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西湖大学周南嘉团队有望“颠覆”光电精密制造,世界首家用3D打印解决微电子加工难题的公司
深科技 | 2020-11-12 17:02:14    阅读:1280   发布文章
“比如说,3D 打印一个手表,大家都是打印一个手表的样子,再去组装电路,我们是要把手表的所有功能一并打印进去,成品必须能用。” 周南嘉这样解释自己的 3D 打印技术。


他目前是西湖大学工学院特聘研究员、获评 2019 年中国区《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”、2020 求是杰出青年学者奖,同时也是西湖未来智造(杭州)科技发展有限公司的创始人。


西湖未来智造是在西湖大学诞生的第二家科技公司,成立于 2020 年 6 月,已完成由英诺天使基金领投,中科创星跟投的数千万的天使轮融资。
公司依托西湖大学工学院精密智造实验室,目前正在用 3D 打印满足微电子加工领域高精度、定制化等需求。周南嘉介绍,这是目前传统加工方式难以满足,而随着通讯电子产业升级,越来越会浮现的需求。
3D 打印是一个材料学、机械工程、化学工程等多学科交叉的领域。周南嘉于 2015 年获得美国西北大学材料科学与工程博士学位,之后加入哈佛大学美国科学院、工程院两院院士 Jennifer A. Lewis 课题组从事结合新材料与 3D 打印的交叉科学研究。
Jennifer A. Lewis 教授是微纳打印方面的领军人物,在功能材料研发方面积累了丰富的经验,同时她也是美国 3D 打印公司 Voxel8 的创始人。
周南嘉告诉 DeepTech,目前电子制造业主要在中国,因此这一块产业很适合在中国开展。他带领的团队,希望能够以 3D 电子打印的方式,来解决微电子、光电系统加工等领域的关键技术难题。
同时,下一代电子产品中的柔性电子、可穿戴设备以及嵌入式小型化电子设备,都适合以 3D 电子打印的方式来生产。“常见的产品,像助听器、医疗领域的胶囊内窥镜,类似这样的产品对小型集成一体化加工需求非常高,所以我们的技术也特别适合生产这类小型电子产品。” 
要在应用中取得突破,材料是关键
在哈佛大学的博士后期间,运用纳米复合材料和 3D 微纳米直写技术,周南嘉实现了高性能千兆赫兹的无源电子器件,并且实现了集成电路的表面组装。微纳米级别,也是目前电子 3D 打印行业的顶级精度。


要实现高精度的电子 3D 打印,需要将导电、介质、磁性等材料重新加工为可以为打印的材料。因此要在实际应用上取得突破,材料是其中的关键。
材料的研发能力,是周南嘉团队的核心技术。团队可以针对产业需求,对材料进行设计加工,使其适合 3D 打印体系。
目前,团队能够加工设计金、银、铜、合金等百种不同的材料。以金属材料加工为例,适宜打印的金属浆料不仅需要达到纳米尺寸的颗粒,还需要保持颗粒在溶剂中均匀分布、以及达到较高的固含量以满足打印所需要的黏度。
比如金属银制成的浆料,固含量可以达到 90% 以上,这样的浆料接近于固体,容易加工,加工后在三维结构中不易变形;由于杂质少,后处理所需的温度也不需要特别高,200℃ 甚至以下就可以进行。
DeepTech 在参观实验室时,一位博后正在制备氧化石墨烯浆料。他介绍,浆料需要在适宜的黏度,在打印过程中像牙膏一样被挤出来,过低会难以成型,过高则很难挤出来打印;他手上的氧化石墨烯浆料接下来会用 3D 直写技术打印为 woodpile 结构,应用于电化学材料的储能和转化。
除了单一材料,团队目前掌握的另一个特色技术是复合材料打印。目前,单一塑料的 3D 打印已在产业中运用,采用的光固化技术也已很成熟。其原理是用光源照射,使得液态树脂固化。
但是这不能满足电子产品的生产需求。电子产品加工中主要涉及两种材料,导电的金属和作为介质的塑料。复合材料 3D 打印能够将这两种材料一起打印,生产由金属和塑料两种材料组成的复杂结构。
用这种方式打印电路板,可以超越目前生产中按层来加工的思路。周南嘉说:“这样可以抛开传统思维,甚至没有层的概念,所有的走线都可以按三维来设计。”
5G 时代开启后,中小型****的建设对高频器件提出了新的需求。传统基于蚀刻的电路板工艺一般只能达到百微米级别。而对于微波频率的电子器件,加工精度要达到微米及以上级别。3D 电子打印的精度比传统工艺高出 1-2 个数量级。周南嘉表示,这正是适合他们探索的领域,在加工流程上,他们的技术目前很适合做高精度的装联和封装。


当下,公司已经和不少头部企业开展深入合作。他们正在与显示行业、电子封装、光通讯行业的相关企业验证打印工艺。希望尽快推出基于高精度 3D 打印技术的 LED 装联、微波 / 射频、光电集成、柔性电子类产品。
像光电通讯领域,是下一代通讯行业发展的必经之路。光的传输速度快、能耗低,传输距离长。光电信号的转换就需要不同功能模块的集成,而这一块的封装技术目前尚是空白,西湖未来智造正在与相关企业进行光电集成系统封装与检测技术研发。
首家用 3D 打印解决电子精密制造难题的公司
好的技术需要寻找适合的应用方向。用 3D 打印的方式去解决电子精密制造的难题,正是周南嘉在了解国内产业情况的过程中形成的方向。
在 2018 年回国时,最早,他惯性地想把在美国做微电子加工产业化的经验直接拿来用。最初的思路就是利用 3D 打印快速加工的优势生产电子零件。和产业对接的过程中,他很快意识到,“这个市场像是你假想出来的”。
比如印刷电路板的生产,现在深圳工厂的工艺已经很成熟,大批量生产的成本不高,并且只需要花半天时间。这样一来 3D 打印在速度上就没有绝对优势,而且对比成熟的传统工艺链,3D 打印的产品性能甚至在某些方面还稍有逊色。
“经过产业里多次对接,我发现了他们的真正需求,产业迫切需要从平面工艺发展到三维工艺,以及在精度上实现百微米以内。” 周南嘉告诉 DeepTech,能够很快地将技术和产业的需求对接,西湖大学提供了很好的环境,从实验室到产业的技术转化中,他们能够直接从应用场景和生产需求出发,进行技术研发。
在实验室中的工作更像前期探索,验证 0-1 的阶段是否可行;而当技术方案验证可行后,便可进入下一环节,即产业化的推进。


周南嘉形容,西湖未来智造有点像医****公司,同一时间会进行许多不同的工艺方案探索,并与企业进行合作试制。完成验证后,西湖未来智造可以进行中小批量的生产,也就是 1-100 阶段的生产。西湖未来智造也可以直接将工艺方案转让给企业,出售定制化的 3D 打印设备,并提供后续服务。
目前,在世界范围内,虽然已经有 3D 电子打印的公司,如以色列的 Nano Dimension ,但是在一到几十微米的尺度,进行微电子和光学领域的精密制造,几乎还没有公司尝试。
作为硬科技的创业者,周南嘉希望用世界一流的技术推进中国高端制造的发展。“过去很多企业的模式是根据国外已有的产品,去填补国内空白,但是这样,只能一直做被动的跟随者。我们希望做一些真正走在前沿的技术,去引领行业的发展和变革。”


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