Истраживачка примена технологије 3Д штампања у индустрији полупроводника

У ери брзог технолошког развоја, 3Д штампа, као важан представник напредне производне технологије, постепено мења лице традиционалне производње. Уз континуирану зрелост технологије и смањење трошкова, технологија 3Д штампања је показала широке изгледе за примену у многим областима као што су ваздухопловство, производња аутомобила, медицинска опрема и архитектонски дизајн, и промовисала је иновације и развој ових индустрија.

Вреди напоменути да потенцијални утицај технологије 3Д штампања у високотехнолошкој области полупроводника постаје све израженији. Као камен темељац развоја информационих технологија, прецизност и ефикасност процеса производње полупроводника утичу на перформансе и цену електронских производа. Суочена са потребама високе прецизности, високе сложености и брзе итерације у индустрији полупроводника, технологија 3Д штампања, са својим јединственим предностима, донела је невиђене могућности и изазове у производњу полупроводника, и постепено је продрла у све карикеланац индустрије полупроводника, што указује да ће индустрија полупроводника ускоро увести дубоку промену.

Стога, анализа и истраживање будуће примене технологије 3Д штампања у индустрији полупроводника не само да ће нам помоћи да схватимо развојни пулс ове најсавременије технологије, већ ће нам такође пружити техничку подршку и референцу за надоградњу индустрије полупроводника. Овај чланак анализира најновији напредак технологије 3Д штампања и њене потенцијалне примене у индустрији полупроводника, и радује се како ова технологија може да промовише индустрију производње полупроводника.

Технологија 3Д штампања

3Д штампање је такође познато као технологија адитивне производње. Његов принцип је да се изгради тродимензионални ентитет слагањем материјала слој по слој. Овај иновативни производни метод подрива традиционални начин производње „субтрацтиве” или „једнаког материјала” и може „интегрисати” обликоване производе без помоћи калупа. Постоји много врста технологија 3Д штампања, а свака технологија има своје предности.

Према принципу обликовања технологије 3Д штампања, постоје углавном четири врсте.

✔ Технологија фотоочвршћавања заснована је на принципу ултраљубичасте полимеризације. Течни фотоосетљиви материјали се очвршћавају ултраљубичастим светлом и слажу слој по слој. Тренутно, ова технологија може да формира керамику, метале и смоле са високом прецизношћу обликовања. Може се користити у области медицинске, уметничке и ваздухопловне индустрије.

✔ Технологија фузионог таложења, преко компјутерски вођене главе штампача за загревање и топљење филамента, и екструдирање према одређеној путањи облика, слој по слој, и може да формира пластичне и керамичке материјале.

✔ Технологија директног писања суспензије користи муљ високог вискозитета као материјал мастила, који се чува у цеви и повезује са иглом за екструзију, и инсталира се на платформу која може да заврши тродимензионално кретање под контролом рачунара. Механичким притиском или пнеуматским притиском, материјал мастила се истискује из млазнице да би се континуирано екструдирао на подлогу да би се формирао, а затим се врши одговарајућа накнадна обрада (испарљиви растварач, термичко очвршћавање, светлосно полимеризација, синтеровање, итд.) према својствима материјала да би се добила коначна тродимензионална компонента. Тренутно се ова технологија може применити у области биокерамике и прераде хране.

✔Технологија фузије у слоју праха може се поделити на технологију ласерског селективног топљења (СЛМ) и технологију ласерског селективног синтеровања (СЛС). Обе технологије користе прашкасте материјале као објекте за обраду. Међу њима, ласерска енергија СЛМ-а је већа, што може учинити да се прах растопи и учврсти за кратко време. СЛС се може поделити на директни СЛС и индиректни СЛС. Енергија директног СЛС-а је већа, а честице се могу директно синтеровати или растопити да би се створила веза између честица. Дакле, директни СЛС је сличан СЛМ. Честице праха пролазе брзо загревање и хлађење за кратко време, због чега обликовани блок има велико унутрашње напрезање, ниску укупну густину и лоша механичка својства; ласерска енергија индиректног СЛС је нижа, а везиво у праху се топи ласерским зраком и честице се везују. Након што је формирање завршено, унутрашње везиво се уклања термичким одмашћивањем и на крају се врши синтеровање. Технологија фузије у праху може да формира метале и керамику и тренутно се користи у областима ваздухопловства и производње аутомобила.

Слика 1 (а) Технологија фотоочвршћавања; (б) Технологија фузионог таложења; (ц) Технологија директног писања каше; (д) Технологија фузије у слоју праха [1, 2]

Уз континуирани развој технологије 3Д штампања, њене предности се стално показују од израде прототипа до финалних производа. Прво, у смислу слободе дизајна структуре производа, најзначајнија предност технологије 3Д штампања је то што може директно да производи сложене структуре радних комада. Затим, у погледу избора материјала за калупни предмет, технологија 3Д штампања може да штампа различите материјале, укључујући метале, керамику, полимерне материјале, итд. У погледу процеса производње, технологија 3Д штампања има висок степен флексибилности и може прилагодити производни процес и параметре према стварним потребама.

Индустрија полупроводника

Индустрија полупроводника игра виталну улогу у савременој науци и технологији и економији, а њен значај се огледа у многим аспектима. Полупроводници се користе за изградњу минијатуризованих кола, која омогућавају уређајима да обављају сложене рачунарске и задатке обраде података. И као важан стуб глобалне економије, индустрија полупроводника пружа велики број радних места и економске користи за многе земље. Не само да је директно промовисао развој индустрије производње електронике, већ је довео и до раста индустрија као што су развој софтвера и дизајн хардвера. Поред тога, у војној и одбрамбеној области,технологија полупроводникаје кључна за кључну опрему као што су комуникациони системи, радари и сателитска навигација, обезбеђујући националну безбедност и војне предности.

Графикон 2 „14. петогодишњи план“ (извод) [3]

Стога је садашња индустрија полупроводника постала важан симбол националне конкурентности и све земље је активно развијају. „14. петогодишњи план“ моје земље предлаже да се фокусира на подршку различитим кључним везама „уских грла“ у индустрији полупроводника, углавном укључујући напредне процесе, кључну опрему, полупроводнике треће генерације и друга поља.

Графикон 3 Процес обраде полупроводничких чипова [4]

Процес производње полупроводничких чипова је изузетно сложен. Као што је приказано на слици 3, он углавном укључује следеће кључне кораке:припрема вафла, литографија,бакропис, таложење танког филма, имплантација јона и тестирање паковања. Сваки процес захтева строгу контролу и прецизно мерење. Проблеми у било којој вези могу довести до оштећења чипа или деградације перформанси. Због тога производња полупроводника има веома високе захтеве за опремом, процесима и особљем.

Иако је традиционална производња полупроводника постигла велики успех, још увек постоје нека ограничења: прво, полупроводнички чипови су високо интегрисани и минијатуризовани. Са наставком Муровог закона (слика 4), интеграција полупроводничких чипова наставља да се повећава, величина компоненти наставља да се смањује, а процес производње треба да обезбеди изузетно високу прецизност и стабилност.

Слика 4 (а) Број транзистора у чипу наставља да расте током времена; (б) Величина чипа наставља да се смањује [5]

Поред тога, сложеност и контрола трошкова процеса производње полупроводника. Процес производње полупроводника је сложен и ослања се на прецизну опрему, а сваку везу треба прецизно контролисати. Високи трошкови опреме, трошкови материјала и трошкови истраживања и развоја чине трошкове производње полупроводничких производа високим. Стога је неопходно наставити са истраживањем и смањењем трошкова уз обезбеђивање приноса производа.

Истовремено, индустрија производње полупроводника треба брзо да одговори на потражњу тржишта. Уз брзе промене тржишне потражње. Традиционални производни модел има проблеме дугог циклуса и слабе флексибилности, што отежава испуњавање брзе итерације производа на тржишту. Стога је ефикаснија и флексибилнија метода производње такође постала правац развоја индустрије полупроводника.

Примена3Д штампањеу индустрији полупроводника

У области полупроводника, технологија 3Д штампања је такође континуирано демонстрирала своју примену.

Прво, технологија 3Д штампања има висок степен слободе у структурном дизајну и може постићи "интегрисано" обликовање, што значи да се могу дизајнирати софистицираније и сложеније структуре. Слика 5 (а), 3Д систем оптимизује унутрашњу структуру дисипације топлоте путем вештачког помоћног дизајна, побољшава термичку стабилност фазе плочице, смањује време термалне стабилизације плочице и побољшава принос и ефикасност производње чипова. Унутар машине за литографију постоје и сложени цевоводи. Путем 3Д штампања, сложене структуре цевовода се могу „интегрисати“ како би се смањила употреба црева и оптимизовао проток гаса у цевоводу, чиме се смањује негативан утицај механичких сметњи и вибрација и побољшава стабилност процеса обраде чипова.

Слика 5 3Д систем користи 3Д штампање за формирање делова (а) фаза литографске машине; (б) разводни цевовод [6]

У погледу избора материјала, технологија 3Д штампања може да реализује материјале који се тешко формирају традиционалним методама обраде. Материјали од силицијум карбида имају високу тврдоћу и високу тачку топљења. Традиционалне методе обраде се тешко формирају и имају дуг производни циклус. Формирање сложених структура захтева обраду помоћу калупа. Сублиматион 3Д је развио независни 3Д штампач са две млазнице УПС-250 и припремио кристалне чамце од силицијум карбида. Након реакционог синтеровања, густина производа је 2,95~3,02г/цм3.

Слика 6Кристални чамац од силицијум карбида[7]

Слика 7 (а) Опрема за 3Д ко-штампање; (б) УВ светло се користи за конструисање тродимензионалних структура, а ласер се користи за генерисање наночестица сребра; (ц) Принцип 3Д ко-штампа електронских компоненти[8]

Традиционални процес електронског производа је сложен и потребно је више корака процеса од сировина до готових производа. Ксиао ет ал.[8] користио је технологију 3Д заједничког штампања за селективну конструкцију каросерије или уградњу проводних метала на површине слободног облика за производњу 3Д електронских уређаја. Ова технологија укључује само један штампарски материјал, који се може користити за изградњу полимерних структура кроз УВ очвршћавање, или за активирање металних прекурсора у фотоосетљивим смолама путем ласерског скенирања да би се произвеле нано-металне честице за формирање проводних кола. Поред тога, резултирајуће проводно коло показује одличну отпорност од око 6,12 µΩм. Подешавањем формуле материјала и параметара обраде, отпорност се може даље контролисати између 10-6 и 10Ωм. Може се видети да технологија 3Д ко-штампања решава изазов депозиције више материјала у традиционалној производњи и отвара нови пут за производњу 3Д електронских производа.

Паковање чипова је кључна карика у производњи полупроводника. Традиционална технологија паковања такође има проблеме као што су сложен процес, неуспех у управљању топлотом и напрезање узроковано неусклађеношћу коефицијената термичког ширења између материјала, што доводи до квара амбалаже. Технологија 3Д штампања може да поједностави процес производње и смањи трошкове директним штампањем структуре паковања. Фенг ет ал. [9] је припремио електронске материјале за паковање са променом фазе и комбиновао их са технологијом 3Д штампања за паковање чипова и кола. Електронски материјал за паковање са променом фазе који су припремили Фенг ет ал. има високу латентну топлоту од 145,6 Ј/г и има значајну термичку стабилност на температури од 130°Ц. У поређењу са традиционалним електронским материјалима за паковање, његов ефекат хлађења може да достигне 13°Ц.

Слика 8 Шематски дијаграм коришћења технологије 3Д штампања за прецизно инкапсулирање кола са електронским материјалима са променом фазе; (б) ЛЕД чип са леве стране је инкапсулиран са електронским материјалима за паковање са променом фазе, а ЛЕД чип са десне стране није инкапсулиран; (ц) инфрацрвене слике ЛЕД чипова са и без инкапсулације; (д) температурне криве под истом снагом и различитим материјалима за паковање; (е) Сложено коло без дијаграма паковања ЛЕД чипова; (ф) Шематски дијаграм одвођења топлоте електронских материјала за паковање са променом фазе [9]

Изазови технологије 3Д штампања у индустрији полупроводника

Иако је технологија 3Д штампања показала велики потенцијал уиндустрија полупроводника. Међутим, још увек има много изазова.

Што се тиче тачности обликовања, тренутна технологија 3Д штампања може постићи тачност од 20 μм, али је и даље тешко испунити високе стандарде производње полупроводника. У погледу избора материјала, иако технологија 3Д штампања може да формира различите материјале, тешкоћа обликовања неких материјала са посебним својствима (силицијум карбид, силицијум нитрид, итд.) је и даље релативно висока. Што се тиче трошкова производње, 3Д штампа има добре резултате у малосеријској прилагођеној производњи, али је његова брзина производње релативно спора у великој производњи, а трошкови опреме су високи, што отежава испуњавање потреба велике производње. . Технички, иако је технологија 3Д штампања постигла одређене развојне резултате, она је и даље технологија у настајању у неким областима и захтева даље истраживање и развој и побољшање како би се побољшала стабилност и поузданост.