“MEMS-Casting技術(shù)的發(fā)明有點(diǎn)像在黑暗中摸索出來的，并不是一開始就設(shè)想好的。”當(dāng)被問到技術(shù)發(fā)明過程，邁鑄半導(dǎo)體的CEO顧杰斌博士跟記者講述了MEMS-Casting是如何一點(diǎn)點(diǎn)被“發(fā)明”的。

“這項(xiàng)技術(shù)本質(zhì)是鑄造，通俗的講就是將金屬熔化灌注到模具中再冷卻固化。但是我們通過一些微納原理，將原來只能用于宏觀尺寸的鑄造縮小了近一百萬倍，這樣，在晶圓上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的微鑄造也就成為可能了。這應(yīng)該是一項(xiàng)原創(chuàng)性的技術(shù)，從大腦中的一個(gè)模糊概念到如今的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如果從我博士研究就算起話，研發(fā)過程有10多年了。”在微觀尺度液態(tài)金屬行為領(lǐng)域，顧杰斌已經(jīng)走到了世界前沿的位置。

2018年，顧杰斌成立了上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司，致力于晶圓級(jí)微機(jī)電鑄造(MEMS-Casting)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前已經(jīng)完成了MEMS-Casting專用填充設(shè)備的研制和相關(guān)工藝的開發(fā)，最大已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)8寸晶圓的工藝加工。這項(xiàng)技術(shù)目前在大尺寸TSV（硅過孔互連）、芯片線圈等領(lǐng)域正與多家客戶在進(jìn)行驗(yàn)證。從浙江大學(xué)的理論物理學(xué)本科和電子信息工程(第二學(xué)位)，到英國南安普頓大學(xué)的微電子專業(yè)，再到英國帝國理工大學(xué)的MEMS專業(yè)，到如今的中科院的這項(xiàng)用于微電子的微機(jī)電鑄造技術(shù)，顧杰斌一直在物理與電子行業(yè)穿梭。MEMS-Casting技術(shù)就是物理和電子的一個(gè)結(jié)合。

▲邁鑄半導(dǎo)體CEO顧杰斌博士

遺憾、靈感與三年的驗(yàn)證

“我要發(fā)明一項(xiàng)可以真正能用起來的技術(shù)。”

2012年2月29號(hào)，帶著這個(gè)想法，顧杰斌踏上回國的飛機(jī)。2010年，他從英國帝國理工大學(xué)電子電氣工程專業(yè)博士畢業(yè)，又留校工作了一年。博士期間，顧杰斌研究了一項(xiàng)利用Gibbs–Thomson現(xiàn)象用于TSV金屬化填充的技術(shù)。

Gibbs–Thomson現(xiàn)象是指微觀尺度的液體在表面張力驅(qū)使下自主流動(dòng)并形成最小表面能的一種行為。TSV（Through Silicon Via，硅通孔技術(shù)）是一種穿透硅基板的垂直電互連技術(shù)，它不僅可以減小互聯(lián)長度、減小信號(hào)延遲，降低電容/電感等，最重要的是它可以實(shí)現(xiàn)芯片的三維堆疊封裝，是半導(dǎo)體先進(jìn)封裝中最重要的電互連技術(shù)。這是一項(xiàng)典型的將物理原理用于電子行業(yè)應(yīng)用的研究。

顧杰斌研究的這項(xiàng)技術(shù)受到了帝國理工技術(shù)轉(zhuǎn)化中心Imperial Innovation的認(rèn)可并申請了專利。“這是我人生中第一次申請專利，當(dāng)時(shí)申請得特別認(rèn)真，那段時(shí)間整個(gè)人感覺也特別有干勁。”這項(xiàng)研究在這個(gè)領(lǐng)域最核心的期刊都發(fā)了論文，也參加過許多重要的學(xué)術(shù)會(huì)議。但因多方原因，專利最終沒能成功轉(zhuǎn)化。顧杰斌認(rèn)為，如果實(shí)驗(yàn)室研究的技術(shù)只是停留在論文上，整個(gè)研究就沒這么太大的意義。能發(fā)明一項(xiàng)技術(shù)并在產(chǎn)業(yè)界能真正用起來才是有挑戰(zhàn)的一件事。

2012年3月1日顧杰斌的飛機(jī)在上海落地。在傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李昕欣主任的建議下，他來到在中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所工作，并開始琢磨一個(gè)全新的TSV合金填充的方法。顧杰斌說，“回國的時(shí)候我就在想，如果可以避免使用微錫球，而是直接從一個(gè)合金池里實(shí)現(xiàn)TSV填充才會(huì)更實(shí)用。”這個(gè)方法只有一個(gè)模糊的概念，“一開始連我自己也不太清楚這個(gè)方法的具體原理是什么，只是直覺告訴我應(yīng)該是可以這樣做。”

1年后，顧杰斌在一篇文獻(xiàn)上看到“Liquid Bridge”時(shí)，突然意識(shí)到這個(gè)想法的本質(zhì)是用液橋來實(shí)現(xiàn)液態(tài)合金切割。“然后就是求解拉普拉斯方程來計(jì)算切割的條件。這個(gè)偏微分方程我還是找數(shù)學(xué)很好的一個(gè)大學(xué)同學(xué)幫忙解的。當(dāng)計(jì)算結(jié)果與有限元仿真的曲線完全能對(duì)上，我才知道這個(gè)原理部分是弄對(duì)了。水銀體溫計(jì)其實(shí)用是一樣的原理。”

此后兩年，顧杰斌開始自研設(shè)備將這個(gè)原理用于實(shí)現(xiàn)從一個(gè)合金池的表面實(shí)現(xiàn)TSV的填充。其難度遠(yuǎn)超他讀博士時(shí)研究的技術(shù)。

▲顧杰斌博士在實(shí)驗(yàn)室

“第一臺(tái)設(shè)備太簡陋了，只有微波爐大小，并且全部步驟需要手動(dòng)操作。大概試了半年后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有問題就放棄了，開始做第二臺(tái)設(shè)備。第二代設(shè)備的體積要大很多，并且開始加入了PLC作自動(dòng)控制。在研制設(shè)備的過程中，其實(shí)也學(xué)到了許多機(jī)械設(shè)計(jì)加工，各種閥門種類和應(yīng)用以及PLC等知識(shí)。”

直到2015年年中，顧杰斌終于在自制的第二代設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了基于Liquid bridge的切割的TSV填充，“只記得當(dāng)時(shí)不停地修改設(shè)備的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)記不清改了多少次了。到后來連設(shè)備的PLC程序都是自己改的。”此時(shí)距他回國已經(jīng)有3年。

▲8年迭代的微機(jī)電鑄造專用填充設(shè)備

從TSV到微機(jī)電鑄造

“2015年這個(gè)利用液橋切割的TSV技術(shù)做出來后，我感覺再在實(shí)驗(yàn)室里做研發(fā)有點(diǎn)像是閉門造車了。”顧杰斌說。正好在2015年的年底中國半導(dǎo)體協(xié)會(huì)有個(gè)關(guān)于先進(jìn)封裝的論壇，他就去講了他剛做出不久的這項(xiàng)新的TSV技術(shù)。“結(jié)果沒有人找我做TSV，但中車卻找上來了。”

原來中車的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在研發(fā)下一代的磁通門傳感器，需要用到芯化式的螺線線圈。而TSV是芯片式螺線線圈主要結(jié)構(gòu)。“在與中車討論了幾個(gè)月，完全明白了他們的意圖后，我說與其上下再布線形成完整的線圈，不如整個(gè)線圈一次成型怎么樣？”這個(gè)提議一下子得到中車的認(rèn)可。顧杰斌本計(jì)劃幾個(gè)月完成數(shù)百顆線圈芯片，結(jié)果整整花了1年，才做出第一顆。

“這里碰到的最大問題是合金固化收縮，”顧杰斌說，“合金固化時(shí)體積有3%左右的收縮，這對(duì)于體積很小的TSV不是太大的問題，但對(duì)于展開有近一米長的線圈來說就是個(gè)大問題。”為了解決這個(gè)問題，顧杰斌一方面請教金屬方面的專業(yè)人士探討可行的解決方案，另一方面也看了大量的資料。

“中間其實(shí)走了不少彎路。2017年有段時(shí)間我一直泡在上海圖書館。一開始還是想用宏觀鑄造中解決固化收縮的思路，就是通過補(bǔ)償方式來解決。但漸漸明白補(bǔ)償在我做的這種微尺度的鑄造中是沒法實(shí)現(xiàn)的。補(bǔ)償需要的溫度梯度，而我們不可能在只有幾十微米的尺度下實(shí)現(xiàn)幾十度的溫度差。”他又開始大量看資料和思考，時(shí)間又過去了半年。

“有天早晨起來，我腦子里突然有了個(gè)解決方法。”顧杰斌回想起來依然有點(diǎn)激動(dòng)，“這個(gè)收縮問題最后我是用化整為零的方法解決了，固化收縮還在，只是你看不到了。”

顧杰斌還總結(jié)出兩個(gè)感觸：“第一，一個(gè)問題，如果你不能打敗它，就要學(xué)會(huì)與它和平相處。我們沒法消滅收縮，但可以與之和平相處。第二，一個(gè)物理問題的解決需要從更底層的原理去思考。這有點(diǎn)像馬斯克第一性原理。”

2017年12月底，顧杰斌終于做出第一顆滿足中車要求的線圈芯片。此時(shí)距離他回國已經(jīng)差不多6年了。

而今邁步從頭越，向前鑄就新征程

2016至2017年，顧杰斌參加了中科創(chuàng)星的硬科技創(chuàng)業(yè)營。

在此期間，中科創(chuàng)星決定給顧杰斌博士的技術(shù)做種子輪投資。2018年3月，顧杰斌成立了上海邁鑄半導(dǎo)體科技有限公司做這項(xiàng)技術(shù)的轉(zhuǎn)化。公司剛成立時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)甚至還沒有一個(gè)名字。直到2018年底，顧杰斌才給這項(xiàng)技術(shù)起了MEMS-Casting。“邁鑄”源于“MEMS-Casting”的音譯和意譯，即是基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的鑄造之意。

“公司成立后，我們其實(shí)在技術(shù)上又有許多突破，其中最重要的是三個(gè)項(xiàng)，一是解決了從小片到晶圓級(jí)的填充，即解決了這項(xiàng)技術(shù)用于晶圓加工的一致性問題，晶圓級(jí)填充是這項(xiàng)技術(shù)能否真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵；二是徹底解決了填充過程中氣泡造成的缺陷問題，而且填充的飽滿度有大幅的提升；三是完成了更高熔點(diǎn)更好導(dǎo)電率的鋅鋁合金的填充工藝開發(fā)。”顧杰斌之前的研究中合金材料用的都是錫合金，這種材料熔點(diǎn)低，導(dǎo)電性能也相對(duì)較差。只有200多度的熔點(diǎn)限制了許多應(yīng)用。而鋅鋁合金的熔點(diǎn)近400度并且導(dǎo)電性能較錫合金提高了近一倍。

“鋅鋁合金的填充工藝開發(fā)也充滿了戲劇性，”顧杰斌說，“這種材料剛開始試驗(yàn)時(shí)一塌糊涂，我們發(fā)現(xiàn)這種合金材料居然會(huì)溶解硅材料。中間有段時(shí)間有點(diǎn)一籌莫展。但做工藝開發(fā)的同事無意中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)方法，所有的問題竟然一下子全解決了。”

▲μCasting Solenoid線圈

“給中車做的這個(gè)線圈的電阻值，最開始是30歐，后來降到了20歐，再后來通過材料降到了12歐，現(xiàn)在只有6歐了。”顧杰斌自豪地說。“我們現(xiàn)在也在和有色金屬研究院合作開發(fā)導(dǎo)電性能更好的鋁金材料，到時(shí)候電阻還能進(jìn)一步下降。”

▲150匝線圈X–ray圖

這項(xiàng)技術(shù)相關(guān)的研究在重要的學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議已發(fā)表有20多篇論文，例如頂級(jí)的電子器件期刊Electron Device Letters (EDL)，連續(xù)2年被頂級(jí)國際學(xué)術(shù)會(huì)議IEEE MEMS錄取為口頭報(bào)告。2021年，獲IEEE EDTM會(huì)議唯一的一等獎(jiǎng)。目前邁鑄半導(dǎo)體已經(jīng)完成了8寸晶圓MEMS-Casting專用設(shè)備的研發(fā)。2021年邁鑄半導(dǎo)體新建設(shè)的研發(fā)中心已正式啟用。除了四臺(tái)自行研制的微機(jī)電鑄造專用設(shè)備外，新研發(fā)中心還將陸續(xù)增添打線設(shè)備、研磨設(shè)備、熱氧設(shè)備以及深硅刻蝕設(shè)備等，以滿足后續(xù)日益增加應(yīng)用需求。

▲邁鑄半導(dǎo)體研發(fā)中心

目前公司已授權(quán)專利達(dá)18項(xiàng)，服務(wù)客戶近10家。在線圈芯片方面，從最開始給中車做的線圈中又引申出多種線圈結(jié)構(gòu)，在軍工、工業(yè)、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)展應(yīng)用，潛在的市場規(guī)模有近百億。其廣泛的產(chǎn)業(yè)滲透前景頗得資本市場青睞，近日，邁鑄半導(dǎo)體已完成千萬級(jí)Pre A輪融資，本輪融資將用于公司新合金材料工藝的研發(fā)、新研發(fā)中心建設(shè)、市場推廣和人才建設(shè)等。

顧杰斌對(duì)這項(xiàng)技術(shù)以及未來的發(fā)展有著清晰的思路。在微機(jī)電鑄造技術(shù)之前，半導(dǎo)體行業(yè)厚金屬沉積幾乎只有電鍍這一種方法，但是電鍍有著工藝復(fù)雜、高污染以及不適合用于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。微機(jī)電鑄造技術(shù)相當(dāng)于給業(yè)界提供了一個(gè)新的厚金屬沉積的工具。“我們公司的愿景是：基于獨(dú)創(chuàng)的微機(jī)電鑄造技術(shù)，為行業(yè)提供一種清潔高效的厚金屬沉積解決方案，并實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)在半導(dǎo)體先進(jìn)封裝和MEMS電磁器件中的廣泛應(yīng)用。”

從腦海中模糊的概念到商業(yè)化，顧杰斌走了10年的“鑄芯”路。“從某種程度上說，我是幸運(yùn)的，從物理原理到商業(yè)應(yīng)用，這條道路充滿未知和重重阻礙，但是也充滿了樂趣，無論是前期在實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)，還是后面產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，都是一個(gè)探索的過程。我很享受這個(gè)過程。所有的探索都面臨著未知，但最吸引人的，也是未知。”作為一項(xiàng)底層的平臺(tái)性技術(shù)，它還有許多潛應(yīng)用的想像空間，相信顧杰斌博士的“鑄芯”之路會(huì)越走越寬廣。

審核編輯 黃昊宇