Истражувачка примена на технологијата за 3D печатење во индустријата за полупроводници

Во ера на брз технолошки развој, 3D печатењето, како важен претставник на напредната производна технологија, постепено го менува ликот на традиционалното производство. Со континуираната зрелост на технологијата и намалувањето на трошоците, технологијата за 3D печатење покажа широки изгледи за примена во многу области како што се воздушната, производството на автомобили, медицинската опрема и архитектонскиот дизајн, и ги промовираше иновациите и развојот на овие индустрии.

Вреди да се напомене дека потенцијалното влијание на технологијата за 3D печатење во високотехнолошката област на полупроводници станува сè поизразено. Како камен-темелник на развојот на информатичката технологија, прецизноста и ефикасноста на процесите на производство на полупроводници влијаат на перформансите и цената на електронските производи. Соочена со потребите за висока прецизност, висока сложеност и брзо повторување во индустријата за полупроводници, технологијата за 3D печатење, со своите уникатни предности, донесе невидени можности и предизвици за производството на полупроводници и постепено навлезе во сите врски насинџир на индустријата за полупроводници, што покажува дека индустријата за полупроводници е на пат да воведе длабока промена.

Затоа, анализата и истражувањето на идната примена на технологијата за 3D печатење во индустријата за полупроводници не само што ќе ни помогне да го сфатиме развојниот пулс на оваа најсовремена технологија, туку исто така ќе обезбеди техничка поддршка и референца за надградба на индустријата за полупроводници. Оваа статија го анализира најновиот напредок на технологијата за 3D печатење и нејзините потенцијални апликации во индустријата за полупроводници и со нетрпение очекува како оваа технологија може да ја промовира индустријата за производство на полупроводници.

Технологија на 3D печатење

3D печатењето е познато и како технологија за производство на адитиви. Нејзиниот принцип е да се изгради тридимензионален ентитет со редење материјали слој по слој. Овој иновативен метод на производство го поништува традиционалниот начин на обработка на „субтрактивниот“ или „еднаков материјал“ на производство и може да ги „интегрира“ обликуваните производи без помош за мувла. Постојат многу видови на технологии за 3D печатење и секоја технологија има свои предности.

Според принципот на обликување на технологијата за 3D печатење, постојат главно четири типа.

✔ Технологијата на фотостврднување се заснова на принципот на ултравиолетова полимеризација. Течните фотосензитивни материјали се стврднуваат со ултравиолетова светлина и се наредени слој по слој. Во моментов, оваа технологија може да формира керамика, метали и смоли со висока прецизност на обликување. Може да се користи во областа на медицинската, уметноста и воздухопловната индустрија.

✔ Технологија на сплотено таложење, преку глава за печатење управувано од компјутер за загревање и топење на филаментот и екструдирање според специфична траекторија на обликот, слој по слој и може да формира пластични и керамички материјали.

✔ Технологијата за директно пишување со кашеста маса користи кашеста маса со висок вискозитет како материјал за мастило, кој се складира во бурето и се поврзува со иглата за истиснување и се инсталира на платформа која може да заврши тридимензионално движење под компјутерска контрола. Преку механички притисок или пневматски притисок, материјалот од мастило се истиснува од млазницата за континуирано да се истиснува на подлогата за да се формира, а потоа се врши соодветната пост-обработка (испарлив растворувач, термичко стврднување, лесно стврднување, синтерување итн.) според својствата на материјалот за да се добие конечната тридимензионална компонента. Во моментов, оваа технологија може да се примени на полето на биокерамика и преработка на храна.

✔Технологијата за фузија на креветот во прав може да се подели на технологија за ласерско селективно топење (SLM) и технологија за ласерско селективно синтерување (SLS). И двете технологии користат прашкасти материјали како предмети за обработка. Меѓу нив, ласерската енергија на SLM е поголема, што може да направи прашокот да се стопи и зацврсти за кратко време. SLS може да се подели на директен SLS и индиректен SLS. Енергијата на директниот SLS е поголема, а честичките може директно да се синтеруваат или стопат за да формираат врска помеѓу честичките. Затоа, директниот SLS е сличен на SLM. Честичките во прав се подложени на брзо загревање и ладење за кратко време, што го прави обликуваниот блок да има голем внатрешен стрес, мала вкупна густина и слаби механички својства; ласерската енергија на индиректниот SLS е помала, а врзивото во прав се топи од ласерскиот зрак и честичките се врзуваат. По завршувањето на оформувањето, внатрешното врзивно средство се отстранува со термичко одмастување и на крајот се врши синтерување. Технологијата за фузија на кревети во прав може да формира метали и керамика и моментално се користи во полето на воздушната и автомобилската индустрија.

Слика 1 (а) Технологија на фотостврднување; (б) Технологија на сплотено таложење; (в) Технологија на директно пишување со кашеста маса; (г) Технологија на фузија на кревети во прав [1, 2]

Со континуираниот развој на технологијата за 3D печатење, нејзините предности постојано се демонстрираат од прототипови до финални производи. Прво, во однос на слободата на дизајнот на структурата на производот, најзначајната предност на технологијата за 3D печатење е тоа што може директно да произведува сложени структури на работни парчиња. Следно, во однос на изборот на материјалот на предметот за обликување, технологијата за 3D печатење може да печати различни материјали, вклучувајќи метали, керамика, полимерни материјали итн. Во однос на процесот на производство, технологијата за 3D печатење има висок степен на флексибилност и може да го прилагоди производниот процес и параметрите според реалните потреби.

Полупроводничка индустрија

Индустријата за полупроводници игра витална улога во модерната наука и технологија и економија, а нејзината важност се рефлектира во многу аспекти. Полупроводниците се користат за изградба на минијатуризирани кола, кои им овозможуваат на уредите да вршат сложени задачи за пресметување и обработка на податоци. И како важен столб на глобалната економија, индустријата за полупроводници обезбедува голем број работни места и економски придобивки за многу земји. Не само што директно го промовираше развојот на индустријата за производство на електроника, туку доведе и до раст на индустриите како што се развој на софтвер и дизајн на хардвер. Покрај тоа, во военото и одбранбеното поле,технологија на полупроводницие од клучно значење за клучната опрема како што се комуникациските системи, радарите и сателитската навигација, обезбедувајќи национална безбедност и воени предности.

Графикон 2 „14-ти петгодишен план“ (извадок) [3]

Затоа, сегашната индустрија за полупроводници стана важен симбол на националната конкурентност и сите земји активно ја развиваат. „14-тиот петгодишен план“ на мојата земја предлага да се фокусира на поддршка на различни клучни врски со „тесно грло“ во индустријата за полупроводници, главно вклучувајќи напредни процеси, клучна опрема, полупроводници од трета генерација и други полиња.

Графикон 3 Процес на обработка на полупроводнички чипови [4]

Процесот на производство на полупроводнички чипови е исклучително сложен. Како што е прикажано на Слика 3, тој главно ги вклучува следните клучни чекори:подготовка на нафора, литографија,офорт, таложење на тенок филм, имплантација на јони и тестирање на пакувањето. Секој процес бара строга контрола и прецизно мерење. Проблемите во која било врска може да предизвикаат оштетување на чипот или влошување на перформансите. Затоа, производството на полупроводници има многу високи барања за опрема, процеси и персонал.

Иако традиционалното производство на полупроводници постигна голем успех, сè уште има некои ограничувања: Прво, полупроводничките чипови се високо интегрирани и минијатуризирани. Со продолжувањето на Муровиот закон (слика 4), интеграцијата на полупроводничките чипови продолжува да се зголемува, големината на компонентите продолжува да се намалува, а процесот на производство треба да обезбеди исклучително висока прецизност и стабилност.

Слика 4 (а) Бројот на транзистори во чипот продолжува да се зголемува со текот на времето; (б) Големината на чипот продолжува да се намалува [5]

Покрај тоа, сложеноста и контролата на трошоците на процесот на производство на полупроводници. Процесот на производство на полупроводници е сложен и се потпира на прецизна опрема, а секоја врска треба прецизно да се контролира. Високата цена на опремата, трошоците за материјали и трошоците за истражување и развој ги прават трошоците за производство на полупроводнички производи високи. Затоа, неопходно е да се продолжи со истражување и намалување на трошоците, истовремено обезбедувајќи принос на производот.

Во исто време, индустријата за производство на полупроводници треба брзо да одговори на побарувачката на пазарот. Со брзите промени во побарувачката на пазарот. Традиционалниот производствен модел има проблеми со долг циклус и слаба флексибилност, што го отежнува исполнувањето на брзата итерација на производи на пазарот. Затоа, поефикасен и пофлексибилен метод на производство, исто така, стана развојна насока на индустријата за полупроводници.

Примена на3D печатењево индустријата за полупроводници

Во полето на полупроводници, технологијата за 3D печатење исто така континуирано ја демонстрира својата примена.

Прво, технологијата за 3D печатење има висок степен на слобода во структурниот дизајн и може да постигне „интегрирано“ обликување, што значи дека може да се дизајнираат пософистицирани и сложени структури. Слика 5 (а), 3D системот ја оптимизира внатрешната структура за дисипација на топлина преку вештачки помошен дизајн, ја подобрува термичката стабилност на фазата на нафора, го намалува времето на термичка стабилизација на обландата и го подобрува приносот и ефикасноста на производството на чипови. Во внатрешноста на машината за литографија има и сложени цевководи. Преку 3D печатење, сложените структури на цевководи може да се „интегрираат“ за да се намали употребата на црева и да се оптимизира протокот на гас во цевководот, а со тоа да се намали негативното влијание на механичките пречки и вибрации и да се подобри стабилноста на процесот на обработка на чипови.

Слика 5 3D системот користи 3D печатење за да формира делови (а) фаза на нафора за машина за литографија; (б) колекторски цевковод [6]

Во однос на изборот на материјали, технологијата за 3D печатење може да реализира материјали кои тешко се формираат со традиционални методи на обработка. Материјалите од силициум карбид имаат висока цврстина и висока точка на топење. Традиционалните методи на преработка тешко се формираат и имаат долг производствен циклус. Формирањето на сложени структури бара обработка со помош на мувла. Sublimation 3D разви независен 3D печатач со две млазници UPS-250 и подготви чамци со кристали од силициум карбид. По реакционото синтерување, густината на производот е 2,95-3,02 g/cm3.

Слика 6Брод со кристал од силициум карбид[7]

Слика 7 (а) 3D опрема за ко-печатење; (б) УВ светлината се користи за изградба на тридимензионални структури, а ласерот се користи за генерирање сребрени наночестички; (в) Принцип на 3D ко-печатење електронски компоненти[8]

Традиционалниот процес на електронски производи е сложен и потребни се повеќе чекори на процесот од суровини до готови производи. Xiao et al.[8] користеше 3Д технологија за ко-печатење за селективно конструирање на структури на каросеријата или вградување на спроводливи метали на површини со слободна форма за производство на 3D електронски уреди. Оваа технологија вклучува само еден материјал за печатење, кој може да се користи за изградба на полимерни структури преку UV стврднување, или за активирање на метални прекурсори во фотосензитивни смоли преку ласерско скенирање за производство на нано-метални честички за да се формираат спроводливи кола. Дополнително, добиеното проводно коло покажува одлична отпорност од околу 6,12µΩm. Со прилагодување на формулата на материјалот и параметрите за обработка, отпорноста може дополнително да се контролира помеѓу 10-6 и 10Ωm. Може да се види дека 3D технологијата за ко-печатење го решава предизвикот за таложење на повеќе материјали во традиционалното производство и отвора нов пат за производство на 3D електронски производи.

Пакувањето со чипови е клучна алка во производството на полупроводници. Традиционалната технологија на пакување, исто така, има проблеми како сложен процес, неуспех на термичко управување и стрес предизвикан од неусогласеност на коефициентите на термичка експанзија помеѓу материјалите, што доведува до дефект на пакувањето. Технологијата за 3D печатење може да го поедностави процесот на производство и да ги намали трошоците со директно печатење на структурата на пакувањето. Фенг и сор. [9] подготви електронски материјали за пакување за промена на фазата и ги комбинираше со технологија за 3D печатење за пакување чипови и кола. Електронскиот материјал за пакување со промена на фазата подготвен од Фенг и сор. има висока латентна топлина од 145,6 J/g и има значителна топлинска стабилност на температура од 130°C. Во споредба со традиционалните електронски материјали за пакување, неговиот ефект на ладење може да достигне 13°C.

Слика 8 Шематски дијаграм за користење на технологија за 3D печатење за прецизно инкапсулирање на кола со електронски материјали за промена на фаза; (б) LED чипот од левата страна е инкапсулиран со електронски материјали за пакување со промена на фазата, а LED чипот од десната страна не е инкапсулиран; (в) Инфрацрвени слики на LED чипови со и без инкапсулација; (г) Температурни криви при иста моќност и различни материјали за пакување; (д) Сложено коло без дијаграм за пакување со LED чипови; (ѓ) Шематски дијаграм на дисипација на топлина на електронски материјали за пакување со промена на фазата [9]

Предизвици на технологијата за 3D печатење во индустријата за полупроводници

Иако технологијата за 3D печатење покажа голем потенцијал вополупроводничка индустрија. Сепак, има уште многу предизвици.

Во однос на точноста на обликувањето, сегашната технологија за 3D печатење може да постигне точност од 20μm, но сепак е тешко да се исполнат високите стандарди за производство на полупроводници. Во однос на изборот на материјали, иако технологијата за 3D печатење може да формира различни материјали, тешкотијата на обликување на некои материјали со посебни својства (силициум карбид, силициум нитрид итн.) е сè уште релативно висока. Во однос на трошоците за производство, 3D печатењето има добри резултати при приспособено производство во мала серија, но неговата брзина на производство е релативно бавна во производството во големи размери, а цената на опремата е висока, што го отежнува задоволувањето на потребите на големото производство . Технички, иако технологијата за 3D печатење постигна одредени развојни резултати, таа сè уште е технологија во развој во некои области и бара понатамошно истражување и развој и подобрување за да се подобри нејзината стабилност и доверливост.