Микросхему опознали по кристаллу, с которого кислота удалила металл: ДТЛ-логика 1965 года

Автор оригинала: Ken Shirriff

Перебирая старые электронные компоненты, CuriousMarc обнаружил несколько микросхем, назначение которых ему было неизвестно. Одну из них он вскрыл, а я рассмотрел кристалл под микроскопом. Небольшое исследование методом обратной разработки показало, что перед нами логическая микросхема с четырьмя элементами И-НЕ, выполненными на диодно-транзисторной логике (ДТЛ)[1]. Это ST680A из серии Signetics 600, выпущенной в 1965 году. В статье я восстановлю её схему и объясню принципы работы ДТЛ.

Кристалл ST680A под микроскопом.

Интегральные схемы выпускают в корпусах самых разных типов. Один из наиболее распространённых — пластиковый DIP (Dual In-line Package): прямоугольный чёрный корпус из эпоксидной смолы с двумя рядами металлических выводов. Этот вариант корпуса разработала компания Signetics. Как она отмечала: «Представленная в конце 1965 года серия 600 стала первым семейством интегральных схем, выпускавшихся в цельном пластиковом корпусе с двухрядным расположением выводов (DIP)». До этого микросхемы помещали в круглые металлические корпуса или небольшие плоские корпуса (flat-pack). В 1965 году инженеры Fairchild разработали DIP с двумя рядами выводов, расположенными с шагом 0,1 дюйма. В отличие от плоского корпуса для поверхностного монтажа, ножки DIP вставлялись в отверстия платы, что заметно упрощало и ускоряло ручную и автоматизированную сборку. Регулярное расположение выводов, в отличие от круглой компоновки металлических корпусов, также облегчало проектирование и изготовление печатных плат (подробнее). Первые DIP-корпуса делали из керамики. Пластиковый вариант Signetics обходился значительно дешевле и быстро завоевал популярность.

Реклама серии Signetics 600 в журнале Electronics от 21 марта 1966 года.

Пластиковые DIP мне, впрочем, нравятся меньше: вскрывать их сложнее. Керамический корпус можно расколоть лёгким ударом зубила, но с эпоксидной смолой такой способ не сработает. Её можно удалить азотной или серной кислотой, однако я предпочитаю не иметь дела с опасными реагентами. Поэтому CuriousMarc вскрыл корпус горячим воздухом, воспользовавшись методом Антуана. Увы, результат не всегда идеален: в данном случае на кристалле остались мелкие фрагменты эпоксидки, скрывавшие часть схемы. Чтобы очистить поверхность, я нанёс на неё несколько капель кипящей серной кислоты. (С небольшим количеством серной кислоты я готов работать.)

Кристалл на металлической рамке.

На снимке выше кремниевый кристалл закреплён на металлической выводной рамке (lead frame). Золотистые участки — это места соединения кристалла с тонкими проволочными выводами. Хорошо различимы легированные области кремния, образующие диоды и биполярные NPN-транзисторы, а в центре видны 16 резисторов с извилистыми дорожками.

Поверхность большинства микросхем защищает пассивирующий слой — тонкая плёнка диоксида кремния. К сожалению, у этого старого чипа такого покрытия не было, поэтому кислота заодно удалила и металлический слой. Его фрагменты сохранились лишь в левом верхнем углу. Без металла приходилось восстанавливать соединения между компонентами буквально по косвенным признакам. Помогло небольшое различие в оттенке кремния под металлическими дорожками. В результате я составил схему ниже — предположительный вариант разводки металлизации. Она показывает, что микросхема содержит четыре элемента И-НЕ на ДТЛ; ниже я подробнее расскажу, как они устроены. Одна деталь так и осталась неясной: на кристалле обнаружились два диода, которые в схеме не задействованы и обозначены вопросительными знаками.

Металлический слой счетверённого элемента И-НЕ. Для удобства чтения подписей я обесцветил изображение.

Транзисторы, диоды и резисторы

В этом разделе я покажу, какому компоненту схемы соответствует каждый из узоров на снимке. Кремниевый кристалл легируют различными примесями, благодаря чему в нём формируются области с разными электрическими свойствами. Под микроскопом они приобретают красноватый или зеленоватый оттенок из-за интерференции света в тонких плёнках. Поэтому транзисторы, диоды и резисторы на кристалле хорошо различимы.

В этой микросхеме применяются биполярные NPN-транзисторы — они устроены не так, как МОП-транзисторы, используемые в большинстве современных чипов. В NPN-транзисторе ток между коллектором и эмиттером регулируется током базы. Коллектор представляет собой крупную область кремния N-типа, легированного, например, фосфором или мышьяком. У атомов этих элементов на один валентный электрон больше, чем у кремния, поэтому в материале появляется избыток отрицательных носителей заряда. Отсюда и обозначение N — negative. На снимке кремний N-типа выглядит красноватым.

Над коллектором расположена база — тонкий слой кремния P-типа, окрашенный в зелёный цвет. Его легируют, например, бором или галлием, атомы которых имеют на один валентный электрон меньше, чем атомы кремния. Недостающие электроны представлены «дырками», которые ведут себя как положительные носители заряда. Самый верхний слой — эмиттер из кремния N-типа. Благодаря особому устройству полупроводника эти три слоя позволяют транзистору усиливать ток базы.

Два NPN-транзистора на кристалле. Второй из них — увеличенный выходной транзистор.

Выходные транзисторы сделаны немного крупнее, чтобы выдерживать больший ток. На правом транзисторе снимка коллекторный контакт огибает сам транзистор с трёх сторон. Эмиттер тоже увеличен и имеет Г-образный контакт. Согласно технической документации, каждый выходной транзистор способен принимать (sink) ток до 2,5 мА.

В микросхеме на ДТЛ, разумеется, немало диодов. По устройству диод похож на транзистор, но у него нет эмиттера. В диоде ток проходит из кремния P-типа в кремний N-типа. (Прим. пер.: в оригинале здесь неверно указаны выводы: «от катода (P-тип) к аноду (N-тип)». В действительности область P-типа — это анод, а область N-типа — катод.)

Диод и резистор на кристалле.

В центральной части кристалла размещены 16 резисторов. Каждый из них представляет собой длинную узкую полоску легированного кремния. У кремния достаточно высокое сопротивление, поэтому такая полоска работает как резистор. Большинство из них уложены зигзагом, чтобы разместить длинные дорожки на небольшой площади. Резисторы сформированы из кремния P-типа (зелёного цвета) и находятся внутри «ванны» из кремния N-типа (красного цвета). Ванна подключена к положительному напряжению питания. Поскольку ток не проходит из N-типа в P-тип, резисторы оказываются электрически изолированы друг от друга.

Как устроен элемент ДТЛ

Логические схемы можно реализовать разными способами. В ранних интегральных схемах, например в бортовом компьютере «Аполлона», применялась резисторно-транзисторная логика (РТЛ), где логические элементы строились из резисторов и транзисторов.

В марте 1962 года Signetics представила первое семейство коммерческих интегральных схем, основанных на диодно-транзисторной логике (подробнее). Использование входных диодов вместо резисторов обеспечивало ДТЛ лучшие характеристики по сравнению с РТЛ. Но вскоре её сменила ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика, которая работала быстрее и потребляла меньше энергии. (Если несколько десятилетий назад вы собирали цифровые схемы, то, вероятно, знакомы с популярной серией микросхем ТТЛ 7400.)

На схеме ниже представлен принцип работы элемента И-НЕ на ДТЛ. Когда оба входа находятся на высоком уровне, через первый резистор ток поступает в базу первого транзистора и открывает его. Транзистор усиливает ток, пропуская от коллектора к эмиттеру значительно больший поток. Он поступает в базу второго транзистора и также открывает его. Второй транзистор направляет ещё больший ток от выхода к земле, из-за чего напряжение на выходе падает до низкого уровня.

Элемент И-НЕ на ДТЛ при высоком уровне на обоих входах. Схема приведена в даташите и заметно сложнее варианта ДТЛ из Википедии.

Если хотя бы на одном входе установить низкий уровень, ток от резистора потечёт через входной диод к этому входу, а не в базу транзистора. Первый транзистор закроется, и второй тоже останется закрытым, поскольку не получит ток базы. Третий резистор в это время подтянет выход к высокому уровню. Таким образом, выход становится низким только тогда, когда оба входа имеют высокий уровень. Именно так работает элемент И-НЕ.

Элемент И-НЕ на ДТЛ, когда на одном из входов установлен низкий уровень.

У этой схемы есть несколько примечательных особенностей. Входные диоды изолируют входы друг от друга, не позволяя им взаимно влиять на работу. Средний диод повышает напряжение на эмиттере первого транзистора: для его открывания требуется более высокий уровень сигнала, поэтому схема становится менее восприимчивой к помехам. Резистор подтягивает выход вверх; в более сложных схемах эту функцию выполняет дополнительный транзистор. Когда выход находится на низком уровне, третий резистор всё равно пропускает ток, пытаясь поднять напряжение, — энергия при этом расходуется впустую. Кроме того, резистор ограничивает выходной ток, поэтому сигнал высокого уровня получается сравнительно слабым. Для некоторых семейств ДТЛ выпускали элементы с разными значениями выходного сопротивления, позволяя выбрать баланс между энергопотреблением и силой выходного сигнала.

Тем, кто работал с ТТЛ-микросхемами 1970-х годов, знакомо типичное расположение питания и земли по диагонали: земля подключалась к выводу 7, питание — к выводу 14. Такая компоновка упрощала разводку как кристалла, так и печатной платы. К моему удивлению, микросхемы Signetics предшествовали этому стандарту: земля в них подключена к выводу 1, а питание — к выводу 8. Выводы тоже расположены по диагонали, но иначе! На схеме ниже показано, как четыре элемента И-НЕ соединены с выводами микросхемы.

Расположение выводов счетверённого элемента И-НЕ 680A. Из справочника.

Три микросхемы на одном кристалле

Восстановив схему по изображению кристалла, я не мог понять, зачем на нём оставлены два лишних диода: казалось, что у двух элементов И-НЕ есть ещё по одному неиспользуемому входу. Разгадка в том, что Signetics использовала одну и ту же кремниевую топологию как минимум для трёх разных микросхем, меняя только металлический слой, который задавал соединения. Такой подход снижал затраты: изготовление фотошаблона для одного слоя металла обходилось гораздо дешевле, чем создание полного комплекта масок. Компания предлагала заказчикам полузаказные микросхемы по технологии variFEBS (Variable Functional Electronics Blocks): на неизменную кремниевую основу наносили индивидуальный слой металла, получая нужную схему без расходов на полный набор масок. Такие изделия не пользовались большим спросом, но похожий принцип Signetics применяла и при выпуске стандартных микросхем.

Цоколёвка трёхвходового элемента И-НЕ 670A и сдвоенного элемента И-НЕ 616A. У всех трёх микросхем есть общие детали: например, выводы 2 и 14 служат выходами. Из справочника.

Одна из микросхем, изготовленных на той же кремниевой основе, что и счетверённый элемент И-НЕ, — модель 670A. Она содержит три трёхвходовых элемента И-НЕ (слева на рисунке выше). Ниже показан возможный вариант металлизации, который позволил бы получить такую схему.

Предполагаемый вариант металлизации тройного элемента И-НЕ 670A.

Разводка тройной микросхемы на рисунке выше довольно необычна: входы верхнего элемента расположены по обе стороны от вывода питания Vcc. Это создаёт трудность — шины питания и земли подходят к резисторам вертикально и преграждают металлическим дорожкам путь с одной стороны на другую. Проблему решает «подныр» (crossunder) — участок кремния, по которому сигнал проходит под металлическим слоем, соединяя входы слева с остальной схемой справа. Его можно заметить в верхней части кристалла.

Ещё одна микросхема на той же кремниевой основе — 616A, сдвоенный элемент И-НЕ с пятью входами у каждого элемента. Всего у неё 10 входов против 8 у счетверённой версии. Именно этим объясняется наличие двух лишних диодов, которые я обнаружил. Кроме того, каждый элемент И-НЕ имеет вход расширения: если подключить к нему внешние диоды, число входов можно увеличить практически без ограничений.

Предполагаемый вариант металлизации сдвоенного элемента И-НЕ 616A.

Краткая история

История Signetics тесно переплетена с историей Fairchild. Основание Fairchild хорошо известно: в 1957 году восемь инженеров, вошедших в историю как «предательская восьмёрка», покинули Shockley Semiconductor и создали Fairchild Semiconductor. Позднее сотрудники Fairchild основали сотни новых компаний — их называют «детьми Fairchild» (Fairchildren). Одной из таких компаний стала Signetics, созданная в 1961 году. Её считают первой компанией, сосредоточившейся исключительно на разработке и производстве интегральных схем[2]. В 1962 году Signetics объявила о выпуске своего первого продукта — элемента И-НЕ за 125 долларов, что сегодня соответствует сумме свыше 1000 долларов[3]. Неудивительно, что покупателей нашлось немного.

Вскоре компания столкнулась с финансовыми трудностями. В 1962 году Corning Glass вложила в Signetics 1,7 миллиона долларов, получив 51% акций. На первый взгляд Corning Glass может показаться неожиданным инвестором, но компания была куда технологичнее, чем можно предположить: она выпускала такие компоненты, как резисторы и стеклянные конденсаторы, а впоследствии разработала оптоволокно. Кроме того, в начале 1960-х интегральные схемы были на пике внимания — примерно как сегодня искусственный интеллект, — и многие стремились включиться в эту сферу.

В 1963 году Министерство обороны США начало поощрять подрядчиков использовать интегральные схемы в новых разработках. Благодаря этому Signetics стала одним из ведущих производителей микросхем[4]. Однако вскоре Fairchild представила собственную серию ДТЛ, составившую Signetics серьёзную конкуренцию. Микросхемы Fairchild 930 работали быстрее и стоили менее половины аналогичной продукции Signetics. В результате Fairchild перехватила значительную долю рынка и заняла лидирующие позиции в отрасли.

Signetics производила и аналоговые микросхемы. Больше всего компания, пожалуй, известна таймером 555, разработанным в 1970 году. Его часто называют самой популярной микросхемой в мире: за всё время было продано несколько миллиардов экземпляров[5]. В 1975 году Signetics приобрела Philips, а в 2006 году подразделение Philips Semiconductors стало самостоятельной компанией NXP (Next eXPerience). Сегодня NXP входит в десятку крупнейших мировых производителей полупроводников, так что наследие Signetics продолжает жить.

Благодарю CuriousMarc за микросхему, а TubeTime — за найденный справочник. Заявление автора об ИИ: несмотря на обилие длинных тире, при подготовке оригинальной статьи ИИ не использовался (подробнее).

Примечания и ссылки

1. После того как я уже восстановил схему, TubeTime нашёл даташиты на эту микросхему, и оказалось, что реверс-инжиниринг был не обязателен. См. Signetics Condensed Catalog 1969, Utilogic II Databook 1971 и Utilogic 2 Databook 1972. Видимо, с первого раза мы не смогли найти эти материалы в сети. Зато благодаря этому у вас есть возможность заглянуть внутрь микросхемы 🙂

   

   Микросхема Signetics ST680A в корпусе. Крупная круглая выемка указывает на первый вывод. Судя по коду даты, чип изготовлен в 1971 году.

2. Больше об истории Signetics можно узнать из материала Signetics Founding History, написанного сооснователем компании Лайонелом Каттнером (Lionel Kattner). По его словам, название составили под влиянием слов «signals» (сигналы) и «networks» (сети), а также популярного тогда высокотехнологичного суффикса «-netics».

3. См. книгу History of Semiconductor Engineering, стр. 156.

4. История Signetics изложена в книге Making Silicon Valley. Автор книги критически оценивает инвестицию Corning. По его словам, руководители Signetics «Ван Поппелен и Каттнер возражали на том основании, что Corning не подходит компании, производящей интегральные схемы. Они считали Corning степенной фирмой с Восточного побережья, которая ничего не понимала в полупроводниках и была чужда порядкам и культуре электронной индустрии Западного побережья. Позднее выяснилось, что они были правы».

5. Таймер 555 разработал мастер аналоговых микросхем Ханс Камензинд (Hans Camenzind). Тем, кто интересуется аналоговой электроникой, будет полезна его книга Designing Analog Chips, доступная для бесплатного скачивания.

 

Источник