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0.1攝氏度的溫度波動，網(wǎng)絡(luò)信號可能就不穩(wěn)定，因此需要精準(zhǔn)控溫的制冷芯片。這類高性能芯片，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(mào)易戰(zhàn)以來，從國外進(jìn)口Micro-TEC芯片變得越來越困難，嚴(yán)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(tuán)隊，經(jīng)過十八年的科技攻關(guān)，不僅研發(fā)出滿足光通信器件的高性能芯片，而且近日實現(xiàn)規(guī)模投產(chǎn)下線，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1.6×1.6毫米的芯片：“這個微型半導(dǎo)體制冷芯片是國內(nèi)首批微型制冷芯片。”他介紹，這樣的芯片以往從國外進(jìn)口，原材料每噸需要兩百萬人民幣，現(xiàn)在我們自主研發(fā)，原材料每噸降至幾十萬人民幣。

  帶著團(tuán)隊創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

  打破國外的技術(shù)壟斷，降低產(chǎn)品的價格，是樊希安研發(fā)的初衷。他帶著團(tuán)隊師生，緊盯“冶金、材料行業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)”，在實驗室里反復(fù)攻關(guān)，“一些關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)，無法通過查閱論文獲得。我們對材料進(jìn)行大量實驗，有時候經(jīng)過千百回實驗，才慢慢總結(jié)摸索出關(guān)鍵技術(shù)?！?

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

  “基礎(chǔ)研究要面向科學(xué)前沿，應(yīng)用研究要面向市場需求?！狈０伯a(chǎn)生了創(chuàng)業(yè)的念頭，“開辦公司、轉(zhuǎn)化成果?！弊銎髽I(yè)需要團(tuán)隊、資金、管理、市場，他開啟了一段艱難的創(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(jié)能涂層產(chǎn)業(yè)化。第一次創(chuàng)業(yè)，沒有經(jīng)驗、沒有資金、沒有廠房、沒有工人、沒有設(shè)備，前期十分艱辛。

  堅持幾年后，公司開發(fā)了6個系列高溫紅外輻射材料與涂層技術(shù)并實現(xiàn)量產(chǎn)，成功在南京鋼鐵、美的集團(tuán)、清江化工等高溫工業(yè)企業(yè)實施，為高耗能企業(yè)的節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。

  但長時間在武漢、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(tuán)隊科技成果的使用權(quán)、經(jīng)營權(quán)和處置權(quán)。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個平臺機構(gòu)，促進(jìn)成果落地轉(zhuǎn)化。

  在一次校企對接活動中，武科大向鄂州市昌達(dá)資產(chǎn)經(jīng)營有限公司推薦了樊希安的項目。 起草合同、修改協(xié)議、注冊場地、評估資產(chǎn)……武科大為樊希安轉(zhuǎn)化科技成果“全程護(hù)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(zhuǎn)化新政策出臺后的首個教授創(chuàng)業(yè)的“實踐者”。

  打破成果轉(zhuǎn)化的壁壘

  技術(shù)的突破并不意味著科研成果的實用化，成果的轉(zhuǎn)化往往需要長期持續(xù)的投資、科學(xué)的管理和專業(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，就拿一塊1.6×1.6毫米的微型半導(dǎo)體制冷芯片來說，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，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，都有可能前功盡棄。

  芯片剛剛開始量產(chǎn)時，為尋找一種固定器件的黏合劑，他和助手買來市場上的50多種膠水，經(jīng)過近一個月的反復(fù)比較試驗，才找到最合適的。

  沒有熟練的技術(shù)工人，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗遵循，起初的大半年，生產(chǎn)廢片率極高。 “一開機就是十幾萬元，做出來卻是一堆垃圾，雖然工資照常發(fā)，一些員工還是失去了信心?！狈０舱f，公司兩位高管在一個月里相繼離職。

  “大家一定要對我們的技術(shù)有信心!”樊希安沒日沒夜守在車間，給員工打氣。最艱難的時候，他與技術(shù)人員住在公司，跟大家一起解決問題。

  恒溫芯片的外觀尺寸只有幾毫米，對精度要求達(dá)到5微米。為了精準(zhǔn)制造出幾毫米的芯片，樊希安帶領(lǐng)團(tuán)隊自制了幾十套模具，反復(fù)實驗才獲得成功。

  兩個月后，生產(chǎn)廢片率基本控制在3%，公司迎來了第一筆22.8萬元的訂單。之后，又簽下500萬元熱電芯片銷售訂單，終于打破科研成果與實際應(yīng)用間的壁壘。

  樊希安研發(fā)的半導(dǎo)體芯片，有兩大應(yīng)用方向，一是制冷，二是溫差發(fā)電。在公司展示區(qū)，樊希安演示了溫差發(fā)電技術(shù)在生活中的應(yīng)用。智能可穿戴設(shè)備利用體溫發(fā)電電池，核心是一塊感應(yīng)到溫度就會產(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(shè)備供電。

  “樊教授是一個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)價值和應(yīng)用價值的研究?！蔽淇拼?020級博士生胡曉明，從本科開始就跟隨樊希安做研究、搞創(chuàng)業(yè)。

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

  瞄準(zhǔn)5G光通訊市場

  微型半導(dǎo)體制冷芯片Micro-TEC，是5G通訊光器件精準(zhǔn)控溫的唯一解決方案，確保光電轉(zhuǎn)換效率和網(wǎng)絡(luò)通信信號的穩(wěn)定。樊希安介紹：“普通電子產(chǎn)品也會用到制冷芯片，例如許多手機在打游戲時會比較燙手。我們產(chǎn)品就像在手機內(nèi)部裝了空調(diào)，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(nèi)在該領(lǐng)域的空白，解決了國內(nèi)無法生產(chǎn)超微型TEC芯片的瓶頸?！?

  說完，他便“搗鼓”了起來，一臺簡易的半導(dǎo)體空調(diào)便開始制冷了，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)過四年的發(fā)展，樊希安團(tuán)隊成為全球第一家掌握SPS技術(shù)批量制造熱電材料，國內(nèi)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(zhuǎn)化平臺，解決了我國光芯片熱管理和精準(zhǔn)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(yīng)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(jì)效益過1億元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

  在經(jīng)營企業(yè)中，樊希安經(jīng)常發(fā)現(xiàn)新問題。他把企業(yè)問題帶回學(xué)校，有針對性地做科研，再把科研成果帶到企業(yè)應(yīng)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(tuán)隊登上湖北省第二屆高價值專利大賽金獎的領(lǐng)獎臺。他培養(yǎng)的學(xué)生不僅在各類全國性科技學(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(yǎng)科研人才。

  展望未來，樊希安說：“計劃通過3-5年發(fā)展，建成2000萬只5G光模塊用Micro-TEC芯片的生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)銷售額5億元以上，帶動就業(yè)1000人以上?！?

  武科大校長倪紅衛(wèi)表示，樊希安為教授蹚出了一條科技創(chuàng)業(yè)的新路，也帶來了示范效應(yīng)。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、智能制造等多個領(lǐng)域，學(xué)校服務(wù)社會的能力也增強了。學(xué)校將進(jìn)一步推進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化工作，在科技強國戰(zhàn)略中積極貢獻(xiàn)“高校力量”。