科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(21-25)

2018年7月6日18:49:18科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(21-25)已关闭评论 281 views

“假如我们把光刻机比作一把菜刀,那么光刻胶就好比是要切割的菜,没有高质量的菜,即使有了锋利的菜刀,也无法做出一道佳肴。”日前,江苏博砚电子科技有限公司技术部章宇轩在接受科技日报记者采访时说。

在北京化工大学理学院院长聂俊眼里,我国虽然已成为世界半导体生产大国,但面板产业整体产业链仍较为落后。目前,上游高端电子化学品(LCD用光刻胶)几乎全部依赖进口,必须加快面板产业关键核心材料基础研究与产业化进程,才能支撑我国微电子产业未来发展及国际“地位”的确立。

彩色薄膜少了光刻胶,产生不了绚丽的画面

显示器是人与机器沟通的重要界面。光刻胶是整个光刻工艺的重要部分,也是国际上技术门槛最高的微电子化学品之一,主要应用在集成电路和平板显示两大产业。光刻技术决定了集成电路的集成度,引领了技术节点的推进和实现。

章宇轩介绍,我们在日常工作生活中,之所以能从显示屏幕上看到色彩斑斓的画面,就是离不开屏幕中厚度只有2μm、却占面板成本16%的一层彩色薄膜。然而,彩色薄膜颜色的产生,必须由光刻胶来完成。

LCD是非主动发光器件,其色彩显示必须由本身的背光系统或外部的环境光提供光源,通过驱动器与控制器形成灰阶显示,再利用彩色滤光片产生红、绿、蓝三基色,依据混色原理形成彩色显示画面。

其中,根据颜色的不同,可以将光刻胶分为黑色、红色、绿色、蓝色四种。彩色滤光片的制作就是在玻璃基板上应用黑色光刻胶制作黑色矩阵,再应用红、绿、蓝光刻胶制作三原色像素。

光刻胶的研发,关键在于其成分复杂、工艺技术难以掌握。光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂,开发所涉及的技术难题众多,需从低聚物结构设计和筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优化、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整。因此,要自主研发生产,技术难度非常之高。

江苏汉拓光学材料有限公司副总经理孙友松告诉记者,在光刻胶研发上,我国起步晚,2000年后才开始重视。近几年,虽说有了快速发展,但整体还处于起步阶段。事实上,工艺技术水平与国外企业有着很大的差距,尤其是尖端材料及设备都仍依赖进口。

工艺技术难以突破,国内企业受制于人

“造成与国际先进水平差距的原因很多。过去由于我国在开始规划发展集成电路产业上,布局不合理、不完整,特别是重生产加工环节的投资,而忽视了最重要的基础材料、装备与应用研究。目前,整个产业是中间加工环节强,前后两端弱,核心技术至今被TOK、JSR、住友化学、信越化学等日本企业所垄断。”江苏博砚电子科技有限公司负责销售的经理李中强说。

记者了解到,光刻胶的主要技术指标有解析度、显影时间、异物数量、附着力、阻抗等。每一项技术指标都很重要,必须全部指标达到才能使用。因此,国外企业在配方、生产工艺技术等方面,对中国长期封锁。

事实上,我国是在缺乏经验、缺乏专业技术人才,缺失关键上游原材料的条件下,全靠自己摸索。近年来,尽管光刻胶研发有了一定突破,但国产光刻胶还是用不起来。目前,国外阻抗已达到15次方以上,而国内企业只能做到10次方,满足不了客户工艺要求和产品升级的要求,有的工艺虽达标了,但批次稳定性不好。

“10次方的光刻胶经过多次烘烤,由于达不到客户需求的防静电作用,不能应用到最新一代窄边框、全面屏等高端面板上。而国外做到15次方就有了很好的防静电作用。这还是我们的光刻胶材料、配方、生产工艺方面存在问题。”李中强说。

关键指标达不到要求,国内企业始终受制于人。就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说,目前已建立17个面板显示生产基地,其中,有16个已经投产。但京东方用于高端面板的光刻胶,仍然由国外企业提供。

基础性研究仍需发力,政府要重视鼓励应用牵引

能让显示屏幕绚丽多彩的光刻胶,仍是中国半导体产业之“痛”。该如何打破欧美及日本等国家和地区的封锁与垄断?

业内人士认为,按照现在“单打独斗”的研发路径,肯定不行。政府相关部门要加大产业政策的配套支持力度,应从加快完善整个产业链出发,定向梳理国内缺失的、产业依赖度高的关键核心电子化学品,要针对电子化学品开发难度高,检测设备要求高的特点,组织汇聚一些优势企业和专家,形成一个产业联盟,国家建立一个生产应用示范平台,集中力量突破一些关键技术。

江苏博砚电子科技有限公司董事长宗健表示,光刻胶要真正实现国产化,难度很大。最大问题是国内缺乏生产光刻胶所需的原材料,致使现开发的产品碳分散工艺不成熟、碳浆材料不配套。而作为生产光刻胶最重要的色浆,至今依赖日本。前道工艺出了问题,保证不了科研与生产,光刻胶国产化就遥遥无期。因此,必须通过科研单位、生产企业的协同创新,尽快取得突破。

有专家提出,尽管国产光刻胶在高端面板一时用不起来,但政府还是要从政策上鼓励国内普通面板的生产企业尽快用起来。只有在应用过程中才能发现问题,解决问题,不断提升技术、工艺与产品水平,实现我国关键电子化学品材料的国产化,完善我国集成电路的产业链,满足国家和重点产业的需求。

(科技日报无锡5月30日电)

22、高压共轨不中用,国产柴油机很受伤

发动机是汽车最重要的零件之一,犹如人的心脏。而电控柴油高压共轨系统则相当于柴油发动机的“心脏”和“大脑”,其品质的好坏,严重影响发动机的使用。

柴油机产业是推动一个国家经济增长、社会运行的重要装备基础。中国是全球柴油发动机的主要市场和生产国家,仅2017年,国内22家柴油机企业销售汽车用柴油机357.52万台,被广泛运用在工程车、农机和运输车辆上。

而在国内的电控柴油机高压共轨系统市场,德国、美国和日本等企业占据了绝大份额。

高压共轨系统是柴油机的“心脏”

包括柴油机在内的内燃机的发明,使人类的许多梦想得以实现:汽车、农用拖拉机、飞机、潜艇、坦克等等,彻底改变了社会发展进程。

“电控柴油高压共轨系统是柴油机的燃料供给及喷射系统,同时也是实现柴油机电控功能的核心零部件,主要由高压油泵、喷油器、油轨、ECU、传感器、执行器等组成。”玉柴工程研究院副院长蒙小聪说。

至于高压共轨系统对于柴油机的重要性,蒙小聪认为:“如果说发动机相当于车辆的‘心脏’,那么电控柴油高压共轨系统则相当于柴油机的‘心脏’和‘大脑’。”

2014年,为了控制和减少汽车排放污染物以及降低能源消耗,我国在全国范围内开始实施国四排放标准。为满足排放标准,车用柴油机基本上都采用了高压共轨系统。

蒙小聪说:“高压共轨系统的喷射压力产生和喷射过程分开,能够高质量、灵活地将柴油喷射至燃烧室,和空气进行充分混合,减少柴油机的震动、油耗和降低排放,改变了柴油机在人们心目中‘噪音大、冒黑烟’的形象。”

同一台柴油发动机,用上不同的高压共轨系统,效果会不一样。“柴油机如果共轨系统工作不理想,从轻的方面来讲,会造成发动机性能恶化、排放达不到标准,如果更严重的话,发动机直接就‘趴窝’了。”蒙小聪说。

性能、功能、质量都还存在差距

目前,世界上主要的高压共轨系统供应商是德国博世公司、德国大陆公司、美国德尔福公司、日本电装公司等几个公司。“在国内,国外企业占据了绝大份额,他们的优势是近乎垄断性的。”蒙小聪说。

“国内的企业不是不可以做,例如专业相机,中国也可以做,但是和日本相比,水平要差一些,要做到相同成本更难。”蒙小聪说。

实际上,早在20年前,国内一些高校、机构就已经开展高压共轨系统的研发,比如无锡油泵油嘴研究所。近些年,成都威特、辽阳新风、龙口龙泵、重庆重油、南岳电控等公司也都投入巨资上高压共轨项目,目前都已经实现批量生产。

“在故障率这个指标上,国产共轨系统还难以达到国外先进产品的水平。”蒙小聪认为,和国外先进公司的产品相比,国产高压共轨系统在性能、功能、质量及一致性上还存在一定的差距,成本上的优势也不明显。

比如油泵喷油压力,国外企业可以做到2500bar(公斤力)甚至更高,国产系统也有少部分做到这么高,但都没经市场验证,质量风险还很高。

蒙小聪说:“这和我们在基础材料、工艺和装备上的差距有关系,比如喷油嘴的针阀偶件,加工精度要求非常高,我们的精度达不到,喷油质量就很难上去。再比如控制喷油的电磁阀,国内还没有很成熟的产品。”

此外是技术壁垒,国外公司非常注重对知识产权的保护。“绝大多数的技术要点都已经有专利保护,我们很难绕开。”蒙小聪说。

正因为做不到那么高的质量,使用国外共轨系统的代价也是相当大的。

国内一些做非道路用柴油机的企业,本身没有电控技术能力储备,现在如果直接用国外企业的高压共轨系统,他们的要价非常之高。“做一个项目,开发费用有可能都是千万元级的,这些企业会相当吃力。”玉柴工程研究院燃油系统设计技术总师莫宗华说。

蒙小聪说:“同一类型的共轨系统,进口的要比国产的贵20%—30%,外资品牌还有较大的价格空间。”

要从点点滴滴的基础做起

中国汽车工业协会的数据显示,2017年,国内22家柴油机企业销售汽车用柴油机357.52万台,同比增长23.98%。

在巨大的市场面前,同样是做高压共轨系统,我们为什么会比人家差?

“这些都是由点点滴滴的东西累积而成的,国外企业的成功是建立在深厚积累的基础上的。”蒙小聪说了两个让他印象深刻的例子:一是生产线上的工人。“我去过国外一家生产高压共轨系统的世界500强企业,他们生产线上基本上都是老工人,熟练程度非常高,工作一丝不苟。也许这就是我们现在所提倡的‘工匠精神’。”二是研发投入。“比如开发一个ECU的软件系统,国外的企业会投入几百甚至上千人,花几年的时间。而国内企业连1/10的投入都不到。”

不过,在提高国产高压共轨系统竞争力的道路上,也逐渐有了好消息。

2016年12月,莫宗华参加了在南岳电控举行的国产电控高压共轨系统项目“一条龙”调研活动。该项目由中国工程院院士李骏担任组长,目的是充分整合材料、工艺、零部件、主机厂、整车厂等行业资源,成立产业化联盟,解决关键共性技术。

而2015年以来,包括潍柴、玉柴、锡柴在内的国内几家大的柴油发动机厂家,已经开始尝试使用国产共轨系统。

“当然,目前量产的发动机还很少,这只是一个补充或者说是备份。随着国产共轨系统在车用柴油发动机上的应用逐渐增多,我们相信,国产共轨系统的竞争力在今后一段时间内会有一个大改观。”莫宗华说。

5月26日,腾讯董事会主席兼首席执行官马化腾在“未来论坛X深圳峰会”上发表演讲,认为中国在基础科学研究方面基础还相对薄弱,他呼吁政府、产学研等各方通力合作,投入更多资源去做基础科学研究。

“这同样适用于柴油机技术。”蒙小聪说。

23、我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜

5月29日,清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后,埃(10-10)级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构,并解出生命运转机理。

这期间,冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子,每次看一个小单元。为了解释这个“小单元”,张森森为科技日报记者示意了一个“镊子尖”大小的小金片,“金片上约有200个左右的均匀小孔,每个小孔中再分150个小孔,电子束一次只‘看’其中一个小孔。”金片类似蛋白质的“载玻片”,与光学显微镜不同的是,载玻片透光,小金片要透电子,容许电子束透过样品时受到散射。散射信号被捕捉记录下来,计算后可呈现分子结构。

透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。“国内没有一家企业生产透射式电镜。”赛默飞公司技术支持陈宝庆说得不假思索,他毕业于北京大学地球物理专业,对行业非常了解,他介绍,“之前还有几个企业制造,比如原江南光学仪器厂现在就不造了。”

能做到单电子束控制的灯丝,只有进口

“理论上说,只要施加足够强的电场,电子就会从材料中‘游’出来。”陈宝庆说。但“游”的状态与可以使用的电子状态相距甚远。

什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢?东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述了理想的状态:速度完全一样的电子,从“源头”的一个点上、非常多地发射出来。

“这些要求是相互矛盾的。”万克树解释,电子从材料表面溢出,要发射电子多,面积就要大,但是面积大了就难以满足一致性要求。

如果把电子枪想象成一把枪,它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射,“子弹”的角度、速度完全一致。

“电子的能量要做到高度一致,虽还达不到激光的程度,但也必须是很窄的分布。”陈宝庆解释,电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。

为此,电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”,形似陀螺,尖端却比针还细。电子从尖端出发,在真空的环境下,前去与大分子“相撞”,进而反映出分子构象。

“之前的技术路线是通过加热让电子枪发射电子,发射源(俗称“灯丝”)用钨丝或六硼化镧,需要2500℃左右,高温促使电子发射,但也使电子异常活跃、难以控制,因此热发射电子枪的电镜精度低。”万克树说。

“场发射是通过高压电场,把电子从‘灯丝’里拉出来,室温下可完成。”万克树说,“所用灯丝国内没有生产,全部依赖进口,每根上万美元左右。”

他提到的常温场发射枪(肖特基电子枪)是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上。FEI公司后来在电子枪生产上又有了新的突破,将热和场结合起来,稳定性进一步提升。在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到,一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子枪一栏标明“X-FEG”,有中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用灯丝在材质上与之前的一致,工艺不同能够使亮度更强。”陈宝庆介绍。

上了邮票的科研成就,被中断

场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场,电场电压高达300千伏。“在这样的高压下保持电压稳定,才能‘拉’出稳定一致的电子,专业上称为‘单色性好’。”万克树说。

据题为《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载,1963年,我国就开始了高压100kV电子枪稳定因素探讨的实验,1965年完成样机,中国自主研制透射式电镜于1979年达到当时的国际先进水平,还专门为国产的电子显微镜发行过纪念邮票。

该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前,中国也试图重启这方面的公司,也曾立项想要完成场发射透射电镜的自主研发。”陈宝庆回忆,曾经有相关的科研人员,辗转找到他询问,为什么FEI公司没有相关专利。

“他们想到的捷径之一是把生产厂商的专利拿来参考,但是其中很多生产工艺是秘方级别的,根本不会外传。”陈宝庆说。

从“看人影”到“辨雀斑”,中国研发没使上劲

“如今,中国只有一家企业生产扫描电镜,透射电镜完全不生产了。”陈宝庆说,德国蔡司公司也停止了透射电镜的生产,目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家,分别是日本电子、日立、FEI(2016年被赛默飞公司以42亿美元收购。)

没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电镜的原因。“透射电镜之前的清晰度,使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆说。可以理解为,以前只能看清楚个人影,现在却能辨认清楚脸上的雀斑。

除了电子枪的原理变化,冷冻电镜上其他的技术精进,例如三维重建算法的实现、样品制作机器人的研发成功等,使得冷冻电镜的分辨率大规模提升,成为生命科学研究的利器。

在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中,中国没有使上劲。在冷冻电镜实验室中,从耗材到配件都必须进口。“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说,所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装,根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理,只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说,这样的体验可能还要持续不短的时间。

24、自家的掘进机却不得不用别人的主轴承

主轴承,有全断面隧道掘进机(简称掘进机)的“心脏”之称,承担着掘进机运转过程的主要载荷,是刀盘驱动系统的关键部件,工作所处状况十分恶劣。

掘进机采用液压、机械和电气等诸多领域的高科技成果,运用计算机自动控制、工厂化作业、在线实时监测与导向,是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备,长度由几十米到200多米,总重量可达几百吨至5000多吨,是当前地下空间施工最先进的装备。每台价值从数千万元至两三亿元不等。

“就整机制造能力而言,国产掘进机已接近世界最先进水平,但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉科技日报记者。

承受巨大载荷和强烈温升

掘进机主轴承工作环境非常恶劣,要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。

“掘进机工作的地质具有未知和突变的特点,加上刀盘滚刀破岩时的突变载荷,使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士说。

以直径15米掘进机为例,整机重4500吨,主轴承所在主机重2800吨,轴承连接的前部刀盘就达520吨;掘进机动力来自28组千斤顶,最大推力达22500吨,掘进速度最大每分钟5厘米。“要传送这样大的推力,掘进机需配备7米大直径的主轴承,滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云峰说。

在地下密闭的工作空间,主轴承还因长时间连续工作产生摩擦热,温度从20摄氏度最高升至120摄氏度。

“巨大载荷和强烈的温升,不仅极大地降低了轴承材料的刚度,也使其强度大幅退化。”李云峰认为,这种工况,对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛。

因技术含量高,单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右,是掘进机所有零件中最值钱的。

“在既定施工段,若掘进机主轴承出现故障,进行现场维修或更换极为困难,甚至不可行。”梅勇兵说,这要求主轴承不能出任何故障,掘进机制造商宁愿出高价,选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承。

据介绍,我国掘进机年生产规模约为450台,仅进口轴承一项即达近10亿元。

尺寸巨大结构最复杂,制造需要上百道工序

与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比,掘进机主轴承直径一般为几米,是结构最复杂的一种轴承,制造需要上百道工序,主要由套圈、滚子和保持架3部分组成。

“掘进机主轴承尺寸庞大,在安装方式上迥异于传统滚动轴承,必须采用螺栓与主机联接的方式,这样就需要安装孔。”李云峰说,安装传统应用领域的轴承,一般采用通过内、外圈与主机部件配合的方式,孔的数量通常是个位数。

以直径6.34米掘进机配套主轴承为例,其直径3米,有20个安装孔、40个注油孔、20个连接孔和10个定位孔,整套轴承零件总数达到600多个。

“这么多的孔,使设计和加工过程如趟雷区,务必时刻保持高度小心,避免相互干涉。”李云峰说,如果因设计人员有一丁点疏忽,在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误,依图加工后都会造成大量废品。

除规模庞大的孔外,因尺寸原因,掘进机主轴承的截面与节圆的直径比,远小于传统滚动轴承。“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件,在重载条件下,难以避免套圈的结构变形,这些都增加了其力学响应的复杂性。”李云峰说。

国外现代掘进机实践已近百年,除原材料的强度远超国产外,在设计和工艺上更具超强的实力。“无论是主轴承工作载荷的确切理论数据,还是工程实测数据,都非常完善,为其设计和建模提供了真实而丰富的依据。”李云峰说。

当前,世界上能研制掘进机主轴承的企业仅四家,分别是德国的罗特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF,其中,罗特艾德占有全球全断面隧道掘进机领域绝大部分市场份额。

据悉,罗特艾德公司制造的主轴承技术和工艺水平最高,其生产的主轴承直径已突破7米多,装配于多台14米直径的掘进机,掘进隧道长度累计已超过50公里。

随着隧道建造技术的发展,隧洞设计的里程和直径也越来越大,往往要求单个主轴承的设计寿命达20公里以上,轴承直径6米以上,从而进一步加大了掘进机主轴承的技术研发难题。“直径若超过8米,轴承结构就需要分块设计了。”李云峰说。

掌握直径3米核心技术,实验寿命等同国外同类产品

除受材料因素制约外,在设计和工艺上,国产掘进机主轴承与国外产品都存在很大差距。

“国内现有的滚动轴承理论,是基于刚性套圈假设,不适于分析掘进机主轴承的内部受力状况。”洛阳轴承研究所有限公司董事长王景华说,我国掘进机制造历史仅十余年,所有数据都非常匮乏,设计计算只能输入估算的载荷,如此设计的轴承难以匹配实际的工况。

王景华还介绍说,国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配,在设计时,将轴承视为主机的组成部分,二者协同进行。

反观国内,轴承与主机的设计则“各自为政”,相互独立。“相互不熟悉,主轴承根本无法响应主机环境的力学行为。”李云峰说,要适应主机环境的力学行为,需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台,国外轴承设计的合理性,是通过大量实验验证的,并积累了大量工程数据,这些方面在我国几乎全是空白。

说到掘进机主轴承的制造工艺,李云峰罗列出包括机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺等因素。“国外的热处理工艺已发展到无软带表面淬火,而国内还没有这样的工艺。”李云峰说,经无软带表面淬火处理,主轴承的滚道表面会全部硬化。如此,因重载造成的软带区域塑形、变形和过早疲劳剥落等故障隐患,都将彻底消除。

掘进机主轴承国产化曙光正在初现。

“我们已开始与国产掘进机领军企业——铁建重工紧密合作,率先开展了掘进机主轴承的研究工作。”王景华透露,作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构,覆盖基础及应用研究,拥有盾构及掘进技术(轴承)国家重点实验室,洛阳轴承研究所正加速实现技术研发步伐,目前已掌握直径3米的主轴承核心技术,实验寿命等同国外同类产品,力争2018年装机试用。

25、微球:民族工业不能承受之轻

这种球,直径是头发粗细的三十分之一。少了它,你正盯着的液晶屏幕将无法生产。

微球,现代工业的基础材料,被国外企业垄断。仅微电子领域,中国每年就要进口价值几百亿元人民币的微球。

液晶屏的骨头,芯片的脚

“2017年中国大陆的液晶面板出货量达到全球的33%,产业规模约千亿美元,位居全球第一。但这面板中的关键材料——间隔物微球,以及导电金球,全世界只有日本一两家公司可以提供。这些材料也像芯片一样,给人卡住了脖子。”国家“千人计划”专家、苏州纳微科技公司董事长江必旺博士说。

手机屏幕里,每平方毫米要用一百个微球。“间隔物微球撑起了两块玻璃面板,相当于骨架。在两块玻璃面板的缝隙里,再灌进液晶。”江必旺说。

“微球决定液晶屏的厚度和均匀性,因此所有球要大小一样。微球还得足够强韧、光滑,不含一点金属杂质。”江必旺说,否则会影响显示质量。

除此以外,还有一种“光扩散微球”,大量涂抹在光扩散膜,用于液晶背光模组。

微球另一个重要的用途,是芯片的引脚。电路常用焊锡连接,但现在的芯片太小,引脚小到看不清,导电金球就替代了焊锡。

几微米直径的微球,混在绝缘胶里,构成“各向异性导电膜”。这层膜贴在芯片和主板之间,需要接脚的地方给予压力,小小金球就会在两者之间导电,这是现在微电子业标准的办法。中国从日本进口导电胶膜每年要花费上百亿元人民币。

微球太小,筛分困难

江必旺说,无论是间隔物微球,还是导电金球,粒径要非常精确和均匀。

微球的材料是塑料或二氧化硅。制作微球,第一步,在反应液里,塑料或者硅烷变成液球,并且固化。“就好像油快速搅拌在水里,会分散成小球一样。”江必旺说。

这种方法做出的微球有大有小,需要精密筛分。“用一般的筛子是做不到的,因为微球每隔0.2微米是一个规格。2微米和2.2微米的两种球,要分开是极其困难的。世界上只有日本的公司可以筛分这种微球,周期长达6个月。”江必旺说。

筛分工艺是行业秘密,大概原理是利用大小球的浮力不同,下沉有快有慢,在液体中分离。

生产导电金球,还得多几道工序:表面处理后,镀上一层金或者镍。100纳米厚的这层金属,必须薄厚均匀;球和球互不粘连。普通镀金工艺是行不通的。

由于技术门槛极高,导电金球生产被日本的积水公司垄断。

没有微球就造不出生物药

江必旺博士经过十多年研发,绕过“筛分法”,发明“种子法”,打破了日本的技术垄断,将让下游产业极大受益。

种子法是让几纳米大的塑料或者二氧化硅充当种子,在适当的化学环境下慢慢长成微球。长出来的微球个头一样大,不需要筛分。生产周期只有6天。

没有微球,食品安全检测、疾病诊断、环境监测……许多行业都会陷入窘境。制药厂尤其离不开微球。江必旺说,用于提取生物药的微球,表面有很多孔道,可以吸附特定大小的分子。

“一克微球的表面积,相当于一个足球场,如果微球表面有一些特殊基团,就可以选择性吸附药物有效成分。”江必旺说,全世界的生物制药都必须使用微球做色谱填料。

这类微球不仅需要控制大小、均匀性,还需要控制孔道结构,难度很大,过去只有欧美几家公司能生产,现在苏州纳微也已经可以量产。

国产原材料不纯影响微球性能

尝试生产微球的江必旺,遇到了想象不到的困难。

“在开发液晶间隔物微球材料时,首先就遇到国内基础原料质量差的问题。”江必旺说,“苯乙烯是通用的化工单体,国内产能位居世界首位。但国产苯乙烯和二乙烯基苯杂质含量高,尤其是萘含量高,用其生产出来的间隔物微球机械强度低、变形大,不能满足控制液晶显示的要求。”最终,纳微公司只得选用国外的原料。

“另外,生产高性能微球需要用不锈钢反应釜。经多次试验,发现用国产反应釜生产的微球,铁含量超标;我们花了一年的时间,尝试了很多家的国产反应釜,都是一样的问题。而用进口的铁含量就达标。”江必旺说。

“虽然纳微开发了比日本先进的微球制造技术,但由于国产的原料质量及不锈钢性能问题,浪费了大量时间和精力。”江必旺说,“从这个案例可以看到,中国做关键材料和关键部件的难度有多大。”

 

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