憶手工做晶體管 精選

憶手工做晶體管

看到報道說集成電路已進入5 nm時代，設備動輒上億美元一台，不禁想起四十多年前用很簡單的工具手工做的晶體管。

1975年進了江蘇鎮江的半導體器件廠做學徒，第一年的月工資130毛，聽說上海的學徒工每月有180毛，地區差還是蠻大的。進廠後學徒工還分兩種，一種是技術工如鉗工電工，很少，要學三年；另一種是操作工，大部分都是，學兩年就滿師了。要求當技工還不讓只好當了操作工。那時肖克萊的晶體管已發明廿多年了，說到半導體人們馬上想到的是晶體管收音機，半導體就是收音機，挺貴的。因為喜歡DIY焊收音機玩，進了這個半導體廠也算是專業對口了，問起來說是半導體廠的，人家就說哦你們是做收音機的啊，什麼牌子？半導體廠很清潔，在生產線上要穿白大褂，學徒工還另發了卡其布的衣服下班穿。現在的職業也應該與當初進了這個廠有關吧。

當時廠里做的是一種叫K20的晶體管，全稱是3AK20，3是三條腿，A是鍺PNP型，K是開關晶體管，編號20。這是一種鍺材料採用合金擴散工藝的高頻開關晶體管，那時說的高頻大概也就是幾十MHz的特徵頻率吧，這種三極體主要是用來做台式晶體管計算機的，也用在其他地方。當時台式的概念大概是一架立式鋼琴的尺寸吧，一台要用上千晶體管，所以全國有很多廠家都在做。聽說做這種管子的工藝還是半導體所的前輩從蘇聯學來的。記得當時廠里有幾個老大學生工程師負責技術工作，有復旦的有南工的，廠里推薦出去的工農兵學員畢業後還回到廠里，還有中專生在生產線上當技術員管管工藝，很是羨慕。

這種管子翻箱倒櫃居然還找到幾隻，先剖開拍張照片看一下。年代久了，金屬管殼已有點綉了，但量了一下三極體還是好的。這種管殼與現在的倒也區別不大，三條腿用玻璃燒結在柯伐座上，帽子再碰焊上去。管子內部是一個小金屬鎳片（稱為支架）點焊在一條腿上，管芯就在支架上部（看不太清），另兩條腿上有點焊上的兩根細鎳絲再連到管芯上。鍺晶體管不像硅器件那樣有性能優越的熱氧化二氧化硅做保護，所以特別怕潮氣，因此封管帽時要填充粉末狀的分子篩作為吸氣劑，支架管芯上還要塗上導熱硅膠以利散熱，封好後還要抽檢一下別漏氣，其實就是放在密封玻璃容器里倒入油，再抽真空看有沒有氣泡出來。

做這種晶體管是從P型晶片開始的，這個P型材料直接就是三極體的集電區了。由於原料的自然摻雜鍺單晶一般拉出來就是P型，所以做PNP晶體管較方便。P型晶片首先要做一下銻擴散，就是把晶片放到擴散爐里燒一下，擴散爐里有個小石英壺裡面放了純銻，V族元素加熱後揮發出來把晶片表面摻雜成N型作為三極體的基區，形成PN結作為集電結。這道工藝算是高技術了直接影響成品率，得嚴格控制。擴好的晶片要先手工劃成細條，再劃成約1毫米見方的顆粒。其實劃片時只要按著一定方向划出印痕，然後玻璃紙蓋著用筆桿一滾就成顆粒了。現在劃片都用現成的精密研磨金剛刀，很貴，當時的劃片工具都是自製的。那時老式的機械唱機（就是電影電視里常看到上面樹個大喇叭那種）放粗紋唱片用寶石唱針，像個圓珠筆頭（要長一些），頭上有一粒較尖銳的寶石很硬，用來劃鍺片很好用。找根筆桿粗細的有機玻璃棒，前端請機修車間師傅車成錐型，把寶石唱針燒一下趁熱插進去固定住，就是一根很好的劃片刀。

要做成三極體還得有個PN結作為發射結，這個結就得靠所謂合金擴散工藝做出來了。發射結合金是採用III族的銦和鎵，這中間有道叫配合金的工藝，就是把這兩種熔點不高的元素按一定比例放到坩堝里融合一下，冷卻後取出用軋機軋，那個軋機有點像個微型的軋麵條機，送進去多軋幾遍就成了很薄的箔片，再把箔片用切機橫切豎切成小合金粒。後面提到的基極合金也是這樣配出來的，這種合金因為是做N區的歐姆接觸，所里裡面還加了銻和鉛。記得當時配合金的是位女大學生專門有個房間，每周只配兩次就夠用了，很輕鬆。有了擴散好的鍺單晶顆粒和發射結合金顆粒，下一步就是通過真空燒結把發射結做出來，實際就是先把鍺單晶顆粒（得分正反）用鑷子夾到一塊帶凸緣的小石英板上逐個緊密排好，然後用細針把發射結合金顆粒粘起來放到每個鍺單晶顆粒上，這些都是在體視顯微鏡下操作，放好後把小石英板小心翼翼地送入爐子，抽真空後加熱燒結，在此過程中III族元素擴散進去形成發射結，這是個固態擴散過程，也得精確控制，擴淺了放大倍數低，擴深了EB結太軟甚至會燒穿了。

發射結做好了下一步就是裝架，也就是把晶粒燒結到小鎳片上，實際就是先把鎳片一排排逐個排好到石英舟上，這個石英舟也是個有凸緣的石英板，一面接上個石英環方便推進拉出，然後在每排鎳片上鋪上一條銦箔，再把晶粒用鑷子逐個夾上鎳片放好（要分左右），都放好後把石英舟推入通氫氣的爐子燒一下，一方面銦熔融後把晶粒與鎳片固定住，另一方面集電極的歐姆接觸也形成了，通氫氣是還原氣氛起個保護作用。石英舟拉出爐子冷卻後在每個晶粒上粘一粒基極合金，再送入爐子燒一下形成基區歐姆接觸，取出冷卻後把每個鎳片分開，包含三極體晶粒的支架就做好了。上面這些都是所謂前道工序，自己並沒做過只是看看而已。要把這個包含三極體晶粒的支架做成能用的三極體還有許多後道工序。

後道中做點焊的人算多的了，本人一進廠就干這活，也就是先在那個管座上點焊上兩根鎳絲，再把支架點焊上去。這活不難也不用顯微鏡，用鑷子夾起一根鎳絲放在已擱在點焊機電極上的管腳上，腳踩一下加壓通電，一根絲就焊上了，焊支架也是一樣電流調大點即可。點焊就是工作量大，記得當時每人的定額是四千隻，也就是每天要手工焊八千根絲和四千個支架，就算一秒焊一個點一刻不停也得三個多小時。實際剛去時一整天焊到下班也完不成工作量，師傅看看苗條不對就會來幫忙。熟能生巧，東西放在順手的地方盡量減小操作距離也很重要，到後來確實三個多小時就可以完成定額。

點焊好了後面一道工序叫拉絲，人最多，就是用電絡鐵把兩根鎳絲分別焊到支架上的晶粒上的基極和發射極兩個合金球上，得在顯微鏡下操作，現在說起來估計都沒人相信能這樣干。拉絲前得先用小剪刀把鎳絲剪到所需的長度，再在顯微鏡下用細鑷子把鎳絲彎出一個角度，靠鎳絲的彈力把尖端頂到兩個合金球上壓住，這只是準備工作。把鎳絲焊上去用的就是普通的電絡鐵，銅烙鐵頭要銼到極細。手拿著烙鐵把子是沒法焊的，得把靠近烙鐵頭髮熱的地方用厚石棉帶裹上幾層，再用紗布紮好，手就直接拿在石棉帶上焊，這樣距離短才不會發抖。焊時每把電絡鐵要配個調壓器，把溫度調到舒服，左手拿起一個管子蘸點助焊液（好像就是稀鹽酸里加點鋅粒）放到顯微鏡下看著，右手拿烙鐵頭去碰兩下就好了，說起來十分輕鬆。這活眼睛不好的當然沒法干，眼睛好的恐怕也干不長。

兩個PN結都做好了電極也焊上了這個三極體能用了嗎？其實還不行。看一下上邊左面的圖，這個三級管的基區面積和晶粒一樣大，要知道基區面積是直接影響工作頻率的；還有這個晶粒是直接拿刀划出來的，後面又經過幾道工序，邊緣肯定有損傷和漏電的地方，所以是測不到三極體特性的，後面還得加上塗油電解等幾道工序。所謂塗油就是用油把兩個合金球之間的基區蓋上保護起來，油也就是利用普通的真空油脂稀釋一下，用細針蘸一點在顯微鏡下塗到兩個合金球之間的區域。塗油的針也是自己做的，就是拿鎢絲把一端在鹼性溶液中加直流電電解腐蝕一下，可以得到很細的針尖，然後另一端燒一下插到有機玻璃棒的錐端固定即可，這種小工具粘合金球時也用。

塗好油的管子都插到一個內有能導電連通夾具的塑料架子上，一盤大約幾十隻，然後通電進行電解腐蝕。由於眼睛不太好這道工序又不太費眼，後來我就轉到了這裡一直干到離開。電解用的腐蝕液是用氫氧化鈉和氫氧化鉀配起來的，放在個大培養皿里，腐蝕時放在電爐上加熱，腐蝕液裡面放一塊鎳片連出來作為一個電極，連通管子的架子作為另一個電極，通上斷續的直流電腐蝕幾十秒就行了。電解腐蝕後除了塗油保護的那個區域留下個檯面，其他不要的基區都腐蝕掉了。這種鹼性電解腐蝕還有個拋光作用，腐蝕後晶片及檯面邊緣都會很光亮平滑，這樣特性才好。電解腐蝕後的管子要用流動的熱去離子水衝上十幾分鐘，把腐蝕液和油都徹底沖洗乾淨，然後烘乾，這時測一下就有三極體特性了。管芯在封帽之前一般還要輕微腐蝕一下，再清洗烘乾一遍，然後馬上塗好導熱硅脂加上分子篩封帽，後面就是通電老化和測試篩選分檔了。

再來張照片看一下，這張局部清楚一點，塗的導熱硅脂還在上面。這種晶體管是不是看上去和肖克萊發明的第一隻晶體管（網上有照片）也有點像？其實已進步很多了，但現在估計也已失傳了。聽說美國已把刻紅膜做集成電路那一套都放進博物館了，學電子的學生上課都會去看一下，也是一段歷史。

轉眼到了1977年的夏天，學徒兩年滿師成了師傅，工資漲到每月340毛，還是320毛？記不清了，反正很開心。到了秋天說要恢復高考了，但每天仍在廠里上班完成定額，好在已很熟練了，可以抽空看看書。那年江蘇的考生特別多，所以考了兩輪，第一輪先十取一，第二輪再五取一。考試前廠里開恩，說報名參加考試的可提前請三天假，去考試也不扣工資，所以兩輪實際有十來天的帶薪假。那年高考到今年已有四十年，冬天考完第二年春天就去讀書了，學的還是半導體。

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