ЛР1_Будкина (Подборка отчетов по практике 2009)

Московский Энергетический Институт

(Технический Университет)

ОАО НПП «Сапфир»: история,

научные разработки, производство.

Выполнила: ст. гр. ЭЛ-15-05

Будкина Л.Ю.

Проверила: Шеметова В.К.

Москва.

2009 г.

ОАО НПП «Сапфир» является базовым предприятием российской оборонной промышленности. Оно сосредоточило свои усилия на научно-производственном направлении по созданию радиационностойких КМОП КНС БИС микросхем, технология которых относится к задачам федерального уровня. "Сапфир" осуществляет поставки микропроцессоров для нужд Роскосмоса и Минатома Российской Федерации.

Предприятие имеет огромный опыт производства и разработки наукоемкой продукции, применяемой в бортовых системах и вычислительных комплексах баллистических ракет.

Сочетание традиционных и новых направлений в разработках и производстве полупроводниковой электроники, создание законченных изделий и устройств для первоочередных нужд народного хозяйства и обороны страны позволяет НПП «Сапфир» развивать науку и производство России.

Всего же за более чем полувековую историю предприятия его специалистами было разработано и внедрено в серийное производство более 200 видов полупроводниковых диодов, приборов электроники и интегральных схем. Многие из них, разработанные еще в 60-70 гг. прошлого века, выпускаются и по сей день.

История предприятия.

1951 год. в Москве Постановлением Совмина был организован НИИ-311, ориентированный на совершенно новое по тем временам направление – радиоэлектронику. Институт был создан на базе трех предприятий: радиозавода им. Красина, артели «Коопутиловец» и завода «Сирокко». В годы Великой отечественной войны предприятия выпускали военную продукцию: гранаты, авиа-снаряды, автозаправщики, редукторы к ракетным установкам «Катюша».

В 1956 году НИИ-311 переводится в Министерство радиотехнической промышленности и на него возлагается ответственность за разработку полупроводниковых диодов и тиристоров. Требования к институту возросли. В то же время у него не было ни одного подходящего для работы здания. Сложно представить, что на территории нынешнего предприятия на заре его становления находилось самое настоящее болото. На плечи первых директоров «Сапфира» (Л. Кирпичникова, М. Климанова, Б. Гуляева) легла непростая задача: перепрофилировать штамповочное производство в предприятие, отвечающее современным стандартам электроники по чистоте, точности обработки, сложности процессов.

Перепрофилирование заводских территорий и открытие НИИ-311 стало краеугольным камнем в общей концепции развития физики полупроводников в стране, мощным импульсом, к которому послужило открытие транзисторов.

Практически вслед за НИИ-311 была образована кафедра физики и полупроводников на физическом факультете МГУ им. Ломоносова. Сотрудники обоих научных центров до сих пор поддерживают тесные связи, а на заре становления новой науки ученые работали практически над одними и теми же стратегическими проблемами. Работы сыграли огромную роль в понимании физических процессов в кристаллических полупроводниках и использовались при разработке полупроводниковых приборов.

В 60-х годах на месте деревянных построек были возведены три новых корпуса.

Одновременно с созданием института появилась еще одна цель - готовить новые кадры для новой отрасли

В 60-70-х годах к производству подключили практически два десятка заводов по всей стране. НИИ начал заниматься не только производственной, но и обучающей деятельностью, передавая свой опыт другим предприятиям, обучая их кадры. До сих пор директора профильных предприятий Новосибирска, Орска, Минска и других городов вспоминают о помощи НИИ.
Многие получали образование инженеров без отрыва от производства.

За все время за успехи, достигнутые в разработке и производстве новых классов полупроводниковых приборов, более 30 специалистов предприятия удостоены Ленинских и Государственных Премий СССР, Премий Совета Министров СССР и Ленинского комсомола. Ряд сотрудников награжден орденами Ленина, Трудового Красного Знамени, Знак Почета и Дружбы народов.

Постепенно образовывался, рос и расширялся круг разработчиков, высококвалифицированных специалистов, профессионалов, способных создавать самые совершенные полупроводниковые приборы. Сотрудниками предприятия защищено 6 докторских и 115 кандидатских диссертаций.

На предприятии создана и до сих пор успешно функционирует базовая кафедра Московского института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА – технический университет).

70-е годы можно назвать расцветом радиоэлектронной отрасли.

 С конца 80-х годов в радиоэлектронике, как и во всем оборонно-промышленном комплексе России начался период упадка. За 15 лет перестройки и так называемой рыночной экономики и институт и электронная отрасль понесли значительные потери. Общее состояние российского ВПК было плачевным. Очень большое количество предприятий были вынуждены пойти на перепрофилирование и, забросив научные разработки, заняться производством товаров народного потребления. Практически без возможности творческой и научной реализации остались многие сотрудники институтов, составлявших гордость российской науки. Научный потенциал страны никогда не ставился под сомнение мировым сообществом. «Охотники за головами» российских ученых и изобретателей практически всех зарубежных стран никогда не сидели без дела. Утечка «мозгов», не нашедших себе применения в новых условиях хозяйствования, нанесла колоссальный урон электронной и оборонной отраслям. Для НПП «Сапфир» перестроечное время тоже было непростым. Устарело оборудование, снизилась эффективность работы, ухудшились экономические показатели. Тем не менее, предприятие сумело сохранить свой научно технический и производственный потенциал. Новое время требовало нового руководства.

В 1993 году произошло акционирование предприятия. Смена приоритетов в дальнейшем развитии электронной промышленности и обороны страны заставила ОАО НПП «Сапфир» искать свою нишу в современной экономике.

В 1995 и 1997 годах на основе КМОП КНС технологии разработаны и производятся специализированные интегральные микросхемы: БИС КМОП КНС микропроцессорного набора из 14 микросхем, включающих 16-разрядные микропроцессор и арифметический умножитель, статические ОЗУ емкостью 4 кбит, масочные ПЗУ емкостью 16 и 32 кбит, а также схемы интерфейса, позволяющие создавать законченные вычислительные комплексы. Помимо этого, предприятие стало выпускать измерители временных интервалов, быстродействующие ЦАП и параллельные АЦП на 10-12 двоичных разрядах с тактовой частотой 15...50 МГц. На основе КМОП КНС технологии разрабатываются высокотемпературные микросхемы (Т=200...250°С).

Конструкция быстродействующих КМОП КНС транзисторов, сохраняющих динамические параметры в особо жестких условиях эксплуатации, были отмечены в 1997 году Золотой медалью Всемирного салона изобретений в Брюсселе. Это была убедительная победа российских ученых в ситуации, когда государство практически не интересовалось отраслью. Ведь долгое время микросхемы не были востребованы, но в 2000-2001 гг. наметились тенденции в повышении заинтересованности у Министерства обороны РФ, Росавиакосмоса и Минатома к высокотехнологичным изделиям, разрабатываемым НПП "Сапфир", в том числе и к БИС КМОП КНС новых поколений. Сейчас эти государственные структуры – постоянные потребители продукции предприятия.

Кроме того, предприятие развивало следующие направления производственной и научной деятельности: энергосберегающее оборудование - высокоэффективные программируемые преобразователи частоты для электроприводов на базе асинхронных двигателей.
Разработанные предприятием микропроцессорные преобразователи частоты и сегодня успешно работают на предприятиях коммунального хозяйства Москвы, Московской области и других регионов страны.

За последний год "Сапфир" приобрел неплохую динамику развития.
Сочетание традиционных и новых направлений в разработках и производстве полупроводниковой электроники, создание законченных изделий и устройств для первоочередных нужд народного хозяйства и обороны страны позволяет НПП «Сапфир» развивать науку и производство России.

В настоящее время разработана и реализуется программа по созданию и развитию в стране структур поддержки малого наукоемкого предпринимательства на базе инновационных центров и так называемых инкубаторов бизнеса. Один из них – технопарк «Сапфир», созданный для того, чтобы ликвидировать имеющийся разрыв между научным сообществом, крупными промышленными предприятиями и малым наукоемким бизнесом. Другой задачей технопарка должно стать создание дополнительных рабочих мест. Структура будущего технопарка будет максимально соответствовать зарубежным кластерам (объединением малых предприятий под крылом одного крупного). Такое взаимовыгодное сотрудничество облегчит малым предприятиям решение многих проблем.

Научные разработки

Микроэлектроника. В настоящий момент НПП «Сапфир» занимается исследованием и внедрением в производство КНС (КНИ) микросхем и прежде всего КНС-микросхем на гибком полиимидном носителе, а также изучает перспективы совершенствования КНС-структур.

Технология структур КНС была предложена в 1960 году компанией Rockwell исключительно с целью создания материала, обеспечивающего высокое быстродействие и малую мощность потребления ИС на основе комплиментарных структур металл / окисел / полупроводник (отсюда и часто встречающаяся аббревиатура КМОП). Первоначальная технология характеризовалась достаточно высокой дефектностью структур, что и неудивительно, так как в данном случае мы имеем дело с проблемой гетероэпитаксии структур с рассогласованием постоянных решетки синтезируемых слоев и подложки (в данном случае с сапфиром Al₂O₃). В последнее время фирмой Peregrine Semiconductor разработана технология структур ультратонкого кремния на сапфире (UTSi), уменьшающая плотность дислокаций несоответствия.

Структура КНС представляет собой с одной стороны – прозрачную подложку сапфира, а с полированной стороны – тонкий слой кремния толщиной 0,6 мкм. Очень важным параметрам является так называемся технологическая норма – это резкость, с которой воспроизводятся элементы в полупроводниковой пластине. На данном предприятии технологическая норма составляет 2-3 мкм, на западе сейчас уже работают с технологиями, где технологическая норма составляет 35 нм. Такая неблагоприятная ситуация обусловлена оборудованием и применяемыми технологическими процессами.

Некогерентная оптика. НПП «Сапфир» занимается разработкой интегральной оптоэлектроники и прежде всего, КНС оптоэлектроники.

Ведутся работы по разработке и налаживанию производства полупроводниковых приборов по новейшим технологиям таких, как OLED и производство сверхярких диодов особенно с синим свечением.

В последнее время стали очень популярными синие светодиоды, синие гетеролазеры на основе широкозонных нитридов – InGaN. С их помощью мы можем получать сверхъяркие светодиода различных цветов свечения.

Для производства диодов синего свечения в качестве подложки используют сапфир, а затем напыляют при 1000 ºС слои InGaN.

У современных сверхъярких светодиодов световой поток может составлять 60-80 Лм, напряжение питания низкое, как правило, 3-4 В, ресурс составляет десятки тысяч часов, кроме того, они обладают механической прочностью. У дискретного диода мощность может составлять 5 мВт при токе 50 мА, но, используя специальные системы охлаждения, можно разогнать ток через диод, не повредив его, до 350 мА. Единственным недостатком сверхъярких светодиодов на данный момент является их дорогивизна.

В настоящее время активно разрабатываются белые светодиоды. Чтобы изготовить белый светодиод, необходимо синее излучение преобразовать в двухполосное. Первая полоса – 460 нм, а вторая полоса имеет максимум при 500 нм. Человеческий глаз воспринимает такое излучение как белое. Преобразование производится с помощью люминофоров на основе аллюмо-иттербиевых гранатов. Исходный кристалл синего светодиода закрывается прослойкой взвеси люминофора в эпоксидной смоле.

Светодиод на основе гетероструктур InGaN содержат активные области, так называемые квантовые ямы, толщиной порядка 5-7 нм, поэтому оптоэлектронные приборы – это нанотехнологичные приборы, так как используют технологию синтеза ультратонких слоёв.

В технологии OLED (organic light emitting diode — «органический светоизлучающий диод») для производства дисплеев используются полимеры с особой молекулярной структурой, которые способны излучать свет при подаче электрического напряжения, что избавляет от необходимости в подсветке, как у ЖК-дисплеев. Световые лучи, проходя сквозь красный, зеленый и голубой слои, преломляются и образуют на экране цветные точки. OLED-дисплеи способны светиться при токе 5 мА, тогда как другие светодиоды не светят при токе, меньшем 100 мкА. Светоотдача (соотношение светового потока, Лм и электрической мощности, Вт) у OLED дисплеев (30-40 Лм/Вт) близка к светоотдаче сверхъярких светодиодов (60 Лм/Вт). Рабочие образцы OLED-дисплеев были созданы довольно давно, но широкому применению долгое время мешало малое время "жизни", надежность органических панелей.

По сравнению с TFT LCD, OLED-дисплеи более яркие, они тоньше, отличаются лучшей контрастностью и цветопередачей и, по прогнозам аналитиков, смогут заменить жидкокристаллические дисплеи в ближайшие 5-10 лет, при условии преодоления всех проблем, связанным с их массовым производством.

Другие направления. Перспективным направлением развития КНС технологии является приспособление её для различного типа датчиков и СВЧ техники, кроме того, ведутся разработки по органическим фотоэлементам, фотоприёмникам.