Prieskumná aplikácia technológie 3D tlače v polovodičovom priemysle

V ére rýchleho technologického rozvoja 3D tlač ako významný predstaviteľ pokročilých výrobných technológií postupne mení tvár tradičnej výroby. Vďaka neustálej vyspelosti technológie a znižovaniu nákladov ukázala technológia 3D tlače široké možnosti uplatnenia v mnohých oblastiach, ako je letecký priemysel, výroba automobilov, lekárske vybavenie a architektonický dizajn, a podporila inováciu a rozvoj týchto odvetví.

Stojí za zmienku, že potenciálny vplyv technológie 3D tlače v high-tech oblasti polovodičov je čoraz výraznejší. Ako základný kameň rozvoja informačných technológií ovplyvňuje presnosť a efektívnosť procesov výroby polovodičov výkon a cenu elektronických produktov. Tvárou v tvár potrebám vysokej presnosti, vysokej zložitosti a rýchlej iterácie v polovodičovom priemysle priniesla technológia 3D tlače so svojimi jedinečnými výhodami bezprecedentné príležitosti a výzvy do výroby polovodičov a postupne prenikla do všetkých spojenípriemyselný reťazec polovodičov, čo naznačuje, že polovodičový priemysel sa chystá začať hlbokú zmenu.

Preto analýza a skúmanie budúcej aplikácie technológie 3D tlače v polovodičovom priemysle nám pomôže nielen pochopiť vývojový impulz tejto špičkovej technológie, ale tiež poskytne technickú podporu a odkaz na modernizáciu polovodičového priemyslu. Tento článok analyzuje najnovší pokrok v technológii 3D tlače a jej potenciálnych aplikácií v priemysle polovodičov a teší sa na to, ako táto technológia môže podporovať priemysel výroby polovodičov.

Technológia 3D tlače

3D tlač je známa aj ako technológia aditívnej výroby. Jeho princípom je vybudovať trojrozmernú entitu ukladaním materiálov vrstvu po vrstve. Táto inovatívna výrobná metóda narúša tradičný spôsob výroby „subtraktívny“ alebo „rovnaký materiál“ a môže „integrovať“ lisované výrobky bez pomoci formy. Existuje mnoho druhov technológií 3D tlače a každá technológia má svoje výhody.

Podľa princípu formovania technológie 3D tlače existujú hlavne štyri typy.

✔ Fotografická technológia je založená na princípe ultrafialovej polymerizácie. Kvapalné fotosenzívne materiály sa vyliečia ultrafialovým svetlom a naskladanou vrstvou podľa vrstvy. V súčasnosti môže táto technológia tvoriť keramiku, kovy a živice s vysokou presnosťou formovania. Môže sa použiť v oblasti lekárskeho, umenia a leteckého priemyslu.

✔ Technológia taveného nanášania prostredníctvom počítačom riadenej tlačovej hlavy na zahriatie a roztavenie vlákna a jeho vytlačenie podľa špecifickej trajektórie tvaru, vrstvu po vrstve, a môže vytvárať plastové a keramické materiály.

✔ Technológia priameho písania kalu využíva vysoko viskostnú kašu ako atramentový materiál, ktorý je uložený v hlavni a pripojený k vytláčacej ihle, a nainštalovaný na platforme, ktorá môže pod počítačom ovládať trojrozmerný pohyb. Prostredníctvom mechanického tlaku alebo pneumatického tlaku je atramentový materiál vytlačený z dýzy, aby sa vytvoril substrát, a potom sa vykonáva zodpovedajúce následné spracovanie (prchavé rozpúšťadlo, tepelné vytvrdzovanie, vytvrdzovanie svetla, spekanie atď.) Podľa materiálových vlastností na získanie konečnej trojrozmernej zložky. V súčasnosti je možné túto technológiu aplikovať na oblasti bioceramiky a spracovania potravín.

✔Putder Bed Fusion Technológia možno rozdeliť na technológiu laserového selektívneho topenia (SLM) a technológiu laserového selektívneho spekania (SLS). Obe technológie používajú práškové materiály ako spracovateľské objekty. Medzi nimi je laserová energia SLM vyššia, čo môže v krátkom čase roztopiť prášok a stuhnúť. SLS je možné rozdeliť na priame SLS a nepriame SLS. Energia priamych SLS je vyššia a častice sa môžu priamo spekať alebo roztaviť, aby sa vytvorila väzba medzi časticami. Preto je priame SLS podobné SLM. Častice prášku prechádzajú rýchlym zahrievaním a chladením v krátkom čase, vďaka čomu má tvarovaný blok veľké vnútorné napätie, nízku celkovú hustotu a zlé mechanické vlastnosti; Laserová energia nepriamych SLS je nižšia a spojivo v prášku sa roztaví laserovým lúčom a častice sú viazané. Po dokončení formovania sa vnútorné spojivo odstránia tepelným odmastením a nakoniec sa vykonáva spekanie. Technológia fúzie práškovej postele môže tvoriť kovy a keramiku a v súčasnosti sa používa v leteckých a automobilových výrobných odboroch.

Obrázok 1 (a) Technológia fototvrdnutia; b) technológia taveného vylučovania; c) technológia priameho písania kašou; d) Technológia práškovej fúzie [1, 2]

S neustálym vývojom technológie 3D tlače sa neustále demonštrujú jej výhody od prototypovania až po finálne produkty. Po prvé, pokiaľ ide o slobodu dizajnu štruktúry produktu, najvýznamnejšou výhodou technológie 3D tlače je to, že dokáže priamo vyrábať zložité štruktúry obrobkov. Ďalej, pokiaľ ide o výber materiálu lisovaného predmetu, technológia 3D tlače môže tlačiť rôzne materiály vrátane kovov, keramiky, polymérnych materiálov atď. Z hľadiska výrobného procesu má technológia 3D tlače vysoký stupeň flexibility a môže prispôsobiť výrobný proces a parametre podľa skutočných potrieb.

Polovodičový priemysel

Polovodičový priemysel zohráva dôležitú úlohu v modernej vede a technike a hospodárstve a jeho význam sa odráža v mnohých aspektoch. Semiconductory sa používajú na vytváranie miniaturizovaných obvodov, ktoré umožňujú zariadeniam vykonávať zložité úlohy výpočtových počítačov a spracovania údajov. A ako dôležitý pilier globálnej ekonomiky, priemysel polovodičov poskytuje pre mnohé krajiny veľké množstvo pracovných miest a ekonomické výhody. Priamo propagovalo nielen rozvoj odvetvia výroby elektroniky, ale viedlo aj k rastu odvetví, ako je vývoj softvéru a návrh hardvéru. Okrem toho vo vojenských a obranných oblastiach,technológia polovodičovje kľúčová pre kľúčové vybavenie, ako sú komunikačné systémy, radary a satelitná navigácia, zabezpečujúce národnú bezpečnosť a vojenské výhody.

Graf 2 „14. päťročný plán“ (Úňatok) [3]

Súčasný polovodičový priemysel sa preto stal dôležitým symbolom národnej konkurencieschopnosti a všetky krajiny ho aktívne rozvíjajú. „14. päťročný plán“ mojej krajiny navrhuje zamerať sa na podporu rôznych kľúčových „prekážok“ v polovodičovom priemysle, najmä vrátane pokročilých procesov, kľúčových zariadení, polovodičov tretej generácie a ďalších oblastí.

Graf 3 Semiconductor Chip Processing [4]

Výrobný proces polovodičových čipov je mimoriadne zložitý. Ako je znázornené na obrázku 3, zahŕňa hlavne tieto kľúčové kroky:príprava oblátky, litografia,lepenie, nanášanie tenkých vrstiev, implantácia iónov a testovanie balenia. Každý proces vyžaduje prísnu kontrolu a presné meranie. Problémy v akomkoľvek prepojení môžu spôsobiť poškodenie čipu alebo zníženie výkonu. Preto má výroba polovodičov veľmi vysoké požiadavky na zariadenia, procesy a personál.

Aj keď tradičná výroba polovodičov dosiahla veľký úspech, stále existujú určité obmedzenia: po prvé, polovodičové čipy sú vysoko integrované a miniaturizované. S pokračovaním Mooreovho zákona (obrázok 4) sa integrácia polovodičových čipov naďalej zvyšuje, veľkosť komponentov sa neustále zmenšuje a výrobný proces potrebuje, aby sa zabezpečila extrémne vysoká presnosť a stabilita.

Obrázok 4 (a) Počet tranzistorov v čipe sa v priebehu času naďalej zvyšuje; b) Veľkosť čipu sa naďalej zmenšuje [5]

Okrem toho zložitosť a kontrola nákladov na výrobný proces polovodičov. Výrobný proces polovodičov je zložitý a spolieha sa na presné vybavenie a každé spojenie je potrebné presne kontrolovať. Vysoké náklady na vybavenie, náklady na materiál a náklady na výskum a vývoj robia výrobné náklady na polovodičové výrobky vysoké. Preto je potrebné pokračovať v skúmaní a znižovaní nákladov a zároveň zaistiť výnos produktu.

Zároveň musí priemysel výroby polovodičov rýchlo reagovať na dopyt na trhu. S rýchlymi zmenami dopytu po trhu. Tradičný výrobný model má problémy s dlhým cyklom a zlú flexibilitu, čo sťažuje splnenie rýchlej iterácie výrobkov na trhu. Preto sa účinnejšia a flexibilnejšia metóda výroby stala aj smerom rozvoja priemyslu polovodičov.

Uplatňovanie3D tlačv polovodičovom priemysle

V oblasti polovodičov, technológia 3D tlače neustále demonštrovala svoju aplikáciu.

Po prvé, technológia 3D tlače má vysoký stupeň voľnosti v štrukturálnom dizajne a môže dosiahnuť „integrované“ tvarovanie, čo znamená, že je možné navrhnúť sofistikovanejšie a komplexnejšie štruktúry. Obrázok 5 (a), 3D systém optimalizuje vnútornú štruktúru odvodu tepla pomocou umelého pomocného dizajnu, zlepšuje tepelnú stabilitu doštičky, znižuje čas tepelnej stabilizácie doštičky a zlepšuje výťažnosť a efektivitu výroby čipov. Vo vnútri litografického stroja sú tiež zložité potrubia. Prostredníctvom 3D tlače možno „integrovať“ zložité štruktúry potrubia, aby sa znížilo používanie hadíc a optimalizoval sa prietok plynu v potrubí, čím sa zníži negatívny vplyv mechanického rušenia a vibrácií a zlepší sa stabilita procesu spracovania čipu.

Obrázok 5 3D systém využíva 3D tlač na vytvorenie častí (a) litografická strojová doštička; b) rozdeľovacie potrubie [6]

Pokiaľ ide o výber materiálu, technológia 3D tlače dokáže realizovať materiály, ktoré sa ťažko formujú tradičnými metódami spracovania. Materiály z karbidu kremíka majú vysokú tvrdosť a vysokú teplotu topenia. Tradičné spôsoby spracovania sa ťažko formujú a majú dlhý výrobný cyklus. Vytváranie zložitých štruktúr vyžaduje spracovanie pomocou formy. Sublimation 3D vyvinula nezávislú dvojdýzovú 3D tlačiareň UPS-250 a pripravila krištáľové člny z karbidu kremíka. Po reakčnom spekaní je hustota produktu 2,95 až 3,02 g/cm3.

Obrázok 6Krištáľový čln kremíka[7]

Obrázok 7 (a) zariadenie na 3D kotlač; b) UV svetlo sa používa na vytváranie trojrozmerných štruktúr a laser sa používa na vytváranie nanočastíc striebra; c) Princíp 3D kotlačových elektronických komponentov[8]

Tradičný proces elektronického produktu je zložitý a od surovín po hotové výrobky sú potrebné viac krokov procesu. Xiao a kol. [8] použitá technológia 3D ko-tlačenia na selektívne konštrukciu telesných štruktúr alebo na vloženie vodivých kovov na povrchy voľnej formy na výrobu 3D elektronických zariadení. Táto technológia zahŕňa iba jeden tlačový materiál, ktorý sa môže použiť na vytváranie polymérnych štruktúr prostredníctvom UV vytvrdzovania alebo na aktiváciu prekurzorov kovov vo fotosenzitívnych živícoch cez laserové skenovanie, aby sa vytvorili nano-metalové častice za vzniku vodivých obvodov. Výsledný vodivý obvod navyše vykazuje vynikajúci odpor až približne 6,12 omen. Úpravou vzorca materiálu a parametrov spracovania sa odpor môže ďalej riadiť medzi 10-6 a 10Ωm. Je zrejmé, že technológia 3D spoločného triedenia rieši výzvu depozície viacerých materiálov v tradičnej výrobe a otvára novú cestu výroby 3D elektronických výrobkov.

Balenie čipov je kľúčovým spojením vo výrobe polovodičov. Tradičná technológia balenia má tiež problémy, ako je komplexný proces, zlyhanie tepelného riadenia a stres spôsobený nesúladom koeficientov tepelnej expanzie medzi materiálmi, čo vedie k zlyhaniu obalov. Technológia 3D tlače môže zjednodušiť výrobný proces a znížiť náklady priamo tlačou štruktúry obalu. Feng a kol. [9] pripravili fázové zmeny elektronických obalových materiálov a kombinovali ich s technológiou 3D tlače na zabalenie čipov a obvodov. Elektronický obalový materiál na zmenu fázy pripravený Feng et al. má vysoké latentné teplo 145,6 J/g a má významnú tepelnú stabilitu pri teplote 130 ° C. V porovnaní s tradičnými elektronickými obalovými materiálmi môže jeho chladiaci efekt dosiahnuť 13 ° C.

Obrázok 8 Schematický diagram použitia technológie 3D tlače na presné zapuzdrenie obvodov elektronickými materiálmi so zmenou fázy; (b) LED čip na ľavej strane bol zapuzdrený elektronickými obalovými materiálmi so zmenou fázy a LED čip na pravej strane nebol zapuzdrený; c) Infračervené snímky LED čipov so zapuzdrením a bez neho; (d) teplotné krivky pri rovnakom výkone a rôznych obalových materiáloch; (e) Schéma komplexného obvodu bez LED čipu; (f) Schematický diagram rozptylu tepla elektronických obalových materiálov so zmenou fázy [9]

Výzvy technológie 3D tlače v polovodičovom priemysle

Hoci technológia 3D tlače ukázala veľký potenciál vpolovodičový priemysel. Stále však existuje veľa výziev.

Pokiaľ ide o presnosť formovania, súčasná technológia 3D tlače môže dosiahnuť presnosť 20 μm, ale stále je ťažké splniť vysoké štandardy výroby polovodičov. Pokiaľ ide o výber materiálu, hoci technológia 3D tlače môže tvoriť rôzne materiály, obtiažnosť formovania niektorých materiálov so špeciálnymi vlastnosťami (karbid kremíka, nitrid kremíka atď.) Je stále relatívne vysoký. Pokiaľ ide o výrobné náklady, 3D tlač funguje dobre pri výrobe na mieru, ale jej výrobná rýchlosť je pomerne pomalá vo veľkej výrobe a náklady na vybavenie sú vysoké, čo sťažuje uspokojenie potrieb rozsiahlej výroby . Technicky, aj keď technológia 3D tlače dosiahla určité výsledky vývoja, v niektorých oblastiach je stále vznikajúcou technológiou a vyžaduje ďalší výskum a vývoj a zlepšenie na zlepšenie svojej stability a spoľahlivosti.