与“金属丝”技术难题鏖战20年

  “性能不稳定”“拉的时候还总是断，最难的时候，实验结果没有一个能达到要求”……这样难“拉”的金属丝，正是河南理工大学副教授曹军带领先进微系统制造团队鏖战20年的“敌人”。

  一间机器嗡响的实验室，一群心细如发的年轻人身穿白大褂，正目不转睛地观察着“键合丝”的拉丝情况，那些细如牛毛甚至肉眼难辨的金属丝，一走神就可能会消失在视线中。而它初入实验室时，可能是手指或水管般粗细的金属杆坯。这些金属丝的应用领域宽泛，它们就像“细胞”一样，“隐身”在集成电路键合线、医疗器械有源线束及各种电子元器件之中。

  这就是河南理工大学副教授曹军参与完成的“高性能铜及贵金属丝线材关键制备加工技术与应用”成果，今年刚刚荣获国家科学技术进步奖二等奖。

  “做科研，我倾向于解决实际问题，国家的需求、产业发展的难点，都应该是我们攻关的重点。”曹军说，“这也是发展产业新动能和新质生产力的内在要求。”

  1999年，曹军如愿考入焦作工学院（河南理工大学前身）机械系材料成型与控制工程专业，大学期间，他掌握了扎实的理论基础，为深入开展铜基微细丝研究奠定了坚实根基。

  2005年，正在攻读硕士学位的曹军听说导师和企业有高性能材料的合作项目，十分欣喜，暗自准备。在第一学年结束后，经导师同意，他迫不及待地到合作企业开展了“键合铜线”高性能材料研发项目。正是这个项目为曹军打开了科研路上最重要的一扇门。

  “一开始，芯片封装用到的线都是黄金，可黄金贵呀，我研究生做这个课题，就是想用高纯铜来替代黄金。”这样创新大胆且极具现实意义的想法，让曹军充满干劲。毕业时，他围绕“键合铜线篇学术论文，拿到了甘肃省的一个科技攻关项目，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。

  “做金属丝研究就像从99分向100分努力攀爬的过程，只有心和丝一样细，才能达成共振，交出完美答卷。”

  该团队研究的重点内容是将不同材质的金属杆坯不间断地拉成线万米甚至更长的金属丝。

  “在我们的实验里，一粒2到3微米的小灰尘就可能成为一个关键的影响因素。”曹军说。在如此精细、精密、精准的研究里，导致实验失败的原因很多，一丁点失误就会造成无法挽回的后果。

  2021年，曹军和相关企业合作“切割丝”项目，切割丝从原料到最终成品要经历23道工序，任何一道工序出现问题，后续都无法进行。可就在所有人都非常仔细时，意外还是出现了。

  “拉丝老是断，没有一个能达到一定的要求。”曹军回忆道。这让团队成员都陷入了迷茫。拉丝机转速很高，为了搞清楚原因，曹军还是不顾危险戴上放大镜趴到拉丝机上观察。这个危险的行为让大家都为他捏了一把汗。

  就在大家一筹莫展的时候，曹军打量着拉丝机，目光停留到了一个导轮上。这个导轮看起来比其他导轮大一些，从理论上来说可能会导致摩擦力增大。曹军立即安排替换小导轮。果不其然，换成小导轮后，断丝问题迎刃而解。

  “做科研要耐得住寂寞，坐得住冷板凳。”曹军说，“刚开始投入科研的时候，遇到很多挫折，痛苦的时候也有想放弃的念头。”

  在做“键合铜线”时，需要从原料开始，也就是先做一个铜杆，再由铜杆“拉”成丝。在理论上这是十分可行的方法，但当成品完成后，却出现了一个在科研上无法被容忍的问题——上午和下午做出来的丝在性能指标上有着巨大的差异。实验室中的成品性能不稳定，就意味着在实际应用中将出现更大问题。更痛苦的是，检查完每一道工序都无法分析出来原因，这让曹军和小组成员十分苦恼。

  于是，曹军开始不分昼夜地试错。他在睡觉的屋里贴了一张纸条，上面写着“性能不稳定”5个大字，时刻提醒刺激自己。为了能在中午12点前完整地做完一次实验，他甚至带领团队凌晨两点起床，以此确保实验条件的一致性，进而寻找原因。

  一天，曹军做完一天实验回到家中，虽然已是深夜，但他的大脑依旧无法停止思考，睡不着就翻阅文献，猛然间，“热处理可能会改善成品的稳定性”一行字像被放大了一般映入眼帘。于是他立马开始推演，在理论上推演成功后，就马不停蹄地去做。他怀着激动又担忧的心情重返实验室，结果“效果挺好，到第二天效果都挺好的”。

  没有付出就没有回报。曹军用实际行动带领小组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。