中國電科2所:發展國產裝備 鑄就民族芯魂

桑莉媛 李夢文

2019年12月18日11:09  來源:人民網-財經頻道
 

如同一張晶瑩剔透的4英寸光盤,直徑100毫米、厚度0.5毫米的高純半絕緣碳化硅晶片,可制成芯片或電路,軍事上,可用於新一代雷達接收主件,大幅提升探測距離﹔民用上,適用於5G基站,充分滿足收發量和收發、反應、傳輸速度提升需求。

12月3日,人民網“一撇一捺看發展”大型主題調研採訪團走進位於山西太原的中國電子科技集團公司第二研究所(以下簡稱“中國電科2所”)見到了這種神奇的第三代半導體材料。

智能制造助力智慧中國

在中國電科2所微電子共燒陶瓷器件數字化車間裡,一張張生瓷片經過打孔、填孔、干燥、整平、導體印刷、堆疊、燒結、切割等工藝加工,變成一個個隻有幾平方厘米大小的電子元器件……這些元器件將從這裡出發,走進千家萬戶,應用於航空航天、汽車電子、無線通信等領域。

而這正是中國電科2所不斷深化新發展戰略,在智能裝備領域的不凡表現。整座車間裡整潔安靜,一台台設備有序連接,形成國內電子器件制造領域首條智能生產線。

“這些電子元器件是由20層甚至更多層生瓷片堆疊而成,每層密布直徑為微米級別的孔,每張生瓷片上孔的位置和數目不盡相同。孔中填充有漿料,再通過導體印刷形成一個個‘電路’。”據中國電科2所微組裝中心主任李俊介紹,在燒結過程中一層層生瓷片、漿料、印刷導體實現同步收縮,體積會縮小20%左右。在這隻有1毫米厚的元器件上甚至還要開槽埋植電阻、電容,以滿足設備要求。

數字化車間生產工藝主要包括打孔、填孔、印刷、疊片、燒結共五個工藝單元。主要工序包括生瓷切片、撕膜、打孔、覆膜、通孔填充、整平、圖形印刷、烘干、開腔、疊片、層壓、燒結等,50余台套工藝、檢測及輔助設備。具備工藝仿真及優化、自動排產、在制品唯一標識和管理、生產過程數據在線與處理、生產設備自適應工藝參數調整、故障預警、看板管理等功能,實現了生產訂單的自動排程、生產全過程可追溯、生產線設備智能調度、多種類產品混線生產。

目前,該所微電子共燒陶瓷器件數字化車間已正式投產,實現了智能工藝裝備、在線智能檢測裝備、車間智能物流倉儲裝備的整線貫通,與傳統孤島設備構成的車間相比,生產效率提高31.4%、生產成本降低26%、不良品率降低23.5%、產品研制周期縮短34%、能源利用率提高23.5%,並將掌握的技術推廣到光伏新能源智能生產線的系統集成領域。2016年以來,累計實現銷售收入超過3億元。

微組裝技術蓬勃發展

從“十五”開始,國家及部分地方政府出台了一系列政策支持先進制造技術,進而促進了微電子技術的迅速發展。正是在這種機遇和挑戰並存的背景下,中國電科2所開始了微組裝工藝設備的研發,開辟出了一條創新、發展的新道路。

“十二五”期間,該所在國家支持下自助研制的LTCC基板制造設備有切片機、打孔機、通孔填充機、疊片機、熱切機等,部分設備技術達到了國際先進和國內領先水平,獲得山西省、太原市和集團公司科技進步獎6項,獲得了24項國家專利,其中發明專利5項。

據介紹,打孔機是LTCC工藝中的關鍵設備,也是LTCC工藝的瓶頸,LTCC打孔機結構復雜,性能、可靠性要求較高,在項目研制過程中,課題組付出了艱辛的勞動和汗水,項目負責人董永謙為了完全掌握打孔機的結構和工藝,在某客戶處一呆就是一個月。最終通過與技術人員、操作人員交流、探討,全面掌握了設備的結構、工藝和關鍵技術。

在項目實施中,幾乎每個周末都在加班,晚上熬夜更是家常便飯,有一個月加班時間累計達196 小時。也正是憑著這種吃苦耐勞的精神和課題團隊的共同努力,才有了自主知識產權的打孔機成果,DKJ-14A打孔機的研制成功,填補了國內這一領域的空白。

“我們的目標是成為我們國家電子信息領域智能制造行業的排頭兵和國家隊。”中國電科2所首席專家郎鵬如是說。

碳化硅材料實現自主化

大禁帶寬度、高臨界擊穿場強、高電子遷移率、高熱導率,這是第三代半導體碳化硅單晶材料最響亮的“名片”。

作為新一代雷達、衛星通訊、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通訊基站等重要領域的核心材料,碳化硅單晶在航天、軍工、核能等極端環境應用領域有著不可替代的優勢。它彌補了第一、二代半導體材料在實際應用中的缺陷,成為制作高溫、高頻、大功率、抗輻照、短波發光及光電集成器件的理想材料,並在眾多戰略行業具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。

“使用這個高純半絕緣碳化硅襯底材料制備的芯片,可以達到更高的通訊頻率,更高的功率密度,這樣的話我們的基站可以傳輸更多的信息,以及更快的反應速率,對於將來的智慧城市以及自動駕駛提供一個很好的支撐。”山西爍科晶體有限公司副總經理魏汝省自豪地說。

事實上,碳化硅單晶的制備一直是全球性難題,而高穩定性的長晶工藝技術是其核心。如今,這一“心臟技術”隻有少數發達國家掌握在手,極少數企業能夠實現商業化量產。而在中國,碳化硅單晶襯底材料長期依賴進口,其高昂的售價和不穩定的供貨情況大大限制了國內相關行業的發展。

“沒有極具競爭力的核心技術,一旦被國外採取措施,高科技行業就會‘休克’”。自2007年,中國電科2所便著手布局碳化硅單晶襯底材料的研制規劃,依靠自身在電子專用設備研發領域的技術優勢,潛心鑽研著碳化硅單晶生長爐的研制。經過多年的不懈努力,全面掌握了高純碳化硅粉料制備工藝、4英寸高純半絕緣碳化硅單晶襯底的制備工藝,形成了從碳化硅粉料制備、晶體生長、晶片加工、外延驗証等整套碳化硅材料研制線,在國內最早實現了高純碳化硅材料、高純半絕緣晶片量產。

在中國電科2所展廳,莫桑鑽項鏈、戒指等飾品流光溢彩、熠熠生輝,而這些莫桑鑽飾品都是用制作碳化硅晶片的邊角料經過打磨制成。據介紹,莫桑鑽的明亮度、折射率均高於鑽石,而價格卻不到鑽石的十分之一,已成為國際珠寶領域的新寵。現在中國電科2所生產的莫桑鑽系列珠寶飾品,遠銷美國、澳大利亞、德國、俄羅斯等國家和地區。

眼下,投資50億元,建設用地約1000畝的中國電科(山西)電子信息科技創新產業園即將在山西轉型綜改示范區投產,計劃用5年時間,建成“一中心三基地”,即:中國電科(山西)碳化硅材料產業基地、中國電科(山西)電子裝備智能制造產業基地、中國電科(山西)三代半導體技術創新中心、中國電科(山西)光伏新能源產業基地。項目達產后,預計形成產值100億元。通過吸引上游企業,形成產業聚集效應,打造電子裝備制造、三代半導體產業生態鏈,建成國內最大的碳化硅材料供應基地,積極推動山西經濟的轉型升級。 

(責編:王宇鵬、杜燕飛)

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