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[導讀]近日,致力於晶圓級微機電鑄造(MEMS-Casting™)技術研發和產業化的創業公司——邁鑄半導體,成功開發出微型U型結構電磁鐵,這個比指尖還小的電磁鐵目標成為現階段世界上最小的U型結構電磁鐵。

邁鑄半導體開發的微型U型線圈

(尺寸:6.3mmX3.6mmX2.1mm,共有155匝)

近日,致力於晶圓級微機電鑄造(MEMS-Casting™)技術研發和產業化的創業公司——邁鑄半導體,成功開發出微型U型結構電磁鐵,這個比指尖還小的電磁鐵目標成為現階段世界上最小的U型結構電磁鐵。相較於直的螺線線圈,U型線圈可以形成閉合磁路,作為電磁鐵產生的電磁力較直的電磁鐵可以大數十倍。但微型U型線圈的結構卻較直的線圈複雜的多,採用傳統漆包線繞制的方法很難實現微型化。而MEMS-Casting技術則可以完美解決這個問題,並且可實現批量製造。

這項MEMS-Casting技術的背後有着怎樣的故事?

“穿越5000年”,從青銅到工業革命,鑄造對人類文明影響深遠

2020年6月,埃隆馬斯克宣佈特斯拉Model Y的車體將用GigaCasting技術進行一體成型製造,如此一來Model Y車體的70個部件合為1個。不僅可以極大的提高生產效率,車體的一致性也能有巨大的提升。GigaCasting顧名思義就是巨鑄造,這是鑄造技術在人們面前最近一次的高光時刻。

事實上,鑄造技術一直深遠地影響着人類文明的發展。早在公元前5000多年,伴隨着製陶技術的發展,青銅鑄造技術被髮明瞭出來。在這之前,人類基本上是處於使用磨製石器的新石器時代,生產效率極其低下,而青銅鑄造技術的出現像是對人類文明的發展踩了一腳加速。

把金屬熔化,澆入模具再冷卻成型,鑄造這種金屬加工方法不僅可以實現更復雜的結構,更重要的是作為一種批量製造方法,可以極大的提高生產效率。因為其硬度和韌性,鑄造的青銅被用於製造生產工具,例如耕地的犁,砍伐的刀具或者是狩獵用的弓箭頭等。能批量製造的金屬工具極大的提升了人類征服自然的能力。戰國時期的中國率先發展出來鐵器鑄造技術,鑄鐵在硬度和韌性方面又較青銅有了很大的提升,更適合於生產工具的製造。毫不誇張的説,鑄鐵技術的發展成為了中國農耕文明快速發展的重要因素之一。

正是因為鑄造對於人類文明的發展有如此重要的貢獻,曾有學者發出過這樣的感嘆:鑄造這個所有文明的最根本的基石,解鎖了人類的未來並讓人類正式走上了征服自然的道路(It was casting,the essential foundation of all civilization,that unlocked the future and placed man on the path to conquering his environment.)。

時間進入到18世紀,自1769年從瓦特改良了蒸氣機後,人類開始了工業革命的征程,產生了大量機械製造的需求。可大批量製造金屬結構的鑄造技術又開始為工業革命提供支撐,鑄造不僅滿足了工業革命時代的大量產業機器零件的生產需求,還被廣泛用於製造鐵軌,推動了交通的發展。

自工業革命後,鑄造技術的發展也從來沒有停止過腳步。壓力鑄造,離心鑄造,真空鑄造,淨體鑄造到難度極大的單晶鑄造,一項項新的鑄造技術被髮明出來。這裏特別值得一提是單晶鑄造,即整個鑄件和半導體用的硅晶圓一樣是單一晶體。單晶鑄造是製造噴氣式發動機葉片的唯一方法。多晶結構內部因為晶粒間結合力較弱無法抗住噴氣式發動機高温高壓的工作環境。鑄造要形成單晶,必須極度嚴格的控制其固化過程,單晶鑄造可謂是鑄造技術發展的一個巔峯。

“半導體X鑄造=?”這個博士團隊完成了一次“歷史性碰撞”

第一次工業革命近200年後,半導體技術悄然崛起,人類因此迎來了以信息技術為主的第三次產業革命。基於半導體技術的集成電路對人類社會影響之深遠和廣泛,已經毋庸置疑。在半導體技術興起數十年後,上個世紀80年代,一項稱之為微機電系統(MEMS)技術 開始從半導體技術中衍生出來。與在晶圓上製造邏輯運算器件的集成電路不同,MEMS是在晶圓上製造機械結構例如懸臂樑、空腔薄膜或者是梳齒等結構來實現來傳感、執行等功能。如果把集成電路比作大腦的話,那MEMS就更像是五官。經過幾十年的發展,MEMS器件已經發展的較為成熟並已實現大規模的商業化應用,如在智能手機、智能手錶等便攜式或者穿戴類設備都可以看到MEMS器件的身影。智能手機屏幕自動翻轉功能就是MEMS器件的經典應用,當我們翻轉手機時,手機中的MEMS重力加速度計感知到手機的翻轉並自動通知系統完成屏幕旋轉的動作。

無論是第一次工業革命的蒸氣機,還是第二次工業革命的電機,都需要依靠鑄造的機械件。鑄造就像一個任勞任怨的老夥計,一直默默的支撐着人類文明的發展。而半導體技術一出場就像明星一樣登上人類歷史的舞台,指數增長的摩爾定律更是讓半導體技術一時風光無二。

鑄造與半導體,這兩個看似風馬牛不相及的技術,終於迎來的歷史性的碰撞與機遇。由邁鑄半導體開發出的微機電鑄造技術(MEMS-Casting),就是鑄造這項古老的金屬加工技術與新興的半導體技術的一次完美結合。

微機電鑄造技術其實是一個意料之外的研究發明。2012年邁鑄半導體創始人顧傑斌博士從學習和工作了六年的英國回到國內,開始在中國科學院上海微系統與信息技術研究所工作。帶着在英國帝國理工讀博時做的技術最終沒有商業轉化成功的遺憾,顧博士決定研究一條全新的技術路線來實現半導體先進封裝中過孔互連(TSV)的微孔金屬化填充問題。在這九年多的研究過程中,顧博士及其團隊攻破了一個又一個的難題。終於探索發明出了這項微機電鑄造技術。幸運的是,這項研究工作也得到了時任傳感技術國家重點實驗室李昕欣主任的大力支持。

工程師正在用邁鑄自主研發的微機電鑄造專用設備為客户提供TSV填充服務

MEMS本身就是一項涉及多學科的超精密機械加工技術,MEMS-Casting更是在其基礎上融合了物理學中的流體力學、熱力學、金屬學、鑄造學、機械工程、電氣工程以及半導體相關知識發展出的來一個多學科交叉技術。用顧博士自己的話説,每個問題的解決都有一個值得講述的故事。例如從水銀體温計中獲得瞭解決液態合金“切割”問題的靈感就是一個有意思的故事。這項技術相關的研究被學術業公認最牛的電子器件期刊Electron Device Letters(EDL)錄取並發表;連續2年被頂級國際學術會議IEEE MEMS錄取為口頭報告,並在2021年獲得IEEE EDTM會議唯一的一等獎。

“鑄造的微型化極限”,實現晶圓級複雜金屬結構鑄造

通過應用多種微納原理,微機電鑄造技術可以將傳統的鑄造縮小一百萬倍,人類因此首次可以在晶圓上實現複雜金屬結構的鑄造。在這之前人類對於幾十到幾百微米尺度的金屬結構的製造幾乎只有電鍍(鑄)這一種方法。但是電鍍存在着工藝複雜(需要種子層),使用的電解液有毒害容易造成環境污染,以及不適合製造複雜三維結構等種種缺點。

微機電鑄造技術則完美的解決了這些問題:因為只需要使用真空和壓力,所以沒有任何污染問題;成型效率非常高,一般一片晶圓只需要十幾分鍾便可用鑄造工藝完成金屬化;很容易實現複雜三維結構的製造,例如螺線線圈結構。螺線線圈作為一種複雜的三維結構,如果用電鍍來製造,需要至少三次數小時的電鍍,而利用微機電鑄造技術,整個線圈結構只需要十幾分鍾便可實現金屬化成型。從某種意義上説,微機電鑄造技術彌補了人類在幾十至幾百微米尺度金屬結構製造方面的不足,是半導體厚金屬沉積技術的一次突破。

微機電鑄造專用設備迭代研發樣機圖

如今,作為一項底層的平台性技術,微機電鑄造不僅可以實現TSV的微孔金屬化填充,還可以用來在晶圓上製造複雜的三維結構,很好的迎合了目前半導體器件進一步微型化封裝的需求。為了更好的應用這項技術同時也響應國家創新創業的號召,2018年顧博士成立了邁鑄半導體科技有限公司,將這項技術帶上了商業化的征程。目前在該技術領域積累了十多項相關知識產權,多家公司/機構在和邁鑄半導體就這項技術在光刻機、磁通門電流傳感器以及國防領域等多個領域的應用進行合作開發。同時這項技術在例如消費類電子等領域也展現出巨大的應用商機。

金屬對於現代人類文明的重要性勿容置疑。為了更好的利用金屬,人類也從來沒有停止過尋求新的金屬加工方法。“探測器呈完美的水滴形狀,頭部渾圓,尾部很尖,表面是極其光滑的全反射鏡面,銀河系在它的表面映成一片流暢的光紋,使得這滴水銀看上去簡潔而唯美。”劉慈希的小説《三體》中的水滴是如此純粹和完美,是人類對金屬的終極嚮往。人類在金屬加工方面的每一點進步,都必然會推動文明一些前進。

如果説馬斯克的GigaCasting是鑄造技術往巨大尺度方向的發展,顧傑斌博士的MEMS-Casting則是鑄造技術發展的另一個極端,一個微型化的極端。

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