“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《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”、2020 求是杰出青年學者獎，同時也是西湖未來智造（杭州）科技發展有限公司的創始人。

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，中科創星跟投的數千萬的天使輪融資。

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，這是目前傳統加工方式難以滿足，而隨著通訊電子產業升級，越來越會浮現的需求。

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，在功能材料研發方面積累了豐富的經驗，同時她也是美國 3D 打印公司 Voxel8 的創始人。

周南嘉告訴 DeepTech，目前電子制造業主要在中國，因此這一塊產業很適合在中國開展。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、光電系統加工等領域的關鍵技術難題。

同時，下一代電子產品中的柔性電子、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。“常見的產品，像助聽器、醫療領域的膠囊內窺鏡，類似這樣的產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這類小型電子產品。”

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，周南嘉實現了高性能千兆赫茲的無源電子器件，并且實現了集成電路的表面組裝。微納米級別，也是目前電子 3D 打印行業的頂級精度。

要實現高精度的電子 3D 打印，需要將導電、介質、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。

材料的研發能力，是周南嘉團隊的核心技術。團隊可以針對產業需求，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，加工后在三維結構中不易變形；由于雜質少，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印；他手上的氧化石墨烯漿料接下來會用 3D 直寫技術打印為 woodpile 結構，應用于電化學材料的儲能和轉化。

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 打印已在產業中運用，采用的光固化技術也已很成熟。其原理是用光源照射，使得液態樹脂固化。

但是這不能滿足電子產品的生產需求。電子產品加工中主要涉及兩種材料，導電的金屬和作為介質的塑料。復合材料 3D 打印能夠將這兩種材料一起打印，生產由金屬和塑料兩種材料組成的復雜結構。

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

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工藝高出 1-2 個數量級。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和封裝。

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

像光電通訊領域，是下一代通訊行業發展的必經之路。光的傳輸速度快、能耗低，傳輸距離長。光電信號的轉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進行光電集成系統封裝與檢測技術研發。

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產業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業化的經驗直接拿來用。最初的思路就是利用 3D 打印快速加工的優勢生產電子零件。和產業對接的過程中，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，現在深圳工廠的工藝已經很成熟，大批量生產的成本不高，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勢，而且對比成熟的傳統工藝鏈，3D 打印的產品性能甚至在某些方面還稍有遜色。

“經過產業里多次對接，我發現了他們的真正需求，產業迫切需要從平面工藝發展到三維工藝，以及在精度上實現百微米以內。” 周南嘉告訴 DeepTech，能夠很快地將技術和產業的需求對接，西湖大學提供了很好的環境，從實驗室到產業的技術轉化中，他們能夠直接從應用場景和生產需求出發，進行技術研發。

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，便可進入下一環節，即產業化的推進。

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，也就是 1-100 階段的生產。西湖未來智造也可以直接將工藝方案轉讓給企業，出售定制化的 3D 打印設備，并提供后續服務。

目前，在世界范圍內，雖然已經有 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。

作為硬科技的創業者，周南嘉希望用世界一流的技術推進中國高端制造的發展。“過去很多企業的模式是根據國外已有的產品，去填補國內空白，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，去引領行業的發展和變革。”

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