Выпаять SMD микросхему или какой-нибудь другой компонент для новичков часто неразрешимой проблемой.
Во-первых: Не во всех есть паяльные фены.
А во-вторых: Даже те у кого есть не всегда умеют им нормально пользоваться.
Оказывается есть очень простой метод. И для этого даже не нужен паяльный фен. Нужна паяльная печка. Но её можно сделать самому.
Для этого нам понадобится какой-нибудь сгоревший транзистор средней мощности. Неважно, полевой или биполярный. И регулируемые блок питания, на ток до 10 А.
***Не забывайте соблюдать технику безопасности. Не превышайте температуру нагрева транзистора. Он может разлететься. Осторожность прежде всего.
Эту паяльную печку можно сделать как стационарную. Если вам приходится часто выполнять такую работу. Так и временную.
Но обязательно позаботиться о том, чтобы было можно легко заменить сгоревший транзистор на «новый» сгоревший.
Кому интересно более подробно узнать об этом посмотрите видео которое представлено ниже:
Сборка и подготовка паяльной печки к работе
Прежде чем приступить ещё раз проверяем транзистор. Чтобы не сжечь рабочий. Если увидели что он вышедший из строя можно приступать.
Использовать можно как полевые так и биполярные транзисторы. Главное условие чтобы они крепились на радиатор. И задняя площадка была металлическая.
Какие выводы использовать. Это большой роли не играет. Подбирается опытным путём. Подключаете блок питания и выставляете оптимальные ток и напряжения. Чтобы на задней металлической площадке транзистора легко плавился припой.
Наносим припой на заднюю площадку транзистора
Для кустарного использования наша паяльная установка уже готова. А у кого есть желание можете её облагородить.
Сделать какую-то подставку и крепление транзистора. Также позаботиться о креплении токо подводящих проводов.
Единственное не забывайте чтобы для крепления транзистора не использовать габаритные металлические предметы. Так как они будут отбирать нужное тепло для пайки.
Размещаем эту импровизированную паяльную установку под нужной нам деталью на плате. И прогреваем несколько минут. Периодически проверяя пинцетом. После чего деталь легко должна сняться.
Прогрев SMD микросхемы
Таким способом можно выпаивать различные SMD детали. И не только микросхемы. А также транзисторы, диоды и даже индуктивности и разъёмы.
Пайка Micro USB разъёма
Как видно из показаний блока питания моя паяльная печь потребляет чуть больше 8,5 Вт. Хотя это немного может варьировать. В зависимости от использованного транзистора.
А нагрузка в свою очередь низкоомная (нагрузкой может даже выступать вход какого-то усилителя)
И давайте попробуем представить как это будет выглядеть схематически.
В сущности у нас получается резистивный делитель из двух резисторов. R1 — выходного резистора нашего источника сигнала (и допустим наш источник сигнала имеет выходное сопротивление 10 кОм) и R2 резистора нагрузки (а сопротивление нагрузки 1 ком).
Из этой схемы понятно что ослабление напряжения будет происходить в любом случае. Даже если бы резисторы имели одинаковый номинал или в плоть до наоборот R1 < R2.
Давайте подключим осциллограф и посмотрим что происходит с сигналом. Первый щуп осциллографа подключим к выходу генератора (на сам источник сигнала), а второй к нагрузке.
Допустим сигнал у нас звуковой частоты 1 кгц и амплитудой 1 Вольт
На осциллограмме наши два сигнала синий график это входной сигнал и светло-жёлтый — это то что мы имеем на нагрузке.
Как видно выходной сигнал очень сильно ослаблен.
Как же решить эту проблему.
И вот как раз одним из способов решения и является буферный усилитель.
Вариантов буферных усилителей существует множество. Они могут быть и на лампах, на транзисторах, но нас сейчас интересует буфер на операционном усилителе.
Коэффициент этого усилителя равен единице. Но у такого схемного решения есть другие преимущества, которые которая как раз в нашем случае очень необходимы.
Буферный усилитель напряжения понижает выходное сопротивление источника, в идеале являясь генератором напряжения с нулевым выходным сопротивлением. Выходное напряжение такого усилителя, как правило, равно входному; такие буферные усилители называют повторителями.
И тем более что схема с применением операционного усилителя получается очень простой. Всего лишь нужно замкнуть выход этого усилителя с инвертирующим входом.
Для примера будем использовать самый простой, дешёвый и распространённый усилитель lm358
И вот теперь используя операционный усилитель в режиме Буферного Каскада попробуем решить нашу задачу.
У нас тот же источник сигнала и та же нагрузка. Только теперь разрыв нашей схемы включен буферный каскад.
Для полноты измерений подключим ещё третий щупа с осциллографа.
И вот такую картину мы можем увидеть на нашей осциллограмме. Так как сигналы частично совпадают их лучше разнести на три графика чтобы они не сливались.
И небольшое пояснение
1 осциллограмма — сигнал нашего источника
2 осциллограмма — сигнал на входе операционного усилителя
3 осциллограмма — сигнал на нагрузке
Какие выводы из этого можно сделать:
выходной сигнал у нас частично искажён, а точнее искажена его отрицательная полуволна.
положительная полуволна полностью повторяет входной сигнал.
Можно сказать что частично мы проблему решили. Но у нас появилась другая проблема — искажение сигнала отрицательной полуволны.
И давайте попробуем разобраться как решить теперь эту проблему.
Имеется несколько вариантов решения. Давайте попробуем разобраться применив некоторые из них.
Первый вариант решения проблемы искажения сигнала
Сразу же приходит на ум очень простое решение. Наш входной сигнал нужно сместить вверх. То есть добавить ему положительную составляющую. Это также можно сделать различными способами. И один из них подать напряжение смещения.
Я это смещение включу в генераторе источника нашего сигнала. Давайте посмотрим на наши осциллограммы
И теперь все три осциллограммы полностью идентичны, то есть в идеале они должны совпасть. Но это всё в идеале. Как это будет выглядеть на практике?
В какой-нибудь следующих статей, а также видят я соберу реальные схемы и сделаю реальные замеры.
И потом сравним результаты и сделаем выводы.
Второй вариант решения проблемы искажения сигнала
Наша проблема возникла из-за того что мы применили при питании операционного усилителя однополярное питание. Получается что если мы, наш усилитель будем питать от двухполярного источника мы должны решить эту проблему.
Давайте немного изменим схему и опять всё посмотрим на осциллограммах
Как видно из схемы изменения незначительные но требуется ещё один источник питания
Вот конечный результат наших измерений. Как видим наши три идеальных сигнала полностью совпадающих.
Осокин А.Д. в 1962 г. качестве главного конструктора по заказу НИИРЭ разработал первую в СССР и третью в мире (после ИС Дж. Килби и Р. Нойса ) полупроводниковую интегральную схему Р12-2 (серия 102). Она была самая маленькая в мире, ее корпус имел диаметр 3 мм и высоту 0,8 мм. На её основе потом разрабатывались другие интегральные схемы НИИРЭ
В итоге вышло так, что в США у каждого из трёх решений оказался свой автор, и патенты на них оказались в руках трёх корпораций.
Курт Леговец (Kurt Lehovec) из Sprague Electric Company посетил семинар в Принстоне зимой 1958 года, на котором Уолмарк изложил своё видение фундаментальных проблем микроэлектроники. По пути домой в Массачусетс, Леговец сходу изобрел изящное решение проблемы изоляции – использование самого pn-перехода! Менеджмент Sprague, занятый корпоративными войнами, не заинтересовался изобретением Леговца (да, в который раз отмечаем, что бестолковые руководители – бич всех стран, не только в СССР, впрочем, в США, благодаря куда большей гибкости общества, это и близко не приводило к таким проблемам, в крайнем случае страдала конкретная фирма, а не все направление науки и техники, как у нас), и он ограничился патентной заявкой за свой счет.
Чуть раньше, в сентябре 1958 года, уже упомянутый Джек Килби из Texas Instruments представил первый прототип ИС – однотранзисторный генератор колебаний, полностью повторявший схему и идею патента Джонсона, а чуть позже – двухтранзисторный триггер. В патентах Килби не была решена проблема изоляции и соединения. Изолятором был воздушный зазор – разрез на всю глубину кристалла, а для соединения он использовал навесной монтаж (!) золотой проволокой (знаменитая «волосяная» технология, и да, она реально использовалась в первых ИС от TI, что делало их чудовищно нетехнологичными), по сути, схемы Килби были гибридными, а не монолитными.
Зато он полностью решил проблему интеграции и доказал, что в массиве кристалла можно вырастить все необходимые компоненты. В Texas Instruments с руководителями было все прекрасно, они сходу поняли, какое сокровище попало им в руки, так что немедленно, даже не дожидаясь исправления детских болячек, в том же 1958 году начали продвигать сырую технологию военным (заодно обложившись всеми мыслимыми патентами). Как мы помним, военные в это время увлеклись совсем другим – микромодулями: и армия, и флот отвергли предложение.
Однако неожиданно темой заинтересовались ВВС, отступать было поздно, пришлось как-то налаживать выпуск по неимоверно убогой «волосяной» технологии.
В 1960-м TI официально объявило о том, что коммерчески доступна первая в мире «настоящая» ИС Type 502 Solid Circuit. Это был мультивибратор, и компания уверяла, что он находится в производстве, он даже присутствовал в каталоге по $450 за штуку. Однако реальные продажи начались лишь в 1961, цена была сильно выше, а надежность этой поделки была низка. Сейчас, кстати, эти схемы представляют колоссальную историческую ценность, настолько, что длительные поиски на западных форумах коллекционеров электроники человека, владеющего оригиналом TI Type 502, так и не увенчались успехом. Всего их было изготовлено около 10000, так что их раритет оправдан.
Роберт Нойс задумался – нельзя ли применить такую же технологию для производства интегральных схем и в 1959 самостоятельно повторил путь Килби и Леговица, объединив их идеи и доведя их до логического финала. Так родился фотолитографический процесс, с помощью которого микросхемы изготавливают и сегодня.
Один из забытых пионеров ИС – Жан Эрни, отец планарного процесса
Группа Нойса под руководством Джея Ласта (Jay T. Last) создала первую настоящую полноценную монолитную ИС в 1960 году. Однако компания Fairchild существовала на деньги венчурных инвесторов, и они не сумели поначалу оценить ценность созданного (опять же, беда с начальством). Вице-президент потребовал от Ласта закрыть проект, результатом стал очередной раскол и уход его команды, так родились еще две компании Amelco и Signetics.
После этого руководство, наконец, прозрело и в 1961 выпустило первую реально коммерчески доступную ИС – Micrologic. Еще год ушел на то, чтобы разработать полноценную логическую серию из нескольких микросхем.
То, чего так и не увидел СССР – огромное количество доступной специализированной литературы по проектированию микросхем, выпущенное американскими корпорациями в 1960-е. Пример заказной TTL-микросхемы, 1964 год
Затем возникла интегрально-инжекционная логика (IIL, появилась в конце 1971 года у IBM и Philips, использовалась в микросхемах 1970–1980-х годов) и величайшая из всех – металл-оксид-полупроводниковая логика (MOS, разрабатываемая с 60-х и к 80-м в варианте CMOS полностью захватившая рынок, сейчас 99 % всех современных чипов – это CMOS).
Первым коммерческим компьютером на микросхемах стал RCA Spectra 70 series (1965), малый банковский мэйнфрейм Burroughs B2500/3500, выпущенный в 1966 году и Scientific Data Systems Sigma 7 (1966). RCA по традиции разработала свои микросхемы сама (CML – Current Mode Logic), Burroughs воспользовалась помощью Fairchild в разработке оригинальной линейки микросхем CTL (Complementary Transistor Logic), SDS заказала чипы у Signetics. За этими машинами последовали CDC, General Electric, Honeywell, IBM, NCR, Sperry UNIVAC – эра транзисторных машин ушла.
Патент Фрэнка Уонласа (Frank Wanlass) на изобретенную им вместе с Са Чжитаном (Chih-Tang Sah) КМОП (CMOS) логику – мать всех современных чипов и микропроцессоров, 1963 г.
Отметим, что не только в СССР забывали творцов своей славы. С интегральными схемами случилась аналогичная, довольно неприятная история.
Фактически мир обязан появлению современной ИС слаженной работе профессионалов из Fairchild – прежде всего, команды Эрни и Ласта, а так же идее Даммера и патенту Леговца. Килби выпустил неудачный прототип, который было невозможно доработать, от его производства отказались почти сразу, и его микросхема имеет разве что коллекционную ценность для истории, технике она не дала ничего. Бо Лоек писал об этом так:
"Идея Килби была настолько непрактичной, что от неё отказалась даже TI. Его патент имел ценность только как удобный и выгодный предмет торга. Если бы Килби работал не на TI, а на любую другую компанию, то его идеи вообще не были бы запатентованы."
Нойс переоткрыл идею Леговца, но затем самоустранился от работы, и все открытия, включая мокрое окисление, металлизацию и травление, совершили другие люди, они же и выпустили первую настоящую коммерческую монолитную ИС.
В итоге история осталась несправедлива к этим людям до конца – еще в 60-е отцами микросхем называли Килби, Леговца, Нойса, Эрни и Ласта, в 70-е список сократился до Килби, Леговца и Нойса, потом – до Килби и Нойса, а вершиной мифотворчества стало получение одним лишь Килби Нобелевской премии 2000 года за изобретение микросхемы.
Если бы Нобелевские премии выдавали чуть более справедливо, то честь создания микросхемы должны были бы разделить Жан Эрни, Курт Леговец, Джей Ласт, Лев Реймеров и Юрий Осокин. Увы, на Западе о советских изобретателях никто даже не слышал до краха Союза.
Отметим, что 1961–1967 годы были эпохой чудовищных патентных войн. Все бились со всеми, Texas Instruments с Westinghouse, Sprague Electric Company и Fairchild, Fairchild с Raytheon и Hughes. В конце концов, компании поняли, что ни одна из них не соберет все ключевые патенты у себя, а пока длятся суды – они заморожены и не могут служить активами и приносить деньги, так что все кончилось мировой и кросс-лицензированием всех добытых к этому времени технологий.
Переходя к рассмотрению СССР, нельзя не отметить и другие страны, политика которых была иногда в высшей степени странной. Вообще, изучая эту тему, становится ясно, что намного проще описать не почему провалились разработки интегральных схем в СССР, а то, почему они преуспели в США, по одной просто причине – они, кроме США, нигде и не преуспели.
Подчеркнем, что дело было вовсе не в интеллекте разработчиков – толковые инженеры, отличные физики и гениальные визионеры-компьютерщики были везде: от Нидерландов до Японии. Проблема была в одном – менеджменте. Даже в Британии консерваторов (не говоря уже о лейбористах, которые добили там останки промышленности и разработок) корпорации не обладали такой властью и независимостью, как в Америке. Лишь там представители бизнеса разговаривали с властью на равных: могли инвестировать миллиарды куда хотели с минимальным контролем или без оного, сходиться в жестоких патентных битвах, переманивать сотрудников, основывать новые компании буквально по щелчку пальца (к той же «вероломной восьмерке», бросившей Шокли, восходит 3/4 всего нынешнего полупроводникового бизнеса Америки – от Fairchild и Signetics до Intel и AMD).
Все эти компании находились в непрерывном живом движении: искали, открывали, захватывали, разорялись, инвестировали – и выживали, и эволюционировали, подобно живой природе. Нигде в мире больше не было такой свободы риска и предпринимательства. Разница станет особо очевидна, когда мы начнем разговор об отечественной «Кремниевой долине» – Зеленограде, где не менее толковые инженеры, пребывая под гнетом Министерства радиопромышленности, обязаны были тратить 90 % своего таланта на копирование устаревших на несколько лет американских разработок, а те, кто упорно шел вперёд – Юдицкий, Карцев, Осокин – очень быстро укрощались и загонялись обратно на рельсы, проложенные бюрократией партийной системы.
Япония
Практически аналогичная ситуация случилась в Японии, где традиции государственного контроля были, конечно, в разы мягче советских, но вполне на уровне Британии (а что случилось с британской школой микроэлектроники, мы уже обсуждали).
В Японии к 1960 году существовали четыре основных игрока в компьютерном бизнесе, причем три были 100-процентно государственными. Самое могущественное – Министерство торговли и промышленности (MITI) и его техническое подразделение, Электротехническая лаборатория (ETL); Nippon Telephone & Telegraph (NTT) и его лаборатории микросхем; и наименее значимый участник, с чисто финансовой точки зрения, Министерство образования, которое контролировало все разработки внутри престижных национальных университетов (в особенности в Токийском, аналоге МГУ и MIT по престижу в те годы). Наконец, последним игроком были вместе взятые корпоративные лаборатории крупнейших промышленных фирм.
Япония была еще и тем похожа на СССР и Британию, что все эти три страны значительно пострадали в ходе Второй мировой войны, и их технический потенциал был уменьшен. А Япония вдобавок находилась в оккупации до 1952 года и под тесным финансовым контролем США до 1973 года, курс иены до этого момента был жестко привязан к доллару межправительственными соглашениями, а международным японский рынок стал вообще с 1975 года (и да, речь не идет о том, что они сами это заслужили, мы всего лишь описываем обстановку).
В результате японцы смогли создать несколько первоклассных машин для внутреннего рынка, но точно так же зевнули производство микросхем, а когда после 1975 года начался их золотой век, настоящий технический ренессанс (эпоха примерно по 1990, когда японская техника и компьютеры считались лучшими в мире и предметом зависти и мечтаний), производство этих самых чудес свелось к такому же копированию американских разработок. Хотя, надо отдать им должное, они не просто копировали, а разбирали, изучали и подетально улучшали любое изделие до последнего винтика, в итоге их компьютеры были меньше, быстрее и технологичнее, чем американские прототипы. Например, первый компьютер на ИС собственного изготовления Hitachi HITAC 8210 вышел у них в 1965, одновременно с RCA. К сожалению для японцев, они были частью мировой экономики, где такие фортели не проходят безнаказанно, и в результате патентных и торговых войн с США в 80-е их экономика рухнула в стагнацию, где и пребывает практически по сей день (а уж если вспомнить их эпический провал с так называемыми «машинами 5-го поколения»…).
При этом и Fairchild, и TI пытались основать производства в Японии ещё в начале 60-х, но наткнулись на жёсткое сопротивление MITI. В 1962 году MITI запретило Fairchild инвестировать в уже купленную в Японии фабрику, и неопытный Нойс попытался выйти на японский рынок через корпорацию NEC. MITI в течение двух лет отказывалось дать определённый ответ на заявку TI (при этом вовсю воруя их микросхемы и выпуская у себя без лицензии), и в 1965 году США нанесли ответный удар, угрожая японцам эмбарго на ввоз электронной техники, нарушавшей патенты TI, и для начала забанив Sony и Sharp.
В результате японцы были вынуждены признать, что 20 лет нарушали патенты, и выплатить США чудовищные роялти по полмиллиарда долларов в год, что окончательно похоронило японскую микроэлектронику.
В итоге грязная игра Министерства торговли и их тотальный контроль над крупными компаниями с указами, чего и как выпускать, вышли японцам боком, да таким, что их буквально вышибли из мировой плеяды производителей компьютеров (собственно, к 80-м только они и составляли конкуренцию американцам).
СССР
Перейдем, наконец, к самому интересному – Советскому Союзу.
Сразу скажем, что творилось там много чего интересного и до 1962 года, но сейчас мы рассмотрим только один аспект – настоящие монолитные (и притом оригинальные!) интегральные схемы.
Юрий Валентинович Осокин родился в 1937 году (для разнообразия врагами народа его родители не были) и в 1955 году поступил в МЭИ на электромеханический факультет, на недавно открытую специальность «диэлектрики и полупроводники», который окончил в 1961 году. Диплом он делал по транзисторам в нашем главном полупроводниковом центре у Красилова в НИИ-35, откуда отправился на Рижский завод полупроводниковых приборов (РЗПП) производить транзисторы, причем сам завод был такой же юный, как выпускник Осокин – создан только в 1960 году.
Назначение туда Осокина было нормальной практикой для нового завода – практиканты РЗПП часто учились в НИИ-35 и стажировались на «Светлане». Отметим, что завод не только обладал квалифицированными прибалтийскими кадрами, но и находился на периферии, вдали от Шокина, Зеленограда и всех разборок, с ними связанных (об этом мы еще поговорим). К 1961 РЗПП уже освоил в производстве большую часть транзисторов НИИ-35.
В том же году завод по собственному почину начал копать в области планарных технологий и фотолитографии. В этом ему помогали НИИРЭ и КБ-1 (позже «Алмаз»). РЗПП разработал первую в СССР автоматическую линию изготовления планарных транзисторов «Аусма», и ее генерального конструктора А. С. Готмана осенила светлая мысль – раз уж мы все равно штампуем транзисторы на кристалле, так почему бы не сделать сразу же сборку из оных транзисторов?
Кроме этого, Готман предложил революционную, по меркам 1961 года, технологию – разводить выводы транзистора не к стандартным ножкам, а распаивать к контактной площадке с шариками припоя на ней, для упрощения дальнейшего автоматического монтажа. По сути, он открыл настоящий BGA-корпус, который сейчас используется в 90 % электроники – от ноутбуков до смартфонов. К сожалению, в серию эта идея не пошла, так как с технологической реализацией возникли проблемы. Весной 1962 главный инженер НИИРЭ В. И. Смирнов попросил директора РЗПП С. А. Бергмана найти другой путь реализации многоэлементной схемы типа 2НЕ-ИЛИ, универсальной для построения цифровых устройств.
Директор РЗПП поручил эту задачу молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину. Организовали отдел в составе технологической лаборатории, лаборатории разработки и изготовления фотошаблонов, измерительной лаборатории и опытно-производственной линейки. В то время в РЗПП была поставлена технология изготовления германиевых диодов и транзисторов, ее и взяли за основу новой разработки. И уже осенью 1962 года были получены первые опытные образцы германиевой, как тогда говорили, твёрдой схемы Р12-2.
Перед Осокиным стояла принципиально новая задача: реализовать на одном кристалле два транзистора и два резистора, в СССР никто ничего подобного не делал, а о работах Килби и Нойса никакой информации в РЗПП не было. Но группа Осокина блестяще решила проблему, причём совершенно не так, как это сделали американцы, работая не с кремнием, а с германиевыми мезатранзисторами! В отличие от Texas Instruments, рижане создали сразу и настоящую микросхему, и удачный техпроцесс под нее из трех последовательных экспонирований, фактически они сделали это одновременно с группой Нойса, абсолютно оригинальным путем и получили не менее ценный, с коммерческой точки зрения, продукт.
Осокинская микросхема. Сверху и справа – первая Р12-2, снизу – блок из четырех микросхем в одном корпусе
Насколько значителен был вклад самого Осокина, был ли он аналогом Нойса (всю техничеcкую работу за которого выполнила группа Ласта и Эрни) или полностью оригинальным изобретателем?
Это тайна, покрытая мраком, как и все, связанное с советской электроникой. Например, В. М. Ляхович, работавший в том самом НИИ-131, вспоминает (здесь и далее цитаты из уникальной книги Е. М. Ляховича «Я из времени первых»):
"В мае 1960 года инженер моей лаборатории – физик по образованию, Лев Иосифович Реймеров, предложил в качестве универсального элемента 2НЕ-ИЛИ использовать двойной транзистор в одном корпусе с внешним резистором, заверив нас, что практически это предложение уже обеспечивается в существующем технологическом процессе изготовления транзисторов П401 – П403, который ему хорошо известен по практике на заводе «Светлана»… Это уже было почти все, что надо! Ключевые режимы работы транзисторов и высочайший уровень унификации… А через неделю Лев принес эскиз структуры кристалла, на котором к двум транзисторам на их общем коллекторе добавлялся pn-переход, образующий слоистый резистор... В 1960 году Лев оформил на свое предложение авторское свидетельство и получил положительное решение на устройство № 24864 от восьмого марта 1962 года."
Идея была воплощена в железе с помощью работавшего в то время на «Светлане» О. В. Веденеева:
"Летом меня вызвал в проходную Реймеров. У него возникла идея сделать технически и технологически схему «НЕ-ИЛИ». На такой прибор: на металлической основе (дюраль) крепится германиевый кристалл, на котором создаются четыре слоя с npnp-проводимостью... Работу по вплавлению золотых выводов хорошо освоила молодая монтажница Люда Турнас, и я привлек ее к работе. Полученное изделие помещалось на керамическую галету... Мы сделали Леве таких галет несколько сотен штук."
"Первые несколько сот штук были изготовлены втихую в течение нескольких дней! …После отбраковки приемлемых по параметрам приборов собрали несколько простейших схем триггеров и счетчик. Все работает! Вот она – первая интегральная микросхема! ...В лаборатории мы изготовили демонстрационные сборки типовых узлов на этих твердых схемах, размещенных на панелях из оргстекла. ...На демонстрацию первых твердых схем пригласили главного инженера НИИ-131 Вениамина Ивановича Смирнова и рассказали ему, что этот элемент является универсальным... Демонстрация твердых схем произвела впечатление. Наша работа была одобрена. ...В октябре 1960 года с этими поделками главный инженер НИИ-131, изобретатель твердой схемы инженер Л. И. Реймеров и я, начальник лаборатории, выехали в Москву и показали наши изделия председателю ГКРЭ В. Д. Калмыкову и его заместителю А. И. Шокину. ...В. Д. Калмыков и А. И. Шокин положительно оценили проделанную нами работу. Они отметили важность этого направления работ и предложили обращаться при необходимости к ним за помощью. ...Сразу после доклада министру и поддержки министром выполняемых нами работ по созданию и отработке германиевой твердой схемы, В. И. Смирнов распорядился создать лабораторию физики твердых схем с экспериментальным производственным участком... Все основные работы по созданию участка твердых схем были выполнены в течение 1960 года. В первом квартале 1961 года на участке были изготовлены первые наши твердые схемы, правда, пока с помощью друзей на заводе «Светлана» (припайка золотых выводов, многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера)."
На первом этапе работ многокомпонентные сплавы для базы и эмиттера доставали на заводе «Светлана», золотые выводы припаивать также возили на «Светлану», так как своей монтажницы и золотой 50 мкм проволоки в НИИ не было. Под вопросом оказалось комплектование микросхемами даже экспериментальных образцов БЦВМ, разрабатываемых в НИИ, а про массовый выпуск не могло быть и речи. Нужно было искать серийный завод.
Где же здесь место Осокина?
Изучаем мемуары дальше.
"С появлением фотолитографии оказалось возможным создать объемный резистор вместо слоистого при существующих размерах кристалла и путем травления коллекторной пластины через фотомаску сформировать объемный резистор. Л. И. Реймеров попросил Ю. Осокина попробовать подобрать разные фотомаски и попытаться на пластинке германия p-типа получить объемный резистор порядка 300 Ом. ...Такой объемный резистор в ТС Р12-2 Юра изготовил и считал, что работа закончена, так как температурная проблема решена. Вскоре Юрий Валентинович принес мне около 100 твердых схем в виде «гитарки» с объемным резистором в коллекторе, которое получено специальным травлением коллекторного слоя германия p-типа. ...Показал, что эти ТС работают до +70 градусов, какой получился процент выхода годных и какой разброс параметров. В институте (Ленинград) мы собрали на этих твердых схемах модули «Квант». Все проверки в диапазоне рабочих температур прошли успешно."
Но запустить второй, казалось бы, более перспективный, вариант в производство так просто не получилось.
Образцы схем и описание технологического процесса были переданы на РЗПП, но там к этому моменту уже было начато серийное изготовление Р12-2 с объёмным резистором. Появление улучшенных схем означало бы остановку производства старых, что могло сорвать план. К тому же, по всей вероятности, у Ю. В. Осокина были и личные причины сохранить выпуск Р12-2 старого варианта. На ситуацию наложились и проблемы межведомственного согласования, ибо НИИРЭ относился к ГКРЭ, а РЗПП к ГКЭТ. Нормативные требования к изделиям у комитетов были разные, да и рычагов влияния у предприятия одного комитета на завод из другого практически не было. В финале стороны пришли к компромиссу – выпуск Р12-2 сохранялся, а новые быстродействующие схемы получили индекс Р12-5.
В итоге мы видим, что Лев Реймеров был для советских микросхем аналогом Килби, а Юрий Осокин – аналогом Джея Ласта (хотя его обычно считают полноценным от и до отцом советских интегральных схем).
В результате разобраться в хитросплетениях конструкторских, заводских и министерских интриг Союза еще тяжелее, чем в корпоративных войнах Америки, однако, вывод довольно простой и оптимистичный. Идея интеграции пришла в голову Реймеру практически одновременно с Килби, и только советская бюрократия и особенности работы наших НИИ и КБ с кучей министерских согласований и дрязг задержали отечественные микросхемы на пару лет.
Вообще, американское мифотворчество, как уже говорилось, в некоторых аспектах было похоже на советское (как и тяга к назначению официальных героев и упрощение сложной истории). После выхода знаменитой книги Томаса Рида (T. R. Reid) «The Chip: How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution» в 1984 году каноничной стала версия «двух американских изобретателей», забыли даже о своих же коллегах, не говоря уже о том, чтобы предположить, что кто-то, кроме американцев, мог где-то что-то внезапно изобрести!
Впрочем, в России тоже отличаются короткой памятью, например, в огромной и подробной статье русской Википедии об изобретении микросхем – нет ни слова об Осокине и его разработках (что, кстати, неудивительно, статья представляет собой простой перевод аналогичной англоязычной, в которой этой информации и в помине не было).
При этом, что еще более печально, отец самой идеи – Лев Реймеров, забыт еще крепче, и даже в тех источниках, где упоминается создание первых настоящих советских ИС, в качестве единственного их творца отмечается лишь Осокин, что, безусловно, печально.
Удивительно, что в этой истории мы с американцами показали себя совершенно одинаково – ни одна сторона практически не запомнила своих настоящих героев, создав вместо этого серию устойчивых мифов. Очень печалит тот факт, что создание «Кванта», вообще, стало возможным восстановить лишь по единственному источнику – той самой книге «Я из времени первых», выпущенной издательством «Скифия-принт» в Санкт-Петербурге в 2019 году тиражом в 80 (!) экземпляров. Естественно, что для широкого круга читателей она долгое время была абсолютно недоступна (не зная хоть что-то о Реймерове и этой истории изначально – даже сложно было догадаться, что именно нужно искать в сети, но сейчас она доступна в электронном виде https://www.computer-museum.ru/books/Liahovich_v.5.pdf
Тем более хотелось бы, чтобы эти замечательные люди не были бесславно забыты, и надеемся, что данная статья послужит еще одним источником в деле восстановления приоритетов и исторической справедливости в непростом вопросе создания первых в мире интегральных схем.
Конструктивно Р12-2 (и последующая Р12-5) были выполнены в виде классической таблетки из круглой металлической чашечки диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм – до такой корпусировки Fairchild додумались только через год. К концу 1962 года опытное производство РЗПП выпустило около 5 тысяч Р12-2, а в 1963 году их было сделано несколько десятков тысяч (к сожалению, к этому времени американцы уже осознали, в чем их сила, и выпустили их более полумиллиона).
Что забавно – в СССР потребители не умели работать с такой корпусировкой и специально для облегчения их жизни в 1963 году в НИИРЭ в рамках ОКР «Квант» (А. Н. Пелипенко, Е. М. Ляхович) была разработана конструкция модуля, в котором объединялось четыре ТС Р12-2 – так родилась, первая в мире ГИС двухуровневой интеграции (TI использовала свои первые серийные микросхемы в 1962 году в похожей конструкции под названием Litton AN/ASA27 logic module – на них собирались компьютеры бортовых радаров). https://ru.wikipedia.org/wiki/Гибридная_микросхема
Миниатюрный радиоприемник "Микро" (1964г.) показан в США на съезде радиоинженеров и произвёл там мировую сенсацию
Первая зарубежная ГИС была анонсирована фирмой IBM в США в 1964 г. в виде STL -модулей, которые были созданы фирмой для нового семейства компьютеров IBM -360.
Поразительно, не то что Нобелевку – а даже особых почестей от своего правительства Осокин не дождался (а Реймер не удостоился даже этого – о нем вообще насмерть забыли!), за микросхемы он не получил вообще ничего, лишь позже в 1966 году был награжден медалью «За трудовое отличие», так сказать, «на общих основаниях», просто за успехи в работе.
В 1964 «Квант» был применен в первом в СССР авиационном бортовом компьютере третьего поколения «Гном» (также, первом в мире серийном компьютере на микросхемах). В 1968 серия первых ИС была переименована в 1ЛБ021 (ГИС получили индексы типа 1ХЛ161 и 1ТР1162), затем в 102ЛБ1В. В 1964 году по заказу НИИРЭ была завершена разработка Р12-5 (серия 103) и модулей на ее основе (серия 117).
ЭВМ «Гном» до сих пор стоят в штурманской кабине Ил-76 (причем сам самолет 1971 года выпуска) и некоторых других отечественных самолетов.
Уникальное видео – тот самый «Гном», учебно-образовательный фильм Рижского завода
Что особенно обидно – хищные акулы капитализма увлеченно подсматривали технологические решения друг у друга.
Советский же Госплан был неумолим – где родилось, там и пригодилось! В итоге осокинские микросхемы заняли узкую нишу БЦВМ нескольких самолетов и в таковом качестве и применялись последующие тридцать лет! Ни серия БЭСМ, ни всевозможные «Мински» и «Наири» – нигде более их не использовали.
Более того, даже в БЦВМ их ставили далеко не везде, МиГ-25, например, летал на аналоговом электромеханическом компьютере, хотя его разработка и закончилась в 1964. Кто мешал туда поставить микросхемы? Разговоры о том, что лампы устойчивее к ядерному взрыву?
Удивительно то, что Шокин, полностью одобрив технологию рижан, не дал ей ни малейшего ускорения (ну, кроме официального одобрения и приказа начать на РЗПП серийное производство), также нигде не рассматривалась популяризация этой темы, привлечение к ней специалистов из других НИИ и, вообще, всяческое развитие с целью как можно скорее получить драгоценный стандарт на собственные микросхемы, которые можно было бы независимо развивать и усовершенствовать.
Отчего так вышло?
Шокину было не до осокинских экспериментов, в это время он решал вопрос с клонированием американских разработок в родном Зеленограде.
Советская микроэлектронная промышленность оставалась передовой до конца семидесятых годов прошлого века. Погубила ее межведомственная разобщенность и недостаток финансирования для перехода на новый уровень развития
"Очерки истории российской электроники. Выпуск 1. 60 лет отечественному транзистору", М, 2009, РИЦ-Техносфера, с. 177-210
«Зарождение и становление отечественной микроэлектроники»
«История отечественной электроники», том 1. М. 2012, ИД «Столичная Энциклопедия», с. 469÷496..
В этом обзоре я расскажу, как при помощи палок и известной субстанции добраться до кристалла микросхемы и оценить топологию. Если повезет, сможем прочитать логотип производителя и даже серию, или наименование микросхемы.
Для чего это нужно
Еще вчера изготовители электронных устройств небольших серий экономили на закупках компонентов, зачастую нарываясь на контрафакт. Все мы дружно обвиняли таких в жадности и осуждали. Сегодня обстоятельства резко поменялись. Теперь приходится использовать то, что удалось найти, и цена далеко не главное. Возможно метод, который я здесь опишу, поможет избежать применения явного контрафакта и напрасных трат на монтаж и демонтаж. Метод оценки маркировки, перемаркировки, геометрии и качества корпуса показал свою неэффективность на входном контроле. Отбраковать можно только совсем уж явную подделку. Но если пираты в теме и немного потрудятся, то для выявления необходимо переходить к объемным электрическим тестам.
Итак, первый этап: освобождение кристалла из корпуса микросхемы. Сразу скажу, метод этот не позволит сохранить разварку. Главное — рассмотреть кристалл и в идеале сравнить его с заведомо подлинным от производителя. Известный лабораторный способ — это применение химической декапсуляции. Стоимость систем колеблется около сотни тысяч долларов. Практически все они закрытого типа. Работать на них необходимо в специализированной лаборатории, и, соответственно, иметь в штате химика-лаборанта.
Способ, который применяю я, не требует кислот. Процесс заключается в вываривании микросхемы при высокой температуре в расплавленной канифоли. От микросхемы отделяем выводы и вместе с небольшим кусочком канифоли кладем в пробирку. Пробирку закрепляем в импровизированном штативе. Для нагрева я использовал паяльный фен на максимальной температуре. Процесс длительный и нудный, может занимать несколько часов.
В пробирке видна накрошенная канифоль и обезноженная микросхема:
Вот так это выглядит во время варки:
Есть еще момент, на который стоит обратить внимание: пары канифоли со временем осядут на всех окружающих предметах. Плюс запах самой жженной канифоли не такой уж приятный. Чтобы избавиться от паров, делаем простейший фильтр, по типу водяного затвора. В пробирку вставляю силиконовый шланг, конец которого опускаем в стакан.
Ниже видно, как темнеет канифоль с течением времени. Это растворяется корпус.
Определить в процессе варки, что корпус растворился, довольно сложно. Жидкость становится густой и непрозрачной. Приходилось несколько раз выплескивать содержимое на чистый лист бумаги, чтобы что-то разглядеть. По окончании все, что было в пробирке на чистом белом листке, выглядит так:
Важно не потерять кристалл. Иногда их размеры бывают меньше миллиметра. Заметить очень сложно.
Здесь кристалл довольно приличных размеров. Его видно:
Вторая часть — инструментальная. Как теперь все это рассмотреть и изучить. Обыкновенные биологические микроскопы не подходят для этих целей. Расскажу чуть поподробней, так как я был абсолютно не в теме, и ошибочно купил неплохой (как мне казалось) микроскоп примерно за тысячу долларов. В цену вошла и матрица на 3 Мпс, с насадкой для окуляра. Я, конечно, знал, что биологические микроскопы работают в проникающем свете, но предполагал сделать светодиодную подсветку вокруг объектива, что даст мне возможность подсвечивать кристалл. К сожалению, нет. Это спасает на объективах х10 и еще как-то на х20, но дальше — все. А этого увеличения не хватает, х40 и х100 уже применять невозможно. Качественных снимков добиться очень сложно. Подать удачно свет занимает уйму времени. Одним словом, занятие неблагодарное.
О металлографическом микроскопе на тот момент мне ничего не было известно. И в магазинах оптики менеджеры ничего посоветовать не могли (скорее всего и сами не знали). Невозможность использования биологического микроскопа заставила изучать тему более углубленно. Отпугивала стоимость этих аппаратов. Но выручила, как всегда, нестареющая советская промышленность, которая производила достойные микроскопы в массовых количествах. На сегодняшний день стоимость отечественного металлографического микроскопа в неплохом рабочем состоянии может составить меньше 10 тысяч рублей. Вот несколько массовых марок: МИМ-6, МИМ-7, МИМ-8, МИМ-9 и еще очень много разных. Размеры от компактных до крупных. Все их можно приспособить для нашей цели. Нужна только камера с насадкой, которую можно погружать вместо окуляра. Я приобрел себе ММУ-1 за 9 тыс. Подсветка и микровинт работают.
Главное отличие всех металлографических микроскопов от биологических — конструкция объективов. Свет от источника отражается от зеркала-призмы, проходит через объектив, попадает на поверхность кристалла и возвращается через этот же объектив. Этот отраженный свет мы и видим в окуляре. Схема типового металлографического микроскопа ниже.
Третья часть — аналитическая. Подаем питание на источник света, подбираем объектив, наводим резкость и…
На фото фрагмент кристалла преобразователя FTDI232RL. Ввиду своих больших размеров целиком в объектив не поместился. Микросхема очень удачная для анализа. Производитель не поскромничал и поставил на кристалле свои логотипы. Чем снял все вопросы при анализе на контрафакт.
На поддельной микросхеме такого логотипа нет. По сути, там нет никаких надписей, поэтому приводить фото не буду — ничего интересного.
Некоторые из декапсулированных микросхем я выкладываю на этой странице с разрешения хозяев-заказчиков. Указываю фото корпуса микросхемы и присутствующих логотипов и литер. Часто это позволяет сделать вывод об оригинальности происхождения. А вот с точным наименованием сложнее. Были случаи, когда оригинальную микросхему перемаркировывали и выдавали за более дорогую версию. Самый правильный вариант — сравнить оригинальный кристалл, в котором есть стопроцентная уверенность, с испытуемым вариантом.
Несколько слов про разварку. На одной из выставок «Экспоцентра» привлек внимание стенд с лазерным станком. В качестве эксперимента оператор согласился попробовать аккуратно снять верхний слой до кристалла. Ниже фото того, что получилось. Как видно, структура выводов и разварка при этом варианте декапсуляции сохраняется.
Поэтому решил сделать домашнюю версию для лазерной декапсуляции. Приобрел вот такой вот лазер на 2.5 Ватта. Приспособлю простейший 3Д принтер. Как все сделаю, напишу подробнее, что же в итоге вышло.
На фото лазер уже скреплен с экструдером:
Еще больше новостей и статей в нашем блоге Timeweb Cloud.