半導(dǎo)體厚金屬技術(shù)新突破：較傳統(tǒng)鑄造縮小一百萬倍，實(shí)現(xiàn)晶圓級復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)鑄造

近日，致力于晶圓級微機(jī)電鑄造(MEMS-Casting?)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)業(yè)公司——邁鑄半導(dǎo)體，成功開發(fā)出微型U型結(jié)構(gòu)電磁鐵，這個(gè)比指尖還小的電磁鐵目標(biāo)成為現(xiàn)階段世界上最小的U型結(jié)構(gòu)電磁鐵。相較于直的螺線線圈，U型線圈可以形成閉合磁路，作為電磁鐵產(chǎn)生的電磁力較直的電磁鐵可以大數(shù)十倍。但微型U型線圈的結(jié)構(gòu)卻較直的線圈復(fù)雜的多，采用傳統(tǒng)漆包線繞制的方法很難實(shí)現(xiàn)微型化。而MEMS-Casting技術(shù)則可以完美解決這個(gè)問題，并且可實(shí)現(xiàn)批量制造。

邁鑄半導(dǎo)體開發(fā)的微型U型線圈
（尺寸：6.3mm X 3.6mm X 2.1mm，共有155匝）

這項(xiàng)MEMS-Casting技術(shù)的背后有著怎樣的故事？

“穿越5000年”，從青銅到工業(yè)革命，鑄造對人類文明影響深遠(yuǎn)

2020年6月，埃隆馬斯克宣布特斯拉Model Y的車體將用GigaCasting技術(shù)進(jìn)行一體成型制造，如此一來Model Y車體的70個(gè)部件合為1個(gè)。不僅可以極大的提高生產(chǎn)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(shù)在人們面前最近一次的高光時(shí)刻。

事實(shí)上鑄造技術(shù)一直深遠(yuǎn)地影響著人類文明的發(fā)展。早在公元前5000多年，伴隨著制陶技術(shù)的發(fā)展，青銅鑄造技術(shù)被發(fā)明了出來。在這之前，人類基本上是處于使用磨制石器的新石器時(shí)代，生產(chǎn)效率極其低下，而青銅鑄造技術(shù)的出現(xiàn)像是對人類文明的發(fā)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，更重要的是作為一種批量制造方法，可以極大的提高生產(chǎn)效率。因?yàn)槠溆捕群晚g性，鑄造的青銅被用于制造生產(chǎn)工具，例如耕地的犁，砍伐的刀具或者是狩獵用的弓箭頭等。能批量制造的金屬工具極大的提升了人類征服自然的能力。戰(zhàn)國時(shí)期的中國率先發(fā)展出來鐵器鑄造技術(shù)，鑄鐵在硬度和韌性方面又較青銅有了很大的提升，更適合于生產(chǎn)工具的制造。毫不夸張的說，鑄鐵技術(shù)的發(fā)展成為了中國農(nóng)耕文明快速發(fā)展的重要因素之一。

正是因?yàn)殍T造對于人類文明的發(fā)展有如此重要的貢獻(xiàn)，曾有學(xué)者發(fā)出過這樣的感嘆：鑄造這個(gè)所有文明的最根本的基石，解鎖了人類的未來并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(shí)間進(jìn)入到18世紀(jì)，自1769年從瓦特改良了蒸氣機(jī)后，人類開始了工業(yè)革命的征程，產(chǎn)生了大量機(jī)械制造的需求?？纱笈恐圃旖饘俳Y(jié)構(gòu)的鑄造技術(shù)又開始為工業(yè)革命提供支撐，鑄造不僅滿足了工業(yè)革命時(shí)代的大量產(chǎn)業(yè)機(jī)器零件的生產(chǎn)需求，還被廣泛用于制造鐵軌，推動(dòng)了交通的發(fā)展。

自工業(yè)革命后，鑄造技術(shù)的發(fā)展也從來沒有停止過腳步。壓力鑄造，離心鑄造，真空鑄造，凈體鑄造到難度極大的單晶鑄造，一項(xiàng)項(xiàng)新的鑄造技術(shù)被發(fā)明出來。這里特別值得一提是 單晶鑄造，即整個(gè)鑄件和半導(dǎo)體用的硅晶圓一樣是單一晶體。單晶鑄造是制造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的唯一方法。多晶結(jié)構(gòu)內(nèi)部因?yàn)榫Яｉg結(jié)合力較弱無法抗住噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高壓的工作環(huán)境。鑄造要形成單晶，必須極度嚴(yán)格的控制其固化過程，單晶鑄造可謂是鑄造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)巔峰。

“半導(dǎo)體X鑄造=？”這個(gè)博士團(tuán)隊(duì)完成了一次“歷史性碰撞”

第一次工業(yè)革命近200年后，半導(dǎo)體技術(shù)悄然崛起，人類因此迎來了以信息技術(shù)為主的第三次產(chǎn)業(yè)革命。基于半導(dǎo)體技術(shù)的集成電路對人類社會(huì)影響之深遠(yuǎn)和廣泛，已經(jīng)毋庸置疑。在半導(dǎo)體技術(shù)興起數(shù)十年后，上個(gè)世紀(jì)80年代，一項(xiàng)稱之為 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù) 開始從半導(dǎo)體技術(shù)中衍生出來。與在晶圓上制造邏輯運(yùn)算器件的集成電路不同，MEMS是在晶圓上制造機(jī)械結(jié)構(gòu)例如懸臂梁、空腔薄膜或者是梳齒等結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)來傳感、執(zhí)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(jīng)過幾十年的發(fā)展，MEMS器件已經(jīng)發(fā)展的較為成熟并已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，如在智能手機(jī)、智能手表等便攜式或者穿戴類設(shè)備都可以看到MEMS器件的身影。智能手機(jī)屏幕自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能就是MEMS器件的經(jīng)典應(yīng)用，當(dāng)我們翻轉(zhuǎn)手機(jī)時(shí)，手機(jī)中的MEMS重力加速度計(jì)感知到手機(jī)的翻轉(zhuǎn)并自動(dòng)通知系統(tǒng)完成屏幕旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作。

無論是第一次工業(yè)革命的蒸氣機(jī)，還是第二次工業(yè)革命的電機(jī)，都需要依靠鑄造的機(jī)械件。鑄造就像一個(gè)任勞任怨的老伙計(jì)，一直默默的支撐著人類文明的發(fā)展。而半導(dǎo)體技術(shù)一出場就像明星一樣登上人類歷史的舞臺(tái)，指數(shù)增長的摩爾定律更是讓半導(dǎo)體技術(shù)一時(shí)風(fēng)光無二。

鑄造與半導(dǎo)體，這兩個(gè)看似風(fēng)馬牛不相及的技術(shù)，終于迎來的歷史性的碰撞與機(jī)遇。由邁鑄半導(dǎo)體開發(fā)出的微機(jī)電鑄造技術(shù)(MEMS-Casting)，就是鑄造這項(xiàng)古老的金屬加工技術(shù)與新興的半導(dǎo)體技術(shù)的一次完美結(jié)合。

微機(jī)電鑄造技術(shù)其實(shí)是一個(gè)意料之外的研究發(fā)明。2012年邁鑄半導(dǎo)體創(chuàng)始人 顧杰斌博士 從學(xué)習(xí)和工作了六年的英國回到國內(nèi)，開始在中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所工作。帶著在英國帝國理工讀博時(shí)做的技術(shù)最終沒有商業(yè)轉(zhuǎn)化成功的遺憾，顧博士決定研究一條全新的技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體先進(jìn)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(tuán)隊(duì)攻破了一個(gè)又一個(gè)的難題。終于探索發(fā)明出了這項(xiàng)微機(jī)電鑄造技術(shù)。幸運(yùn)的是，這項(xiàng)研究工作也得到了時(shí)任傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李昕欣主任的大力支持。

?

工程師正在用邁鑄自主研發(fā)的微機(jī)電鑄造專用設(shè)備為客戶提供TSV填充服務(wù)

MEMS本身就是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的超精密機(jī)械加工技術(shù)，MEMS-Casting更是在其基礎(chǔ)上融合了物理學(xué)中的流體力學(xué)、熱力學(xué)、金屬學(xué)、鑄造學(xué)、機(jī)械工程、電氣工程以及半導(dǎo)體相關(guān)知識(shí)發(fā)展出的來一個(gè)多學(xué)科交叉技術(shù)。用顧博士自己的話說，每個(gè)問題的解決都有一個(gè)值得講述的故事。例如從水銀體溫計(jì)中獲得了解決液態(tài)合金“切割”問題的靈感就是一個(gè)有意思的故事。這項(xiàng)技術(shù)相關(guān)的研究被學(xué)術(shù)業(yè)公認(rèn)最牛的電子器件期刊Electron Device Letters (EDL)錄取并發(fā)表；連續(xù)2年被頂級國際學(xué)術(shù)會(huì)議IEEE MEMS錄取為口頭報(bào)告，并在２０２１年獲得IEEE EDTM會(huì)議唯一的一等獎(jiǎng)。

“鑄造的微型化極限”，實(shí)現(xiàn)晶圓級復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)鑄造

通過應(yīng)用多種微納原理，微機(jī)電鑄造技術(shù)可以將傳統(tǒng)的鑄造縮小一百萬倍，人類因此首次可以在晶圓上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的鑄造。在這之前人類對于幾十到幾百微米尺度的金屬結(jié)構(gòu)的制造幾乎只有電鍍 (鑄)這一種方法。但是電鍍存在著工藝復(fù)雜(需要種子層)，使用的電解液有毒害容易造成環(huán)境污染，以及不適合制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)等種種缺點(diǎn)。

微機(jī)電鑄造技術(shù)則完美的解決了這些問題：因?yàn)橹恍枰褂谜婵蘸蛪毫?，所?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鐘便可用鑄造工藝完成金屬化；很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造 ，例如螺線線圈結(jié)構(gòu)。螺線線圈作為一種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，如果用電鍍來制造，需要至少三次數(shù)小時(shí)的電鍍，而利用微機(jī)電鑄造技術(shù)，整個(gè)線圈結(jié)構(gòu)只需要十幾分鐘便可實(shí)現(xiàn)金屬化成型。從某種意義上說，微機(jī)電鑄造技術(shù)彌補(bǔ)了人類在幾十至幾百微米尺度金屬結(jié)構(gòu)制造方面的不足，是半導(dǎo)體厚金屬沉積技術(shù)的一次突破。

?

微機(jī)電鑄造專用設(shè)備迭代研發(fā)樣機(jī)圖

如今，作為一項(xiàng)底層的平臺(tái)性技術(shù)，微機(jī)電鑄造不僅可以實(shí)現(xiàn)TSV的微孔金屬化填充，還可以用來在晶圓上制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，很好的迎合了目前半導(dǎo)體器件進(jìn)一步微型化封裝的需求。為了更好的應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)同時(shí)也響應(yīng)國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的號召，2018年顧博士成立了邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司，將這項(xiàng)技術(shù)帶上了商業(yè)化的征程。目前在該技術(shù)領(lǐng)域積累了十多項(xiàng)相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，多家公司/機(jī)構(gòu)在和邁鑄半導(dǎo)體就這項(xiàng)技術(shù)在光刻機(jī)、磁通門電流傳感器以及國防領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行合作開發(fā)。同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)在例如消費(fèi)類電子等領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用商機(jī)。

金屬對于現(xiàn)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?！疤綔y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?！眲⒋认５男≌f《三體》中的水滴是如此純粹和完美，是人類對金屬的終極向往。人類在金屬加工方面的每一點(diǎn)進(jìn)步，都必然會(huì)推動(dòng)文明一些前進(jìn)。

如果說馬斯克的GigaCasting是鑄造技術(shù)往巨大尺度方向的發(fā)展，顧杰斌博士的MEMS-Casting則是鑄造技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)極端，一個(gè)微型化的極端。
?