與金屬絲“鏖戰(zhàn)”20年的“拉絲教授”——記河南理工大學(xué)教師曹軍

“性能不穩(wěn)定”“拉的時(shí)候還總是斷，最難的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有一個(gè)能夠達(dá)到要求”……這樣難“拉”的金屬絲，正是河南理工大學(xué)副教授曹軍帶領(lǐng)先進(jìn)微系統(tǒng)制造團(tuán)隊(duì)鏖戰(zhàn)20年的“敵人”。

一間機(jī)器嗡響的實(shí)驗(yàn)室，一群心細(xì)如發(fā)的年輕人身穿白大褂，正目不轉(zhuǎn)睛地觀察著“鍵合絲”的拉絲情況，那些細(xì)如牛毛甚至肉眼難辨的金屬絲，一走神就可能會消失在視線中。而它初入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，可能是手指或水管般粗細(xì)的金屬桿坯。這些金屬絲的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿海?span style="font-family: 宋體, SimSun; font-size: 16px; margin-bottom: 10px; line-height: 2em;">它們就像“細(xì)胞”一樣，“隱身”在集成電路鍵合線、醫(yī)療器械有源線束及各種電子元器件之中。

這就是河南理工大學(xué)教師曹軍參與完成的“高性能銅及貴金屬絲線材關(guān)鍵制備加工技術(shù)與應(yīng)用”成果，今年剛剛榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

務(wù)實(shí)，做科研要解決實(shí)際問題

“做科研，我傾向于解決實(shí)際問題，國家的需求、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)，都應(yīng)該是我們攻關(guān)的重點(diǎn)?！辈苘娬f，“這也是發(fā)展產(chǎn)業(yè)新動(dòng)能和新質(zhì)生產(chǎn)力的內(nèi)在要求?！?/p>

1999年，曹軍如愿考入焦作工學(xué)院（河南理工大學(xué)前身）機(jī)械系材料成型與控制工程專業(yè)，大學(xué)期間，他掌握了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，為深入開展銅基微細(xì)絲研究奠定了堅(jiān)實(shí)根基。

2005年，正在攻讀碩士學(xué)位的曹軍聽說導(dǎo)師和企業(yè)有高性能材料的合作項(xiàng)目，十分欣喜，暗自準(zhǔn)備。在第一學(xué)年結(jié)束后，經(jīng)導(dǎo)師同意，他迫不及待地到合作企業(yè)開展了“鍵合銅線”高性能材料研發(fā)項(xiàng)目。正是這個(gè)項(xiàng)目為曹軍打開了科研路上最重要的一扇門。

“一開始，芯片封裝用到的線都是黃金，可黃金貴呀，我研究生做這個(gè)課題，就是想用高純銅來替代黃金?！边@樣創(chuàng)新大膽且極具現(xiàn)實(shí)意義的想法，讓曹軍充滿干勁。畢業(yè)時(shí)，他圍繞“鍵合銅線”項(xiàng)目累計(jì)發(fā)表了6篇學(xué)術(shù)論文，拿到了甘肅省的一個(gè)科技攻關(guān)項(xiàng)目，這對一個(gè)碩士研究生來說是巨大的鼓勵(lì)，也進(jìn)一步堅(jiān)定了他往后的科研方向。

精細(xì)，不放過一粒“灰塵”

“做金屬絲研究就像從99分向100分努力攀爬的過程，只有心和絲一樣細(xì)，才能達(dá)成共振，交出完美答卷?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)內(nèi)容是將不同材質(zhì)的金屬桿坯不間斷地拉成線直徑10微米甚至更細(xì)、長度10萬米甚至更長的金屬絲。

“在我們的實(shí)驗(yàn)里，一粒2到3微米的小灰塵就可能成為一個(gè)關(guān)鍵的影響因素。”曹軍說。在如此精細(xì)、精密、精準(zhǔn)的研究里，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的原因很多，一丁點(diǎn)失誤就會造成無法挽回的后果。

2021年，曹軍和相關(guān)企業(yè)合作“切割絲”項(xiàng)目，切割絲從原料到最終成品要經(jīng)歷23道工序，任何一道工序出現(xiàn)問題，后續(xù)都無法進(jìn)行?？删驮谒腥硕挤浅Ｗ屑?xì)時(shí)，意外還是出現(xiàn)了。

“拉絲老是斷，沒有一個(gè)能達(dá)到要求?！辈苘娀貞浀?。這讓團(tuán)隊(duì)成員都陷入了迷茫。拉絲機(jī)轉(zhuǎn)速很高，為了搞清楚原因，曹軍還是不顧危險(xiǎn)戴上放大鏡趴到拉絲機(jī)上觀察。這個(gè)危險(xiǎn)的行為讓大家都為他捏了一把汗。

就在大家一籌莫展的時(shí)候，曹軍打量著拉絲機(jī)，目光停留到了一個(gè)導(dǎo)輪上。這個(gè)導(dǎo)輪看起來比其他導(dǎo)輪大一些，從理論上來說可能會導(dǎo)致摩擦力增大。曹軍立即安排替換小導(dǎo)輪。果不其然，換成小導(dǎo)輪后，斷絲問題迎刃而解。

堅(jiān)守，坐得住“冷板凳”

“做科研要耐得住寂寞，坐得住冷板凳。”曹軍說，“剛開始投入科研的時(shí)候，遇到很多挫折，痛苦的時(shí)候也有想放棄的念頭?！?/p>

在做“鍵合銅線”時(shí)，需要從原料開始，也就是先做一個(gè)銅桿，再由銅桿“拉”成絲。在理論上這是十分可行的方法，但當(dāng)成品完成后，卻出現(xiàn)了一個(gè)在科研上無法被容忍的問題——上午和下午做出來的絲在性能指標(biāo)上有著巨大的差異。實(shí)驗(yàn)室中的成品性能不穩(wěn)定，就意味著在實(shí)際應(yīng)用中將出現(xiàn)更大問題。更痛苦的是，檢查完每一道工序都無法分析出來原因，這讓曹軍和團(tuán)隊(duì)成員十分苦惱。

于是，曹軍開始不分晝夜地試錯(cuò)。他在睡覺的屋里貼了一張紙條，上面寫著“性能不穩(wěn)定”5個(gè)大字，時(shí)刻提醒刺激自己。為了能在中午12點(diǎn)前完整地做完一次實(shí)驗(yàn)，他甚至帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)凌晨兩點(diǎn)起床，以此確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性，進(jìn)而尋找原因。

一天，曹軍做完一天實(shí)驗(yàn)回到家中，雖然已是深夜，但他的大腦依舊無法停止思考，睡不著就翻閱文獻(xiàn)，猛然間，“熱處理可能會改善成品的穩(wěn)定性”一行字像被放大了一般映入眼簾。于是他立馬開始推演，在理論上推演成功后，就馬不停蹄地去做。他懷著激動(dòng)又擔(dān)憂的心情重返實(shí)驗(yàn)室，結(jié)果“效果挺好，到第二天效果都挺好的”。

沒有付出就沒有回報(bào)。曹軍用實(shí)際行動(dòng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員不斷攻克技術(shù)難關(guān)，開發(fā)出純度高于99.9999%的高純單晶銅、高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅合金及其高性能新型鍵合引線等高新材料，實(shí)現(xiàn)該類產(chǎn)品的進(jìn)口替代；率先將鍵合銅線、鍵合合金線替代鍵合金線應(yīng)用于微電子封裝中，在半導(dǎo)體封裝鍵合銅線、鍵合合金線及其可靠性等研究方面獲得了開創(chuàng)性的成果。

20年來，曹軍先后獲授權(quán)發(fā)明專利40項(xiàng)，并實(shí)現(xiàn)專利成果轉(zhuǎn)化180余萬元，助力國內(nèi)多家企業(yè)步入微細(xì)絲加工第一梯隊(duì)。

“我們要進(jìn)一步提升材料強(qiáng)度、精度，為國家實(shí)現(xiàn)合金材料的進(jìn)口替代積極貢獻(xiàn)力量?！辈苘娬f，“做科研沒有止境，我們將繼續(xù)聚焦國家戰(zhàn)略需求，探索創(chuàng)新科研模式，堅(jiān)持做有用的科研，為高水平科技自立自強(qiáng)作出貢獻(xiàn)……”（中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)記者 張利軍 通訊員 蘇麗敏 馬磊）