科技日報記者?陳曦
“嘀嗒”“嘀嗒”……日常生活中，時鐘的精準(zhǔn)度依賴于鐘擺有規(guī)則地擺動。但時鐘精度再高，每年也會有1分鐘左右的誤差。雖然對日常生活沒有影響，但在對時間精度要求很高的生產(chǎn)、科研中，則需要更準(zhǔn)確的計時工具。
目前，世界上最準(zhǔn)確的計時工具就是原子鐘，其精度可達(dá)到每2000萬年誤差1秒。近日，國內(nèi)首條芯片原子鐘生產(chǎn)線在天津濱海高新區(qū)企業(yè)——天津華信泰科技有限公司（以下簡稱華信泰）落成投產(chǎn)。該生產(chǎn)線的年生產(chǎn)能力可達(dá)3萬臺，它的投產(chǎn)表明我國在芯片原子鐘領(lǐng)域打破了國外壟斷，突破關(guān)鍵器件“卡脖子”問題，滿足了相關(guān)領(lǐng)域的迫切需求。
(資料圖片)
芯片原子鐘“個子小”、精度高、功耗低
原子鐘利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波實現(xiàn)計時。這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上一系列精密儀器的控制，保證了原子鐘計時的準(zhǔn)確性。目前用于原子鐘的元素有氫、銫、銣等。
最初原子鐘是物理學(xué)家創(chuàng)造出來用于探索宇宙本質(zhì)的儀器。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，時頻精度的重要性日益凸顯，聽起來高大上的原子鐘也越來越接“地氣”。比如，我們所熟知的北京時間，就是全世界150多臺原子鐘共同守時并加權(quán)平均后的結(jié)果。各種電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)都離不開高精度的原子鐘。
然而，由于體積大、功耗高、價格貴，原子鐘未能真正進(jìn)入普通電子類消費市場。
“芯片原子鐘的出現(xiàn)解決了這個問題，其體積小、功耗低、精度高、可量產(chǎn)，很好地填補(bǔ)了傳統(tǒng)原子鐘的市場空白。”華信泰董事長梁小芃介紹，芯片原子鐘是利用量子物理學(xué)的相干布局囚禁（CPT）原理制造的一種新型原子鐘——由于不再需要微波諧振腔器件，因此可以真正做到微型化。
相比于傳統(tǒng)原子鐘，芯片原子鐘是目前唯一能夠用電池供電、長時間工作的原子鐘。作為電子信息技術(shù)中時間頻率技術(shù)領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)器件，芯片原子鐘的應(yīng)用前景十分廣闊，從航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航，到通信、海底勘探、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域均可使用。
打破國外壟斷實現(xiàn)自主創(chuàng)新
芯片原子鐘是一種高精度計時裝置，生產(chǎn)制造工藝非常復(fù)雜。在此次華信泰芯片原子鐘生產(chǎn)線投產(chǎn)之前，全球僅有一家美國公司實現(xiàn)了芯片原子鐘的規(guī)模化生產(chǎn)。當(dāng)時，國內(nèi)用戶想要購買國外的芯片原子鐘，“買不起”“不好買”是常態(tài)。
為打破這一壟斷局面，華信泰的研發(fā)團(tuán)隊從2010年起，就承擔(dān)起了芯片原子鐘項目的研發(fā)工作。
“芯片原子鐘是微系統(tǒng)技術(shù)與量子物理的典型結(jié)合應(yīng)用，跨學(xué)科、跨專業(yè)，涉及物理、化學(xué)、材料等眾多領(lǐng)域，研發(fā)難度很大。主要技術(shù)難點集中在真空封裝和微系統(tǒng)集成技術(shù)上。”梁小芃舉例，比如在真空封裝研發(fā)方面，他們經(jīng)過幾百次嘗試，反復(fù)斟酌調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計、對比嘗試材料選取和溫度設(shè)置、不斷改善工藝條件等，才最終達(dá)到目前高良品率的封裝效果。
梁小芃指著比家庭常用的小鬧鐘還要小的芯片原子鐘說，華信泰歷時10年研究，潛心攻關(guān)，通過自主研發(fā)，突破了芯片原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，所生產(chǎn)的芯片原子鐘產(chǎn)品全部具有自主知識產(chǎn)權(quán)。
芯片原子鐘不僅要在技術(shù)上取得突破，還要有實現(xiàn)量產(chǎn)的能力。“在進(jìn)行海底石油勘探時，可能需要把幾千個芯片原子鐘安放在海底勘探節(jié)點上，這就需要我們有規(guī)模化生產(chǎn)的能力。”華信泰總經(jīng)理劉瑞元說，“我們對規(guī)模化生產(chǎn)工藝的摸索也是從零開始，比如芯片原子鐘的真空封裝工藝和貼片工藝等，精度都達(dá)微米級，稍有差池就會導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性變差。”
歷時4年，華信泰完成規(guī)模生產(chǎn)的工藝摸索。這種制造方式對于廠房空間、配套設(shè)施等軟硬件環(huán)境的需求格外苛刻。為了加快公司芯片原子鐘產(chǎn)業(yè)化落地速度，從2021年開始，天津濱海高新區(qū)在“黨建引領(lǐng)?共同締造”理念指導(dǎo)下，與華信泰團(tuán)隊就選址問題進(jìn)行了多輪對接，最終找到了兼具區(qū)位交通優(yōu)勢、廠房挑高優(yōu)勢、廠區(qū)配套設(shè)施優(yōu)勢的廠房進(jìn)行落地。
廠房中，供電設(shè)備、空氣凈化設(shè)備、廢水廢氣處理設(shè)備等8套大型設(shè)備占據(jù)了廠房面積的三分之二左右，而這些設(shè)備全部服務(wù)于用來生產(chǎn)的400平方米潔凈間。
國內(nèi)首條芯片原子鐘生產(chǎn)線由光刻機(jī)、真空封裝機(jī)、深硅刻蝕機(jī)等設(shè)備組成，可實現(xiàn)芯片原子鐘器件生產(chǎn)和檢測、物理系統(tǒng)真空封裝、芯片原子鐘性能測試等全套生產(chǎn)流程，具備年產(chǎn)萬臺的生產(chǎn)能力。
芯片原子鐘量產(chǎn)可帶動其他行業(yè)發(fā)展
別看芯片原子鐘個頭不大，但以前依靠進(jìn)口時價格不菲。“生產(chǎn)線建成后，大規(guī)模生產(chǎn)可大幅度降低芯片原子鐘的成本。”劉瑞元對科技日報記者說。
芯片原子鐘實現(xiàn)量產(chǎn)，也推動了很多行業(yè)的發(fā)展。比如可推動海底勘探節(jié)點（OBN）的應(yīng)用，從而使我國海底石油勘探發(fā)生革命性升級。
梁小芃舉例說，進(jìn)行石油勘探時可在海底投放上萬個以芯片原子鐘作為核心器件的OBN，每一個節(jié)點都嚴(yán)格要求時間同步。而且在海底布放時間比較長，對電池的依賴性比較大，芯片原子鐘的低功耗正好可以滿足這一點。利用以芯片原子鐘作為核心器件的OBN進(jìn)行勘探較傳統(tǒng)勘探方法成本更低、精準(zhǔn)度更高，而且還進(jìn)一步擴(kuò)大了勘探面積。
梁小芃表示：“這條生產(chǎn)線的投產(chǎn)，不僅標(biāo)志著我國長期被國外壟斷的芯片原子鐘‘卡脖子’技術(shù)實現(xiàn)了突破，更重要的是成功將技術(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。下一步我們將根據(jù)生產(chǎn)需求、應(yīng)用需求進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能。不久的將來，公司將建設(shè)年產(chǎn)十萬臺乃至百萬臺的生產(chǎn)線。在研發(fā)方面，我們也會緊扣國際國內(nèi)趨勢，對產(chǎn)品進(jìn)行升級，不斷更新?lián)Q代，推出更先進(jìn)、體積更小、功耗更低的產(chǎn)品，力爭走在國際前列。”
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