突破关键器件 国内首条芯片原子钟生产线投产

作者:admin  来源:科技日报  发布时间:2023-09-07  访问量:2972

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技术人员正在为生产芯片原子钟进行筛选工作。 受访单位供图

“嘀嗒”“嘀嗒”……日常生活中,时钟的精准度依赖于钟摆有规则地摆动。但时钟精度再高,每年也会有1分钟左右的误差。虽然对日常生活没有影响,但在对时间精度要求很高的生产、科研中,则需要更准确的计时工具。

目前,世界上最准确的计时工具就是原子钟,其精度可达到每2000万年误差1秒。近日,国内首条芯片原子钟生产线在天津滨海高新区企业——天津华信泰科技有限公司(以下简称华信泰)落成投产。该生产线的年生产能力可达3万台,它的投产表明我国在芯片原子钟领域打破了国外垄断,突破关键器件“卡脖子”问题,满足了相关领域的迫切需求。

芯片原子钟“个子小”、精度高、功耗低

原子钟利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波实现计时。这种电磁波非常稳定,再加上一系列精密仪器的控制,保证了原子钟计时的准确性。目前用于原子钟的元素有氢、铯、铷等。

最初原子钟是物理学家创造出来用于探索宇宙本质的仪器。然而,随着科学技术的进步,时频精度的重要性日益凸显,听起来高大上的原子钟也越来越接“地气”。比如,我们所熟知的北京时间,就是全世界150多台原子钟共同守时并加权平均后的结果。各种电力系统、通信系统都离不开高精度的原子钟。

然而,由于体积大、功耗高、价格贵,原子钟未能真正进入普通电子类消费市场。

“芯片原子钟的出现解决了这个问题,其体积小、功耗低、精度高、可量产,很好地填补了传统原子钟的市场空白。”华信泰董事长梁小芃介绍,芯片原子钟是利用量子物理学的相干布局囚禁(CPT)原理制造的一种新型原子钟——由于不再需要微波谐振腔器件,因此可以真正做到微型化。

相比于传统原子钟,芯片原子钟是目前唯一能够用电池供电、长时间工作的原子钟。作为电子信息技术中时间频率技术领域的核心基础器件,芯片原子钟的应用前景十分广阔,从航空航天、卫星导航,到通信、海底勘探、物联网等领域均可使用。

打破国外垄断实现自主创新

芯片原子钟是一种高精度计时装置,生产制造工艺非常复杂。在此次华信泰芯片原子钟生产线投产之前,全球仅有一家美国公司实现了芯片原子钟的规模化生产。当时,国内用户想要购买国外的芯片原子钟,“买不起”“不好买”是常态。

为打破这一垄断局面,华信泰的研发团队从2010年起,就承担起了芯片原子钟项目的研发工作。

“芯片原子钟是微系统技术与量子物理的典型结合应用,跨学科、跨专业,涉及物理、化学、材料等众多领域,研发难度很大。主要技术难点集中在真空封装和微系统集成技术上。”梁小芃举例,比如在真空封装研发方面,他们经过几百次尝试,反复斟酌调整结构设计、对比尝试材料选取和温度设置、不断改善工艺条件等,才最终达到目前高良品率的封装效果。

梁小芃指着比家庭常用的小闹钟还要小的芯片原子钟说,华信泰历时10年研究,潜心攻关,通过自主研发,突破了芯片原子钟的关键技术,所生产的芯片原子钟产品全部具有自主知识产权。

芯片原子钟不仅要在技术上取得突破,还要有实现量产的能力。“在进行海底石油勘探时,可能需要把几千个芯片原子钟安放在海底勘探节点上,这就需要我们有规模化生产的能力。”华信泰总经理刘瑞元说,“我们对规模化生产工艺的摸索也是从零开始,比如芯片原子钟的真空封装工艺和贴片工艺等,精度都达微米级,稍有差池就会导致产品稳定性和一致性变差。”

历时4年,华信泰完成规模生产的工艺摸索。这种制造方式对于厂房空间、配套设施等软硬件环境的需求格外苛刻。为了加快公司芯片原子钟产业化落地速度,从2021年开始,天津滨海高新区在“党建引领 共同缔造”理念指导下,与华信泰团队就选址问题进行了多轮对接,最终找到了兼具区位交通优势、厂房挑高优势、厂区配套设施优势的厂房进行落地。

厂房中,供电设备、空气净化设备、废水废气处理设备等8套大型设备占据了厂房面积的三分之二左右,而这些设备全部服务于用来生产的400平方米洁净间。

国内首条芯片原子钟生产线由光刻机、真空封装机、深硅刻蚀机等设备组成,可实现芯片原子钟器件生产和检测、物理系统真空封装、芯片原子钟性能测试等全套生产流程,具备年产万台的生产能力。

芯片原子钟量产可带动其他行业发展

别看芯片原子钟个头不大,但以前依靠进口时价格不菲。“生产线建成后,大规模生产可大幅度降低芯片原子钟的成本。”刘瑞元对科技日报记者说。

芯片原子钟实现量产,也推动了很多行业的发展。比如可推动海底勘探节点(OBN)的应用,从而使我国海底石油勘探发生革命性升级。

梁小芃举例说,进行石油勘探时可在海底投放上万个以芯片原子钟作为核心器件的OBN,每一个节点都严格要求时间同步。而且在海底布放时间比较长,对电池的依赖性比较大,芯片原子钟的低功耗正好可以满足这一点。利用以芯片原子钟作为核心器件的OBN进行勘探较传统勘探方法成本更低、精准度更高,而且还进一步扩大了勘探面积。

梁小芃表示:“这条生产线的投产,不仅标志着我国长期被国外垄断的芯片原子钟‘卡脖子’技术实现了突破,更重要的是成功将技术产品实现了产业化。下一步我们将根据生产需求、应用需求进一步扩大产能。不久的将来,公司将建设年产十万台乃至百万台的生产线。在研发方面,我们也会紧扣国际国内趋势,对产品进行升级,不断更新换代,推出更先进、体积更小、功耗更低的产品,力争走在国际前列。”