近日,致力于晶圆级微机电铸造(MEMS-Casting™)技术研发和产业化的创业公司——迈铸半导体,成功开发出微型U型结构电磁铁,这个比指尖还小的电磁铁目标成为现阶段世界上最小的U型结构电磁铁。相较于直的螺线线圈,U型线圈可以形成闭合磁路,作为电磁铁产生的电磁力较直的电磁铁可以大数十倍。但微型U型线圈的结构却较直的线圈复杂的多,采用传统漆包线绕制的方法很难实现微型化。而MEMS-Casting技术则可以完美解决这个问题,并且可实现批量制造。

迈铸半导体利用微机电铸造技术成功开发世界最小的U型结构电磁铁

这项MEMS-Casting技术的背后有着怎样的故事?


“穿越5000年”


从青铜到工业革命,铸造对人类文明影响深远


2020年6月,埃隆马斯克宣布特斯拉Model Y的车体将用GigaCasting技术进行一体成型制造,如此一来Model Y车体的70个部件合为1个。不仅可以极大的提高生产效率,车体的一致性也能有巨大的提升。GigaCasting顾名思义就是巨铸造,这是铸造技术在人们面前最近一次的高光时刻。


事实上铸造技术一直深远地影响着人类文明的发展。早在公元前5000多年,伴随着制陶技术的发展,青铜铸造技术被发明了出来。在这之前,人类基本上是处于使用磨制石器的新石器时代,生产效率极其低下,而青铜铸造技术的出现像是对人类文明的发展踩了一脚加速。


把金属熔化,浇入模具再冷却成型,铸造这种金属加工方法不仅可以实现更复杂的结构,更重要的是作为一种批量制造方法,可以极大的提高生产效率。因为其硬度和韧性,铸造的青铜被用于制造生产工具,例如耕地的犁,砍伐的刀具或者是狩 猎用的弓箭头等。能批量制造的金属工具极大的提升了人类征服自然的能力。战国时期的中国率先发展出来铁器铸造技术,铸铁在硬度和韧性方面又较青铜有了很大的提升,更适合于生产工具的制造。毫不夸张的说,铸铁技术的发展成为了中国农耕文明快速发展的重要因素之一。


正是因为铸造对于人类文明的发展有如此重要的贡献,曾有学者发出过这样的感叹:铸造这个所有文明的最根本的基石,解锁了人类的未来并让人类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.)。


时间进入到18世纪,自1769年从瓦特改良了蒸气机后,人类开始了工业革命的征程,产生了大量机械制造的需求。可大批量制造金属结构的铸造技术又开始为工业革命提供支撑,铸造不仅满足了工业革命时代的大量产业机器零件的生产需求,还被广泛用于制造铁轨,推动了交通的发展。

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铸造技术的发明过程


自工业革命后,铸造技术的发展也从来没有停止过脚步。压力铸造,离心铸造,真空铸造,净体铸造到难度极大的单晶铸造,一项项新的铸造技术被发明出来。这里特别值得一提是 单晶铸造,即整个铸件和半导体用的硅晶圆一样是单一晶体。单晶铸造是制造喷气式发动机叶片的唯一方法。多晶结构内部因为晶粒间结合力较弱无法抗住喷气式发动机高温高压的工作环境。铸造要形成单晶,必须极度严格的控制其固化过程,单晶铸造可谓是铸造技术发展的一个巅峰。


“半导体X铸造=?”


这个博士团队完成了一次“历史性碰撞”


第一次工业革命近200年后,半导体技术悄然崛起,人类因此迎来了以信息技术为主的第三次产业革命。基于半导体技术的集成电路对人类社会影响之深远和广泛,已经毋庸置疑。在半导体技术兴起数十年后,上个世纪80年代,一项称之为 微机电系统(MEMS)技术 开始从半导体技术中衍生出来。与在晶圆上制造逻辑运算器件的集成电路不同,MEMS是在晶圆上制造机械结构例如悬臂梁、空腔薄膜或者是梳齿等结构来实现来传感、执行等功能。如果把集成电路比作大脑的话,那MEMS就更像是五官。经过几十年的发展,MEMS器件已经发展的较为成熟并已实现大规模的商业化应用,如在智能手机、智能手表等便携式或者穿戴类设备都可以看到MEMS器件的身影。智能手机屏幕自动翻转功能就是MEMS器件的经典应用,当我们翻转手机时,手机中的MEMS重力加速度计感知到手机的翻转并自动通知系统完成屏幕旋转的动作。


无论是第一次工业革命的蒸气机,还是第二次工业革命的电机,都需要依靠铸造的机械件。铸造就像一个任劳任怨的老伙计,一直默默的支撑着人类文明的发展。而半导体技术一出场就像明星一样登上人类历史的舞台,指数增长的摩尔定律更是让半导体技术一时风光无二。


铸造与半导体,这两个看似风马牛不相及的技术,终于迎来的历史性的碰撞与机遇。由迈铸半导体开发出的微机电铸造技术(MEMS-Casting),就是铸造这项古老的金属加工技术与新兴的半导体技术的一次完美结合。

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顾杰斌 博士/迈铸半导体创始人&CEO


微机电铸造技术其实是一个意料之外的研究发明。2012年迈铸半导体创始人 顾杰斌博士 从学习和工作了六年的英国回到国内,开始在中国科学院上海微系统与信息技术研究所工作。带着在英国帝国理工读博时做的技术最终没有商业转化成功的遗憾,顾博士决定研究一条全新的技术路线来实现半导体先进封装中过孔互连(TSV)的微孔金属化填充问题。在这九年多的研究过程中,顾博士及其团队攻破了一个又一个的难题。终于发明出了这项微机电铸造技术。幸运的是,这项研究工作也得到了时任传感技术国家重点实验室李昕欣主任的大力支持。

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工程师正在用迈铸自主研发的微机电铸造专用设备为客户提供TSV填充服务


MEMS本身就是一项涉及多学科的超精密机械加工技术,MEMS-Casting更是在其基础上融合了物理学中的流体力学、热力学、金属学、铸造学、机械工程、电气工程以及半导体相关知识发展出的来一个多学科交叉技术。用顾博士自己的话说,每个问题的解决都有一个值得讲述的故事。例如从水银体温计中获得了解决液态合金“切割”问题的灵感就是一个有意思的故事。这项技术相关的研究被学术业公认最牛的电子器件期刊Electron Device Letters (EDL)录取并发表;连续2年被顶级国际学术会议IEEE MEMS录取为口头报告,并在2021年获得IEEE EDTM会议唯一的一等奖。


“铸造的微型化极限”


实现晶圆级复杂金属结构铸造


通过应用多种微纳原理,微机电铸造技术可以将传统的铸造缩小一百万倍,人类因此首次可以在晶圆上实现复杂金属结构的铸造。在这之前人类对于几十到几百微米尺度的金属结构的制造几乎只有电镀 (铸)这一种方法。但是电镀存在着工艺复杂(需要种子层),使用的电解液有毒害容易造成环境污染,以及不适合制造复杂三维结构等种种缺点。

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微机电铸造技术则完美的解决了这些问题:因为只需要使用真空和压力,所以 没有任何污染 问题;成型效率非常高 ,一般一片晶圆只需要十几分钟便可用铸造工艺完成金属化;很容易实现复杂三维结构的制造 ,例如螺线线圈结构。螺线线圈作为一种复杂的三维结构,如果用电镀来制造,需要至少三次数小时的电镀,而利用微机电铸造技术,整个线圈结构只需要十几分钟便可实现金属化成型。从某种意义上说,微机电铸造技术弥补了人类在几十至几百微米尺度金属结构制造方面的不足,是半导体厚金属沉积技术的一次突破。

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微机电铸造专用设备迭代研发样机图


如今,作为一项底层的平台性技术,微机电铸造不仅可以实现TSV的微孔金属化填充,还可以用来在晶圆上制造复杂的三维结构,很好的迎合了目前半导体器件进一步微型化封装的需求。为了更好的应用这项技术同时也响应国家创新创业的号召,2018年顾博士成立了迈铸半导体科技有限公司,将这项技术带上了商业化的征程。目前在该技术领域积累了十多项相关知识产权,多家公司/机构在和迈铸半导体就这项技术在光刻机、磁通门电流传感器以及国防领域等多个领域的应用进行合作开发。同时这项技术在例如消费类电子等领域也展现出巨大的应用商机。


金属对于现代人类文明的重要性勿容置疑。为了更好的利用金属,人类也从来没有停止过寻求新的金属加工方法。“探测器呈完美的水滴形状,头部浑圆,尾部很尖,表面是极其光滑的全反射镜面,银河系在它的表面映成一片流畅的光纹,使得这滴水银看上去简洁而唯美。”刘慈希的小说《三体》中的水滴是如此纯粹和完美,是人类对金属的终极向往。人类在金属加工方面的每一点进步,都必然会推动文明一些前进。


如果说马斯克的GigaCasting是铸造技术往巨大尺度方向的发展,顾杰斌博士的MEMS-Casting则是铸造技术发展的另一个极端,一个微型化的极端。


文章来源: MEMS

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