華中科技大學柔性電子制造與智能識別感知團隊助力國產芯片、屏幕制造設備技術革新——“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）指導學生開展芯片鍵合實驗研究。
（本文圖片均由華中科技大學提供）
在武漢東湖國家自主創新示范區，也就是人們熟知的“中國光谷”，有一支科研團隊。他們的創新成果競相涌現，他們的生產車間晝夜不息。近日，工程師們正在加速研發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。車間墻上的100余項專利證書見證著他們的創新歷程。從原理樣機到裝備量產開發，他們僅僅用了兩年多時間，就讓中國“屏”在全球競逐中跑在前列。該團隊成員來自武漢國創科光電裝備有限公司，而該公司是由華中科技大學機械科學與工程學院教授尹周平帶領的柔性電子制造與智能識別感知團隊研發成果孵化而成的。
長期以來，“缺芯少屏”問題困擾著我國的高新技術產業。“芯”指芯片，“屏”指屏幕。過去，我國不僅需要大量進口制成品，產品的制造裝備更加難以實現國產。為了從根本上解決“缺芯少屏”問題，尹周平帶領團隊在高端電子制造裝備領域潛心深耕20多年，用一項項研究成果和發明專利，助力國產芯片、屏幕制造設備的技術革新。
20余年來，尹周平帶領團隊從單一學科到多學科交叉融合發展，緊貼國家需求，一次又一次向高端電子制造裝備技術發起沖鋒。如今，尹周平團隊創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，研發了新型顯示、高端芯片、柔性器件三大類電子制造裝備并實現產業化，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
為創新驅動突破理論基礎
今年秋季新學期，華科大先進電子制造專業方向的學生們開始跟隨《柔性電子制造：材料、器件與工藝》一書進行新一輪的學習。這本書是由尹周平團隊撰寫出版的、我國最早的柔性電子制造領域專業教材。除了華科大，西安交通大學、南京大學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研究，并且已經有了一些成果。博士畢業時，國家在電子制造裝備方面還比較薄弱，中國科學院院士、華中科技大學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。于是，在裝備制造領域，我作為一個‘新兵’從零開始探索。”回憶起更換研究方向的初衷，尹周平的語氣中透著一股執著的勁頭。
缺少資料、缺乏積累、沒有團隊……但尹周平沒有絲毫猶豫，一頭扎進全新的領域開展研究，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，僅有頭發絲直徑的1/50。我們的技術就是要實現在精度如此高的條件下，讓液滴克服空氣擾動、帶電場等因素的影響，像子彈一樣指哪兒打哪兒。”團隊成員黃永安介紹。
受到風箏的啟發，尹周平發現帶電射流鞭動行為受控于基板運動現象，并建立了柔性微納結構的電流體噴印理論。為加速實現創新性突破，尹周平牽頭在華科大機械工程學科開設先進電子制造本科專業方向，培養高端電子制造領域的生力軍和后備力量。除此之外，尹周平及其團隊還發揮先進電子制造領域科研優勢，將柔性電子制造領域的最新成果融入實踐教學平臺。
“尹老師會給我們介紹行業前沿動態，也會以團隊的技術創新為例，結合書本內容進行講解。技術的更迭本來就是日新月異的，這樣的講解讓我們能真正吃透理論知識，同時了解產業發展最新情況，我受益匪淺。”先進電子制造專業大四學生李浩陽說。
“印”出中國屏
競爭全球話語權
在不遠的將來，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，就可隨心切換畫面。尹周平團隊柔性電子制造技術的突破將使“萬物顯示”成為可能。
“顯示材料價格堪比黃金，可以通過噴印的方式提高其利用率。相較于以往的技術手段，材料利用率從30%提升到了90%。”團隊成員陳建魁自豪地說。
以系統性理論創新為基礎，尹周平帶領團隊向新型顯示面板關鍵裝備的國產化制造發起攻關。
新質生產力，關鍵點在質。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明專利。截至目前，他在電流體噴印領域的授權發明專利數居全球第一。
除了提升精度，在更大尺度上實現精細噴印也是團隊攻關的方向。“噴印的尺度越大，難度就越高，我們正在向實現更大尺度高精度噴印努力。”團隊成員段永青說。
新質生產力，落腳點是生產。2020年底，尹周平團隊研發的第一臺200型噴墨打印裝備成功驗收。同年，團隊將核心專利技術轉讓給TCL集團，與其共同創辦了武漢國創科光電裝備有限公司。從書架到貨架，尹周平團隊讓核心技術走出實驗室，投入社會生產實踐中，持續攻關更大尺寸OLED顯示面板的裝備開發。
2021年，湖北省提出支持以“光芯屏端網”為重點的新一代信息技術萬億支柱產業發展，突出“光”特色，做強“芯”核心，做大“屏”規模，強化“端”帶動，優化“網”生態。團隊一“芯”一“屏”研產駛入快車道。
“經過一年的調試、生產、升級，這一設備在我們的中試線上運行得非常好，解決了柔性顯示高分辨率打印這個產業難題。”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入中試生產線。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，高端芯片制造技術路線從基于尺寸微縮的光刻路線，逐漸轉向基于三維堆疊技術的芯粒（chiplet）集成路線。近年來，在蘋果、英偉達、超威等國際知名廠商的推動下，芯片堆疊技術成為最受關注的技術之一。
芯片堆疊是將芯片的各部分按精度的不同分類制造，最后再進行組合。尹周平團隊主攻的芯粒與晶圓高密度倒裝鍵合技術，為高端芯片制造提供國產裝備，助力提升我國芯片堆疊制造技術核心競爭力。
以理論創新為基礎，以技術創新為根本，尹周平帶領團隊向受制于人的芯片制造裝備領域進軍。“超薄芯片倒裝鍵合過程中存在‘剝’‘拿’‘放’三大難題。20多年來，我們逐個擊破，在理論創新的基礎上，實現了技術突破，解決了這3個難題。”團隊成員吳豪說。
尹周平帶領團隊建立了芯片“無損剝離”競爭準則，從而實現了超薄芯片剝離過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絲，在“拿”的過程中很容易損傷，他帶領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。
“證實單頂針剝離芯片極限厚度”“發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高度評價尹周平團隊關于芯片鍵合的技術創新。
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發明獎二等獎，入選“十一五”國家重大科技成就展，并成功實現產業化，成為相關領域頭部企業指定生產裝備。由此孵化的國家級“專精特新”小巨人公司，在工業感知領域實現RFID工業細分領域銷量第一，成為國產替代首選，服務28家全球“燈塔工廠”。
近年來，團隊還研制出了晶圓微溝道直寫填充裝備、芯�；旌湘I合裝備、工業級電流體噴霧制膜裝備等系列裝備。新質生產力激發發展新動能，一項項技術創新為我國芯片堆疊領域帶來了國產制造新方案。
“新質生產力是生產力的躍遷。它是科技創新在其中發揮主導作用的生產力，是數字時代更具融合性、更體現新內涵的生產力。在國家高端電子制造裝備技術的探索進程中，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。
