周南嘉：在芯片上“雕花”，他實(shí)現(xiàn)了當(dāng)下最高精度的電子3D打印

DeepTech深科技

2019 年 12 月 14 日，《麻省理工科技評論》公布了 2019 年“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”（Innovators Under 35 China）中國區(qū)榜單。在本屆榜單上，雖然缺失了“創(chuàng)業(yè)家”的身影，但是我們看到了許多在具有產(chǎn)業(yè)化潛能的領(lǐng)域堅(jiān)持科研使命的獲獎(jiǎng)人，也看到更多散布在海外頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，用自身不改初心的堅(jiān)持努力，取得了世界級標(biāo)竿成就的科研成果，其中有超過半數(shù)以上的獲獎(jiǎng)?wù)?，都取得了世界級的突破性研究成果與發(fā)現(xiàn)。我們將陸續(xù)發(fā)出對 35 位獲獎(jiǎng)?wù)叩莫?dú)家專訪，介紹他們的科技創(chuàng)新成果與經(jīng)驗(yàn)，以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關(guān)于 Innovators Under 35 China 榜單

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會(huì)推出“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”榜單，旨在于全球范圍內(nèi)評選出被認(rèn)為最有才華、最具創(chuàng)新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術(shù)創(chuàng)新者或企業(yè)家，共分為發(fā)明家、創(chuàng)業(yè)家、遠(yuǎn)見者、人文關(guān)懷者及先鋒者五類。2017 年，該榜單正式推出中國區(qū)評選，遴選中國籍的青年科技創(chuàng)新者。新一屆 2020 年度榜單正在征集提名與報(bào)名，截止時(shí)間 2020 年 6 月 30 日。詳情請見文末。


周南嘉

發(fā)明家

周南嘉憑借其在 3D 打印技術(shù)領(lǐng)域取得的一系列成果，榮膺 2019 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國區(qū)得主。

獲獎(jiǎng)時(shí)年齡：33 歲

獲獎(jiǎng)時(shí)職位：西湖大學(xué)研究員

獲獎(jiǎng)理由：他實(shí)現(xiàn)了當(dāng)下最高精度的電子 3D 打印。

目前，市面上的 3D 打印技術(shù)精度能夠達(dá)到百微米，而這對加工許多電子器件來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

來自西湖大學(xué)工學(xué)院的周南嘉博士以新材料作為突破 3D 打印精度極限的核心，設(shè)計(jì)全新的 3D 打印功能材料，結(jié)合超高精度 3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了百納米至微米級別電子 3D 打印。

“我們做的最小的尺度就是直接在芯片上用 3D 打印進(jìn)行加工?！敝苣霞伪硎尽?br />
通過實(shí)現(xiàn)超高精度，周南嘉團(tuán)隊(duì)將 3D 多材料打印技術(shù)引入到芯片級高端制造領(lǐng)域，已經(jīng)做到用 3D 打印進(jìn)行 5G 射頻電子器件的封裝及集成工藝；利用 3D 打印技術(shù)制造無源器件，可將天線尺寸縮小到十微米至百微米級別。

這一做法較現(xiàn)有的加工方式，在精度上提升了 1 - 2 個(gè)數(shù)量級，從而使得 3D 打印技術(shù)得以應(yīng)用到毫米波技術(shù)等領(lǐng)域，為未來小型化、集成化、個(gè)性化電子設(shè)備提供新的制造方案。

周南嘉在美國西北大學(xué)攻讀材料科學(xué)與工程博士時(shí)曾進(jìn)行印刷電子相關(guān)研究，2015 年初，周南嘉進(jìn)入哈佛大學(xué)，加入到美國科學(xué)院、工程院兩院院士Jennifer ALewis 教授的團(tuán)隊(duì)，從那開始，他才真正進(jìn)入 3D 打印電子器件相關(guān)研究。

Jennifer A. Lewis 是 3D 打印領(lǐng)域的頂尖學(xué)者，從 20 世紀(jì) 90 年代開始研究 3D 打印技術(shù)，尤其專注在微觀的 3D 打印、3D 打印電子器件研究，他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了全球首家專注電子 3D 打印的公司。

如今，周南嘉認(rèn)為，在超高精度 3D 打印方面，工藝本身并不復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)超高精度以及多樣的功能，真正在實(shí)際應(yīng)用上取得突破，材料方面的突破才是關(guān)鍵。

首先在精度方面，市面上很多材料的打印精度可以到 200 微米左右，這是一個(gè)難以突破的極限。而要實(shí)現(xiàn)百納米或是微米級別的 3D 打印，市面上已經(jīng)無法找到合適的材料，因而需要團(tuán)隊(duì)從源頭出發(fā)，重新設(shè)計(jì)材料。


圖 | 周南嘉在頒獎(jiǎng)典禮上做演講（來源：DeepTech）

通過材料和技術(shù)兩方面的努力，突破目前的打印精度之后，3D 打印將能用到全新的應(yīng)用場景中，如微電子、光學(xué)器件、微型機(jī)器人、生物芯片等領(lǐng)域。

比如，隨著 5G 時(shí)代到來，中小基站將迎來大規(guī)模建設(shè)，這將極大拉動(dòng)中高頻器件的需求。在這方面，周南嘉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功通過 3D 打印實(shí)現(xiàn) 5G 射頻無源器件、集成電路及封裝工藝。

據(jù)周南嘉介紹，當(dāng)加工精度在百微米級別時(shí)，加工出來的無源器件一般僅在兆赫茲范圍內(nèi)工作。

而要想將頻率提高到微波頻率，加工精度就需要到微米、亞微米級別，周南嘉對此表示，這是一個(gè)顛覆性的成果，因?yàn)樵谝敫呔?3D 打印技術(shù)之前，精度達(dá)到微米、亞微米級別的工藝是不存在的。

周南嘉所在的 3D 打印領(lǐng)域盡管已經(jīng)十分火熱，但這項(xiàng)技術(shù)的前景還遠(yuǎn)不止于目前的狀態(tài)。周南嘉認(rèn)為，3D 打印的未來應(yīng)用前景遠(yuǎn)大于現(xiàn)在的想象，且 3D 打印不僅能夠?qū)崿F(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)特定的功能。

為此，從 2018 年加入西湖大學(xué)工學(xué)院至今，周南嘉團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，將電子 3D 打印技術(shù)帶入市場，擴(kuò)大功能 3D 打印技術(shù)的市場空間。

從將技術(shù)推向市場的角度來說，周南嘉認(rèn)為團(tuán)隊(duì)如今除了進(jìn)行核心技術(shù)的研發(fā)，這個(gè)市場也需要他們的超高精度 3D 打印可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

其中一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于，3D 打印并不只是能夠?qū)崿F(xiàn)具體的結(jié)構(gòu)，更重要的是實(shí)現(xiàn)特定的功能。

“在進(jìn)行技術(shù)研究的同時(shí)，我們也要展示自己的能力，就像開一扇門一樣，把電子 3D 打印的前景打開?！敝苣霞伪硎荆壳皥F(tuán)隊(duì)通過 3D 打印制造高精度電子器件、柔性可穿戴設(shè)備等，憑借團(tuán)隊(duì)的專業(yè)能力對外提供電子 3D 打印服務(wù)。

“隨著我們在市場上的影響力越來越大，我相信更多人將會(huì)開始熟悉和最終應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。”