芯片原子鐘　不再“卡脖子”

陳曦

“嘀嗒”“嘀嗒”……日常生活中，時鐘的精準度依賴于鐘擺有規則地擺動。但時鐘精度再高，每年也會有1分鐘左右的誤差。雖然對日常生活沒有影響，但在對時間精度要求很高的生產、科研中，則需要更準確的計時工具。

目前，世界上最準確的計時工具就是原子鐘，其精度可達到每2000萬年誤差1秒。近日，國內首條芯片原子鐘生產線在天津濱海高新區企業——天津華信泰科技有限公司（以下簡稱華信泰）落成投產。該生產線的年生產能力可達3萬臺，它的投產表明我國在芯片原子鐘領域打破了國外壟斷，突破關鍵器件“卡脖子”問題，滿足了相關領域的迫切需求。

原子鐘利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波實現計時。這種電磁波非常穩定，再加上一系列精密儀器的控制，保證了原子鐘計時的準確性。目前用于原子鐘的元素有氫、銫、銣等。

最初原子鐘是物理學家創造出來用于探索宇宙本質的儀器。然而，隨著科學技術的進步，時頻精度的重要性日益凸顯，聽起來高大上的原子鐘也越來越接“地氣”。比如，我們所熟知的北京時間，就是全世界150多臺原子鐘共同守時并加權平均后的結果。各種電力系統、通信系統都離不開高精度的原子鐘。

然而，由于體積大、功耗高、價格貴，原子鐘未能真正進入普通電子類消費市場。

“芯片原子鐘的出現解決了這個問題，其體積小、功耗低、精度高、可量產，很好地填補了傳統原子鐘的市場空白。”華信泰董事長梁小芃介紹，芯片原子鐘是利用量子物理學的相干布局囚禁（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。

相比于傳統原子鐘，芯片原子鐘是目前唯一能夠用電池供電、長時間工作的原子鐘。作為電子信息技術中時間頻率技術領域的核心基礎器件，芯片原子鐘的應用前景十分廣闊，從航空航天、衛星導航，到通信、海底勘探、物聯網等領域均可使用。

芯片原子鐘是一種高精度計時裝置，生產制造工藝非常復雜。在此次華信泰芯片原子鐘生產線投產之前，全球僅有一家美國公司實現了芯片原子鐘的規模化生產。當時，國內用戶想要購買國外的芯片原子鐘，“買不起”“不好買”是常態。

為打破這一壟斷局面，華信泰的研發團隊從2010年起，就承擔起了芯片原子鐘項目的研發工作。

“芯片原子鐘是微系統技術與量子物理的典型結合應用，跨學科、跨專業，涉及物理、化學、材料等眾多領域，研發難度很大。主要技術難點集中在真空封裝和微系統集成技術上。”梁小芃舉例，比如在真空封裝研發方面，他們經過幾百次嘗試，反復斟酌調整結構設計、對比嘗試材料選取和溫度設置、不斷改善工藝條件等，才最終達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，華信泰歷時10年研究，潛心攻關，通過自主研發，突破了芯片原子鐘的關鍵技術，所生產的芯片原子鐘產品全部具有自主知識產權。

芯片原子鐘不僅要在技術上取得突破，還要有實現量產的能力。“在進行海底石油勘探時，可能需要把幾千個芯片原子鐘安放在海底勘探節點上，這就需要我們有規模化生產的能力。”華信泰總經理劉瑞元說，“我們對規模化生產工藝的摸索也是從零開始，比如芯片原子鐘的真空封裝工藝和貼片工藝等，精度都達微米級，稍有差池就會導致產品穩定性和一致性變差。”

歷時4年，華信泰完成規模生產的工藝摸索。這種制造方式對于廠房空間、配套設施等軟硬件環境的需求格外苛刻。為了加快公司芯片原子鐘產業化落地速度，從2021年開始，天津濱海高新區在“黨建引領 共同締造”理念指導下，與華信泰團隊就選址問題進行了多輪對接，最終找到了兼具區位交通優勢、廠房挑高優勢、廠區配套設施優勢的廠房進行落地。

廠房中，供電設備、空氣凈化設備、廢水廢氣處理設備等8套大型設備占據了廠房面積的三分之二左右，而這些設備全部服務于用來生產的400平方米潔凈間。

國內首條芯片原子鐘生產線由光刻機、真空封裝機、深硅刻蝕機等設備組成，可實現芯片原子鐘器件生產和檢測、物理系統真空封裝、芯片原子鐘性能測試等全套生產流程，具備年產萬臺的生產能力。

別看芯片原子鐘個頭不大，但以前依靠進口時價格不菲。“生產線建成后，大規模生產可大幅度降低芯片原子鐘的成本。”劉瑞元對筆者說。

芯片原子鐘實現量產，也推動了很多行業的發展。比如可推動海底勘探節點（OBN）的應用，從而使我國海底石油勘探發生革命性升級。

梁小芃舉例說，進行石油勘探時可在海底投放上萬個以芯片原子鐘作為核心器件的OBN，每一個節點都嚴格要求時間同步。而且在海底布放時間比較長，對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。利用以芯片原子鐘作為核心器件的OBN進行勘探較傳統勘探方法成本更低、精準度更高，而且還進一步擴大了勘探面積。

梁小芃表示：“這條生產線的投產，不僅標志著我國長期被國外壟斷的芯片原子鐘‘卡脖子’技術實現了突破，更重要的是成功將技術產品實現了產業化。下一步我們將根據生產需求、應用需求進一步擴大產能。不久的將來，公司將建設年產十萬臺乃至百萬臺的生產線。在研發方面，我們也會緊扣國際國內趨勢，對產品進行升級，不斷更新換代，推出更先進、體積更小、功耗更低的產品，力爭走在國際前列。”