芯片原子鐘　不再“卡脖子”

陳曦

“嘀嗒”“嘀嗒”……日常生活中，時(shí)鐘的精準(zhǔn)度依賴于鐘擺有規(guī)則地?cái)[動(dòng)。但時(shí)鐘精度再高，每年也會(huì)有1分鐘左右的誤差。雖然對(duì)日常生活沒(méi)有影響，但在對(duì)時(shí)間精度要求很高的生產(chǎn)、科研中，則需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具。

目前，世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘，其精度可達(dá)到每2000萬(wàn)年誤差1秒。近日，國(guó)內(nèi)首條芯片原子鐘生產(chǎn)線在天津?yàn)I海高新區(qū)企業(yè)——天津華信泰科技有限公司（以下簡(jiǎn)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(wàn)臺(tái)，它的投產(chǎn)表明我國(guó)在芯片原子鐘領(lǐng)域打破了國(guó)外壟斷，突破關(guān)鍵器件“卡脖子”問(wèn)題，滿足了相關(guān)領(lǐng)域的迫切需求。

原子鐘利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)。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(jì)時(shí)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(lái)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(shí)頻精度的重要性日益凸顯，聽(tīng)起來(lái)高大上的原子鐘也越來(lái)越接“地氣”。比如，我們所熟知的北京時(shí)間，就是全世界150多臺(tái)原子鐘共同守時(shí)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(kāi)高精度的原子鐘。

然而，由于體積大、功耗高、價(jià)格貴，原子鐘未能真正進(jìn)入普通電子類消費(fèi)市場(chǎng)。

“芯片原子鐘的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)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(chǎng)空白。”華信泰董事長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間工作的原子鐘。作為電子信息技術(shù)中時(shí)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。

芯片原子鐘是一種高精度計(jì)時(shí)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(guó)公司實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘的規(guī)?；a(chǎn)。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)用戶想要購(gòu)買國(guó)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(duì)從2010年起，就承擔(dān)起了芯片原子鐘項(xiàng)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(diǎn)集中在真空封裝和微系統(tǒng)集成技術(shù)上?！绷盒∑M舉例，比如在真空封裝研發(fā)方面，他們經(jīng)過(guò)幾百次嘗試，反復(fù)斟酌調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)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(shuō)，華信泰歷時(shí)10年研究，潛心攻關(guān)，通過(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的能力?！霸谶M(jìn)行海底石油勘探時(shí)，可能需要把幾千個(gè)芯片原子鐘安放在海底勘探節(jié)點(diǎn)上，這就需要我們有規(guī)模化生產(chǎn)的能力?！比A信泰總經(jīng)理劉瑞元說(shuō)，“我們對(duì)規(guī)?；a(chǎn)工藝的摸索也是從零開(kāi)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(jí)，稍有差池就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性變差?！?/p>

歷時(shí)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(duì)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(kāi)始，天津?yàn)I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(duì)就選址問(wèn)題進(jìn)行了多輪對(duì)接，最終找到了兼具區(qū)位交通優(yōu)勢(shì)、廠房挑高優(yōu)勢(shì)、廠區(qū)配套設(shè)施優(yōu)勢(shì)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(lái)生產(chǎn)的400平方米潔凈間。

國(guó)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(shí)現(xiàn)芯片原子鐘器件生產(chǎn)和檢測(cè)、物理系統(tǒng)真空封裝、芯片原子鐘性能測(cè)試等全套生產(chǎn)流程，具備年產(chǎn)萬(wàn)臺(tái)的生產(chǎn)能力。

別看芯片原子鐘個(gè)頭不大，但以前依靠進(jìn)口時(shí)價(jià)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?！眲⑷鹪獙?duì)筆者說(shuō)。

芯片原子鐘實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，也推動(dòng)了很多行業(yè)的發(fā)展。比如可推動(dòng)海底勘探節(jié)點(diǎn)（OBN）的應(yīng)用，從而使我國(guó)海底石油勘探發(fā)生革命性升級(jí)。

梁小芃舉例說(shuō)，進(jìn)行石油勘探時(shí)可在海底投放上萬(wàn)個(gè)以芯片原子鐘作為核心器件的OBN，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都嚴(yán)格要求時(shí)間同步。而且在海底布放時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)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(diǎn)。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(guó)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷的芯片原子鐘‘卡脖子’技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，更重要的是成功將技術(shù)產(chǎn)品實(shí)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(lái)，公司將建設(shè)年產(chǎn)十萬(wàn)臺(tái)乃至百萬(wàn)臺(tái)的生產(chǎn)線。在研發(fā)方面，我們也會(huì)緊扣國(guó)際國(guó)內(nèi)趨勢(shì)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)，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(zhēng)走在國(guó)際前列?！?/p>