在半导体技术快速发展的上世纪六十年代,平面工艺(planar technology)改变了电子产业的生产方式。平面工艺的核心在于通过光刻等工序,将电路图样一次次转移到半导体晶圆上,实现批量化和一致性的器件制造。对苏联来说,掌握这种工艺不仅是技术追赶的需要,更关系到国防与信息产业的自主性。苏联首批平面集成电路的诞生正是在这样的历史背景下展开,从一枚来自美国的样片开始,经过系统的逆向工程与长期的工艺攻关,最终演变为能够成批量生产的国内产品线。 故事从一位归国学者手中的小芯片说起。博里斯·马林曾赴美学习,随身带回了一枚德州仪器(Texas Instruments)生产的SN-51系列样片。
SN-51代表了当时美国平面集成电路的先进水平,其通过光刻与退火等工序实现了在单块硅片上的复杂电路结构。苏联负责微电子事务的官员要求对样片进行"逐字复制",不仅要恢复电路连接,更要掌握生产这一类芯片所需的全部工艺流程。这个要求体现了苏联当时的战略逻辑:与其购买单颗器件,不如把生产线和工艺体系"搬回家"。 逆向工程在此并非简单的拆解。工程师们把芯片封装打开,通过显微镜观察晶圆上的器件布局、金属互连和掺杂区域,并绘制出精确的工艺图纸。然而仅有电路拓扑并不足以量产稳定器件,苏联团队意识到要复制制造能力,就必须掌握上百道工艺操作的细节,包括氧化、光刻、掺杂、刻蚀、金属化以及大量的清洗和退火流程。
NII-35(后称"普尔萨尔")第五科在博里斯·马林领导下集中了约250人的攻关团队,并建立了一个专门的实验车间,用以复刻并优化这些流程。 光刻技术成为突破口。要在硅片上精确再现微米级甚至亚微米级的图形,需要高分辨率的光学系统、精确的涂胶与显影工艺,以及稳定的热处理过程。苏联工程师在分析样片的层次后,开发出自己的光刻掩膜复制流程,设计出用于硅片批量处理的自动化设备。为了解决产线一致性问题,他们还研发了基于气动控制的自动化单元,用于晶圆的清洗、光阻涂覆、输送和氧化等环节。这样的设备不是简单购买几台仪器就能解决,而是要结合生产节拍和环境稳定性进行本地化改造。
从原型到试生产是一个漫长过程。1962年至1965年间,NII-35完成了多轮试验性生产,逐步摸索出可重复的制程参数。1967年,苏联在莫斯科附近的弗里亚津诺(Fryazino)开始筹建实验示范厂,真正的批量生产在1969年才逐步启动。这个时间表反映了从知识转移到产业启动所需的复杂度:即便具备了样片的详细图形,工艺控制、设备国产化和人员培训仍旧需要数年积累。 产品命名与型号也是苏联本土化过程的一部分。早期的原型多以ИC110-ИC160(即110系)表示,随后在正式量产后采用了诸如1ТК10X、1ЛБ10X和1ИЛ101等型号标识。
到了七十年代中期,苏联改进了微电路的标注规则,将三位数的系列号放在前面,随后以字母和数字来说明功能与封装。这种命名体系既便于管理,也反映了产品线逐渐成熟与规模化生产的现实。 在器件功能方面,110系列多数直接对应德州仪器的SN51系列。早期SN51家族中包括了RS触发器、六输入与三输入门电路、专用的异或门等基础逻辑单元。苏联工程师在复制这些器件的同时,也根据本土需求和工艺特点设计了没有直接对应美国产品的逻辑单元,例如不同输入数目的NAND/NOR门和带有发射极输出的变体。封装方面,最初的110系列采用矩形玻璃封装并配备十针引脚,后来转为十四针封装以适应更复杂的连接需求。
器件命名后缀与规格的区分也体现了苏联对可靠性与适用环境的重视。早期产品带有A1、A2、B1、B2等后缀,后来演变为A、Б、В、Г等字母编码来表示工作温度范围与驱动能力。一般而言,标有A与Б的版本设计用于较宽的温度区间(如-60°C到+70°C),而В与Г则适用于更通常的工业温度范围(如-10°C到+50°C)。同时不同后缀之间也会在负载能力和功率驱动特性上有所区别,便于在不同应用场景中选择最合适的器件。 尽管110系列在早期是对美国产品的直接模仿,但苏联工程师并非简单的克隆。他们在工艺自动化、设备设计和适配国产材料方面进行了大量创新。
自动化单元的气动控制方案、针对本地硅片与化学品特性的工艺调整,以及适配冶金与封装产业链的改良,都使得这些器件能够在苏联本土的条件下更稳定地生产并投入使用。 进入七十年代后,另一个重要的转向是TTL(晶体管-晶体管逻辑)器件在苏联的普及。TTL器件在功耗、速度和互连兼容性上具有优势,苏联在多个工厂开始批量生产TTL家族产品,这在一定程度上减缓了对110系列平面工艺器件的需求增长。然而110系列并未立即消失,它们在特定应用和教育、科研场景中继续发挥作用。直到苏联解体前夕,部分工厂仍在生产这些早期的平面集成电路。 政治与经济环境对产业命运的影响不可忽视。
八十年代末到九十年代初的政治变局和经济体制转型给以弗里亚津诺为代表的微电子生产单位带来了巨大冲击。许多曾经受国家项目支持的工厂在市场化冲击下陷入困境,设备老化、资金短缺与市场失衡使得部分产线面临停摆。尽管110系列在八十年代和九十年代早期仍出现在零部件价目表中,其市场价值已经大不如前,而生产能力与研发投入的不足也限制了其后续发展。 从当代视角看,这段历史具有多重意义。技术层面,苏联通过对平面集成电路的复制不仅获得了具体器件,更积累了成套的制造工艺、设备设计和人才队伍,为后续微电子发展提供了基础。战略层面,这一过程体现了冷战时期技术自主与国家安全之间的紧密关联。
文化层面,诸如博里斯·马林与NII-35团队的故事,展示了工程师在有限资源与极高目标之间如何以创造性的方法弥补差距。 收藏与研究社区也将这些早期苏制平面集成电路视为重要的历史文物。许多芯片成为博物馆和私人收藏的对象,它们记录了从单片样本到工厂化生产的完整轨迹。对这些芯片的反向研究仍然为理解早期工艺提供线索,同时也提醒我们技术进步背后往往有着复杂的社会、政治与经济推动力。 总的来看,苏联首批平面集成电路的开发是技术迁移、逆向工程与产业化紧密交织的产物。它既是一个关于如何通过解析与重复他人经验来实现追赶与自立的案例,也是一个关于工程实践如何在国家战略驱动下获得资源并被快速推动的实例。
尽管后来有了更先进的逻辑系列和不同的技术路线,这段历史仍然值得研究与纪念,因为它展示了在困难条件下,工程团队如何将一枚样片转化为国家级生产能力的全过程,其经验与教训对理解全球半导体产业演化具有持续的参考价值。 。
