華中科技大學(xué)柔性電子制造與智能識別感知團隊助力國產(chǎn)芯片、屏幕制造設備技術(shù)革新——“芯屏”共振
柔性電子制造與智能識別感知團隊成員正在調試柔性微納結構電流體噴印制造裝備。
尹周平教授（左）指導學(xué)生開(kāi)展芯片鍵合實(shí)驗研究。
（本文圖片均由華中科技大學(xué)提供）
在武漢東湖國家自主創(chuàng )新示范區，也就是人們熟知的“中國光谷”，有一支科研團隊。他們的創(chuàng )新成果競相涌現，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余項專(zhuān)利證書(shū)見(jiàn)證著(zhù)他們的創(chuàng )新歷程。從原理樣機到裝備量產(chǎn)開(kāi)發(fā)，他們僅僅用了兩年多時(shí)間，就讓中國“屏”在全球競逐中跑在前列。該團隊成員來(lái)自武漢國創(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別感知團隊研發(fā)成果孵化而成的。
長(cháng)期以來(lái)，“缺芯少屏”問(wèn)題困擾著(zhù)我國的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。“芯”指芯片，“屏”指屏幕。過(guò)去，我國不僅需要大量進(jìn)口制成品，產(chǎn)品的制造裝備更加難以實(shí)現國產(chǎn)。為了從根本上解決“缺芯少屏”問(wèn)題，尹周平帶領(lǐng)團隊在高端電子制造裝備領(lǐng)域潛心深耕20多年，用一項項研究成果和發(fā)明專(zhuān)利，助力國產(chǎn)芯片、屏幕制造設備的技術(shù)革新。
20余年來(lái)，尹周平帶領(lǐng)團隊從單一學(xué)科到多學(xué)科交叉融合發(fā)展，緊貼國家需求，一次又一次向高端電子制造裝備技術(shù)發(fā)起沖鋒。如今，尹周平團隊創(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)現產(chǎn)業(yè)化，為我國高端電子制造裝備的自主可控作出了突出貢獻。
筑基賦能
為創(chuàng )新驅動(dòng)突破理論基礎
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。這本書(shū)是由尹周平團隊撰寫(xiě)出版的、我國最早的柔性電子制造領(lǐng)域專(zhuān)業(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)，國家在電子制造裝備方面還比較薄弱，中國科學(xué)院院士、華中科技大學(xué)教授熊有倫鼓勵我跳出‘舒適圈’，一定要把研究方向和國家需求結合起來(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(zhù)一股執著(zhù)的勁頭。
缺少資料、缺乏積累、沒(méi)有團隊……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，篳路藍縷，一步步組建了柔性電子制造與智能識別感知團隊。
“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。”團隊成員黃永安介紹。
受到風(fēng)箏的啟發(fā)，尹周平發(fā)現帶電射流鞭動(dòng)行為受控于基板運動(dòng)現象，并建立了柔性微納結構的電流體噴印理論。為加速實(shí)現創(chuàng )新性突破，尹周平牽頭在華科大機械工程學(xué)科開(kāi)設先進(jìn)電子制造本科專(zhuān)業(yè)方向，培養高端電子制造領(lǐng)域的生力軍和后備力量。除此之外，尹周平及其團隊還發(fā)揮先進(jìn)電子制造領(lǐng)域科研優(yōu)勢，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。
“尹老師會(huì )給我們介紹行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，也會(huì )以團隊的技術(shù)創(chuàng )新為例，結合書(shū)本內容進(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，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”出中國屏
競爭全球話(huà)語(yǔ)權
在不遠的將來(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。尹周平團隊柔性電子制造技術(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%。”團隊成員陳建魁自豪地說(shuō)。
以系統性理論創(chuàng )新為基礎，尹周平帶領(lǐng)團隊向新型顯示面板關(guān)鍵裝備的國產(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計與控制原理提高了噴印精度，可以將噴印最小結構尺寸縮小至傳統技術(shù)水平的百分之一。在國際上，尹周平最早申請并授權電流體噴頭發(fā)明專(zhuān)利。截至目前，他在電流體噴印領(lǐng)域的授權發(fā)明專(zhuān)利數居全球第一。
除了提升精度，在更大尺度上實(shí)現精細噴印也是團隊攻關(guān)的方向。“噴印的尺度越大，難度就越高，我們正在向實(shí)現更大尺度高精度噴印努力。”團隊成員段永青說(shuō)。
新質(zhì)生產(chǎn)力，落腳點(diǎn)是生產(chǎn)。2020年底，尹周平團隊研發(fā)的第一臺200型噴墨打印裝備成功驗收。同年，團隊將核心專(zhuān)利技術(shù)轉讓給TCL集團，與其共同創(chuàng )辦了武漢國創(chuàng )科光電裝備有限公司。從書(shū)架到貨架，尹周平團隊讓核心技術(shù)走出實(shí)驗室，投入社會(huì )生產(chǎn)實(shí)踐中，持續攻關(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“芯”核心，做大“屏”規模，強化“端”帶動(dòng)，優(yōu)化“網(wǎng)”生態(tài)。團隊一“芯”一“屏”研產(chǎn)駛入快車(chē)道。
“經(jīng)過(guò)一年的調試、生產(chǎn)、升級，這一設備在我們的中試線(xiàn)上運行得非常好，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，國內首臺G4.5高分辨率新型顯示噴印裝備進(jìn)入中試生產(chǎn)線(xiàn)。該裝備可以高精度制造顯示結構，材料利用率高達90%，造屏材料成本僅為原先采用的蒸鍍工藝的1/3至1/5。設備在常溫常壓下就可以運行，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工藝有了大幅提升。
智造中國芯
打破受制于人的困境
傳統的芯片制造不僅時(shí)間成本高，而且對制造的機器要求極高。為打破工藝與成本的制約，高端芯片制造技術(shù)路線(xiàn)從基于尺寸微縮的光刻路線(xiàn)，逐漸轉向基于三維堆疊技術(shù)的芯粒（chiplet）集成路線(xiàn)。近年來(lái)，在蘋(píng)果、英偉達、超威等國際知名廠(chǎng)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。尹周平團隊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產(chǎn)裝備，助力提升我國芯片堆疊制造技術(shù)核心競爭力。
以理論創(chuàng )新為基礎，以技術(shù)創(chuàng )新為根本，尹周平帶領(lǐng)團隊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 )新的基礎上，實(shí)現了技術(shù)突破，解決了這3個(gè)難題。”團隊成員吳豪說(shuō)。
尹周平帶領(lǐng)團隊建立了芯片“無(wú)損剝離”競爭準則，從而實(shí)現了超薄芯片剝離過(guò)程中芯片剝離與碎裂的精準判定，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)團隊揭示了旋流負壓生成機理與調控機制，提出超薄芯片“隔空”拾取原理，并發(fā)現了倒裝鍵合中導電粒子接觸電阻的“彎曲效應”，提出了鍵合界面多尺度建模與精確計算方法，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)現芯片斷裂強度的尺寸效應”“提高芯片剝離成功率”……國內外芯片制造龍頭企業(yè)高度評價(jià)尹周平團隊關(guān)于芯片鍵合的技術(shù)創(chuàng )新。
早在2006年，尹周平團隊就研制出了我國首臺RFID芯片倒裝鍵合裝備。該裝備獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，入選“十一五”國家重大科技成就展，并成功實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，成為相關(guān)領(lǐng)域頭部企業(yè)指定生產(chǎn)裝備。由此孵化的國家級“專(zhuān)精特新”小巨人公司，在工業(yè)感知領(lǐng)域實(shí)現RFID工業(yè)細分領(lǐng)域銷(xiāo)量第一，成為國產(chǎn)替代首選，服務(wù)28家全球“燈塔工廠(chǎng)”。
近年來(lái)，團隊還研制出了晶圓微溝道直寫(xiě)填充裝備、芯�；旌湘I合裝備、工業(yè)級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，一項項技術(shù)創(chuàng )新為我國芯片堆疊領(lǐng)域帶來(lái)了國產(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)揮主導作用的生產(chǎn)力，是數字時(shí)代更具融合性、更體現新內涵的生產(chǎn)力。在國家高端電子制造裝備技術(shù)的探索進(jìn)程中，尹周平團隊是破冰者、鋪路者，更是踐行者。”熊有倫院士堅定地說(shuō)。
