中国电科2所:发展国产装备 铸就民族芯魂

桑莉媛 李梦文

2019年12月18日11:09  来源:人民网-财经频道
 

如同一张晶莹剔透的4英寸光盘,直径100毫米、厚度0.5毫米的高纯半绝缘碳化硅晶片,可制成芯片或电路,军事上,可用于新一代雷达接收主件,大幅提升探测距离;民用上,适用于5G基站,充分满足收发量和收发、反应、传输速度提升需求。

12月3日,人民网“一撇一捺看发展”大型主题调研采访团走进位于山西太原的中国电子科技集团公司第二研究所(以下简称“中国电科2所”)见到了这种神奇的第三代半导体材料。

智能制造助力智慧中国

在中国电科2所微电子共烧陶瓷器件数字化车间里,一张张生瓷片经过打孔、填孔、干燥、整平、导体印刷、堆叠、烧结、切割等工艺加工,变成一个个只有几平方厘米大小的电子元器件……这些元器件将从这里出发,走进千家万户,应用于航空航天、汽车电子、无线通信等领域。

而这正是中国电科2所不断深化新发展战略,在智能装备领域的不凡表现。整座车间里整洁安静,一台台设备有序连接,形成国内电子器件制造领域首条智能生产线。

“这些电子元器件是由20层甚至更多层生瓷片堆叠而成,每层密布直径为微米级别的孔,每张生瓷片上孔的位置和数目不尽相同。孔中填充有浆料,再通过导体印刷形成一个个‘电路’。”据中国电科2所微组装中心主任李俊介绍,在烧结过程中一层层生瓷片、浆料、印刷导体实现同步收缩,体积会缩小20%左右。在这只有1毫米厚的元器件上甚至还要开槽埋植电阻、电容,以满足设备要求。

数字化车间生产工艺主要包括打孔、填孔、印刷、叠片、烧结共五个工艺单元。主要工序包括生瓷切片、撕膜、打孔、覆膜、通孔填充、整平、图形印刷、烘干、开腔、叠片、层压、烧结等,50余台套工艺、检测及辅助设备。具备工艺仿真及优化、自动排产、在制品唯一标识和管理、生产过程数据在线与处理、生产设备自适应工艺参数调整、故障预警、看板管理等功能,实现了生产订单的自动排程、生产全过程可追溯、生产线设备智能调度、多种类产品混线生产。

目前,该所微电子共烧陶瓷器件数字化车间已正式投产,实现了智能工艺装备、在线智能检测装备、车间智能物流仓储装备的整线贯通,与传统孤岛设备构成的车间相比,生产效率提高31.4%、生产成本降低26%、不良品率降低23.5%、产品研制周期缩短34%、能源利用率提高23.5%,并将掌握的技术推广到光伏新能源智能生产线的系统集成领域。2016年以来,累计实现销售收入超过3亿元。

微组装技术蓬勃发展

从“十五”开始,国家及部分地方政府出台了一系列政策支持先进制造技术,进而促进了微电子技术的迅速发展。正是在这种机遇和挑战并存的背景下,中国电科2所开始了微组装工艺设备的研发,开辟出了一条创新、发展的新道路。

“十二五”期间,该所在国家支持下自助研制的LTCC基板制造设备有切片机、打孔机、通孔填充机、叠片机、热切机等,部分设备技术达到了国际先进和国内领先水平,获得山西省、太原市和集团公司科技进步奖6项,获得了24项国家专利,其中发明专利5项。

据介绍,打孔机是LTCC工艺中的关键设备,也是LTCC工艺的瓶颈,LTCC打孔机结构复杂,性能、可靠性要求较高,在项目研制过程中,课题组付出了艰辛的劳动和汗水,项目负责人董永谦为了完全掌握打孔机的结构和工艺,在某客户处一呆就是一个月。最终通过与技术人员、操作人员交流、探讨,全面掌握了设备的结构、工艺和关键技术。

在项目实施中,几乎每个周末都在加班,晚上熬夜更是家常便饭,有一个月加班时间累计达196 小时。也正是凭着这种吃苦耐劳的精神和课题团队的共同努力,才有了自主知识产权的打孔机成果,DKJ-14A打孔机的研制成功,填补了国内这一领域的空白。

“我们的目标是成为我们国家电子信息领域智能制造行业的排头兵和国家队。”中国电科2所首席专家郎鹏如是说。

碳化硅材料实现自主化

大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率,这是第三代半导体碳化硅单晶材料最响亮的“名片”。

作为新一代雷达、卫星通讯、高压输变电、轨道交通、电动汽车、通讯基站等重要领域的核心材料,碳化硅单晶在航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势。它弥补了第一、二代半导体材料在实际应用中的缺陷,成为制作高温、高频、大功率、抗辐照、短波发光及光电集成器件的理想材料,并在众多战略行业具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

“使用这个高纯半绝缘碳化硅衬底材料制备的芯片,可以达到更高的通讯频率,更高的功率密度,这样的话我们的基站可以传输更多的信息,以及更快的反应速率,对于将来的智慧城市以及自动驾驶提供一个很好的支撑。”山西烁科晶体有限公司副总经理魏汝省自豪地说。

事实上,碳化硅单晶的制备一直是全球性难题,而高稳定性的长晶工艺技术是其核心。如今,这一“心脏技术”只有少数发达国家掌握在手,极少数企业能够实现商业化量产。而在中国,碳化硅单晶衬底材料长期依赖进口,其高昂的售价和不稳定的供货情况大大限制了国内相关行业的发展。

“没有极具竞争力的核心技术,一旦被国外采取措施,高科技行业就会‘休克’”。自2007年,中国电科2所便着手布局碳化硅单晶衬底材料的研制规划,依靠自身在电子专用设备研发领域的技术优势,潜心钻研着碳化硅单晶生长炉的研制。经过多年的不懈努力,全面掌握了高纯碳化硅粉料制备工艺、4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的制备工艺,形成了从碳化硅粉料制备、晶体生长、晶片加工、外延验证等整套碳化硅材料研制线,在国内最早实现了高纯碳化硅材料、高纯半绝缘晶片量产。

在中国电科2所展厅,莫桑钻项链、戒指等饰品流光溢彩、熠熠生辉,而这些莫桑钻饰品都是用制作碳化硅晶片的边角料经过打磨制成。据介绍,莫桑钻的明亮度、折射率均高于钻石,而价格却不到钻石的十分之一,已成为国际珠宝领域的新宠。现在中国电科2所生产的莫桑钻系列珠宝饰品,远销美国、澳大利亚、德国、俄罗斯等国家和地区。

眼下,投资50亿元,建设用地约1000亩的中国电科(山西)电子信息科技创新产业园即将在山西转型综改示范区投产,计划用5年时间,建成“一中心三基地”,即:中国电科(山西)碳化硅材料产业基地、中国电科(山西)电子装备智能制造产业基地、中国电科(山西)三代半导体技术创新中心、中国电科(山西)光伏新能源产业基地。项目达产后,预计形成产值100亿元。通过吸引上游企业,形成产业聚集效应,打造电子装备制造、三代半导体产业生态链,建成国内最大的碳化硅材料供应基地,积极推动山西经济的转型升级。 

(责编:王宇鹏、杜燕飞)

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