華中科技大學(xué)柔性電子制造與智能識(shí)別感知團(tuán)隊(duì)助力國(guó)產(chǎn)芯片、屏幕制造設(shè)備技術(shù)革新——“芯屏”共振
柔性電子制造與智能識(shí)別感知團(tuán)隊(duì)成員正在調(diào)試柔性微納結(jié)構(gòu)電流體噴印制造裝備。
尹周平教授（左）指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展芯片鍵合實(shí)驗(yàn)研究。
（本文圖片均由華中科技大學(xué)提供）
在武漢東湖國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)，也就是人們熟知的“中國(guó)光谷”，有一支科研團(tuán)隊(duì)。他們的創(chuàng)新成果競(jìng)相涌現(xiàn)，他們的生產(chǎn)車(chē)間晝夜不息。近日，工程師們正在加速研發(fā)新一代中大尺寸噴墨打印設(shè)備，讓新型顯示面板用上全新打印技術(shù)。車(chē)間墻上的100余項(xiàng)專(zhuān)利證書(shū)見(jiàn)證著他們的創(chuàng)新歷程。從原理樣機(jī)到裝備量產(chǎn)開(kāi)發(fā)，他們僅僅用了兩年多時(shí)間，就讓中國(guó)“屏”在全球競(jìng)逐中跑在前列。該團(tuán)隊(duì)成員來(lái)自武漢國(guó)創(chuàng)科光電裝備有限公司，而該公司是由華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授尹周平帶領(lǐng)的柔性電子制造與智能識(shí)別感知團(tuán)隊(duì)研發(fā)成果孵化而成的。
長(zhǎng)期以來(lái)，“缺芯少屏”問(wèn)題困擾著我國(guó)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。“芯”指芯片，“屏”指屏幕。過(guò)去，我國(guó)不僅需要大量進(jìn)口制成品，產(chǎn)品的制造裝備更加難以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)。為了從根本上解決“缺芯少屏”問(wèn)題，尹周平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在高端電子制造裝備領(lǐng)域潛心深耕20多年，用一項(xiàng)項(xiàng)研究成果和發(fā)明專(zhuān)利，助力國(guó)產(chǎn)芯片、屏幕制造設(shè)備的技術(shù)革新。
20余年來(lái)，尹周平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從單一學(xué)科到多學(xué)科交叉融合發(fā)展，緊貼國(guó)家需求，一次又一次向高端電子制造裝備技術(shù)發(fā)起沖鋒。如今，尹周平團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了高分辨率電流體噴印理論，突破了高性能倒裝鍵合難題，攻克了卷對(duì)卷高效制造技術(shù)，研發(fā)了新型顯示、高端芯片、柔性器件三大類(lèi)電子制造裝備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為我國(guó)高端電子制造裝備的自主可控作出了突出貢獻(xiàn)。
筑基賦能
為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)突破理論基礎(chǔ)
今年秋季新學(xué)期，華科大先進(jìn)電子制造專(zhuān)業(yè)方向的學(xué)生們開(kāi)始跟隨《柔性電子制造：材料、器件與工藝》一書(shū)進(jìn)行新一輪的學(xué)習(xí)。這本書(shū)是由尹周平團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)出版的、我國(guó)最早的柔性電子制造領(lǐng)域?qū)I(yè)教材。除了華科大，西安交通大學(xué)、南京大學(xué)等多所高校也將其列為教材使用。
“我本碩博的研究方向一直是做機(jī)器人相關(guān)研究，并且已經(jīng)有了一些成果。博士畢業(yè)時(shí)，國(guó)家在電子制造裝備方面還比較薄弱，中國(guó)科學(xué)院院士、華中科技大學(xué)教授熊有倫鼓勵(lì)我跳出‘舒適圈’，一定要把研究方向和國(guó)家需求結(jié)合起來(lái)。于是，在裝備制造領(lǐng)域，我作為一個(gè)‘新兵’從零開(kāi)始探索。”回憶起更換研究方向的初衷，尹周平的語(yǔ)氣中透著一股執(zhí)著的勁頭。
缺少資料、缺乏積累、沒(méi)有團(tuán)隊(duì)……但尹周平?jīng)]有絲毫猶豫，一頭扎進(jìn)全新的領(lǐng)域開(kāi)展研究，篳路藍(lán)縷，一步步組建了柔性電子制造與智能識(shí)別感知團(tuán)隊(duì)。
“噴印打印液滴的直徑是1微米，僅有頭發(fā)絲直徑的1/50。我們的技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)在精度如此高的條件下，讓液滴克服空氣擾動(dòng)、帶電場(chǎng)等因素的影響，像子彈一樣指哪兒打哪兒。”團(tuán)隊(duì)成員黃永安介紹。
受到風(fēng)箏的啟發(fā)，尹周平發(fā)現(xiàn)帶電射流鞭動(dòng)行為受控于基板運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，并建立了柔性微納結(jié)構(gòu)的電流體噴印理論。為加速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性突破，尹周平牽頭在華科大機(jī)械工程學(xué)科開(kāi)設(shè)先進(jìn)電子制造本科專(zhuān)業(yè)方向，培養(yǎng)高端電子制造領(lǐng)域的生力軍和后備力量。除此之外，尹周平及其團(tuán)隊(duì)還發(fā)揮先進(jìn)電子制造領(lǐng)域科研優(yōu)勢(shì)，將柔性電子制造領(lǐng)域的最新成果融入實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。
“尹老師會(huì)給我們介紹行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，也會(huì)以團(tuán)隊(duì)的技術(shù)創(chuàng)新為例，結(jié)合書(shū)本內(nèi)容進(jìn)行講解。技術(shù)的更迭本來(lái)就是日新月異的，這樣的講解讓我們能真正吃透理論知識(shí)，同時(shí)了解產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新情況，我受益匪淺。”先進(jìn)電子制造專(zhuān)業(yè)大四學(xué)生李浩陽(yáng)說(shuō)。
“印”出中國(guó)屏
競(jìng)爭(zhēng)全球話語(yǔ)權(quán)
在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們或許不用貼墻紙、刷油漆，只需要在墻上安裝整塊巨大的屏幕，就可隨心切換畫(huà)面。尹周平團(tuán)隊(duì)柔性電子制造技術(shù)的突破將使“萬(wàn)物顯示”成為可能。
“顯示材料價(jià)格堪比黃金，可以通過(guò)噴印的方式提高其利用率。相較于以往的技術(shù)手段，材料利用率從30%提升到了90%。”團(tuán)隊(duì)成員陳建魁自豪地說(shuō)。
以系統(tǒng)性理論創(chuàng)新為基礎(chǔ)，尹周平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向新型顯示面板關(guān)鍵裝備的國(guó)產(chǎn)化制造發(fā)起攻關(guān)。
新質(zhì)生產(chǎn)力，關(guān)鍵點(diǎn)在質(zhì)。尹周平提出的電流體噴頭設(shè)計(jì)與控制原理提高了噴印精度，可以將噴印最小結(jié)構(gòu)尺寸縮小至傳統(tǒng)技術(shù)水平的百分之一。在國(guó)際上，尹周平最早申請(qǐng)并授權(quán)電流體噴頭發(fā)明專(zhuān)利。截至目前，他在電流體噴印領(lǐng)域的授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利數(shù)居全球第一。
除了提升精度，在更大尺度上實(shí)現(xiàn)精細(xì)噴印也是團(tuán)隊(duì)攻關(guān)的方向。“噴印的尺度越大，難度就越高，我們正在向?qū)崿F(xiàn)更大尺度高精度噴印努力。”團(tuán)隊(duì)成員段永青說(shuō)。
新質(zhì)生產(chǎn)力，落腳點(diǎn)是生產(chǎn)。2020年底，尹周平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第一臺(tái)200型噴墨打印裝備成功驗(yàn)收。同年，團(tuán)隊(duì)將核心專(zhuān)利技術(shù)轉(zhuǎn)讓給TCL集團(tuán)，與其共同創(chuàng)辦了武漢國(guó)創(chuàng)科光電裝備有限公司。從書(shū)架到貨架，尹周平團(tuán)隊(duì)讓核心技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，投入社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中，持續(xù)攻關(guān)更大尺寸OLED顯示面板的裝備開(kāi)發(fā)。
2021年，湖北省提出支持以“光芯屏端網(wǎng)”為重點(diǎn)的新一代信息技術(shù)萬(wàn)億支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展，突出“光”特色，做強(qiáng)“芯”核心，做大“屏”規(guī)模，強(qiáng)化“端”帶動(dòng)，優(yōu)化“網(wǎng)”生態(tài)。團(tuán)隊(duì)一“芯”一“屏”研產(chǎn)駛?cè)肟燔?chē)道。
“經(jīng)過(guò)一年的調(diào)試、生產(chǎn)、升級(jí)，這一設(shè)備在我們的中試線上運(yùn)行得非常好，解決了柔性顯示高分辨率打印這個(gè)產(chǎn)業(yè)難題。”TCL華星副總裁李治福介紹。2022年9月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)G4.5高分辨率新型顯示噴印裝備進(jìn)入中試生產(chǎn)線。該裝備可以高精度制造顯示結(jié)構(gòu)，材料利用率高達(dá)90%，造屏材料成本僅為原先采用的蒸鍍工藝的1/3至1/5。設(shè)備在常溫常壓下就可以運(yùn)行，生產(chǎn)屏幕的尺寸不受限制。此外，電流體噴印分辨率也較傳統(tǒng)工藝有了大幅提升。
智造中國(guó)芯
打破受制于人的困境
傳統(tǒng)的芯片制造不僅時(shí)間成本高，而且對(duì)制造的機(jī)器要求極高。為打破工藝與成本的制約，高端芯片制造技術(shù)路線從基于尺寸微縮的光刻路線，逐漸轉(zhuǎn)向基于三維堆疊技術(shù)的芯粒（chiplet）集成路線。近年來(lái)，在蘋(píng)果、英偉達(dá)、超威等國(guó)際知名廠商的推動(dòng)下，芯片堆疊技術(shù)成為最受關(guān)注的技術(shù)之一。
芯片堆疊是將芯片的各部分按精度的不同分類(lèi)制造，最后再進(jìn)行組合。尹周平團(tuán)隊(duì)主攻的芯粒與晶圓高密度倒裝鍵合技術(shù)，為高端芯片制造提供國(guó)產(chǎn)裝備，助力提升我國(guó)芯片堆疊制造技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力。
以理論創(chuàng)新為基礎(chǔ)，以技術(shù)創(chuàng)新為根本，尹周平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向受制于人的芯片制造裝備領(lǐng)域進(jìn)軍。“超薄芯片倒裝鍵合過(guò)程中存在‘剝’‘拿’‘放’三大難題。20多年來(lái)，我們逐個(gè)擊破，在理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，解決了這3個(gè)難題。”團(tuán)隊(duì)成員吳豪說(shuō)。
尹周平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建立了芯片“無(wú)損剝離”競(jìng)爭(zhēng)準(zhǔn)則，從而實(shí)現(xiàn)了超薄芯片剝離過(guò)程中芯片剝離與碎裂的精準(zhǔn)判定，解決了芯片“剝”的難題。超薄芯片的厚度堪比發(fā)絲，在“拿”的過(guò)程中很容易損傷，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)揭示了旋流負(fù)壓生成機(jī)理與調(diào)控機(jī)制，提出超薄芯片“隔空”拾取原理，并發(fā)現(xiàn)了倒裝鍵合中導(dǎo)電粒子接觸電阻的“彎曲效應(yīng)”，提出了鍵合界面多尺度建模與精確計(jì)算方法，讓“放”芯片能如臂使指，精確操控。
“證實(shí)單頂針剝離芯片極限厚度”“發(fā)現(xiàn)芯片斷裂強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)”“提高芯片剝離成功率”……國(guó)內(nèi)外芯片制造龍頭企業(yè)高度評(píng)價(jià)尹周平團(tuán)隊(duì)關(guān)于芯片鍵合的技術(shù)創(chuàng)新。
早在2006年，尹周平團(tuán)隊(duì)就研制出了我國(guó)首臺(tái)RFID芯片倒裝鍵合裝備。該裝備獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，入選“十一五”國(guó)家重大科技成就展，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成為相關(guān)領(lǐng)域頭部企業(yè)指定生產(chǎn)裝備。由此孵化的國(guó)家級(jí)“專(zhuān)精特新”小巨人公司，在工業(yè)感知領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)RFID工業(yè)細(xì)分領(lǐng)域銷(xiāo)量第一，成為國(guó)產(chǎn)替代首選，服務(wù)28家全球“燈塔工廠”。
近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)還研制出了晶圓微溝道直寫(xiě)填充裝備、芯粒混合鍵合裝備、工業(yè)級(jí)電流體噴霧制膜裝備等系列裝備。新質(zhì)生產(chǎn)力激發(fā)發(fā)展新動(dòng)能，一項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新為我國(guó)芯片堆疊領(lǐng)域帶來(lái)了國(guó)產(chǎn)制造新方案。
“新質(zhì)生產(chǎn)力是生產(chǎn)力的躍遷。它是科技創(chuàng)新在其中發(fā)揮主導(dǎo)作用的生產(chǎn)力，是數(shù)字時(shí)代更具融合性、更體現(xiàn)新內(nèi)涵的生產(chǎn)力。在國(guó)家高端電子制造裝備技術(shù)的探索進(jìn)程中，尹周平團(tuán)隊(duì)是破冰者、鋪路者，更是踐行者。”熊有倫院士堅(jiān)定地說(shuō)。
