Исследовательское применение технологии 3D-печати в полупроводниковой промышленности.

В эпоху быстрого технологического развития 3D-печать, как важный представитель передовых производственных технологий, постепенно меняет облик традиционного производства. Благодаря постоянному развитию технологий и снижению затрат технология 3D-печати показала широкие перспективы применения во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, медицинское оборудование и архитектурный дизайн, а также способствовала инновациям и развитию этих отраслей.

Стоит отметить, что потенциальное влияние технологии 3D-печати на высокотехнологичную область полупроводников становится все более заметным. Являясь краеугольным камнем развития информационных технологий, точность и эффективность процессов производства полупроводников влияют на производительность и стоимость электронных продуктов. Столкнувшись с потребностями высокой точности, высокой сложности и быстрой итерации в полупроводниковой промышленности, технология 3D-печати с ее уникальными преимуществами открыла беспрецедентные возможности и поставила перед производством полупроводников беспрецедентные возможности и постепенно проникла во все звенья отрасли.сеть полупроводниковой промышленности, что указывает на то, что полупроводниковую промышленность вот-вот ждут глубокие перемены.

Таким образом, анализ и изучение будущего применения технологии 3D-печати в полупроводниковой промышленности не только поможет нам понять импульс развития этой передовой технологии, но также предоставит техническую поддержку и рекомендации для модернизации полупроводниковой промышленности. В этой статье анализируются последние достижения технологии 3D-печати и ее потенциальное применение в полупроводниковой промышленности, а также рассматривается, как эта технология может способствовать развитию индустрии производства полупроводников.

Технология 3D-печати

3D-печать также известна как технология аддитивного производства. Его принцип заключается в построении трехмерного объекта путем укладки материалов слой за слоем. Этот инновационный метод производства подрывает традиционный производственный режим обработки «субтрактивный» или «равный материал» и может «интегрировать» формованные изделия без помощи пресс-формы. Существует множество типов технологий 3D-печати, и каждая технология имеет свои преимущества.

В соответствии с принципом формования технологии 3D-печати существует в основном четыре типа.

✔Технология фотоотверждения основана на принципе ультрафиолетовой полимеризации. Жидкие светочувствительные материалы отверждаются ультрафиолетом и укладываются слой за слоем. В настоящее время эта технология позволяет формовать керамику, металлы и смолы с высокой точностью формования. Его можно использовать в сферах медицины, искусства и авиационной промышленности.

✔ Технология плавленого осаждения: печатающая головка с компьютерным управлением нагревает и плавит нить, а затем экструдирует ее по определенной траектории формы, слой за слоем, и может формировать пластиковые и керамические материалы.

✔ В технологии прямого письма по суспензии в качестве материала чернил используется суспензия высокой вязкости, которая хранится в цилиндре, соединяется с экструзионной иглой и устанавливается на платформу, которая может совершать трехмерное движение под управлением компьютера. Под действием механического или пневматического давления материал чернил выталкивается из сопла для непрерывной экструзии на подложку для формирования формы, а затем выполняется соответствующая последующая обработка (летучий растворитель, термическое отверждение, светоотверждение, спекание и т. д.). в зависимости от свойств материала для получения окончательного трехмерного компонента. В настоящее время эту технологию можно применять в области биокерамики и пищевой промышленности.

✔Технологию плавления в порошковом слое можно разделить на технологию лазерного селективного плавления (SLM) и технологию лазерного селективного спекания (SLS). Обе технологии используют в качестве объектов обработки порошковые материалы. Среди них энергия лазера SLM выше, что позволяет порошку плавиться и затвердевать за короткое время. SLS можно разделить на прямой SLS и непрямой SLS. Энергия прямого SLS выше, и частицы можно напрямую спекать или плавить для образования связи между частицами. Таким образом, прямой SLS аналогичен SLM. Частицы порошка подвергаются быстрому нагреву и охлаждению за короткое время, в результате чего формованный блок имеет большое внутреннее напряжение, низкую общую плотность и плохие механические свойства; лазерная энергия непрямого SLS ниже, связка в порошке плавится лазерным лучом и частицы связываются. После завершения формования внутреннюю связку удаляют термическим обезжириванием и, наконец, проводят спекание. Технология плавления в порошковом слое позволяет формировать металлы и керамику и в настоящее время используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Рисунок 1 (а) Технология фотоотверждения; b) технология наплавления; (c) технология суспензионного прямого письма; (г) Технология плавления в порошковом слое [1, 2]

Благодаря постоянному развитию технологии 3D-печати ее преимущества постоянно демонстрируются: от прототипирования до конечной продукции. Во-первых, с точки зрения свободы проектирования структуры изделия, наиболее значительным преимуществом технологии 3D-печати является то, что она позволяет напрямую изготавливать сложные структуры заготовок. Далее, с точки зрения выбора материала объекта литья, технология 3D-печати позволяет печатать различные материалы, включая металлы, керамику, полимерные материалы и т. д. С точки зрения производственного процесса технология 3D-печати обладает высокой степенью гибкости и может регулировать производственный процесс и параметры в соответствии с фактическими потребностями.

Полупроводниковая промышленность

Полупроводниковая промышленность играет жизненно важную роль в современной науке, технике и экономике, и ее важность отражается во многих аспектах. Полупроводники используются для создания миниатюрных схем, которые позволяют устройствам выполнять сложные вычислительные задачи и задачи по обработке данных. Полупроводниковая промышленность, являющаяся важной опорой мировой экономики, обеспечивает большое количество рабочих мест и экономических выгод для многих стран. Это не только напрямую способствовало развитию индустрии производства электроники, но и привело к росту таких отраслей, как разработка программного обеспечения и проектирование аппаратного обеспечения. Кроме того, в военной и оборонной сферахполупроводниковая технологияимеет решающее значение для ключевого оборудования, такого как системы связи, радары и спутниковая навигация, обеспечивая национальную безопасность и военные преимущества.

Схема 2 «14-я пятилетка» (отрывок) [3]

Таким образом, нынешняя полупроводниковая промышленность стала важным символом национальной конкурентоспособности, и все страны активно ее развивают. «14-й пятилетний план» моей страны предлагает сосредоточиться на поддержке различных ключевых «узких мест» в полупроводниковой промышленности, в основном включая передовые процессы, ключевое оборудование, полупроводники третьего поколения и другие области.

Диаграмма 3. Процесс обработки полупроводниковых чипов [4]

Процесс производства полупроводниковых чипов чрезвычайно сложен. Как показано на рисунке 3, он в основном включает в себя следующие ключевые этапы:подготовка вафельлитография,травление, осаждение тонких пленок, ионная имплантация и тестирование упаковки. Каждый процесс требует строгого контроля и точных измерений. Проблемы в любом канале могут привести к повреждению чипа или снижению производительности. Поэтому производство полупроводников предъявляет очень высокие требования к оборудованию, процессам и персоналу.

Хотя традиционное производство полупроводников добилось больших успехов, все же существуют некоторые ограничения: во-первых, полупроводниковые чипы высокоинтегрированы и миниатюризированы. С сохранением закона Мура (рис. 4) интеграция полупроводниковых чипов продолжает расти, размеры компонентов продолжают сокращаться, а производственный процесс должен обеспечивать чрезвычайно высокую точность и стабильность.

Рисунок 4 (а) Количество транзисторов в чипе со временем продолжает увеличиваться; (б) Размер чипа продолжает уменьшаться [5]

Кроме того, сложность и контроль затрат процесса производства полупроводников. Процесс производства полупроводников сложен и зависит от прецизионного оборудования, и каждое звено требует точного контроля. Высокая стоимость оборудования, материалов и затрат на исследования и разработки делают стоимость производства полупроводниковой продукции высокой. Поэтому необходимо продолжать исследования и снижать затраты, обеспечивая при этом выход продукта.

В то же время промышленность по производству полупроводников должна быстро реагировать на рыночный спрос. В связи с быстрыми изменениями рыночного спроса. Традиционная производственная модель имеет проблемы длительного цикла и плохой гибкости, что затрудняет быстрое обновление продуктов на рынке. Таким образом, более эффективный и гибкий метод производства также стал направлением развития полупроводниковой промышленности.

Применение3D-печатьв полупроводниковой промышленности

В области полупроводников технология 3D-печати также постоянно демонстрирует свое применение.

Во-первых, технология 3D-печати обладает высокой степенью свободы в структурном проектировании и позволяет добиться «интегрированного» формования, что означает возможность проектирования более сложных и сложных конструкций. Рисунок 5 (a). 3D-система оптимизирует внутреннюю структуру рассеивания тепла за счет искусственной вспомогательной конструкции, улучшает термическую стабильность стадии пластины, сокращает время термостабилизации пластины и повышает выход продукции и эффективность производства чипов. Внутри литографической машины также имеются сложные трубопроводы. С помощью 3D-печати можно «интегрировать» сложные конструкции трубопроводов, чтобы сократить использование шлангов и оптимизировать поток газа в трубопроводе, тем самым снижая негативное воздействие механических помех и вибрации и повышая стабильность процесса обработки стружки.

Рис. 5. 3D-система использует 3D-печать для формирования деталей (a) этап пластины литографической машины; б – коллекторный трубопровод [6]

С точки зрения выбора материала, технология 3D-печати позволяет создавать материалы, которые трудно сформировать традиционными методами обработки. Карбидокремниевые материалы обладают высокой твердостью и высокой температурой плавления. Традиционные методы обработки сложны в изготовлении и имеют длительный производственный цикл. Формирование сложных структур требует обработки с помощью пресс-формы. Компания Sublimation 3D разработала независимый двухсопловой 3D-принтер UPS-250 и подготовила лодочки из кристаллов карбида кремния. После реакционного спекания плотность продукта составляет 2,95–3,02 г/см3.

Рисунок 6Хрустальная лодочка из карбида кремния[7]

Рисунок 7 (а) Оборудование для 3D-копечати; (б) УФ-свет используется для создания трехмерных структур, а лазер используется для создания наночастиц серебра; (c) Принцип совместной 3D-печати электронных компонентов[8]

Традиционный процесс изготовления электронного продукта сложен, и требуется несколько этапов процесса от сырья до готовой продукции. Сяо и др. [8] использовали технологию 3D-совместной печати для выборочного создания конструкций кузова или внедрения проводящих металлов на поверхности произвольной формы для производства 3D-электронных устройств. Эта технология включает в себя только один печатный материал, который можно использовать для создания полимерных структур посредством УФ-отверждения или для активации предшественников металлов в светочувствительных смолах посредством лазерного сканирования для производства частиц нанометалла для формирования проводящих цепей. Кроме того, полученная проводящая цепь демонстрирует превосходное удельное сопротивление, составляющее около 6,12 мкОм·м. Регулируя формулу материала и параметры обработки, удельное сопротивление можно дополнительно контролировать в диапазоне от 10-6 до 10 Ом·м. Видно, что технология 3D-совместной печати решает проблему нанесения нескольких материалов в традиционном производстве и открывает новый путь для производства 3D-электронных продуктов.

Упаковка чипов является ключевым звеном в производстве полупроводников. Традиционная технология упаковки также имеет такие проблемы, как сложный процесс, нарушение терморегулирования и напряжение, вызванное несоответствием коэффициентов теплового расширения материалов, что приводит к выходу упаковки из строя. Технология 3D-печати может упростить производственный процесс и снизить затраты за счет прямой печати структуры упаковки. Фэн и др. [9] подготовили электронные упаковочные материалы с фазовым переходом и объединили их с технологией 3D-печати для упаковки микросхем и схем. Электронный упаковочный материал с фазовым переходом, подготовленный Feng et al. имеет высокую скрытую теплоту 145,6 Дж/г и обладает значительной термической стабильностью при температуре 130°С. По сравнению с традиционными упаковочными материалами для электронных устройств его охлаждающий эффект может достигать 13°C.

Рис. 8. Принципиальная схема использования технологии 3D-печати для точной герметизации схем электронными материалами с фазовым переходом; (b) Светодиодный чип слева инкапсулирован с помощью электронных упаковочных материалов с фазовым переходом, а светодиодный чип справа не герметизирован; (в) Инфракрасные изображения светодиодных чипов с инкапсуляцией и без нее; (d) Температурные кривые при одинаковой мощности и различных упаковочных материалах; (e) Сложная схема без схемы упаковки светодиодного чипа; (f) Принципиальная схема рассеивания тепла в упаковочных материалах для электронной упаковки с фазовым переходом [9]

Проблемы технологии 3D-печати в полупроводниковой промышленности

Хотя технология 3D-печати показала большой потенциал вполупроводниковая промышленность. Однако существует еще много проблем.

Что касается точности формования, текущая технология 3D-печати может достигать точности 20 мкм, но все еще трудно соответствовать высоким стандартам производства полупроводников. С точки зрения выбора материала, хотя технология 3D-печати позволяет формовать различные материалы, сложность формования некоторых материалов с особыми свойствами (карбид кремния, нитрид кремния и т. д.) все еще относительно высока. С точки зрения производственных затрат, 3D-печать хорошо работает при мелкосерийном индивидуальном производстве, но скорость ее производства в крупномасштабном производстве относительно низкая, а стоимость оборудования высока, что затрудняет удовлетворение потребностей крупномасштабного производства. . С технической точки зрения, хотя технология 3D-печати достигла определенных результатов в развитии, в некоторых областях она все еще является новой технологией и требует дальнейших исследований, разработок и усовершенствований для повышения ее стабильности и надежности.