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 spojeníreťazec polovodičového priemyslu, čo naznačuje, že polovodičový priemysel sa chystá začať hlbokú zmenu.

Preto nám analýza a skúmanie budúcej aplikácie technológie 3D tlače v polovodičovom priemysle pomôže nielen pochopiť vývojový impulz tejto špičkovej technológie, ale poskytne aj technickú podporu a referencie pre modernizáciu polovodičového priemyslu. Tento článok analyzuje najnovší pokrok technológie 3D tlače a jej potenciálne aplikácie v polovodičovom priemysle a očakáva, ako môže táto technológia podporiť 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.

✔ Technológia fototvrdnutia je založená na princípe ultrafialovej polymerizácie. Kvapalné fotosenzitívne materiály sa vytvrdzujú ultrafialovým svetlom a ukladajú sa vrstvu po vrstve. V súčasnosti môže táto technológia vytvárať keramiku, kovy a živice s vysokou presnosťou lisovania. Môže byť použitý v oblasti medicíny, umenia a letectva.

✔ 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 kašou využíva vysokoviskóznu kašu ako atramentový materiál, ktorý je uložený vo valci a spojený s vytláčacou ihlou a inštalovaný na platforme, ktorá dokáže dokončiť trojrozmerný pohyb pod kontrolou počítača. Pomocou mechanického tlaku alebo pneumatického tlaku sa atramentový materiál vytlačí z dýzy, aby sa nepretržite vytláčal na substrát, aby sa vytvoril, a potom sa uskutoční príslušné dodatočné spracovanie (prchavé rozpúšťadlo, tepelné vytvrdzovanie, vytvrdzovanie svetlom, spekanie atď.) podľa materiálových vlastností na získanie finálnej trojrozmernej zložky. V súčasnosti je možné túto technológiu aplikovať v oblasti biokeramiky a spracovania potravín.

✔Technológiu fúzie práškového lôžka možno rozdeliť na technológiu selektívneho tavenia laserom (SLM) a technológiu selektívneho spekania laserom (SLS). Obe technológie využívajú ako objekty spracovania práškové materiály. Medzi nimi je laserová energia SLM vyššia, čo môže spôsobiť, že sa prášok roztopí a stuhne v krátkom čase. SLS možno rozdeliť na priame SLS a nepriame SLS. Energia priameho SLS je vyššia a častice môžu byť priamo spekané alebo roztavené, aby sa vytvorila väzba medzi časticami. Preto je priama SLS podobná SLM. Častice prášku prechádzajú rýchlym ohrevom a ochladzovaním v krátkom čase, čo spôsobuje, že tvarovaný blok má veľké vnútorné napätie, nízku celkovú hustotu a zlé mechanické vlastnosti; laserová energia nepriamej SLS je nižšia a spojivo v prášku sa laserovým lúčom roztaví a častice sa spoja. Po dokončení tvarovania sa odstráni vnútorné spojivo tepelným odmasťovaním a nakoniec sa vykoná spekanie. Technológia práškovej fúzie môže vytvárať kovy a keramiku a v súčasnosti sa používa v leteckom a automobilovom priemysle.

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, technike a ekonomike a jeho význam sa odráža v mnohých aspektoch. Polovodiče sa používajú na vytváranie miniaturizovaných obvodov, ktoré umožňujú zariadeniam vykonávať zložité výpočtové úlohy a úlohy spracovania údajov. A ako dôležitý pilier globálnej ekonomiky poskytuje polovodičový priemysel veľké množstvo pracovných miest a ekonomických výhod pre mnohé krajiny. Nielenže priamo podporovala rozvoj priemyslu výroby elektroniky, ale viedla aj k rastu odvetví, ako je vývoj softvéru a dizajn hardvéru. Okrem toho vo vojenskej a obrannej oblastipolovodičovú technológiuje kľúčová pre kľúčové vybavenie, ako sú komunikačné systémy, radary a satelitná navigácia, zabezpečujúce národnú bezpečnosť a vojenské výhody.

Graf 2 "14. päťročný plán" (výňatok) [3]

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

Graf 3 Proces spracovania polovodičového čipu [4]

Výrobný proces polovodičových čipov je mimoriadne zložitý. Ako je znázornené na obrázku 3, zahŕňa hlavne tieto kľúčové kroky:príprava oblátky, litografia,leptanie, 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.

Hoci tradičná výroba polovodičov dosiahla veľký úspech, stále existujú určité obmedzenia: Po prvé, polovodičové čipy sú vysoko integrované a miniaturizované. S pokračovaním Moorovho zákona (obrázok 4) sa integrácia polovodičových čipov stále zvyšuje, veľkosť komponentov sa neustále zmenšuje a výrobný proces musí zabezpečiť extrémne vysokú presnosť a stabilitu.

Obrázok 4 (a) Počet tranzistorov v čipe sa časom zvyšuje; (b) Veľkosť čipu sa stále zmenšuje [5]

Okrem toho zložitosť a kontrola nákladov procesu výroby polovodičov. Proces výroby polovodičov je zložitý a spolieha sa na presné vybavenie a každý spoj musí byť presne kontrolovaný. Vysoké náklady na vybavenie, materiálové náklady a náklady na výskum a vývoj spôsobujú, že výrobné náklady polovodičových produktov sú vysoké. Preto je potrebné pokračovať v skúmaní a znižovaní nákladov a zároveň zabezpečiť výnos produktu.

Zároveň musí priemysel výroby polovodičov rýchlo reagovať na dopyt trhu. S rýchlymi zmenami v dopyte na trhu. Tradičný výrobný model má problémy s dlhým cyklom a slabou flexibilitou, čo sťažuje uspokojenie rýchlej iterácie produktov na trhu. Smerom vývoja polovodičového priemyslu sa preto stala aj efektívnejšia a flexibilnejšia výrobná metóda.

Použitie3D tlačv polovodičovom priemysle

V oblasti polovodičov neustále preukazuje svoje uplatnenie aj technológia 3D tlače.

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 6Kryštálový čln z karbidu 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 vyžaduje sa viacero procesných krokov od surovín až po hotové výrobky. Xiao a kol.[8] používa technológiu 3D kotlače na selektívnu konštrukciu telesných štruktúr alebo vkladanie vodivých kovov do voľne tvarovaných povrchov na výrobu 3D elektronických zariadení. Táto technológia zahŕňa iba jeden tlačový materiál, ktorý možno použiť na vytvorenie polymérnych štruktúr pomocou UV vytvrdzovania alebo na aktiváciu kovových prekurzorov vo fotosenzitívnych živiciach pomocou laserového skenovania, aby sa vytvorili častice nano-kovov na vytvorenie vodivých obvodov. Okrem toho výsledný vodivý obvod vykazuje vynikajúci odpor len okolo 6,12 µΩm. Úpravou vzorca materiálu a parametrov spracovania je možné ďalej regulovať merný odpor medzi 10-6 a 10Ωm. Je vidieť, že technológia 3D kotlače rieši problém nanášania viacerých materiálov v tradičnej výrobe a otvára novú cestu pre výrobu 3D elektronických produktov.

Balenie čipov je kľúčovým článkom vo výrobe polovodičov. Tradičná technológia balenia má tiež problémy, ako je zložitý proces, zlyhanie tepelného manažmentu a napätie spôsobené nesúladom koeficientov tepelnej rozťažnosti medzi materiálmi, čo vedie k poruche balenia. Technológia 3D tlače môže zjednodušiť výrobný proces a znížiť náklady priamou tlačou štruktúry obalu. Feng a kol. [9] pripravili elektronické obalové materiály s fázovou zmenou a spojili ich s technológiou 3D tlače na balenie čipov a obvodov. Elektronický obalový materiál s fázovou zmenou pripravený Fengom a kol. má vysoké latentné teplo 145,6 J/g a má výraznú tepelnú stabilitu pri teplote 130°C. V porovnaní s tradičnými elektronickými obalovými materiálmi môže jeho chladiaci účinok 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 je však veľa výziev.

Pokiaľ ide o presnosť lisovania, 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 vytvárať rôzne materiály, náročnosť tvarovania niektorých materiálov so špeciálnymi vlastnosťami (karbid kremíka, nitrid kremíka atď.) je stále pomerne vysoká. Pokiaľ ide o výrobné náklady, 3D tlač funguje dobre v malosériovej zákazkovej výrobe, ale rýchlosť jej výroby je relatívne pomalá pri výrobe vo veľkom meradle a náklady na vybavenie sú vysoké, čo sťažuje uspokojenie potrieb vo veľkom meradle. . Technicky, hoci technológia 3D tlače dosiahla určité výsledky vo vývoji, v niektorých oblastiach je to stále nová technológia a vyžaduje si ďalší výskum, vývoj a zlepšovanie, aby sa zlepšila jej stabilita a spoľahlivosť.