“比如說，3D 打印一個手表，大家都是打印一個手表的樣子，再去組裝電路，我們是要把手表的所有功能一并打印進去，成品必須能用。” 周南嘉這樣解釋自己的 3D 打印技術。

他目前是西湖大學工學院特聘研究員、獲評 2019 年中國區(qū)《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”、2020 求是杰出青年學者獎，同時也是西湖未來智造（杭州）科技發(fā)展有限公司的創(chuàng)始人。

西湖未來智造是在西湖大學誕生的第二家科技公司，成立于 2020 年 6 月，已完成由英諾天使基金領投，中科創(chuàng)星跟投的數(shù)千萬的天使輪融資。

公司依托西湖大學工學院精密智造實驗室，目前正在用 3D 打印滿足微電子加工領域高精度、定制化等需求。周南嘉介紹，這是目前傳統(tǒng)加工方式難以滿足，而隨著通訊電子產(chǎn)業(yè)升級，越來越會浮現(xiàn)的需求。

3D 打印是一個材料學、機械工程、化學工程等多學科交叉的領域。周南嘉于 2015 年獲得美國西北大學材料科學與工程博士學位，之后加入哈佛大學美國科學院、工程院兩院院士 Jennifer A. Lewis 課題組從事結(jié)合新材料與 3D 打印的交叉科學研究。

Jennifer A. Lewis 教授是微納打印方面的領軍人物，在功能材料研發(fā)方面積累了豐富的經(jīng)驗，同時她也是美國 3D 打印公司 Voxel8 的創(chuàng)始人。

周南嘉告訴 DeepTech，目前電子制造業(yè)主要在中國，因此這一塊產(chǎn)業(yè)很適合在中國開展。他帶領的團隊，希望能夠以 3D 電子打印的方式，來解決微電子、光電系統(tǒng)加工等領域的關鍵技術難題。

同時，下一代電子產(chǎn)品中的柔性電子、可穿戴設備以及嵌入式小型化電子設備，都適合以 3D 電子打印的方式來生產(chǎn)。“常見的產(chǎn)品，像助聽器、醫(yī)療領域的膠囊內(nèi)窺鏡，類似這樣的產(chǎn)品對小型集成一體化加工需求非常高，所以我們的技術也特別適合生產(chǎn)這類小型電子產(chǎn)品?！?/p>

要在應用中取得突破，材料是關鍵

在哈佛大學的博士后期間，運用納米復合材料和 3D 微納米直寫技術，周南嘉實現(xiàn)了高性能千兆赫茲的無源電子器件，并且實現(xiàn)了集成電路的表面組裝。微納米級別，也是目前電子 3D 打印行業(yè)的頂級精度。

要實現(xiàn)高精度的電子 3D 打印，需要將導電、介質(zhì)、磁性等材料重新加工為可以為打印的材料。因此要在實際應用上取得突破，材料是其中的關鍵。

材料的研發(fā)能力，是周南嘉團隊的核心技術。團隊可以針對產(chǎn)業(yè)需求，對材料進行設計加工，使其適合 3D 打印體系。

目前，團隊能夠加工設計金、銀、銅、合金等百種不同的材料。以金屬材料加工為例，適宜打印的金屬漿料不僅需要達到納米尺寸的顆粒，還需要保持顆粒在溶劑中均勻分布、以及達到較高的固含量以滿足打印所需要的黏度。

比如金屬銀制成的漿料，固含量可以達到 90% 以上，這樣的漿料接近于固體，容易加工，加工后在三維結(jié)構(gòu)中不易變形；由于雜質(zhì)少，后處理所需的溫度也不需要特別高，200℃ 甚至以下就可以進行。

DeepTech 在參觀實驗室時，一位博后正在制備氧化石墨烯漿料。他介紹，漿料需要在適宜的黏度，在打印過程中像牙膏一樣被擠出來，過低會難以成型，過高則很難擠出來打?。凰稚系难趸{料接下來會用 3D 直寫技術打印為 woodpile 結(jié)構(gòu)，應用于電化學材料的儲能和轉(zhuǎn)化。

除了單一材料，團隊目前掌握的另一個特色技術是復合材料打印。目前，單一塑料的 3D 打印已在產(chǎn)業(yè)中運用，采用的光固化技術也已很成熟。其原理是用光源照射，使得液態(tài)樹脂固化。

但是這不能滿足電子產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。電子產(chǎn)品加工中主要涉及兩種材料，導電的金屬和作為介質(zhì)的塑料。復合材料 3D 打印能夠?qū)⑦@兩種材料一起打印，生產(chǎn)由金屬和塑料兩種材料組成的復雜結(jié)構(gòu)。

用這種方式打印電路板，可以超越目前生產(chǎn)中按層來加工的思路。周南嘉說：“這樣可以拋開傳統(tǒng)思維，甚至沒有層的概念，所有的走線都可以按三維來設計?！?/p>

5G 時代開啟后，中小型基站的建設對高頻器件提出了新的需求。傳統(tǒng)基于蝕刻的電路板工藝一般只能達到百微米級別。而對于微波頻率的電子器件，加工精度要達到微米及以上級別。3D 電子打印的精度比傳統(tǒng)工藝高出 1-2 個數(shù)量級。周南嘉表示，這正是適合他們探索的領域，在加工流程上，他們的技術目前很適合做高精度的裝聯(lián)和封裝。

當下，公司已經(jīng)和不少頭部企業(yè)開展深入合作。他們正在與顯示行業(yè)、電子封裝、光通訊行業(yè)的相關企業(yè)驗證打印工藝。希望盡快推出基于高精度 3D 打印技術的 LED 裝聯(lián)、微波 / 射頻、光電集成、柔性電子類產(chǎn)品。

像光電通訊領域，是下一代通訊行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。光的傳輸速度快、能耗低，傳輸距離長。光電信號的轉(zhuǎn)換就需要不同功能模塊的集成，而這一塊的封裝技術目前尚是空白，西湖未來智造正在與相關企業(yè)進行光電集成系統(tǒng)封裝與檢測技術研發(fā)。

首家用 3D 打印解決電子精密制造難題的公司

好的技術需要尋找適合的應用方向。用 3D 打印的方式去解決電子精密制造的難題，正是周南嘉在了解國內(nèi)產(chǎn)業(yè)情況的過程中形成的方向。

在 2018 年回國時，最早，他慣性地想把在美國做微電子加工產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗直接拿來用。最初的思路就是利用 3D 打印快速加工的優(yōu)勢生產(chǎn)電子零件。和產(chǎn)業(yè)對接的過程中，他很快意識到，“這個市場像是你假想出來的”。

比如印刷電路板的生產(chǎn)，現(xiàn)在深圳工廠的工藝已經(jīng)很成熟，大批量生產(chǎn)的成本不高，并且只需要花半天時間。這樣一來 3D 打印在速度上就沒有絕對優(yōu)勢，而且對比成熟的傳統(tǒng)工藝鏈，3D 打印的產(chǎn)品性能甚至在某些方面還稍有遜色。

“經(jīng)過產(chǎn)業(yè)里多次對接，我發(fā)現(xiàn)了他們的真正需求，產(chǎn)業(yè)迫切需要從平面工藝發(fā)展到三維工藝，以及在精度上實現(xiàn)百微米以內(nèi)。” 周南嘉告訴 DeepTech，能夠很快地將技術和產(chǎn)業(yè)的需求對接，西湖大學提供了很好的環(huán)境，從實驗室到產(chǎn)業(yè)的技術轉(zhuǎn)化中，他們能夠直接從應用場景和生產(chǎn)需求出發(fā)，進行技術研發(fā)。

在實驗室中的工作更像前期探索，驗證 0-1 的階段是否可行；而當技術方案驗證可行后，便可進入下一環(huán)節(jié)，即產(chǎn)業(yè)化的推進。

圖 | 周南嘉所在的西湖大學精密智造實驗室打印的微電子器件（來源：西湖大學）

周南嘉形容，西湖未來智造有點像醫(yī)藥公司，同一時間會進行許多不同的工藝方案探索，并與企業(yè)進行合作試制。完成驗證后，西湖未來智造可以進行中小批量的生產(chǎn)，也就是 1-100 階段的生產(chǎn)。西湖未來智造也可以直接將工藝方案轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，出售定制化的 3D 打印設備，并提供后續(xù)服務。

目前，在世界范圍內(nèi)，雖然已經(jīng)有 3D 電子打印的公司，如以色列的 Nano Dimension ，但是在一到幾十微米的尺度，進行微電子和光學領域的精密制造，幾乎還沒有公司嘗試。

作為硬科技的創(chuàng)業(yè)者，周南嘉希望用世界一流的技術推進中國高端制造的發(fā)展?！斑^去很多企業(yè)的模式是根據(jù)國外已有的產(chǎn)品，去填補國內(nèi)空白，但是這樣，只能一直做被動的跟隨者。我們希望做一些真正走在前沿的技術，去引領行業(yè)的發(fā)展和變革?！?/p>

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