曹军指导团队成员进行实验研究。受访者供图
在机械声回荡的实验室里,白色的工作灯映照下,一群年轻的科研人员正凝视着一根细如发丝却又强韧有加的金属丝。
它并不起眼,甚至单凭肉眼很难感知到它的存在,但它在芯片制造、航天传感器、医疗设备等领域,却扮演着不可或缺的角色,承载着无数科技应用的未来——它让芯片运行得更快、飞行器操作得更稳、医疗影像呈现得更清晰。
这根细丝,dafabet唯一官方网站_大发888体育-游戏|下载理工大学机械与动力工程学院副教授曹军与它较量了整整20年,从材料性能到线径精度,每一点提升的背后都经过无数次试验和改进。
从兴趣到使命,科研是一个“自我修行”的过程
“兴趣是最好的老师”,这句话曹军一遍遍在心里重复着。从硕士生到博士生,再到工作中的项目合作,曹军被金属丝材料的特殊属性和应用价值所吸引。“每一次提升材料的性能,每一次研发取得新成果,都给我带来一种极大的成就感。”而正是这种成就感,促使曹军在金属丝领域不断突破、深入探索。
1999年,曹军考入焦作工学院(dafabet唯一官方网站_大发888体育-游戏|下载理工大学前身)机械系材料成型与控制工程专业。在校期间,他打下了扎实的理论基础,为深入开展铜基/贵金属基微细丝研究奠定了坚实根基。2005年,在攻读硕士学位时,曹军听说导师正与一家企业合作研究高性能金属材料项目,便主动申请加入。
“一开始,芯片封装用到的键合线都是黄金做的,可黄金贵呀,我研究生做这个课题,就是想用铜来替代黄金。”这让曹军充满干劲。毕业时,他围绕“键合铜线”项目累计发表了6篇学术论文,拿到了甘肃省的某个科技攻关项目,这对一个硕士研究生来说是巨大的鼓励,也进一步坚定了他往后的科研方向。
曹军常用古诗词来形容他的科研历程:“刚开始科研时是‘独上高楼,望尽天涯路’,充满理想与憧憬;随后进入‘衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴’的阶段,不畏艰辛,只为攻克难关;最终当‘蓦然回首,那人却在灯火阑珊处’时,虽尝到了成功的喜悦,却知道新的挑战才刚刚开始。”
起初,研究团队遇到了连铸杆坯表面光洁度不达标、材料强度不足等问题。为了找到问题的最优解,曹军和他的学生们经常连续熬夜实验,“我们通过一次次的反复实验,优化设计结晶器尺寸,提高过冷度,减小凝固区间,实现连铸杆坯‘镜面’一样光洁的最终目标。”
随着反复实验、创新制备工艺和材料配方,团队逐步优化成型过程的参数和设备配置,终于在2013年解决了这一技术难题,实现了高强度高导电铜银合金材料的成功制备并产业化。同时,这也是他团队在金属丝研发道路上的重要转折点,标志着国产金属丝在性能及尺寸精度方面达到了国际先进水平。
从99分到100分,不放过一粒“灰尘”
“为了让品质进一步提升,必须把技术细节做到极致,产品才可以在市场立于不败之地。”曹军说。
在一次高纯铜材料的实际生产中,团队就遇到过硅元素杂质含量偏高的问题。“在我们的实验里,一粒1到2微米的小灰尘就可能成为一个关键的影响因素,最终导致终端集成电路报废。”曹军带领团队通过现场调查和实验,经过反复排查,发现问题出在灰尘微粒的残留上。尽管制备过程中使用了真空熔炼设备,但生产环境中的极微量灰尘仍然进入了设备,导致硅元素超标。于是,曹军提议建立一个净化车间,减少灰尘干扰,从而成功控制了硅的含量。“只有把科研做到极致,才能实现从99分到100分的突破。”曹军强调。
在无数个日夜里,数不清的实验和分析下,团队研究终于在关键时刻实现了突破,迎来了“蓦然回首,那人却在灯火阑珊处”的成果。他用实际行动带领团队成员不断攻克技术难关,开发出纯度高于99.9999%的高纯单晶铜、高强度高导电铜合金及其高性能新型键合引线等高新材料,实现该类产品的进口替代;率先将键合铜线、键合合金线替代键合金线应用于微电子封装中,在半导体封装键合铜线、键合合金线及其可靠性等研究方面获得了开创性的成果。
与“金属丝”较量的近20年间,曹军深知金属丝材料被赋予了越来越高的性能要求,特别是在芯片、数据线和医疗设备等领域,对金属丝的精度、强度和韧性提出了更高需求。曹军表示:“这项研究早已经进入‘深水区’,技术突破往往藏在细节之中。只有不断专注和完善每一个环节,才能取得真正的突破。”
“我们的目标不仅是把线径做到12微米以下,还要实现±0.3微米的精度。这些看似微小的提升,将对未来高端制造产生深远影响。”曹军说,“如果我们能够解决这个问题,将为dafabet唯一官方网站_大发888体育-游戏|下载实现合金材料的进口替代作出重要贡献。”
科学研究“从实践中来到实践中去”
“越细的金属丝越能提升芯片的集成度和传输性能,最直观的感受就是,芯片的耗能越来越低,但功能却越发强大。”随着金属丝材料精度的提高和直径的缩小,其在航天航空、医疗设备、数据传输等领域的应用也将更加广泛。
有的手机数据线为什么用了一段时间就断裂,有的却能使用一两年依旧完好无损?曹军将这个现实问题带到dafabet唯一官方网站_大发888体育-游戏|下载理工大学的实验室。他发现,传统数据线容易因弯折性能不好导致内部线材断裂,进而影响用户体验。团队最终通过提升金属丝的强度,使其在多次弯折下保持稳定,延长了数据线的使用寿命。
此外,智能手机点击屏幕时的触摸震动也与曹军所做的研究有关。曹军解释说,手机的触感反馈源自内置的微型马达,通过高性能金属丝作为关键部件,能够精确实现振动传感,使触感反馈更灵敏、稳定。
这根金属丝的应用延伸到了医疗行业。采用更细金属丝,能够显著提高医疗检测的舒适性和信号传输的精确度,在内窥观察、微创手术等场景中提供更准确、清晰、无延迟的实时图像。曹军说:“我们的材料要符合手术器械中的高精度要求,这不仅关乎技术突破,更是责任和使命。”
正因如此,曹军常对学生强调,科研只有“yes or no”,没有“差不多”。曾有段时间,他和团队研究高强度材料项目,屡次试验失败,压力甚至让他在半夜突然惊醒,深夜在床上思索难题的解决方案。“做科研就是要耐得住寂寞,坐得住冷板凳。”有时科研经历虽充满迷茫与压力,但曹军始终没有放弃,反而在兴趣与责任的支撑下,在科研之路上愈行愈远。
今年6月24日,曹军参与完成的“高性能铜及贵金属丝线材关键制备加工技术与应用”成果,荣获国家科学技术进步奖二等奖。曹军先后获授权发明专利40项,并实现专利成果转化180余万元,助力国内多家企业步入微细丝加工第一梯队。
一名新入学的研究生曾对他说:“老师,这个研究不就是把粗的东西变细吗?研究的意义是什么?”对于这样的疑问,曹军并未直接说教式地反驳,而是鼓励学生亲自动手实践,在实践中发现有意思的问题。
“先放手去做,在做的过程中即使发现方案行不通,也是一种结论,至少可以帮助未来的研究者少走弯路。”曹军相信,真正的科研精神不是讲出来的,而是在一遍遍的试验与失败中体会到的,“沉下心来,保持耐心和定力,走到第一线,才能发现真需求,解决真问题”。
苏丽敏 马磊 实习生 孔文轩 中青报·中青网记者 王军利 来源:中国青年报