[Перевод] Опознали микросхему по кристаллу, с которого кислота сняла металл: логика ДТЛ 1965 года

Разбирая коллекцию старых деталей, CuriousMarc наткнулся на микросхемы, которые не смог опознать. Одну из них он вскрыл, а я изучил кристалл под микроскопом. После небольшого реверс-инжиниринга стало ясно, что это логическая микросхема с четырьмя элементами И-НЕ на старомодной диодно-транзисторной логике (ДТЛ)[1]. Микросхема оказалась ST680A из серии Signetics 600 1965 года. В этой статье я разберу её схему и расскажу, как работает диодно-транзисторная логика.

Кристалл ST680A под микроскопом.

Корпуса у интегральных схем бывают разные. Один из самых популярных — пластиковый DIP (Dual In-line Package): чёрный прямоугольник из эпоксидки с двумя рядами металлических выводов. Этот тип корпуса придумала Signetics: «Представленная в конце 1965 года серия 600 стала первым семейством интегральных схем, выпускавшимся в цельном пластиковом корпусе с двухрядным расположением выводов (DIP)». Более ранние микросхемы упаковывали в круглые металлические банки или в маленькие плоские корпуса (flat-pack). В 1965 году инженеры Fairchild изобрели DIP с двумя рядами выводов с шагом 0,1 дюйма. В отличие от плоского корпуса для поверхностного монтажа, выводы DIP вставлялись в отверстия, поэтому ручная и автоматическая сборка шла быстро и просто. А поскольку выводы DIP стояли на регулярной сетке, а не по кругу, как у металлической банки, упростились и разводка, и производство печатных плат (подробности). Первые DIP были керамическими. Пластиковый DIP, выпущенный Signetics, был гораздо дешевле и стал очень популярным.

Реклама серии Signetics 600. Из журнала Electronics от 21 марта 1966 года.

Мне, правда, пластиковый DIP нравится меньше: его труднее вскрыть. Керамический корпус достаточно стукнуть зубилом, и он раскалывается, а с эпоксидным так не выйдет. Эпоксидку можно растворить азотной или серной кислотой, но с опасными кислотами я стараюсь не связываться. Поэтому CuriousMarc вскрыл корпус горячим воздухом по методу Антуана. К сожалению, этот способ срабатывает не всегда. Здесь на кристалле остались крошечные кусочки эпоксидки, которые закрывали схему. Чтобы очистить кристалл, я капнул на него несколько капель кипящей серной кислоты. (В крошечных количествах серная кислота меня устраивает.)

Кристалл на металлической рамке.

На фото выше кристалл кремния лежит на металлической рамке — выводной рамке (lead frame). Золотистые капли — места, где к кристаллу крепились соединительные проволочки. Видны легированные области кремния, из которых сделаны диоды и биполярные NPN-транзисторы, а в центре — 16 резисторов в виде змеевидных дорожек.

Большинство микросхем покрыты пассивирующим слоем — тонкой плёнкой диоксида кремния. Как назло, у этой старой микросхемы пассивации не было, и кислота заодно сняла слой металла. (Несколько остатков видны в левом верхнем углу.) Без металла мне пришлось угадывать, как компоненты соединены в логические элементы. Помогло то, что кремний, который был под металлом, чуть-чуть отличается по цвету. В итоге я нарисовал схему ниже — вероятную разводку металлического слоя. По ней видно, что микросхема содержит четыре элемента И-НЕ на ДТЛ; подробнее о них ниже. Одна загадка осталась: на кристалле два неиспользуемых диода, на схеме они отмечены вопросительными знаками.

Металлический слой счетверённого элемента И-НЕ. Я обесцветил изображение, чтобы подписи читались лучше.

Транзисторы, диоды и резисторы

В этом разделе я объясню, какие узоры на снимке каким компонентам схемы соответствуют. Кремниевый кристалл легирован разными примесями, и из-за этого получаются области с разными электрическими свойствами. Под микроскопом они выглядят красными или зелёными из-за интерференции в тонких плёнках, поэтому транзисторы, диоды и резисторы микросхемы хорошо видны.

Микросхема построена на биполярных NPN-транзисторах, которые устроены совсем не так, как МОП-транзисторы в современных микросхемах. В NPN-транзисторе ток от коллектора к эмиттеру управляется током базы. Коллектор — большая область кремния N-типа, то есть кремния, легированного атомами вроде фосфора или мышьяка. У этих элементов на один валентный электрон больше, чем у кремния, поэтому в кремнии появляется больше отрицательных носителей заряда, отсюда и N — negative. Кремний N-типа здесь выглядит красноватым.

Поверх коллектора лежит база — тонкая область кремния P-типа, она зелёная. Этот кремний легирован атомами вроде бора или галлия, у которых на один валентный электрон меньше, чем у кремния. Недостающие электроны образуют «дырки», которые ведут себя как положительные носители заряда. Наконец, поверх базы находится эмиттер из кремния N-типа. Вместе эти слои благодаря полупроводниковой магии усиливают ток базы.

Два NPN-транзистора на кристалле. Второй — более крупный выходной транзистор.

Выходные транзисторы микросхемы немного крупнее, чтобы пропускать больший ток. У правого транзистора на снимке выше контакт коллектора охватывает транзистор с трёх сторон. Эмиттер тоже больше, с Г-образным контактом. По даташиту каждый выходной транзистор может принимать (sink) ток 2,5 мА.

Раз логика диодно-транзисторная, диодов в микросхеме много. Диод устроен как транзистор, только без эмиттера. В диоде ток течёт от кремния P-типа к кремнию N-типа. (Прим. пер.: в оригинале здесь перепутаны названия выводов — «от катода (P-тип) к аноду (N-тип)»; на самом деле P-область — анод, N-область — катод.)

Диод и резистор на кристалле.

В середине кристалла расположены 16 резисторов. Резистор — это длинная тонкая полоска легированного кремния. Сопротивление у кремния довольно высокое, поэтому длинная полоска работает как резистор. Большинство резисторов уложены змейкой, чтобы длинный резистор поместился на меньшей площади. Эти резисторы сделаны из кремния P-типа (зелёного) в «ванне» из кремния N-типа (красного). Ванна подключена к плюсу питания; поскольку ток из кремния N-типа в кремний P-типа не течёт, резисторы изолированы друг от друга.

Как работает элемент ДТЛ

Логические элементы можно строить по-разному. В самых первых интегральных схемах (например, в бортовом компьютере «Аполлона») использовалась резисторно-транзисторная логика (РТЛ), где логические элементы собирались из резисторов и транзисторов.

В марте 1962 года Signetics анонсировала первое семейство коммерческих интегральных схем на диодно-транзисторной логике (подробности). Диоды на входах вместо резисторов дали ДТЛ лучшие характеристики, чем у РТЛ. Однако вскоре ДТЛ оттеснила ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), которая была быстрее и потребляла меньше. (Если вы пару десятилетий назад собирали цифровые схемы, то наверняка знаете популярную серию ТТЛ-микросхем 7400.)

На схеме ниже показано, как работает элемент И-НЕ на ДТЛ. Если на обоих входах высокий уровень, ток через первый резистор идёт в базу первого транзистора и открывает его. Транзистор усиливает этот ток и пропускает от коллектора к эмиттеру гораздо больший ток. Этот ток идёт в базу второго транзистора и открывает его. Второй транзистор пропускает ещё больший ток от выходного вывода на землю и тянет выход вниз, к низкому уровню.

Элемент И-НЕ на ДТЛ, оба входа в высоком уровне. Схема взята из даташита. Она заметно сложнее элемента ДТЛ из Википедии.

Но если хотя бы один вход притянуть к низкому уровню, ток от резистора уходит через входной диод на этот вход, и базе транзистора его не достаётся. Первый транзистор закрывается, а без тока базы закрывается и второй. Третий резистор подтягивает выход вверх. Получается, что на выходе низкий уровень, только если на обоих входах высокий: это элемент И-НЕ.

Элемент И-НЕ на ДТЛ, один вход в низком уровне.

Отмечу несколько особенностей этой схемы. Диоды на входах не дают одному входу влиять на другой. Диод посередине поднимает напряжение на эмиттере первого транзистора, так что для его открытия нужно большее напряжение, и чувствительность к помехам снижается. Выход подтягивается вверх резистором; в более продвинутых схемах для этого ставят ещё один транзистор. Когда на выходе низкий уровень, третий резистор всё равно «пытается» тянуть выход вверх и впустую расходует энергию. К тому же резистор ограничивает выходной ток, поэтому высокий уровень на выходе получается довольно слабым. В некоторых семействах ДТЛ выпускали элементы с разными номиналами выходного резистора, и можно было выбрать компромисс между потерями энергии и слишком слабым выходом.

Если вы работали с ТТЛ-микросхемами 1970-х, то знаете, что питание и земля у них обычно на диагональных выводах: земля на 7-м, питание на 14-м. (Расположение питания и земли по диагонали упрощает и разводку кристалла, и разводку печатной платы.) К моему большому удивлению, микросхемы Signetics появились раньше этого стандарта: земля у них на 1-м выводе, а питание на 8-м. Тоже по диагонали, но по другой! На схеме ниже показано, как четыре элемента И-НЕ подключены к выводам микросхемы.

Цоколёвка счетверённого элемента И-НЕ 680A. Из справочника.

Три микросхемы из одного кристалла

Схему по снимку кристалла я восстановил, но меня озадачили два лишних диода: как будто у двух элементов И-НЕ был третий вход, который не использовали. Объяснение такое: Signetics использовала одну и ту же топологию кремния как минимум для трёх разных микросхем, а функциональность задавала разным слоем металла. Это экономило деньги: одна фотомаска для слоя металла обходится гораздо дешевле полного нового комплекта масок. Signetics продавала заказчикам полузаказные микросхемы по подходу variFEBS (Variable Functional Electronics Blocks): поверх неизменного кремния наносился заказной слой металла, и получалась заказная схема без затрат на полный комплект масок. Продавались такие схемы плохо, но тот же подход Signetics применяла и для стандартных микросхем.

Цоколёвка строенного элемента И-НЕ 670A и сдвоенного элемента И-НЕ 616A. У всех трёх микросхем есть общие черты, например выводы 2 и 14 используются как выходы. Из справочника.

Одна из микросхем на том же кремнии, что и счетверённый элемент И-НЕ, — 670A: три элемента И-НЕ по три входа (на рисунке выше слева). Ниже показано, как можно развести кремний, чтобы получилась такая функциональность.

Предполагаемый слой металла строенного элемента И-НЕ 670A.

Разводка строенной микросхемы выше не совсем простая: у верхнего элемента входы находятся по обе стороны от вывода питания (Vcc). Это создаёт проблему, потому что шины питания и земли идут к резисторам вертикально и перекрывают металлическим дорожкам путь с одной стороны на другую. Решение — «подныр» (crossunder), область кремния, по которой сигнал проходит под слоем металла и соединяет входы слева с остальной схемой справа. Этот подныр виден в верхней части кристалла.

Ещё одна микросхема с той же топологией — сдвоенный элемент И-НЕ 616A, у каждого элемента по пять входов. Всего входов у неё 10 (у счетверённого — 8), так что именно она использует два «лишних» диода, которые я заметил. Если и этого мало, у каждого элемента И-НЕ есть вход расширения: подключив к нему внешние диоды, элемент можно сделать сколь угодно большим.

Предполагаемый слой металла сдвоенного элемента И-НЕ 616A.

Немного истории

История Signetics тесно связана с Fairchild. Как появилась Fairchild, известно хорошо: в 1957 году восемь инженеров — «предательская восьмёрка» — ушли из Shockley Semiconductor и основали Fairchild Semiconductor. Инженеры, уходившие из Fairchild, затем основали сотни компаний (их называют «детьми Fairchild», Fairchildren). Одной из них была Signetics, основанная в 1961 году; считается, что это первая компания, которая занималась исключительно разработкой и производством интегральных схем[2]. Первый продукт Signetics анонсировала в 1962 году: элемент И-НЕ стоимостью 125 долларов (больше 1000 долларов в нынешних деньгах)[3]. Неудивительно, что продавался он плохо.

Вскоре Signetics столкнулась с нехваткой денег, и в 1962 году Corning Glass вложила 1,7 миллиона долларов за 51% компании. Corning Glass может показаться странным инвестором, но это была куда более высокотехнологичная компания, чем можно подумать: она делала компоненты вроде резисторов и стеклянных конденсаторов, а позже создала оптоволокно. К тому же в начале 1960-х интегральные схемы были горячей темой (примерно как сейчас ИИ), и поучаствовать хотели все.

В 1963 году Министерство обороны США стало подталкивать подрядчиков к использованию интегральных схем в новых изделиях. На этой волне Signetics стала ведущим производителем интегральных схем[4]. Однако вскоре Fairchild выпустила серию ДТЛ-микросхем, которая конкурировала с Signetics. Серия Fairchild 930 была быстрее микросхем Signetics и стоила меньше половины их цены, так что Fairchild отобрала у Signetics значительную часть рынка и стала доминировать на рынке микросхем.

Signetics выпускала и аналоговые микросхемы. Пожалуй, больше всего она известна таймером 555, созданным в 1970 году: его называют самой популярной микросхемой в мире, продано миллиарды штук[5]. В 1975 году Signetics купила Philips, а в 2006 году Philips Semiconductors выделили в отдельную компанию NXP (Next eXPerience). Сейчас NXP — десятый по величине производитель полупроводников в мире, так что наследие Signetics живёт.

Спасибо CuriousMarc за микросхему и TubeTime за найденный справочник. Заявление об ИИ от автора: несмотря на длинные тире, ИИ при написании оригинала не использовался (подробности).

Примечания и ссылки

1. Уже после того, как я восстановил схему, TubeTime нашёл на неё даташиты, так что мой реверс-инжиниринг оказался лишним. (См. Signetics Condensed Catalog 1969, Utilogic II Databook 1971 и Utilogic 2 Databook 1972.) Видимо, с первоначальным поиском в сети нам не повезло: мы ничего не нашли. Зато так вы увидели, что у микросхемы внутри :-)

   

   Микросхема Signetics ST680A в корпусе. Большая круглая выемка отмечает первый вывод. Судя по коду даты, эта микросхема выпущена в 1971 году.

2. Подробнее об истории Signetics — в Signetics Founding History, написанной сооснователем Signetics Лайонелом Каттнером (Lionel Kattner). По его словам, название компании навеяно словами «signals» (сигналы) и «networks» (сети), а также модным высокотехнологичным суффиксом «-netics».

3. См. History of Semiconductor Engineering, страница 156.

4. История Signetics описана в книге Making Silicon Valley. Об инвестиции Corning там отзываются негативно: руководители Signetics «Ван Поппелен и Каттнер возражали на том основании, что Corning не подходит компании, выпускающей интегральные схемы. По их мнению, Corning была степенной фирмой с Восточного побережья, ничего не понимавшей в полупроводниках и чуждой порядкам и культуре электронной индустрии Западного побережья. Впоследствии их мнение оказалось верным».

5. Таймер 555 создал волшебник аналоговых микросхем Ханс Камензинд (Hans Camenzind). Если вам интересны аналоговые схемы, почитайте его книгу Designing Analog Chips, её можно скачать бесплатно.