Дослідницьке застосування технології 3D-друку в напівпровідниковій промисловості

В епоху стрімкого розвитку технологій 3D-друк, як важливий представник передової технології виробництва, поступово змінює вигляд традиційного виробництва. Завдяки постійному розвитку технологій і зниженню витрат технологія 3D-друку показала широкі перспективи застосування в багатьох галузях, таких як аерокосмічна промисловість, виробництво автомобілів, медичне обладнання та архітектурний дизайн, і сприяла інноваціям і розвитку цих галузей.

Варто зазначити, що потенційний вплив технології 3D-друку у високотехнологічному полі напівпровідників стає все більш помітним. Як наріжний камінь розробки інформаційних технологій, точність та ефективність процесів виробництва напівпровідників впливають на продуктивність та вартість електронних продуктів. Зіткнувшись із потребами високої точності, високої складності та швидкої ітерації в напівпровідниковій галузі, технологія 3D -друку, з її унікальними перевагами, принесла безпрецедентні можливості та виклики для виробництва напівпровідників і поступово проникнув у всі зв’язкиланцюг напівпровідникової промисловості, що вказує на те, що напівпровідникова промисловість ось-ось розпочне глибокі зміни.

Тому аналіз та вивчення майбутнього застосування технології 3D-друку в напівпровідниковій галузі не тільки допоможе нам зрозуміти імпульс розвитку цієї передової технології, але й надасть технічну підтримку та довідку для модернізації напівпровідникової галузі. У цій статті проаналізовано останній прогрес технології 3D -друку та її потенційні програми в напівпровідниковій галузі, і сподівається, як ця технологія може сприяти галуззю виробництва напівпровідників.

Технологія 3D друку

3D -друк також відомий як технологія виробництва добавок. Його принцип полягає в тому, щоб побудувати тривимірну організацію шляхом укладання матеріалів шару за шаром. Цей інноваційний метод виробництва підриває традиційний виготовлення "субтрактивного" або "рівного матеріалу" обробки, і може "інтегрувати" формовані продукти без допомоги формі. Існує багато типів технологій 3D -друку, і кожна технологія має свої переваги.

Відповідно до принципу формування технології 3D-друку існує в основному чотири типи.

Technology Technology заснована на принципі ультрафіолетової полімеризації. Рідкі фоточутливі матеріали виліковуються ультрафіолетовим світлом та укладеним шаром шаром. В даний час ця технологія може формувати кераміку, метали та смоли з високою точністю формування. Його можна використовувати в галузі медичної, мистецької та авіаційної галузі.

✔ Технологія плавленого осадження через керовану комп’ютером друкувальну голівку для нагрівання та розплавлення нитки та екструдування її відповідно до певної траєкторії форми, шар за шаром, і може формувати пластикові та керамічні матеріали.

✔ Технологія прямого написання суспензії використовує суспензію з високою в’язкістю як чорнильний матеріал, який зберігається в стволі та з’єднаний з екструзійною голкою та встановлений на платформі, яка може здійснювати тривимірний рух під керуванням комп’ютера. За допомогою механічного або пневматичного тиску чорнильний матеріал виштовхується з сопла, щоб безперервно видавлюватися на підкладку для формування, а потім виконується відповідна додаткова обробка (летючий розчинник, термічне затвердіння, світлове затвердіння, спікання тощо). відповідно до властивостей матеріалу для отримання кінцевого тривимірного компонента. В даний час ця технологія може бути застосована в галузі біокераміки та харчової промисловості.

✔Технологію злиття порошкового шару можна розділити на технологію лазерного селективного плавлення (SLM) і технологію лазерного селективного спікання (SLS). Обидві технології використовують порошкові матеріали як об'єкти обробки. Серед них лазерна енергія SLM вища, що може змусити порошок розплавитися та затвердіти за короткий час. SLS можна розділити на прямий SLS і непрямий SLS. Енергія прямого SLS вища, і частинки можна безпосередньо спекати або розплавляти для утворення зв’язку між частинками. Тому прямий SLS схожий на SLM. Частинки порошку піддаються швидкому нагріванню та охолодженню за короткий час, через що формований блок має велику внутрішню напругу, низьку загальну щільність і погані механічні властивості; лазерна енергія непрямого SLS нижча, і сполучна речовина в порошку розплавляється лазерним променем, і частинки з’єднуються. Після завершення формування внутрішнє сполучне видаляють термічним знежиренням і, нарешті, проводять спікання. Технологія порошкового сплаву може формувати метали та кераміку та зараз використовується в аерокосмічній та автомобільній промисловості.

Рисунок 1 (а) Технологія фотозатвердіння; (b) технологія наплавлення; (c) технологія прямого запису суспензії; (d) Технологія порошкового сплаву [1, 2]

Завдяки безперервному розвитку технології 3D -друку, його переваги постійно демонструються від прототипування до кінцевих продуктів. По -перше, з точки зору дизайну структури свободи продукції, найбільш значною перевагою технології 3D -друку є те, що вона може безпосередньо виготовляти складні структури заготовки. Далі, з точки зору вибору матеріалу об'єкта лиття, технологія 3D -друку може надрукувати різноманітні матеріали, включаючи метали, кераміку, полімерні матеріали тощо. може регулювати виробничий процес та параметри відповідно до фактичних потреб.

Напівпровідникова промисловість

Напівпровідникова промисловість відіграє життєво важливу роль у сучасній науці, техніці та економіці, і її значення відображається у багатьох аспектах. Напівпровідники використовуються для створення мініатюризованих схем, які дозволяють пристроям виконувати складні завдання обчислювальної та обробки даних. І як важливий стовп світової економіки, напівпровідникова галузь забезпечує велику кількість робочих місць та економічних вигод для багатьох країн. Він не лише сприяв розвитку виробничої галузі електроніки, але й призвело до зростання галузей, таких як розробка програмного забезпечення та дизайн обладнання. Крім того, у військових та захисних полях,Напівпровідникова технологіямає вирішальне значення для ключового обладнання, такого як системи зв’язку, радари та супутникова навігація, що забезпечує національну безпеку та військові переваги.

Діаграма 2 "14-й п'ятирічний план" (уривок) [3]

Тому нинішня напівпровідникова галузь стала важливим символом національної конкурентоспроможності, і всі країни активно розвивають її. "14-й п’ятирічний план моєї країни пропонує зосередитись на підтримці різних ключових посилань" вузьких місць "у напівпровідниковій галузі, в основному включаючи вдосконалені процеси, ключове обладнання, напівпровідники третього покоління та інші сфери.

Діаграма 3 Процес обробки напівпровідникових мікросхем [4]

Процес виготовлення напівпровідникових мікросхем надзвичайно складний. Як показано на малюнку 3, він в основному включає наступні ключові кроки:Підготовка вафель, літографія,потеблення, тонке осадження плівки, іонна імплантація та тестування упаковки. Кожен процес вимагає суворого контролю та точного вимірювання. Проблеми в будь -якому посиланні можуть завдати шкоди чіпі або деградації продуктивності. Тому виробництво напівпровідників має дуже високі вимоги до обладнання, процесів та персоналу.

Незважаючи на те, що традиційне виробництво напівпровідників досягнув великого успіху, все ще є деякі обмеження: по -перше, напівпровідникові мікросхеми є високо інтегрованими та мініатюрними. З продовженням закону Мура (мал. 4) інтеграція напівпровідникових мікросхем продовжує збільшуватися, розмір компонентів продовжує скорочуватися, а виробничий процес повинен забезпечити надзвичайно високу точність та стабільність.

Малюнок 4 (а) кількість транзисторів у мікросхемі продовжує зростати з часом; (b) розмір мікросхеми продовжує скорочуватися [5]

Крім того, складність і контроль вартості процесу виробництва напівпровідників. Процес виробництва напівпровідників є складним і залежить від точного обладнання, і кожна ланка потребує точного контролю. Висока вартість обладнання, матеріалів і витрат на дослідження та розробки роблять виробничу вартість напівпровідникової продукції високою. Тому необхідно продовжувати дослідження та знижувати витрати, забезпечуючи при цьому вихід продукції.

У той же час промисловість виробництва напівпровідників повинна швидко реагувати на ринковий попит. Зі швидкими змінами ринкового попиту. Традиційна виробнича модель має проблеми тривалого циклу та поганої гнучкості, що ускладнює швидку ітерацію продукції на ринку. Таким чином, більш ефективний і гнучкий метод виробництва також став напрямком розвитку напівпровідникової промисловості.

Застосування3D -друкв напівпровідниковій промисловості

У напівпровідниковому полі технологія 3D -друку також постійно продемонструвала її застосування.

По -перше, технологія 3D -друку має високий ступінь свободи в структурному дизайні і може досягти "інтегрованого" лиття, що означає, що можуть бути розроблені більш складні та складні структури. Малюнок 5 (а), 3D -система оптимізує внутрішню структуру розсіювання тепла за допомогою штучної допоміжної конструкції, покращує термічну стійкість стадії пластини, скорочує час термічного стабілізації пластини та підвищує вихід та ефективність виробництва мікросхем. Всередині літографічної машини також є складні трубопроводи. Через 3D -друк складні трубопровідні структури можуть бути "інтегровані" для зменшення використання шлангів та оптимізації потоку газу в трубопроводі, тим самим зменшуючи негативний вплив механічних перешкод та вібрації та підвищення стабільності процесу обробки мікросхем.

Малюнок 5 3D-система використовує 3D-друк для формування деталей (a) столик для пластин літографічної машини; (b) колекторний трубопровід [6]

З точки зору вибору матеріалів, технологія 3D-друку може реалізовувати матеріали, які важко формувати традиційними методами обробки. Карбідокремнієві матеріали мають високу твердість і високу температуру плавлення. Традиційні методи обробки складні у формуванні та мають тривалий цикл виробництва. Формування складних структур вимагає обробки за допомогою форми. Компанія Sublimation 3D розробила незалежний 3D-принтер з двома соплами UPS-250 і підготувала кристалічні човни з карбіду кремнію. Після реакційного спікання щільність продукту становить 2,95~3,02 г/см3.

Малюнок 6Кристалічний човен з карбіду кремнію[7]

Малюнок 7 (a) 3D-друковане обладнання; (b) УФ-світло використовується для побудови тривимірних структур, а лазер використовується для генерації наночастинок срібла; (c) Принцип 3D-друку електронних компонентів [8]

Традиційний процес електронного продукту є складним, і від сировини до готової продукції потрібні кілька кроків. Сяо та ін. [8] Використовується 3D-технологія спільного друку для вибіркової конструкції структур тіла або вбудовування електропровідних металів на поверхні вільної форми для виготовлення 3D-електронних пристроїв. Ця технологія включає лише один друкарський матеріал, який може бути використаний для побудови полімерних конструкцій за допомогою ультрафіолетового затвердіння або для активації попередників металів у фоточутливих смолах через лазерне сканування для отримання нанометальних частинок для формування електропровідних ланцюгів. Крім того, отриманий провідний ланцюг демонструє відмінний опір до приблизно 6,12 мкм. Регулюючи формулу матеріалу та параметри обробки, опір можна додатково керувати між 10-6 і 10 Омм. Видно, що технологія 3D-друку вирішує виклик багатоматеріального осадження в традиційному виробництві та відкриває новий шлях для виготовлення 3D-електронних продуктів.

Упаковка мікросхем є ключовою ланкою у виробництві напівпровідників. Традиційна технологія пакування також має такі проблеми, як складний процес, збій терморегулювання та стрес, спричинений невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення між матеріалами, що призводить до псування упаковки. Технологія 3D-друку може спростити виробничий процес і знизити витрати шляхом прямого друку структури пакування. Фенг та ін. [9] підготували електронні пакувальні матеріали зі зміною фази та поєднали їх із технологією 3D-друку для упаковки мікросхем і схем. Електронний пакувальний матеріал зі зміною фази, підготовлений Feng et al. має високу приховану теплоту 145,6 Дж/г і має значну термічну стабільність при температурі 130°C. У порівнянні з традиційними електронними пакувальними матеріалами, його охолоджуючий ефект може досягати 13°C.

Рисунок 8. Схематична діаграма використання технології 3D-друку для точної інкапсуляції схем електронними матеріалами зі зміною фази; (b) Світлодіодний чіп ліворуч був інкапсульований за допомогою електронних пакувальних матеріалів зі зміною фази, а світлодіодний чіп праворуч не був інкапсульований; (c) інфрачервоні зображення світлодіодних мікросхем з інкапсуляцією та без неї; (d) Температурні криві при однаковій потужності та різних пакувальних матеріалах; (e) Складна схема без світлодіодної мікросхеми упаковки; (f) Схематична діаграма розсіювання тепла електронних пакувальних матеріалів зі зміною фази [9]

Виклики технології 3D -друку в напівпровідниковій галузі

Хоча технологія 3D -друку показала великий потенціал унапівпровідникової промисловості. Проте є ще багато проблем.

З точки зору точності формування, нинішня технологія 3D -друку може досягти точності 20 мкм, але все ще важко відповідати високим стандартам виробництва напівпровідників. Що стосується вибору матеріалів, хоча технологія 3D -друку може утворювати різноманітні матеріали, складність ліплення деяких матеріалів із спеціальними властивостями (карбід кремнію, нітрид кремнію тощо) все ще відносно висока. З точки зору виробничих витрат, 3D-друк добре працює в невеликому пакетному виробництві, але його швидкість виробництва відносно повільна у масштабному виробництві, а вартість обладнання висока, що ускладнює задоволення потреб масштабного виробництва . Технічно, хоча технологія 3D -друку досягла певних результатів розвитку, вона все ще є новою технологією в деяких галузях і вимагає подальших досліджень та розробки та вдосконалення для підвищення стабільності та надійності.