芯片教授”解決5G光通信“卡脖子”難題

樊希安教授 (攝影：方斌)

  在5G通信傳輸中，如果有超過(guò)0.1攝氏度的溫度波動(dòng)，網(wǎng)絡(luò )信號可能就不穩定，因此需要精準控溫的制冷芯片。這類(lèi)高性能芯片，我國光通訊企業(yè)全部從日本、美國和俄羅斯進(jìn)口。自從中美貿易戰以來(lái)，從國外進(jìn)口Micro-TEC芯片變得越來(lái)越困難，嚴重影響了我國5G光通訊行業(yè)的發(fā)展。

  武漢科技大學(xué)材冶學(xué)院樊希安教授帶領(lǐng)科研團隊，經(jīng)過(guò)十八年的科技攻關(guān)，不僅研發(fā)出滿(mǎn)足光通信器件的高性能芯片，而且近日實(shí)現規模投產(chǎn)下線(xiàn)，打破了國外技術(shù)壁壘，為通信企業(yè)解決了恒溫芯片“卡脖子”難題。

  在樊希安創(chuàng )辦的公司里，幾十名工人正在緊張地工作。樊教授小心翼翼拿出一個(gè)1.6×1.6毫米的芯片：“這個(gè)微型半導體制冷芯片是國內首批微型制冷芯片?！彼榻B，這樣的芯片以往從國外進(jìn)口，原材料每噸需要兩百萬(wàn)人民幣，現在我們自主研發(fā)，原材料每噸降至幾十萬(wàn)人民幣。

  帶著(zhù)團隊創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)

  打破國外的技術(shù)壟斷，降低產(chǎn)品的價(jià)格，是樊希安研發(fā)的初衷。他帶著(zhù)團隊師生，緊盯“冶金、材料行業(yè)的應用基礎及其關(guān)鍵技術(shù)”，在實(shí)驗室里反復攻關(guān)，“一些關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)，無(wú)法通過(guò)查閱論文獲得。我們對材料進(jìn)行大量實(shí)驗，有時(shí)候經(jīng)過(guò)千百回實(shí)驗，才慢慢總結摸索出關(guān)鍵技術(shù)?！?

  歷經(jīng)十多年研究，樊希安團隊在熱-電轉換溫差發(fā)電技術(shù)、磁-電能量轉換技術(shù)、輻射換熱技術(shù)及其關(guān)鍵新材料領(lǐng)域取得了一個(gè)又一個(gè)突破。

  “基礎研究要面向科學(xué)前沿，應用研究要面向市場(chǎng)需求?！狈０伯a(chǎn)生了創(chuàng )業(yè)的念頭，“開(kāi)辦公司、轉化成果?！弊銎髽I(yè)需要團隊、資金、管理、市場(chǎng)，他開(kāi)啟了一段艱難的創(chuàng )業(yè)歷程。

  2011年，樊希安在江蘇張家港成立了公司，致力于高溫紅外輻射節能涂層產(chǎn)業(yè)化。第一次創(chuàng )業(yè)，沒(méi)有經(jīng)驗、沒(méi)有資金、沒(méi)有廠(chǎng)房、沒(méi)有工人、沒(méi)有設備，前期十分艱辛。

  堅持幾年后，公司開(kāi)發(fā)了6個(gè)系列高溫紅外輻射材料與涂層技術(shù)并實(shí)現量產(chǎn)，成功在南京鋼鐵、美的集團、清江化工等高溫工業(yè)企業(yè)實(shí)施，為高耗能企業(yè)的節能減排做出了貢獻。

  但長(cháng)時(shí)間在武漢、張家港兩地奔波，還要忙教學(xué)和科研，盡管公司已經(jīng)盈利，樊希安考慮再三，決定將生產(chǎn)基地遷回湖北。

  2015年前后，湖北省相繼出臺“科技十條”“新九條”，賦予高校和團隊科技成果的使用權、經(jīng)營(yíng)權和處置權。2017年，武科大出臺鼓勵教授在崗、離崗創(chuàng )業(yè)管理辦法，并成立26個(gè)平臺機構，促進(jìn)成果落地轉化。

  在一次校企對接活動(dòng)中，武科大向鄂州市昌達資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限公司推薦了樊希安的項目。 起草合同、修改協(xié)議、注冊場(chǎng)地、評估資產(chǎn)……武科大為樊希安轉化科技成果“全程護航”。

  2018年初，樊希安帶領(lǐng)2名教師和4名碩士畢業(yè)生，以技術(shù)入股注冊成立湖北賽格瑞股份有限公司，成為武科大第一家學(xué)校參股、教授創(chuàng )業(yè)的企業(yè)。樊希安成為武科大科技成果轉化新政策出臺后的首個(gè)教授創(chuàng )業(yè)的“實(shí)踐者”。

  打破成果轉化的壁壘

  技術(shù)的突破并不意味著(zhù)科研成果的實(shí)用化，成果的轉化往往需要長(cháng)期持續的投資、科學(xué)的管理和專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人才等多方面投入，并且面臨失敗的風(fēng)險。

  芯片材料的生產(chǎn)技術(shù)要求極高。樊希安說(shuō)，就拿一塊1.6×1.6毫米的微型半導體制冷芯片來(lái)說(shuō)，主工序近40道，輔助工序近100道，從原料到成品，從材料切割到封裝，任何一個(gè)環(huán)節出現偏差，都有可能前功盡棄。

  芯片剛剛開(kāi)始量產(chǎn)時(shí)，為尋找一種固定器件的黏合劑，他和助手買(mǎi)來(lái)市場(chǎng)上的50多種膠水，經(jīng)過(guò)近一個(gè)月的反復比較試驗，才找到最合適的。

  沒(méi)有熟練的技術(shù)工人，沒(méi)有現成的經(jīng)驗遵循，起初的大半年，生產(chǎn)廢片率極高。 “一開(kāi)機就是十幾萬(wàn)元，做出來(lái)卻是一堆垃圾，雖然工資照常發(fā)，一些員工還是失去了信心?！狈０舱f(shuō)，公司兩位高管在一個(gè)月里相繼離職。

  “大家一定要對我們的技術(shù)有信心!”樊希安沒(méi)日沒(méi)夜守在車(chē)間，給員工打氣。最艱難的時(shí)候，他與技術(shù)人員住在公司，跟大家一起解決問(wèn)題。

  恒溫芯片的外觀(guān)尺寸只有幾毫米，對精度要求達到5微米。為了精準制造出幾毫米的芯片，樊希安帶領(lǐng)團隊自制了幾十套模具，反復實(shí)驗才獲得成功。

  兩個(gè)月后，生產(chǎn)廢片率基本控制在3%，公司迎來(lái)了第一筆22.8萬(wàn)元的訂單。之后，又簽下500萬(wàn)元熱電芯片銷(xiāo)售訂單，終于打破科研成果與實(shí)際應用間的壁壘。

  樊希安研發(fā)的半導體芯片，有兩大應用方向，一是制冷，二是溫差發(fā)電。在公司展示區，樊希安演示了溫差發(fā)電技術(shù)在生活中的應用。智能可穿戴設備利用體溫發(fā)電電池，核心是一塊感應到溫度就會(huì )產(chǎn)生電壓的芯片。人體和環(huán)境溫差越大，可發(fā)電量就越多。一塊只有大拇指大小的芯片，就可以為智能手表、手環(huán)等可穿戴設備供電。

  “樊教授是一個(gè)有強烈家國情懷的人，他一直告訴我不要唯論文，要求我們做有科學(xué)價(jià)值和應用價(jià)值的研究?！蔽淇拼?020級博士生胡曉明，從本科開(kāi)始就跟隨樊希安做研究、搞創(chuàng )業(yè)。

  胡曉明說(shuō)，樊教授經(jīng)常和大家探討，科技成果本身并不等同于現實(shí)生產(chǎn)力，“要勇于跨越科技成果轉化的‘死亡之谷’”。在跟隨樊教授創(chuàng )業(yè)過(guò)程中，他感受到，企業(yè)運營(yíng)、產(chǎn)品展現、籌措資金，處處皆是學(xué)問(wèn)。

  瞄準5G光通訊市場(chǎng)

  微型半導體制冷芯片Micro-TEC，是5G通訊光器件精準控溫的唯一解決方案，確保光電轉換效率和網(wǎng)絡(luò )通信信號的穩定。樊希安介紹：“普通電子產(chǎn)品也會(huì )用到制冷芯片，例如許多手機在打游戲時(shí)會(huì )比較燙手。我們產(chǎn)品就像在手機內部裝了空調，給它降溫?！?

  樊希安拿出一塊毫不起眼的小芯片：“這塊Micro-TEC芯片在制作工藝上，我們已經(jīng)精確到了5微米，產(chǎn)品彌補了國內在該領(lǐng)域的空白，解決了國內無(wú)法生產(chǎn)超微型TEC芯片的瓶頸?！?

  說(shuō)完，他便“搗鼓”了起來(lái)，一臺簡(jiǎn)易的半導體空調便開(kāi)始制冷了，溫度表顯示28攝氏度的室溫，2、3秒不到已降溫至6攝氏度。

  經(jīng)過(guò)四年的發(fā)展，樊希安團隊成為全球第一家掌握SPS技術(shù)批量制造熱電材料，國內率先掌握高強高優(yōu)值n型碲化鉍熱電材料的批量制造，全球第一家掌握晶圓級封裝技術(shù)封裝Micro-TEC和Mini-TEC芯片的科研成果轉化平臺，解決了我國光芯片熱管理和精準控溫卡脖子的技術(shù)難題，打破國外技術(shù)壟斷，對助推我國5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。該項目技術(shù)已成功應用于東方電子、鴻昌電子、雷子克等多家企業(yè)，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益過(guò)1億元，取得了良好的經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和環(huán)境效益。

  在經(jīng)營(yíng)企業(yè)中，樊希安經(jīng)常發(fā)現新問(wèn)題。他把企業(yè)問(wèn)題帶回學(xué)校，有針對性地做科研，再把科研成果帶到企業(yè)應用。2022年1月18日，樊希安教授牽頭的“5G光模塊用Micro-TEC芯片的產(chǎn)業(yè)化”項目，在第六屆中國光谷3551國際創(chuàng )業(yè)大賽全球總決賽獲得最高獎，也是唯一的特等獎;4月，樊希安團隊登上湖北省第二屆高價(jià)值專(zhuān)利大賽金獎的領(lǐng)獎臺。他培養的學(xué)生不僅在各類(lèi)全國性科技學(xué)術(shù)競賽中多次獲特等獎、金獎，而且成為各行各業(yè)的高素養科研人才。

  展望未來(lái)，樊希安說(shuō)：“計劃通過(guò)3-5年發(fā)展，建成2000萬(wàn)只5G光模塊用Micro-TEC芯片的生產(chǎn)規模，實(shí)現銷(xiāo)售額5億元以上，帶動(dòng)就業(yè)1000人以上?！?

  武科大校長(cháng)倪紅衛表示，樊希安為教授蹚出了一條科技創(chuàng )業(yè)的新路，也帶來(lái)了示范效應。目前，武科大的老師創(chuàng )辦多家科技公司，涉及新材料、新能源、智能制造等多個(gè)領(lǐng)域，學(xué)校服務(wù)社會(huì )的能力也增強了。學(xué)校將進(jìn)一步推進(jìn)科技成果轉化工作，在科技強國戰略中積極貢獻“高校力量”。