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與非網(wǎng)訊? 近日，致力于晶圓級微機電鑄造(MEMS-Casting?)技術研發(fā)和產業(yè)化的創(chuàng)業(yè)公司——邁鑄半導體，成功開發(fā)出微型U型結構電磁鐵，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型結構電磁鐵。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型線圈的結構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技術則可以完美解決這個問題，并且可實現(xiàn)批量制造。
邁鑄半導體開發(fā)的微型U型線圈
（尺寸：6.3mm X 3.6mm X 2.1mm，共有155匝）
“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著人類文明的發(fā)展。早在公元前5000多年，伴隨著制陶技術的發(fā)展，青銅鑄造技術被發(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，生產效率極其低下，而青銅鑄造技術的出現(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)更復雜的結構，更重要的是作為一種批量制造方法，可以極大的提高生產效率。因為其硬度和韌性，鑄造的青銅被用于制造生產工具，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，鑄鐵在硬度和韌性方面又較青銅有了很大的提升，更適合于生產工具的制造。毫不夸張的說，鑄鐵技術的發(fā)展成為了中國農耕文明快速發(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，產生了大量機械制造的需求。可大批量制造金屬結構的鑄造技術又開始為工業(yè)革命提供支撐，鑄造不僅滿足了工業(yè)革命時代的大量產業(yè)機器零件的生產需求，還被廣泛用于制造鐵軌，推動了交通的發(fā)展。
鑄造技術的發(fā)明過程
自工業(yè)革命后，鑄造技術的發(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。多晶結構內部因為晶粒間結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，半導體技術悄然崛起，人類因此迎來了以信息技術為主的第三次產業(yè)革命?；诎雽w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(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 開始從半導體技術中衍生出來。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構例如懸臂梁、空腔薄膜或者是梳齒等結構來實現(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。經過幾十年的發(fā)展，MEMS器件已經發(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并自動通知系統(tǒng)完成屏幕旋轉的動作。
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(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。
顧杰斌 博士/邁鑄半導體創(chuàng)始人&CEO
微機電鑄造技術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，開始在中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所工作。帶著在英國帝國理工讀博時做的技術最終沒有商業(yè)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(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。終于發(fā)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(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，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。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。這項技術相關的研究被學術業(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(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)復雜金屬結構的鑄造。在這之前人類對于幾十到幾百微米尺度的金屬結構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鐘便可用鑄造工藝完成金屬化；很容易實現(xiàn)復雜三維結構的制造 ，例如螺線線圈結構。螺線線圈作為一種復雜的三維結構，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，整個線圈結構只需要十幾分鐘便可實現(xiàn)金屬化成型。從某種意義上說，微機電鑄造技術彌補了人類在幾十至幾百微米尺度金屬結構制造方面的不足，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(fā)樣機圖
如今，作為一項底層的平臺性技術，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(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，將這項技術帶上了商業(yè)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(fā)。同時這項技術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則是鑄造技術發(fā)展的另一個極端，一個微型化的極端。
