半導體厚金屬技術(shù)新突破！較傳統(tǒng)鑄造縮小一百萬倍，實現(xiàn)晶圓級復雜金屬結(jié)構(gòu)鑄造

邁鑄半導體開發(fā)的微型U型線圈

（尺寸：6.3mmX3.6mmX2.1mm，共有155匝）

近日，致力于晶圓級微機電鑄造（MEMS-Casting?）技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)業(yè)公司——邁鑄半導體，成功開發(fā)出微型U型結(jié)構(gòu)電磁鐵，這個比指尖還小的電磁鐵目標成為現(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)卻較直的線圈復雜的多，采用傳統(tǒng)漆包線繞制的方法很難實現(xiàn)微型化。而MEMS-Casting技術(shù)則可以完美解決這個問題，并且可實現(xiàn)批量制造。

這項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

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)進行一體成型制造，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(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刻。

事實上，鑄造技術(shù)一直深遠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現(xiàn)更復雜的結(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。因為其硬度和韌性，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。

正是因為鑄造對于人類文明的發(fā)展有如此重要的貢獻，曾有學者發(fā)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.）。

時間進入到18世紀，自1769年從瓦特改良了蒸氣機后，人類開始了工業(yè)革命的征程，產(chǎn)生了大量機械制造的需求。可大批量制造金屬結(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)革命時代的大量產(chǎn)業(yè)機器零件的生產(chǎn)需求，還被廣泛用于制造鐵軌，推動了交通的發(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，一項項新的鑄造技術(shù)被發(fā)明出來。這里特別值得一提是單晶鑄造，即整個鑄件和半導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)動機葉片的唯一方法。多晶結(jié)構(gòu)內(nèi)部因為晶粒間結(jié)合力較弱無法抗住噴氣式發(fā)動機高溫高壓的工作環(huán)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(shù)發(fā)展的一個巔峰。

“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(yè)革命近200年后，半導體技術(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?；诎雽w技術(shù)的集成電路對人類社會影響之深遠和廣泛，已經(jīng)毋庸置疑。在半導體技術(shù)興起數(shù)十年后，上個世紀80年代，一項稱之為微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù) 開始從半導體技術(shù)中衍生出來。與在晶圓上制造邏輯運算器件的集成電路不同，MEMS是在晶圓上制造機械結(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現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應用，如在智能手機、智能手表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(zhuǎn)功能就是MEMS器件的經(jīng)典應用，當我們翻轉(zhuǎn)手機時，手機中的MEMS重力加速度計感知到手機的翻轉(zhuǎn)并自動通知系統(tǒng)完成屏幕旋轉(zhuǎn)的動作。

無論是第一次工業(yè)革命的蒸氣機，還是第二次工業(yè)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伙計，一直默默的支撐著人類文明的發(fā)展。而半導體技術(shù)一出場就像明星一樣登上人類歷史的舞臺，指數(shù)增長的摩爾定律更是讓半導體技術(shù)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(shù)，終于迎來的歷史性的碰撞與機遇。由邁鑄半導體開發(fā)出的微機電鑄造技術(shù)（MEMS-Casting），就是鑄造這項古老的金屬加工技術(shù)與新興的半導體技術(shù)的一次完美結(jié)合。

微機電鑄造技術(shù)其實是一個意料之外的研究發(fā)明。2012年邁鑄半導體創(chuàng)始人顧杰斌博士從學習和工作了六年的英國回到國內(nèi)，開始在中國科學院上海微系統(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)路線來實現(xiàn)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。終于探索發(fā)明出了這項微機電鑄造技術(shù)。幸運的是，這項研究工作也得到了時任傳感技術(shù)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(fā)的微機電鑄造專用設備為客戶提供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(shù)，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(fā)展出的來一個多學科交叉技術(shù)。用顧博士自己的話說，每個問題的解決都有一個值得講述的故事。例如從水銀體溫計中獲得了解決液態(tài)合金“切割”問題的靈感就是一個有意思的故事。這項技術(shù)相關的研究被學術(shù)業(yè)公認最牛的電子器件期刊Electron Device Letters（EDL）錄取并發(fā)表；連續(xù)2年被頂級國際學術(shù)會議IEEE MEMS錄取為口頭報告，并在2021年獲得IEEE EDTM會議唯一的一等獎。

“鑄造的微型化極限”，實現(xiàn)晶圓級復雜金屬結(jié)構(gòu)鑄造

通過應用多種微納原理，微機電鑄造技術(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現(xiàn)復雜金屬結(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，以及不適合制造復雜三維結(jié)構(gòu)等種種缺點。

微機電鑄造技術(shù)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鐘便可用鑄造工藝完成金屬化；很容易實現(xiàn)復雜三維結(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)小時的電鍍，而利用微機電鑄造技術(shù)，整個線圈結(jié)構(gòu)只需要十幾分鐘便可實現(xiàn)金屬化成型。從某種意義上說，微機電鑄造技術(shù)彌補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，是半導體厚金屬沉積技術(shù)的一次突破。

微機電鑄造專用設備迭代研發(fā)樣機圖

如今，作為一項底層的平臺性技術(shù)，微機電鑄造不僅可以實現(xiàn)TSV的微孔金屬化填充，還可以用來在晶圓上制造復雜的三維結(jié)構(gòu)，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(shù)同時也響應國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(shù)帶上了商業(yè)化的征程。目前在該技術(shù)領域積累了十多項相關知識產(chǎn)權(quán)，多家公司/機構(gòu)在和邁鑄半導體就這項技術(shù)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(fā)。同時這項技術(shù)在例如消費類電子等領域也展現(xiàn)出巨大的應用商機。

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進步，都必然會推動文明一些前進。

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)展的另一個極端，一個微型化的極端。