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“芯屏”共振 装备中国

字体变大  字体变小 发布日期:2023-10-11  来源:装备中国  浏览次数:1885
核心提示:在武汉东湖国家自主创新示范区,也就是人们熟知的“中国光谷”,有一支科研团队。他们的创新成果竞相涌现,他们的生产车间昼夜不息。近日,工程师们正在加速研发新一代中大尺寸喷墨打印设备,让新型显示面板用上全新打印技术。
 

华中科技大学柔性电子制造与智能识别感知团队助力国产芯片、屏幕制造设备技术革新——“芯屏”共振 

  柔性电子制造与智能识别感知团队成员正在调试柔性微纳结构电流体喷印制造装备。

尹周平教授(左)指导学生开展芯片键合实验研究。

  (本文图片均由华中科技大学提供)

在武汉东湖国家自主创新示范区,也就是人们熟知的“中国光谷”,有一支科研团队。他们的创新成果竞相涌现,他们的生产车间昼夜不息。近日,工程师们正在加速研发新一代中大尺寸喷墨打印设备,让新型显示面板用上全新打印技术。车间墙上的100余项专利证书见证着他们的创新历程。从原理样机到装备量产开发,他们仅仅用了两年多时间,就让中国“屏”在全球竞逐中跑在前列。该团队成员来自武汉国创科光电装备有限公司,而该公司是由华中科技大学机械科学与工程学院教授尹周平带领的柔性电子制造与智能识别感知团队研发成果孵化而成的。

长期以来,“缺芯少屏”问题困扰着我国的高新技术产业。“芯”指芯片,“屏”指屏幕。过去,我国不仅需要大量进口制成品,产品的制造装备更加难以实现国产。为了从根本上解决“缺芯少屏”问题,尹周平带领团队在高端电子制造装备领域潜心深耕20多年,用一项项研究成果和发明专利,助力国产芯片、屏幕制造设备的技术革新。

  20余年来,尹周平带领团队从单一学科到多学科交叉融合发展,紧贴国家需求,一次又一次向高端电子制造装备技术发起冲锋。如今,尹周平团队创建了高分辨率电流体喷印理论,突破了高性能倒装键合难题,攻克了卷对卷高效制造技术,研发了新型显示、高端芯片、柔性器件三大类电子制造装备并实现产业化,为我国高端电子制造装备的自主可控作出了突出贡献。

  筑基赋能

  为创新驱动突破理论基础

  今年秋季新学期,华科大先进电子制造专业方向的学生们开始跟随《柔性电子制造:材料、器件与工艺》一书进行新一轮的学习。这本书是由尹周平团队撰写出版的、我国最早的柔性电子制造领域专业教材。除了华科大,西安交通大学、南京大学等多所高校也将其列为教材使用。

  “我本硕博的研究方向一直是做机器人相关研究,并且已经有了一些成果。博士毕业时,国家在电子制造装备方面还比较薄弱,中国科学院院士、华中科技大学教授熊有伦鼓励我跳出‘舒适圈’,一定要把研究方向和国家需求结合起来。于是,在装备制造领域,我作为一个‘新兵’从零开始探索。”回忆起更换研究方向的初衷,尹周平的语气中透着一股执着的劲头。

  缺少资料、缺乏积累、没有团队……但尹周平没有丝毫犹豫,一头扎进全新的领域开展研究,筚路蓝缕,一步步组建了柔性电子制造与智能识别感知团队。

  “喷印打印液滴的直径是1微米,仅有头发丝直径的1/50。我们的技术就是要实现在精度如此高的条件下,让液滴克服空气扰动、带电场等因素的影响,像子弹一样指哪儿打哪儿。”团队成员黄永安介绍。

  受到风筝的启发,尹周平发现带电射流鞭动行为受控于基板运动现象,并建立了柔性微纳结构的电流体喷印理论。为加速实现创新性突破,尹周平牵头在华科大机械工程学科开设先进电子制造本科专业方向,培养高端电子制造领域的生力军和后备力量。除此之外,尹周平及其团队还发挥先进电子制造领域科研优势,将柔性电子制造领域的最新成果融入实践教学平台。

  “尹老师会给我们介绍行业前沿动态,也会以团队的技术创新为例,结合书本内容进行讲解。技术的更迭本来就是日新月异的,这样的讲解让我们能真正吃透理论知识,同时了解产业发展最新情况,我受益匪浅。”先进电子制造专业大四学生李浩阳说。

  “印”出中国屏

  竞争全球话语权

  在不远的将来,人们或许不用贴墙纸、刷油漆,只需要在墙上安装整块巨大的屏幕,就可随心切换画面。尹周平团队柔性电子制造技术的突破将使“万物显示”成为可能。

  “显示材料价格堪比黄金,可以通过喷印的方式提高其利用率。相较于以往的技术手段,材料利用率从30%提升到了90%。”团队成员陈建魁自豪地说。

  以系统性理论创新为基础,尹周平带领团队向新型显示面板关键装备的国产化制造发起攻关。

  新质生产力,关键点在质。尹周平提出的电流体喷头设计与控制原理提高了喷印精度,可以将喷印最小结构尺寸缩小至传统技术水平的百分之一。在国际上,尹周平最早申请并授权电流体喷头发明专利。截至目前,他在电流体喷印领域的授权发明专利数居全球第一。

  除了提升精度,在更大尺度上实现精细喷印也是团队攻关的方向。“喷印的尺度越大,难度就越高,我们正在向实现更大尺度高精度喷印努力。”团队成员段永青说。

  新质生产力,落脚点是生产。2020年底,尹周平团队研发的第一台200型喷墨打印装备成功验收。同年,团队将核心专利技术转让给TCL集团,与其共同创办了武汉国创科光电装备有限公司。从书架到货架,尹周平团队让核心技术走出实验室,投入社会生产实践中,持续攻关更大尺寸OLED显示面板的装备开发。

  2021年,湖北省提出支持以“光芯屏端网”为重点的新一代信息技术万亿支柱产业发展,突出“光”特色,做强“芯”核心,做大“屏”规模,强化“端”带动,优化“网”生态。团队一“芯”一“屏”研产驶入快车道。

  “经过一年的调试、生产、升级,这一设备在我们的中试线上运行得非常好,解决了柔性显示高分辨率打印这个产业难题。”TCL华星副总裁李治福介绍。2022年9月,国内首台G4.5高分辨率新型显示喷印装备进入中试生产线。该装备可以高精度制造显示结构,材料利用率高达90%,造屏材料成本仅为原先采用的蒸镀工艺的1/3至1/5。设备在常温常压下就可以运行,生产屏幕的尺寸不受限制。此外,电流体喷印分辨率也较传统工艺有了大幅提升。

 智造中国芯

  打破受制于人的困境

  传统的芯片制造不仅时间成本高,而且对制造的机器要求极高。为打破工艺与成本的制约,高端芯片制造技术路线从基于尺寸微缩的光刻路线,逐渐转向基于三维堆叠技术的芯粒(chiplet)集成路线。近年来,在苹果、英伟达、超威等国际知名厂商的推动下,芯片堆叠技术成为最受关注的技术之一。

  芯片堆叠是将芯片的各部分按精度的不同分类制造,最后再进行组合。尹周平团队主攻的芯粒与晶圆高密度倒装键合技术,为高端芯片制造提供国产装备,助力提升我国芯片堆叠制造技术核心竞争力。

  以理论创新为基础,以技术创新为根本,尹周平带领团队向受制于人的芯片制造装备领域进军。“超薄芯片倒装键合过程中存在‘剥’‘拿’‘放’三大难题。20多年来,我们逐个击破,在理论创新的基础上,实现了技术突破,解决了这3个难题。”团队成员吴豪说。

  尹周平带领团队建立了芯片“无损剥离”竞争准则,从而实现了超薄芯片剥离过程中芯片剥离与碎裂的精准判定,解决了芯片“剥”的难题。超薄芯片的厚度堪比发丝,在“拿”的过程中很容易损伤,他带领团队揭示了旋流负压生成机理与调控机制,提出超薄芯片“隔空”拾取原理,并发现了倒装键合中导电粒子接触电阻的“弯曲效应”,提出了键合界面多尺度建模与精确计算方法,让“放”芯片能如臂使指,精确操控。

  “证实单顶针剥离芯片极限厚度”“发现芯片断裂强度的尺寸效应”“提高芯片剥离成功率”……国内外芯片制造龙头企业高度评价尹周平团队关于芯片键合的技术创新。

  早在2006年,尹周平团队就研制出了我国首台RFID芯片倒装键合装备。该装备获得国家技术发明奖二等奖,入选“十一五”国家重大科技成就展,并成功实现产业化,成为相关领域头部企业指定生产装备。由此孵化的国家级“专精特新”小巨人公司,在工业感知领域实现RFID工业细分领域销量第一,成为国产替代首选,服务28家全球“灯塔工厂”。

  近年来,团队还研制出了晶圆微沟道直写填充装备、芯粒混合键合装备、工业级电流体喷雾制膜装备等系列装备。新质生产力激发发展新动能,一项项技术创新为我国芯片堆叠领域带来了国产制造新方案。

  “新质生产力是生产力的跃迁。它是科技创新在其中发挥主导作用的生产力,是数字时代更具融合性、更体现新内涵的生产力。在国家高端电子制造装备技术的探索进程中,尹周平团队是破冰者、铺路者,更是践行者。”熊有伦院士坚定地说。

 
 
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