Eksprawne zastosowanie technologii drukowania 3D w branży półprzewodników

W erze szybkiego rozwoju technologicznego drukowanie 3D, jako ważny przedstawiciel zaawansowanej technologii produkcyjnej, stopniowo zmienia oblicze tradycyjnej produkcji. Dzięki ciągłej dojrzałości technologii i zmniejszeniu kosztów technologia drukowania 3D wykazała szerokie perspektywy zastosowań w wielu dziedzinach, takich jak lotniska, produkcja samochodowa, sprzęt medyczny i projekt architektoniczny oraz promowała innowacje i rozwój tych branż.

Warto zauważyć, że potencjalny wpływ technologii druku 3D na dziedzinę zaawansowanych technologii półprzewodników staje się coraz bardziej widoczny. Jako kamień węgielny rozwoju technologii informatycznych, precyzja i wydajność procesów produkcyjnych półprzewodników wpływa na wydajność i koszt produktów elektronicznych. W obliczu potrzeb związanych z dużą precyzją, dużą złożonością i szybką iteracją w branży półprzewodników, technologia druku 3D, ze swoimi unikalnymi zaletami, przyniosła niespotykane dotąd możliwości i wyzwania w produkcji półprzewodników i stopniowo przeniknęła do wszystkich ogniw przemysłułańcuch przemysłu półprzewodników, co wskazuje, że w przemyśle półprzewodników wkrótce nastąpią głęboka zmiana.

Dlatego analiza i badanie przyszłego zastosowania technologii drukowania 3D w branży półprzewodników nie tylko pomoże nam zrozumieć impuls rozwojowy tej najnowocześniejszej technologii, ale także zapewni wsparcie techniczne i odniesienie do aktualizacji branży półprzewodników. W tym artykule analizowano najnowsze postępy technologii drukowania 3D i jej potencjalne zastosowania w branży półprzewodników i oczekuje, w jaki sposób ta technologia może promować przemysł produkcyjny półprzewodników.

Technologia drukowania 3D

Druk 3D nazywany jest również technologią wytwarzania przyrostowego. Jego zasadą jest budowanie trójwymiarowej całości poprzez układanie materiałów warstwa po warstwie. Ta innowacyjna metoda produkcji podważa tradycyjny tryb przetwarzania „odejmujący” lub „równy materiał” i może „integrować” uformowane produkty bez pomocy formy. Istnieje wiele rodzajów technologii druku 3D, a każda technologia ma swoje zalety.

Zgodnie z zasadą formowania technologii drukowania 3D istnieją głównie cztery typy.

✔ Technologia fotokingu opiera się na zasadzie polimeryzacji ultrafioletowej. Materiały światłoczujące cieczy są utwardzane przez światło ultrafioletowe i warstwę ułożoną według warstwy. Obecnie technologia ta może tworzyć ceramikę, metale i żywice o wysokiej precyzji formowania. Może być stosowany w polach przemysłu medycznego, sztuki i lotniczej.

✔ Technologia osadzania topionego, poprzez sterowaną komputerowo głowicę drukującą, która podgrzewa i topi włókno, a następnie wytłacza go według określonej trajektorii kształtu, warstwa po warstwie, i może tworzyć materiały plastikowe i ceramiczne.

✔ Technologia pisania bezpośredniego zawiesiny wykorzystuje zawiesinę o wysokiej wartości jako materiał atramentowy, który jest przechowywany w lufie i podłączony do igły wytłaczania i zainstalowana na platformie, która może ukończyć trójwymiarowy ruch pod kontrolą komputera. Poprzez ciśnienie mechaniczne lub ciśnienie pneumatyczne materiał atramentowy jest wypychany z dyszy, aby stale wyciągnąć na podłożu, a następnie odpowiadane jest odpowiadające przetwarzanie (lotny rozpuszczalnik, utwardzenie termiczne, utwardzenie światła, spiekanie itp.) Zgodnie z właściwościami materiału w celu uzyskania ostatniego trójwymiarowego komponentu. Obecnie technologię tę można zastosować do dziedzin bioceramiki i przetwarzania żywności.

✔Technologię stapiania w złożu proszkowym można podzielić na technologię selektywnego topienia laserowego (SLM) i technologię selektywnego spiekania laserowego (SLS). Obie technologie wykorzystują jako obiekty obróbki materiały proszkowe. Wśród nich energia lasera SLM jest wyższa, co może spowodować stopienie i zestalenie proszku w krótkim czasie. SLS można podzielić na bezpośredni SLS i pośredni SLS. Energia bezpośredniego SLS jest wyższa, a cząstki można bezpośrednio spiekać lub stopić, tworząc wiązanie między cząstkami. Dlatego bezpośredni SLS jest podobny do SLM. Cząstki proszku ulegają szybkiemu nagrzewaniu i chłodzeniu w krótkim czasie, co powoduje, że uformowany blok ma duże naprężenia wewnętrzne, niską gęstość ogólną i słabe właściwości mechaniczne; energia lasera pośredniego SLS jest niższa, a spoiwo zawarte w proszku jest topione przez wiązkę lasera, a cząstki są łączone. Po zakończeniu formowania wewnętrzne spoiwo usuwa się poprzez odtłuszczanie termiczne i na koniec przeprowadza się spiekanie. Technologia stapiania w złożu proszkowym umożliwia formowanie metali i ceramiki i jest obecnie stosowana w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.

Rysunek 1 (a) Technologia fotoutwardzania; b) technologia osadzania topionego; (c) Technologia bezpośredniego pisania w zawiesinie; (d) Technologia stapiania złoża proszkowego [1, 2]

Wraz z ciągłym rozwojem technologii druku 3D, jej zalety są stale demonstrowane od prototypu po produkt końcowy. Po pierwsze, jeśli chodzi o swobodę projektowania struktury produktu, największą zaletą technologii druku 3D jest możliwość bezpośredniego wytwarzania skomplikowanych struktur detali. Następnie, jeśli chodzi o dobór materiału przedmiotu formierskiego, technologia druku 3D umożliwia drukowanie różnorodnych materiałów, w tym metali, ceramiki, materiałów polimerowych itp. Pod względem procesu produkcyjnego technologia druku 3D charakteryzuje się dużą elastycznością i potrafi dostosować proces i parametry produkcyjne do rzeczywistych potrzeb.

Przemysł półprzewodnikowy

Przemysł półprzewodników odgrywa istotną rolę we współczesnej nauce, technologii i gospodarce, a jego znaczenie znajduje odzwierciedlenie w wielu aspektach. Półprzewodniki służą do budowy zminiaturyzowanych obwodów, które umożliwiają urządzeniom wykonywanie złożonych zadań obliczeniowych i przetwarzania danych. Jako ważny filar światowej gospodarki, przemysł półprzewodników zapewnia wielu krajom dużą liczbę miejsc pracy i korzyści gospodarcze. Nie tylko bezpośrednio promowało rozwój przemysłu wytwórczego elektroniki, ale także doprowadziło do rozwoju takich branż, jak tworzenie oprogramowania i projektowanie sprzętu. Ponadto w dziedzinie wojskowości i obronnościTechnologia półprzewodnikowama kluczowe znaczenie dla kluczowych urządzeń, takich jak systemy komunikacyjne, radary i nawigacja satelitarna, zapewniając bezpieczeństwo narodowe i korzyści wojskowe.

Wykres 2 „14. pięcioletni plan” (fragment) [3]

Dlatego obecny przemysł półprzewodnikowy stał się ważnym symbolem krajowej konkurencyjności, a wszystkie kraje aktywnie ją rozwijają. „14. pięcioletni plan” w moim kraju proponuje skupienie się na wspieraniu różnych kluczowych linków „wąskich gardła” w branży półprzewodnikowej, w tym głównie zaawansowane procesy, kluczowe urządzenia, półprzewodniki trzeciej generacji i inne dziedziny.

Proces przetwarzania chipów półprzewodników 3 [4]

Proces produkcji chipów półprzewodnikowych jest niezwykle złożony. Jak pokazano na rysunku 3, obejmuje on głównie następujące kluczowe kroki:Przygotowanie opłat, litografia,akwaforta, Cienkie składanie warstwy, implantacja jonów i testy opakowań. Każdy proces wymaga ścisłej kontroli i precyzyjnego pomiaru. Problemy w każdym linku mogą spowodować uszkodzenie degradacji układu lub wydajności. Dlatego produkcja półprzewodników ma bardzo wysokie wymagania dotyczące sprzętu, procesów i personelu.

Chociaż tradycyjna produkcja półprzewodników odniosła wielki sukces, nadal istnieją pewne ograniczenia: Po pierwsze, chipy półprzewodnikowe są wysoce zintegrowane i zminiaturyzowane. Wraz z kontynuacją prawa Moore'a (rysunek 4) stopień integracji chipów półprzewodnikowych stale rośnie, rozmiary komponentów stale się kurczą, a proces produkcyjny musi zapewniać niezwykle wysoką precyzję i stabilność.

Rycina 4 (a) liczba tranzystorów w CHIP nadal rośnie z czasem; (b) Rozmiar układu nadal zmniejsza się [5]

Ponadto złożoność i kontrola kosztów procesu produkcji półprzewodników. Proces produkcji półprzewodników jest złożony i opiera się na precyzyjnym sprzęcie, a każde ogniwo musi być dokładnie kontrolowane. Wysokie koszty sprzętu, koszty materiałów i koszty badań i rozwoju sprawiają, że koszty produkcji produktów półprzewodnikowych są wysokie. Dlatego konieczne jest dalsze badanie i redukcja kosztów przy jednoczesnym zapewnieniu wydajności produktu.

Jednocześnie przemysł produkujący półprzewodniki musi szybko reagować na zapotrzebowanie rynku. Wraz z szybkimi zmianami popytu na rynku. Tradycyjny model produkcji wiąże się z problemami związanymi z długim cyklem i słabą elastycznością, co utrudnia sprostanie szybkiej rotacji produktów na rynku. Dlatego też bardziej wydajny i elastyczny sposób wytwarzania stał się także kierunkiem rozwoju przemysłu półprzewodników.

ZastosowanieDrukowanie 3Dw branży półprzewodników

W dziedzinie półprzewodników technologia druku 3D również stale udowadnia swoje zastosowanie.

Po pierwsze, technologia drukowania 3D ma wysoki stopień swobody w projektowaniu konstrukcyjnym i może osiągnąć „zintegrowane” formowanie, co oznacza, że ​​można zaprojektować bardziej wyrafinowane i złożone struktury. Rycina 5 (a), system 3D optymalizuje wewnętrzną strukturę rozpraszania ciepła poprzez sztuczny projekt pomocniczy, poprawia stabilność termiczną stadium opłat, skraca czas stabilizacji termicznej wafla i poprawia wydajność i wydajność produkcji ChIP. Istnieją również złożone rurociągi wewnątrz maszyny litograficznej. Dzięki drukowaniu 3D złożone struktury rurociągów można „zintegrować” w celu zmniejszenia zużycia węży i ​​zoptymalizowania przepływu gazu w rurociągu, zmniejszając w ten sposób negatywny wpływ interferencji mechanicznej i wibracji oraz poprawiając stabilność procesu przetwarzania układów.

Rysunek 5 System 3D wykorzystuje druk 3D do formowania części (a) stolik waflowy maszyny litograficznej; (b) rurociąg kolektorowy [6]

Jeśli chodzi o dobór materiałów, technologia druku 3D umożliwia realizację materiałów trudnych do formowania tradycyjnymi metodami przetwarzania. Materiały z węglika krzemu mają wysoką twardość i wysoką temperaturę topnienia. Tradycyjne metody przetwarzania są trudne w formowaniu i mają długi cykl produkcyjny. Tworzenie złożonych struktur wymaga obróbki wspomaganej formą. Sublimation 3D opracowało niezależną dwudyszową drukarkę 3D UPS-250 i przygotowało łódki kryształowe z węglika krzemu. Po spiekaniu reakcyjnym gęstość produktu wynosi 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

Rysunek 6Kryształowa łódź z węglików krzemowych[7]

Rysunek 7 (a) sprzęt do współpracy 3D; (b) światło UV służy do konstruowania trójwymiarowych struktur, a laser służy do generowania nanocząstek srebra; (c) Zasada kółka elektronicznego 3D [8]

Tradycyjny proces produktu elektronicznego jest złożony, a wiele kroków procesowych jest wymaganych od surowców do gotowych produktów. Xiao i in. [8] Zastosowano technologię współczynnika kopii 3D do selektywnego konstruowania struktur ciała lub osadzania metali przewodzących na powierzchniach swobodnych do produkcji urządzeń elektronicznych 3D. Technologia ta obejmuje tylko jeden materiał drukarski, który można wykorzystać do budowy struktur polimerowych poprzez utwardzanie UV lub do aktywowania metalowych prekursorów w żywicach światłoczułych poprzez skanowanie laserowe w celu wytworzenia cząstek nano-metalowych w celu utworzenia obwodów przewodzących. Ponadto wynikowy obwód przewodzący wykazuje doskonałą rezystywność tak niską, jak około 6,12 ω m. Dostosowując formułę materiału i parametry przetwarzania, rezystywność można dalej kontrolować między 10-6 a 10Ω m. Można zauważyć, że technologia współpracy 3D rozwiązuje wyzwanie odkładania wielomateriału w tradycyjnej produkcji i otwiera nową ścieżkę produkcji elektronicznych 3D.

Pakowanie chipów jest kluczowym ogniwem w produkcji półprzewodników. Tradycyjna technologia pakowania również wiąże się z problemami, takimi jak złożony proces, błędy w zarządzaniu temperaturą i naprężenia spowodowane niedopasowaniem współczynników rozszerzalności cieplnej pomiędzy materiałami, co prowadzi do awarii opakowania. Technologia druku 3D może uprościć proces produkcyjny i obniżyć koszty poprzez bezpośrednie drukowanie struktury opakowania. Feng i in. [9] przygotowali elektroniczne materiały opakowaniowe ze zmianą fazy i połączyli je z technologią druku 3D, aby opakować chipy i obwody. Elektroniczny materiał opakowaniowy ze zmianą fazową przygotowany przez Fenga i in. ma wysokie ciepło utajone wynoszące 145,6 J/g i znaczną stabilność termiczną w temperaturze 130°C. W porównaniu z tradycyjnymi elektronicznymi materiałami opakowaniowymi, jego efekt chłodzenia może osiągnąć 13°C.

Rycina 8 Schemat zastosowania technologii drukowania 3D do dokładnego zamknięcia obwodów za pomocą materiałów elektronicznych zmiany faz; (b) układ LED po lewej stronie został zamknięty za pomocą elektronicznych materiałów pakowania zmiany fazowej, a chip LED po prawej nie został zamknięty; (c) Obrazy podczerwieni układów LED z enkapsulacją i bez; (d) krzywe temperatury pod tą samą mocą i różnymi materiałami opakowaniowymi; (e) złożony obwód bez schematu pakowania wiórów LED; (f) Schemat rozpraszania ciepła rozpraszania fazowych materiałów opakowaniowych elektronicznych [9]

Wyzwania technologii druku 3D w przemyśle półprzewodników

Chociaż technologia druku 3D wykazała ogromny potencjał wPrzemysł półprzewodnikowy. Jednak nadal istnieje wiele wyzwań.

Pod względem dokładności formowania obecna technologia drukowania 3D może osiągnąć dokładność 20 μm, ale nadal trudno jest spełnić wysokie standardy produkcji półprzewodników. Jeśli chodzi o wybór materiałów, chociaż technologia drukowania 3D może tworzyć różnorodne materiały, trudność formowania niektórych materiałów o specjalnych właściwościach (węglika krzemu, azotku krzemu itp.) Jest nadal stosunkowo wysoka. Pod względem kosztów produkcji druk 3D działa dobrze w produkcji spersonalizowanej małej partii, ale jego prędkość produkcji jest stosunkowo powolna w produkcji na dużą skalę, a koszt sprzętu jest wysoki, co utrudnia zaspokojenie potrzeb produkcji na dużą skalę . Technicznie, chociaż technologia drukowania 3D osiągnęła pewne wyniki rozwoju, nadal jest rozwijającą się technologią w niektórych dziedzinach i wymaga dalszych badań i rozwoju i poprawy w celu poprawy jego stabilności i niezawodności.