从爱因斯坦的预言谈起

人类首次直接拍摄到的黑洞照片(图片来自网络)

这是人类史上首张黑洞照片。

美国东部时间 4 月 10 日上午 9 时,事件视界望远镜组织在美国华盛顿、比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京等世界六地同步发布这张人类期待已久的照片。

这次,爱因斯坦又说对了。

在超过200名科学家耗时10余年、8台望远镜的观测下,5500万光年外的黑洞终于揭开面纱。黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞,其许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。

“黑洞是广义相对论预言了很多年的存在。”在发布会召开之前,中国科学院国家天文台研究员陈学雷解读此次发布意义时说道。

而这,距离爱因斯坦广为人知的广义相对论提出已过百年。1915 年,广义相对论作为爱因斯坦提出的革命性理论之一问世。在这个理论中,爱因斯坦提出,物质会扭曲或弯曲时空的几何结构,人类以重力的形式感受到这种时空扭曲,而黑洞正是爱因斯坦理论的首批预测之一。

等待激光五十年

爱因斯坦(图片来自网络)

爱因斯坦成真的预言不仅仅是“黑洞”。

比如,他于1916年就提出了受激辐射的概念,为激光的发明奠定了理论基础。

激光,是20世纪以来继核能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。

然而直到1960年,美国科学家梅曼才获得了有史以来的第一束激光,更是在十多年后才逐步将其应用到商用领域。此时,距该理论的提出已半个世纪有余。

超过五十年的时间,只为了等待精密制造技术的成熟!

由于激光加工需要利用高强度的激光束,经光学系统聚焦后,激光束的功率密度达到104~1011W/cm²,加工工件置于激光束焦点附近,通过激光束与加工工件的相对运动来实现对加工工件的热加工,加工精度一般在几微米到数十微米。

超精密制造成为众多伟大发现商用化的前提,爱因斯坦的受激辐射概念如此,获得2011年诺贝尔化学奖的准晶体亦是如此。

然而,拥有精密制造工艺的企业并不多,所以,很多产品都停留在概念阶段,久久无法走入我们的生活。当然也会有一部分诸如比亚迪、台积电、伟创力之类的ODM厂商,会为企业提供精密制造加工。

精益求精,是迈向伟大的敲门砖

比亚迪还有ODM业务?这不是一家车企吗?

外界知之甚少的是,比亚迪旗下的比亚迪电子亦是华为、三星等巨头的主要供应商。

不仅如此,全球每10台手机就有2台使用它的技术。

2011年,比亚迪电子推出全球首创的PMH技术,开创金属手机时代;现在比亚迪电子的金属结构件,约占全球Android金属手机总出货量的1/3。

5G时代,移动终端对于信号的要求越来越高,3D玻璃则成了手机后壳的首选。

然而,与传统玻璃相比,3D玻璃在中间部位或者边缘都采用了弧形设计,这样一来,需要增加热弯工艺的3D玻璃制造就会变得很复杂,技术门槛超乎许多人的想象。

2017年,比亚迪电子开发了自动化的3D玻璃热弯设备,让3D玻璃的精度可以实现小于±0.05毫米!而这时候的行业精度标准,还停留在为±0.1毫米的水平。

比亚迪电子自动化3D玻璃热弯设备(此图为GIF动图)

问题来了,比亚迪电子的工程师们是如何实现的呢?

为了突破核心技术,工程师们全身心投入到热弯设备开发中,反复进行材料、温场验证,设计出几万条程序,两千多张图纸,最终成型的设备包含了1万多个零部件,而目前的手机,一般不过才几百个零件而已…

比亚迪电子3D玻璃热弯车间

这种超精密制造能力,还体现在芯片制造上。

芯片,被称为“工业制造的皇冠”、“电子工业的食粮”,因其设计、制造等各方面的超高难度,是超精密制造的典型代表。

长期以来,IGBT芯片的核心技术始终掌握在国外厂商手里。2018年,我国芯片进口金额达到3120.58亿美元,是当年第一大进口产品,包括IGBT芯片在内的高端芯片对外依存度高达80%。

中国电器工业协会电力电子分会秘书长蔚红旗就曾感慨:“IGBT这件事情不是靠钱就能够实现的。特别是像现在我国的处境,不是钱就能解决问题的,砸100个亿下去,短时间也不会有什么结果。”

2018年,比亚迪推出车规级IGBT4.0,在电流输出能力、综合损耗、温度循环寿命等诸多关键技术指标上,都优于当前市场主流产品,将电动车的“中国芯”推向世界级水平。

IGBT,被誉为电动车的CPU,直接控制驱动系统直、交流电的转换,决定了车辆的扭矩和最大输出功率等,是影响电动车性能的关键技术。

而IGBT的难点在于:

IGBT芯片仅有人的指甲大小,但却要在其上蚀刻十几万乃至几十万的微观结构电路,仅能在显微镜下查看。

IGBT芯片设计难度高:IGBT虽然是一个开关器件,但涉及到的参数多达十几个,很多参数之间是相互矛盾,需要根据应用折衷考虑。

晶圆制造工艺难度大:最主要体现在薄片加工处理上。采用最新的1200V FS技术的IGBT,需要将晶圆减薄到120微米(约两根头发丝直径)的厚度,再进行10余道工序加工。

晶圆制造的厂房洁净度要求非常高,需要一级净化。一个零点几微米的微尘掉落在晶圆上,就会造成一颗IGBT芯片失效。

制造IGBT难度极大,在大规模应用的1200V车规级IGBT芯片的晶圆厚度上,比亚迪处于全球先进水平,可将晶圆厚度减薄到120微米(约两根头发丝直径)。(此图为GIF动图)

为了研制出高精度的IGBT芯片,比亚迪的工程师可谓是费尽苦心:

晶圆工厂的光刻机需要放在特制的防震台上,避免路过的车辆、甚至从旁经过的人的脚步对其的影响。

为了防震,晶圆工厂的地基需要打到岩石层。

在晶圆的产品分析中,需要用到倍率高达500,000倍的扫描电子显微镜进行。相比之下,2000倍的倍率就足以使困扰众多城市于“无形”、直径只有人类头发丝1/20的PM2.5细颗粒物显露“真身”。

结语

无论是手机后壳、还是IGBT芯片,都是中国在超精密制造领域不断创新、不断突破的写照。

当代世界工业竞争,表面是品牌竞争,其实还是制造业水平的竞争,没有先进的制造技术,就很难产生世界级的品牌。中国要在精密制造领域赶上发达国家,需要更多诸如比亚迪这样的企业,二十几年如一日,默默在一个行业耕耘,才能成为真正的制造业强国。