. начат мелко серийный выпуск ИС серий1825 и 1620 с индексом “С”.

Этот беглый обзор развития КНС БИС с момента начала систематизированных работ над достижением цели поставленной “стратегической” задачи, не может служить всеобъемлющим. Предстояло достоверно оценить, что даст новый метод конструирования ИС и сопутствующая ему технология и материалы. И на этой основе заинтересовать Генерального заказчика. Организовать кооперацию в разработке новых материалов и, наконец, обеспечить кооперацию при испытаниях на спецвоздействия (включая натурные). На основе данных, полученных на этапе опытного производства, группа технологов под руководством Игоря Аркадьевича Сенникова существенно доработала технологию, обеспечив тем самым, реализацию повышенных требований спецстойкости комплекта серий 1825 и 1620. Разработана и освоена в производстве модификация 2, указанных серий – на полиамидном носителе (Мозгалёв В.А.). В результате в этот период создан функционально законченный микропроцессорный комплект повышенной спецстойкости на основе КНС-структур с толщиной слоя кремния 0,6 мкм и топологическими нормами 3—4 мкм, с улучшенными динамическими свойствами (комплект микросхем серий Б1825, Б1620 с индексом “Р”). Организована приёмка “заказчика”.

Параллельно разработке цифровых БИС, проводились работы по аналоговой тематике под руководством Марка Борисовича Цибульникова, и Игоря Васильевича Полякова, создавших основы КНС-технологии для счётчиков импульсов и измерителей временных интервалов. В 1987 г. налажен выпуск универсальной серии КМОП КНС БИС измерителей временных интервалов (1523ХП1, ХП2). Заложены основы КНС-технологии для создания серии многоразрядных ЦАП и АЦП.

Девяностые годы существенно замедлили процесс совершенствования КНС-технологии, однако в последующие годы, в плоть до настоящего времени, создан, освоен в НИИ Сапфир и ОАО «Ангстрем» базовый технологический процесс БИС КМОП КНС с проектными нормами 3-4 мкм (для цифровых схем) и 2,2-2,5 мкм (для аналоговых), обеспечивший разработку и выпуск комплектов радиационно-стойких БИС в обеспечение создания систем управления баллистическими ракетами.

Примечания

1.Это первое название, позже повсеместно утвердилось название «печатные платы».

2. Военно-промышленная комиссия при Совете министров СССР.

3. Тогда заместитель (1954– 1955) и затем первый заместитель (1955– 1957) министра радиотехнической промышленности СССР.

4. У Александра Константиновича был табельный номер «1», т. е. он был первым работником НИИТТ.

5. НИИ электронных машин, позже и поныне НИИ “Аргон”.

6. ГИС «Трапеция» были первыми в мире ИС на многослойной керамике, что позволяло резко увеличить плотность компоновки элементов в них.

7. Министерство электронной промышленности СССР.

8. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

9. Специализированный вычислительный центр, специализирующийся в разработке вычислительных машин и систем на их основе.

10. Статья написана в 2010 г.

11. Арифметическо-логическое устройство – основа процессора вычислительной машины.

19 марта 2021