Проучвателно приложение на технологията за 3D печат в полупроводниковата индустрия

В епохата на бързо технологично развитие, 3D принтирането, като важен представител на напредналите производствени технологии, постепенно променя лицето на традиционното производство. С непрекъснатото развитие на технологиите и намаляването на разходите, технологията за 3D печат показа широки перспективи за приложение в много области като космическата промишленост, производството на автомобили, медицинското оборудване и архитектурния дизайн и насърчи иновациите и развитието на тези индустрии.

Заслужава да се отбележи, че потенциалното въздействие на технологията за 3D печат в областта на високите технологии на полупроводниците става все по-забележимо. Като крайъгълен камък на развитието на информационните технологии, прецизността и ефективността на процесите на производство на полупроводници влияят на производителността и цената на електронните продукти. Изправена пред нуждите от висока прецизност, висока сложност и бърза итерация в полупроводниковата индустрия, технологията за 3D печат, със своите уникални предимства, донесе безпрецедентни възможности и предизвикателства пред производството на полупроводници и постепенно навлезе във всички връзки наПолупроводникова индустриална верига, показвайки, че полупроводниковата индустрия е на път да въведе дълбока промяна.

Следователно, анализирането и проучването на бъдещото приложение на технологията за 3D печат в полупроводниковата индустрия не само ще ни помогне да разберем пулса на развитие на тази авангардна технология, но също така ще предостави техническа поддръжка и справка за надграждане на полупроводниковата индустрия. Тази статия анализира най-новия напредък на технологията за 3D печат и нейните потенциални приложения в полупроводниковата индустрия и очаква как тази технология може да популяризира индустрията за производство на полупроводници.

3D технология за печат

3D печат е известен още като технология за производство на добавки. Нейният принцип е да изгради триизмерно образувание чрез подреждане на материали слой по слой. Този иновативен метод за производство подрива традиционния производствен „изваждащ“ или „равен материал“ режим на обработка и може да „интегрира“ формованите продукти без помощта на плесени. Има много видове технологии за 3D печат и всяка технология има свои предимства.

Според принципа на формоване на технологията за 3D печат, има главно четири вида.

✔ Технологията за фотополимеризация се основава на принципа на ултравиолетовата полимеризация. Течните фоточувствителни материали се втвърдяват с ултравиолетова светлина и се подреждат слой по слой. Понастоящем тази технология може да формира керамика, метали и смоли с висока прецизност на формоване. Може да се използва в областта на медицината, изкуството и авиационната индустрия.

✔ Технологията за отлагане на отлагане, чрез компютърно управляваната печатна глава за загряване и разтопяване на нишката и я екструдира според специфична траектория на формата, слой по слой и може да образува пластмасови и керамични материали.

✔ Технологията за директно писане на каша използва каша с висока вискозитет като материал с мастило, който се съхранява в цевта и се свързва с иглата за екструдиране и се инсталира на платформа, която може да завърши триизмерното движение под компютърно управление. Чрез механично налягане или пневматично налягане, мастилният материал се изтласква от дюзата, за да се екструдира непрекъснато върху субстрата и след това се извършва съответната пост-обработка (летлив разтворител, термично втвърдяване, светло втвърдяване, синтероване и др.) Според свойствата на материала за получаване на последния триизмерен компонент. Понастоящем тази технология може да се приложи в областта на биоцерамиката и обработката на храни.

✔Технологията за синтез на прахообразно легло може да бъде разделена на технология за лазерно селективно топене (SLM) и технология за лазерно селективно синтероване (SLS). И двете технологии използват прахообразни материали като обработващи обекти. Сред тях лазерната енергия на SLM е по-висока, което може да накара праха да се стопи и втвърди за кратко време. SLS може да бъде разделен на директен SLS и индиректен SLS. Енергията на директния SLS е по-висока и частиците могат да бъдат директно синтеровани или разтопени, за да образуват връзка между частиците. Следователно директният SLS е подобен на SLM. Праховите частици претърпяват бързо нагряване и охлаждане за кратко време, което прави формования блок с голямо вътрешно напрежение, ниска обща плътност и лоши механични свойства; лазерната енергия на индиректния SLS е по-ниска и свързващото вещество в праха се разтопява от лазерния лъч и частиците се свързват. След приключване на формоването вътрешното свързващо вещество се отстранява чрез термично обезмасляване и накрая се извършва синтероване. Технологията за сливане на прахово легло може да формира метали и керамика и в момента се използва в аерокосмическата и автомобилната промишленост.

Фигура 1 (а) технология за фотокуриране; б) технология за отлагане на слети; в) технология за директно писане на каша; (D) Технология за сливане на прахово легло [1, 2]

С непрекъснатото развитие на технологията за 3D печат, нейните предимства непрекъснато се демонстрират от създаването на прототипи до крайните продукти. Първо, по отношение на свободата на проектиране на структурата на продукта, най-същественото предимство на технологията за 3D печат е, че тя може директно да произвежда сложни структури от детайли. След това, по отношение на избора на материал на формовъчния обект, технологията за 3D печат може да отпечата различни материали, включително метали, керамика, полимерни материали и др. По отношение на производствения процес, технологията за 3D печат има висока степен на гъвкавост и може да коригира производствения процес и параметрите според действителните нужди.

Полупроводникова индустрия

Полупроводниковата индустрия играе жизненоважна роля в съвременната наука и технологии и икономика и нейното значение се отразява в много аспекти. Полупроводниците се използват за изграждане на миниатюризирани схеми, които позволяват на устройствата да изпълняват сложни задачи за изчислителни и обработка на данни. И като важен стълб на световната икономика, полупроводниковата индустрия осигурява голям брой работни места и икономически ползи за много страни. Той не само директно насърчава развитието на индустрията за производство на електроника, но и доведе до растежа на индустрии като разработка на софтуер и хардуер. Освен това във военните и отбранителни полета,Полупроводникова технологияе от решаващо значение за ключово оборудване като комуникационни системи, радари и сателитна навигация, осигурявайки национална сигурност и военни предимства.

Графика 2 "14-ти петгодишен план" (откъс) [3]

Следователно настоящата полупроводникова индустрия се превърна в важен символ на националната конкурентоспособност и всички страни активно я развиват. „14-ият петгодишен план“ на моята страна предлага да се съсредоточи върху подкрепата на различни ключови „затруднени“ връзки в полупроводниковата индустрия, главно включване на модерни процеси, ключово оборудване, полупроводници от трето поколение и други области.

Диаграма 3 Процес на обработка на полупроводникови чипове [4]

Процесът на производство на полупроводникови чипове е изключително сложен. Както е показано на фигура 3, той включва главно следните ключови стъпки:приготвяне на вафла, литография,офорт, отлагане на тънък филм, йонна имплантация и тестване на опаковки. Всеки процес изисква строг контрол и прецизно измерване. Проблемите във всяка връзка могат да причинят повреда на деградацията на чипа или производителността. Следователно производството на полупроводници има много високи изисквания за оборудване, процеси и персонал.

Въпреки че традиционното производство на полупроводници постигна голям успех, все още има някои ограничения: първо, полупроводниковите чипове са силно интегрирани и миниатюризирани. С продължаването на закона на Мур (Фигура 4) интегрирането на полупроводниковите чипове продължава да се увеличава, размерът на компонентите продължава да се свива и производственият процес трябва да осигури изключително висока точност и стабилност.

Фигура 4 (а) броят на транзисторите в чип продължава да се увеличава с течение на времето; (б) Размерът на чипа продължава да се свива [5]

В допълнение, сложността и контрола на разходите на процеса на производство на полупроводници. Процесът на производство на полупроводници е сложен и разчита на прецизно оборудване и всяка връзка трябва да бъде точно контролирана. Високата цена на оборудването, материалните разходи и разходите за научноизследователска и развойна дейност правят производствените разходи за полупроводникови продукти високи. Следователно е необходимо да продължите да проучвате и намалите разходите, като същевременно се гарантира добив на продукта.

В същото време индустрията за производство на полупроводници трябва бързо да отговори на търсенето на пазара. С бързите промени в търсенето на пазара. Традиционният производствен модел има проблемите на дългия цикъл и лошата гъвкавост, което затруднява посрещането на бързото итерация на продуктите на пазара. Следователно, по -ефективният и гъвкав метод за производство също се превърна в посока на развитие на полупроводниковата индустрия.

Прилагане на3D печатВ полупроводниковата индустрия

В полето за полупроводници 3D технологията за печат също непрекъснато демонстрира своето приложение.

Първо, технологията за 3D печат има висока степен на свобода в структурния дизайн и може да постигне "интегрирано" формоване, което означава, че могат да бъдат проектирани по-сложни и сложни структури. Фигура 5 (a), 3D система оптимизира вътрешната структура на разсейване на топлината чрез изкуствен спомагателен дизайн, подобрява термичната стабилност на етапа на пластината, намалява времето за термична стабилизация на пластината и подобрява добива и ефективността на производството на чипове. Вътре в литографската машина има и сложни тръбопроводи. Чрез 3D печат могат да бъдат „интегрирани“ сложни тръбопроводни структури, за да се намали използването на маркучи и да се оптимизира газовият поток в тръбопровода, като по този начин се намали отрицателното въздействие на механичните смущения и вибрациите и се подобри стабилността на процеса на обработка на чипове.

Фигура 5 3D система използва 3D печат за формиране на части (a) етап на литографска машина за пластини; б) колекторен тръбопровод [6]

По отношение на избора на материал, технологията за 3D печат може да реализира материали, които са трудни за формоване чрез традиционни методи на обработка. Материалите от силициев карбид имат висока твърдост и висока точка на топене. Традиционните методи на обработка са трудни за формоване и имат дълъг производствен цикъл. Формирането на сложни структури изисква обработка с помощта на матрица. Sublimation 3D разработи независим 3D принтер с две дюзи UPS-250 и подготви кристални лодки от силициев карбид. След реакционно синтероване, плътността на продукта е 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

Фигура 6Кристална лодка на силициев карбид[7]

Фигура 7 (a) Оборудване за 3D съвместен печат; (б) UV светлина се използва за конструиране на триизмерни структури, а лазерът се използва за генериране на сребърни наночастици; в) Принцип на 3D съвместно отпечатване на електронни компоненти[8]

Традиционният процес на електронни продукти е сложен и са необходими множество стъпки на процеса от суровините до готовите продукти. Xiao et al.[8] използва технология за 3D съвместно отпечатване за селективно конструиране на структури на тялото или вграждане на проводими метали върху повърхности със свободна форма за производство на 3D електронни устройства. Тази технология включва само един печатен материал, който може да се използва за изграждане на полимерни структури чрез UV втвърдяване или за активиране на метални прекурсори във фоточувствителни смоли чрез лазерно сканиране за производство на нанометални частици за образуване на проводими вериги. В допълнение, получената проводяща верига показва отлично съпротивление от около 6,12µΩm. Чрез регулиране на формулата на материала и параметрите на обработка, съпротивлението може да бъде допълнително контролирано между 10-6 и 10Ωm. Може да се види, че технологията за 3D съвместен печат решава предизвикателството на отлагането на много материали в традиционното производство и отваря нов път за производство на 3D електронни продукти.

Опаковането на чипове е ключова връзка при производството на полупроводници. Традиционната технология за опаковане също има проблеми като сложен процес, неуспех на термичното управление и стрес, причинен от несъответствие на коефициентите на термично разширяване между материалите, което води до отказ на опаковане. Технологията за 3D печат може да опрости производствения процес и да намали разходите чрез директно отпечатване на опаковката. Feng et al. [9] Подготвена фаза Промяна на електронните опаковъчни материали и ги комбинира с 3D технология за печат за пакетиране на чипове и схеми. Електронният опаковъчен материал за промяна на фазата, приготвен от Feng et al. има висока латентна топлина от 145,6 J/g и има значителна топлинна стабилност при температура 130 ° C. В сравнение с традиционните електронни опаковъчни материали, неговият охлаждащ ефект може да достигне 13 ° C.

Фигура 8 Схематична схема на използване на 3D технология за печат за точно капсулиране на вериги с електронни материали за промяна на фазата; (б) LED чипът вляво е капсулиран с електронни опаковъчни материали за промяна на фазата, а LED чипът вдясно не е капсулиран; в) инфрачервени изображения на LED чипове със и без капсулиране; г) температурни криви при една и съща мощност и различни опаковъчни материали; д) сложна верига без схема за опаковане на светодиоди; (F) Схематична схема на разсейване на топлина на фазовата промяна на електронните опаковъчни материали [9]

Предизвикателства на технологията за 3D печат в полупроводниковата индустрия

Въпреки че технологията за 3D печат показа голям потенциал вполупроводникова индустрия. Все пак има много предизвикателства.

По отношение на точността на формоване, настоящата технология за 3D печат може да постигне точност от 20 μm, но все още е трудно да се изпълнят високите стандарти за производство на полупроводници. По отношение на избора на материал, въпреки че технологията за 3D печат може да формира различни материали, трудността при формоване на някои материали със специални свойства (силициев карбид, силициев нитрид и др.) все още е относително висока. По отношение на производствените разходи, 3D печатът се представя добре при персонализирано производство на малки партиди, но скоростта му на производство е сравнително бавна при широкомащабно производство, а цената на оборудването е висока, което затруднява посрещането на нуждите на широкомащабното производство . Технически, въпреки че технологията за 3D печат е постигнала определени резултати в развитието, тя все още е нововъзникваща технология в някои области и изисква по-нататъшни изследвания и разработки и подобрения, за да се подобри нейната стабилност и надеждност.