Průzkumná aplikace technologie 3D tisku v polovodičovém průmyslu

V době rychlého technologického rozvoje 3D tisk jako významný představitel pokročilé výrobní technologie postupně mění tvář tradiční výroby. Díky neustálé vyspělosti technologie a snižování nákladů ukázala technologie 3D tisku široké možnosti uplatnění v mnoha oblastech, jako je letecký průmysl, výroba automobilů, lékařské vybavení a architektonický design, a podpořila inovace a rozvoj těchto průmyslových odvětví.

Stojí za zmínku, že potenciální dopad technologie 3D tisku v high-tech oblasti polovodičů je stále výraznější. Přesnost a účinnost výrobních procesů polovodičů jako základního kamene rozvoje informačních technologií ovlivňuje výkon a cenu elektronických produktů. Tváří v tvář potřebám vysoké přesnosti, vysoké složitosti a rychlé iterace v polovodičovém průmyslu přinesla technologie 3D tisku se svými jedinečnými výhodami nebývalé příležitosti a výzvy do výroby polovodičů a postupně pronikla do všech článkůpolovodičový průmyslový řetězec, což naznačuje, že polovodičový průmysl se chystá zahájit hlubokou změnu.

Analýza a zkoumání budoucí aplikace 3D technologie tisku v polovodičovém průmyslu nám proto pomůže nejen pochopit vývojový puls této špičkové technologie, ale také poskytne technickou podporu a odkaz na modernizaci polovodičového průmyslu. Tento článek analyzuje nejnovější pokrok technologie 3D tisku a jejích potenciálních aplikací v polovodičovém průmyslu a těší se na to, jak může tato technologie propagovat odvětví výroby polovodičů.

Technologie 3D tisku

3D tisk je také známý jako aditivní výrobní technologie. Jeho principem je vytvořit trojrozměrnou entitu stohováním vrstvy materiálů po vrstvě. Tato inovativní metoda výroby podvádí tradiční výrobní režim „subtraktivní“ nebo „stejný materiál“ a může „integrovat“ formované produkty bez pomoci plísní. Existuje mnoho typů 3D tiskových technologií a každá technologie má své vlastní výhody.

Podle principu lisování technologie 3D tisku existují především čtyři typy.

✔ Technologie fotovytvrzování je založena na principu ultrafialové polymerace. Kapalné fotosenzitivní materiály se vytvrzují ultrafialovým světlem a skládají se vrstvu po vrstvě. V současnosti lze touto technologií vyrábět keramiku, kovy a pryskyřice s vysokou přesností lisování. Může být použit v oblasti lékařského, uměleckého a leteckého průmyslu.

✔ Technologie taveného nanášení prostřednictvím počítačem řízené tiskové hlavy k zahřívání a tavení vlákna a jeho vytlačování podle konkrétní tvarové trajektorie, vrstvu po vrstvě, a může vytvářet plastové a keramické materiály.

✔ Technologie přímého psaní kaše používá jako inkoustový materiál kaši s vysokou viskozitou, která je uložena v válci a připojena k vytlačovací jehle a instalována na platformě, která může dokončit trojrozměrný pohyb pod kontrolou počítače. Pomocí mechanického tlaku nebo pneumatického tlaku je inkoustový materiál vytlačován z trysky, aby se nepřetržitě vytlačoval na substrát a vytvořil se, a poté se provádí odpovídající následné zpracování (těkavé rozpouštědlo, tepelné vytvrzování, vytvrzování světlem, slinování atd.). podle materiálových vlastností pro získání finální trojrozměrné složky. V současné době lze tuto technologii aplikovat v oblastech biokeramiky a potravinářského průmyslu.

Technologii fúzních fúzí „Plowder Bed Fusion lze rozdělit na technologii laserového selektivního tání (SLM) a laserovou selektivní slinovací technologii (SLS). Obě technologie používají jako zpracovatelské objekty práškové materiály. Mezi nimi je laserová energie SLM vyšší, což může prášek roztavit a ztuhnout v krátké době. SLS lze rozdělit na přímé SLS a nepřímé SLS. Energie přímých SLS je vyšší a částice mohou být přímo slinovány nebo roztaveny, aby se vytvořily vazbu mezi částicemi. Přímé SLS je proto podobné SLM. Práškové částice podléhají rychlému zahřívání a chlazení v krátké době, což způsobuje, že formovaný blok má velké vnitřní napětí, nízkou celkovou hustotu a špatné mechanické vlastnosti; Laserová energie nepřímých SLS je nižší a pojivo v prášku je roztaveno laserovým paprskem a částice jsou spojeny. Po dokončení formování je vnitřní pojivo odstraněno tepelným odmaštěním a nakonec se provádí slinování. Technologie Fusion Powder Bed Fusion může tvořit kovy a keramiku a v současné době se používá v výrobních polích leteckých a automobilů.

Obrázek 1 (a) Technologie fotovoctu; (b) technologie fúzované depozice; (c) technologie přímého psaní kalu; (d) Technologie fúze prášku [1, 2]

S nepřetržitým vývojem technologie 3D tisku jsou její výhody neustále demonstrovány od prototypování po konečné produkty. Zaprvé, pokud jde o svobodu designu struktury produktu, nejvýznamnější výhodou 3D technologie tisku je to, že může přímo vyrábět komplexní struktury obrobků. Dále, pokud jde o výběr materiálu lisovacího objektu, může technologie 3D tisku vytisknout různé materiály, včetně kovů, keramiky, polymerních materiálů atd. Pokud jde o výrobní proces, má technologie 3D tisku vysokou flexibilitu a může upravit výrobní proces a parametry podle skutečných potřeb.

Polovodičový průmysl

Polovodičový průmysl hraje zásadní roli v moderní vědě a technologii a ekonomice a jeho význam se odráží v mnoha aspektech. Semiconductors se používají k vytváření miniaturizovaných obvodů, které umožňují zařízením provádět komplexní výpočetní a zpracování dat. A jako důležitý pilíř globální ekonomiky poskytuje polovodičový průmysl pro mnoho zemí velké množství pracovních míst a ekonomických výhod. Nejen přímo podporovala rozvoj průmyslu výroby elektroniky, ale také vedla k růstu průmyslových odvětví, jako je vývoj softwaru a návrh hardwaru. Kromě toho, v vojenských a obranných polích,Technologie polovodičeje zásadní pro klíčová zařízení, jako jsou komunikační systémy, radary a satelitní navigace, zajišťující národní bezpečnost a vojenské výhody.

Graf 2 "14. pětiletý plán" (výňatek) [3]

Současný polovodičový průmysl se proto stal důležitým symbolem národní konkurenceschopnosti a všechny země jej aktivně rozvíjejí. „14. pětiletý plán“ mé země navrhuje zaměřit se na podporu různých klíčových „úzkých“ vazeb v polovodičovém průmyslu, zejména včetně pokročilých procesů, klíčových zařízení, polovodičů třetí generace a dalších oblastí.

Graf 3 Proces zpracování polovodičů [4]

Výrobní proces polovodičových čipů je extrémně složitý. Jak je znázorněno na obrázku 3, zahrnuje především následující klíčové kroky:Příprava oplatky, litografie,lept, depozice tenkých filmů, implantace iontů a testování balení. Každý proces vyžaduje přísné kontroly a přesné měření. Problémy v jakémkoli spojení mohou způsobit poškození degradace čipu nebo výkonu. Proto má výroba polovodičů velmi vysoké požadavky na zařízení, procesy a personál.

Ačkoli tradiční polovodičová výroba dosáhla velkého úspěchu, stále existují určitá omezení: za prvé, polovodičové čipy jsou vysoce integrované a miniaturizované. S pokračováním Mooreova zákona (obrázek 4) se integrace polovodičových čipů stále zvyšuje, velikost komponent se stále zmenšuje a výrobní proces musí zajistit extrémně vysokou přesnost a stabilitu.

Obrázek 4 (a) Počet tranzistorů v čipu se v průběhu času stále zvyšuje; (b) Velikost čipu se stále zmenšuje [5]

Navíc složitost a kontrola nákladů na proces výroby polovodičů. Proces výroby polovodičů je složitý a spoléhá na přesné vybavení a každý článek musí být přesně řízen. Vysoké náklady na vybavení, materiálové náklady a náklady na výzkum a vývoj způsobují, že výrobní náklady polovodičových produktů jsou vysoké. Proto je nutné nadále zkoumat a snižovat náklady při zajištění výtěžnosti produktu.

Zároveň musí průmysl výroby polovodičů rychle reagovat na poptávku trhu. S rychlými změnami poptávky na trhu. Tradiční výrobní model má problémy s dlouhým cyklem a špatnou flexibilitou, což ztěžuje uspokojení rychlého opakování produktů na trhu. Proto se také směr vývoje polovodičového průmyslu stal účinnější a flexibilnější způsob výroby.

Aplikace3D tiskv polovodičovém průmyslu

V oblasti polovodičů také technologie 3D tisku neustále prokazuje své uplatnění.

Za prvé, technologie 3D tisku má vysoký stupeň volnosti při navrhování konstrukce a může dosáhnout „integrovaného“ tvarování, což znamená, že lze navrhovat sofistikovanější a složitější struktury. Obrázek 5 (a), 3D systém optimalizuje vnitřní strukturu odvodu tepla pomocí umělého pomocného designu, zlepšuje tepelnou stabilitu waferového stupně, zkracuje dobu tepelné stabilizace waferu a zlepšuje výtěžnost a efektivitu výroby čipů. Uvnitř litografického stroje jsou také složitá potrubí. Prostřednictvím 3D tisku lze „integrovat“ složité struktury potrubí, aby se omezilo používání hadic a optimalizoval proudění plynu v potrubí, čímž se sníží negativní dopad mechanické interference a vibrací a zlepší se stabilita procesu zpracování čipu.

Obrázek 5 3D systém používá 3D tisk k vytvoření dílů (a) litografický strojový plátek; b) potrubí potrubí [6]

Pokud jde o výběr materiálu, technologie 3D tisku může realizovat materiály, které jsou obtížně tvarovatelné tradičními metodami zpracování. Materiály z karbidu křemíku mají vysokou tvrdost a vysoký bod tání. Tradiční způsoby zpracování se obtížně formují a mají dlouhý výrobní cyklus. Tvorba složitých struktur vyžaduje zpracování za pomoci formy. Sublimation 3D vyvinula nezávislou dvoutryskovou 3D tiskárnu UPS-250 a připravila čluny z krystalů karbidu křemíku. Po reakčním slinování je hustota produktu 2,95~3,02 g/cm3.

Obrázek 6Krystalická loď křemíku karbidu[7]

Obrázek 7 (a) 3D zařízení pro společný tisk; (b) UV světlo se používá ke konstrukci trojrozměrných struktur a laser se používá k vytváření nanočástic stříbra; (c) Princip 3D co-printing elektronických součástek[8]

Tradiční proces elektronického produktu je složitý a od surovin po hotové výrobky je vyžadováno více procesů. Xiao a kol. [8] Používá se technologie 3D co-tisku pro selektivní konstrukci tělesných struktur nebo vložení vodivých kovů na povrchy volné formy pro výrobu 3D elektronických zařízení. Tato technologie zahrnuje pouze jeden tiskový materiál, který lze použít k vytváření polymerních struktur prostřednictvím UV léčbu nebo k aktivaci kovových prekurzorů ve fotosenzitivních pryskyřicích prostřednictvím laserového skenování za vzniku nanokovových částic za účelem vytvoření vodivých obvodů. Kromě toho výsledný vodivý obvod vykazuje vynikající odpor až asi 6,12 µωm. Nastavením vzorce materiálu a parametrů zpracování lze odpor dále kontrolovat mezi 10-6 a 10Ωm. Je vidět, že 3D technologie spolupráce řeší výzvu multi-materiální depozice v tradiční výrobě a otevírá novou cestu pro výrobu 3D elektronických produktů.

Balení čipů je klíčovým odkazem ve výrobě polovodičů. Tradiční technologie balení má také problémy, jako je složitý proces, selhání tepelného řízení a stres způsobený nesouladem koeficientů tepelné roztažnosti mezi materiály, což vede k selhání balení. Technologie 3D tisku může zjednodušit výrobní proces a snížit náklady přímým vytištěním struktury obalu. Feng et al. [9] Připravili fázové změny elektronických obalových materiálů a kombinovaly je s technologií 3D tisku pro zabalení čipů a obvodů. Fázový změna elektronického obalového materiálu připraveného Feng et al. má vysoké latentní teplo 145,6 J/g a má významnou tepelnou stabilitu při teplotě 130 ° C. Ve srovnání s tradičními elektronickými obalovými materiály může jeho chladicí účinek dosáhnout 13 ° C.

Obrázek 8 Schematické schéma využití technologie 3D tisku k přesnému zapouzdření obvodů elektronickými materiály se změnou fáze; (b) LED čip na levé straně byl zapouzdřen elektronickými obalovými materiály s fázovou změnou a LED čip napravo nebyl zapouzdřen; (c) Infračervené snímky LED čipů se zapouzdřením a bez něj; (d) teplotní křivky při stejném výkonu a různých obalových materiálech; (e) Schéma komplexního obvodu bez LED čipu; (f) Schematický diagram odvodu tepla elektronických obalových materiálů se změnou fáze [9]

Výzvy technologie 3D tisku v polovodičovém průmyslu

Přestože technologie 3D tisku ukázala velký potenciál vpolovodičový průmysl. Stále však existuje mnoho výzev.

Pokud jde o přesnost lisování, současná technologie 3D tisku může dosáhnout přesnosti 20μm, ale stále je obtížné splnit vysoké standardy výroby polovodičů. Pokud jde o výběr materiálu, ačkoli technologie 3D tisku může vytvářet různé materiály, obtížnost lisování některých materiálů se speciálními vlastnostmi (karbid křemíku, nitrid křemíku atd.) je stále poměrně vysoká. Pokud jde o výrobní náklady, 3D tisk funguje dobře v malosériové zakázkové výrobě, ale jeho výrobní rychlost je relativně pomalá ve velkovýrobě a náklady na zařízení jsou vysoké, což ztěžuje uspokojení potřeb velkosériové výroby. . Technicky, ačkoli technologie 3D tisku dosáhla určitých vývojových výsledků, je v některých oblastech stále nově vznikající technologií a vyžaduje další výzkum a vývoj a zlepšování, aby se zlepšila její stabilita a spolehlivost.