3D nyomtatási technológia feltáró alkalmazása a félvezető iparban

A gyors technológiai fejlődés korszakában a 3D nyomtatás, mint a fejlett gyártástechnológia fontos képviselője, fokozatosan megváltoztatja a hagyományos gyártás arculatát. A technológia folyamatos érettségével és a költségek csökkenésével a 3D nyomtatási technológia széles körű alkalmazási lehetőségeket mutatott számos területen, például a repülőgépgyártásban, az autógyártásban, az orvosi berendezésekben és az építészeti tervezésben, és elősegítette ezen iparágak innovációját és fejlődését.

Érdemes megjegyezni, hogy a 3D nyomtatási technológia potenciális hatása a félvezetők csúcstechnológiájú területén egyre inkább kiemelkedőbb. Az információs technológia fejlesztésének sarokköveként a félvezető gyártási folyamatok pontossága és hatékonysága befolyásolja az elektronikus termékek teljesítményét és költségeit. A félvezető iparban a nagy pontosságú, nagy bonyolultság és gyors iteráció igényeivel szemben a 3D nyomtatási technológia, az egyedi előnyeivel, példátlan lehetőségeket és kihívásokat hozott a félvezető gyártáshoz, és fokozatosan behatolt afélvezetőipari lánc, ami azt jelzi, hogy a félvezetőipar mélyreható változás előtt áll.

Ezért a 3D nyomtatási technológia jövőbeli alkalmazásának elemzése és feltárása a félvezető iparban nemcsak segíteni fog nekünk az élvonalbeli technológia fejlesztési impulzusának megértésében, hanem technikai támogatást és referenciát is nyújt a félvezető ipar korszerűsítéséhez. Ez a cikk elemzi a 3D nyomtatási technológia és annak potenciális alkalmazásainak legújabb előrehaladását a félvezető iparban, és várakozással tekint arra, hogy ez a technológia miként elősegítheti a félvezető gyártóipart.

3D nyomtatási technológia

A 3D nyomtatást additív gyártástechnológiának is nevezik. Elve háromdimenziós entitás felépítése az anyagok rétegenkénti egymásra rakásával. Ez az innovatív gyártási módszer felforgatja a hagyományos gyártási "kivonó" vagy "egyenlő anyag" feldolgozási módot, és képes "integrálni" a fröccsöntött termékeket penész segítség nélkül. Sokféle 3D nyomtatási technológia létezik, és mindegyik technológiának megvannak a maga előnyei.

A 3D nyomtatási technológia öntési elve szerint főként négy típus létezik.

✔ A fénykeményítő technológia az ultraibolya polimerizáció elvén alapul. A folyékony fényérzékeny anyagokat ultraibolya fénnyel kikeményítik, és rétegről rétegre rakják egymásra. Jelenleg ezzel a technológiával nagy öntési pontossággal lehet kerámiákat, fémeket és gyantákat képezni. Használható az orvostudományban, a művészetben és a repülési iparban.

✔ Megolvasztott lerakódási technológia, a számítógép-vezérelt nyomtatási fejen keresztül, a melegítésig és az izzószál megolvasztásához, és egy meghatározott alakpályázatnak megfelelően, rétegenkénti réteg szerint, és műanyag és kerámia anyagokat képezhet.

✔ A SLURRY Direct Writing Technology nagy viszkolyási iszapot használ tintaanyagként, amelyet a hordóban tárolnak és az extrudáló tűhöz csatlakoztatnak, és egy olyan peronra telepítik, amely a háromdimenziós mozgást képes befejezni a számítógépes vezérlés alatt. Mechanikai nyomáson vagy pneumatikus nyomáson keresztül a tintaanyagot kiszorítják a fúvókából, hogy folyamatosan extrudálják a szubsztrátot, majd a megfelelő utófeldolgozást (illékony oldószer, hőkezelés, fény kikeményedése, stb.) Végezzük el. az anyagtulajdonságok szerint az utolsó háromdimenziós komponens megszerzéséhez. Jelenleg ez a technológia alkalmazható a biokeramika és az élelmiszer -feldolgozás területén.

✔A porágyas fúziós technológia lézeres szelektív olvasztási technológiára (SLM) és lézeres szelektív szinterezési technológiára (SLS) osztható. Mindkét technológia poranyagot használ feldolgozási tárgyként. Közülük az SLM lézerenergiája nagyobb, ami miatt a por rövid időn belül megolvad és megszilárdul. Az SLS direkt SLS-re és indirekt SLS-re osztható. A közvetlen SLS energiája magasabb, és a részecskék közvetlenül szinterezhetők vagy megolvaszthatók, hogy kötést képezzenek a részecskék között. Ezért a közvetlen SLS hasonló az SLM-hez. A porszemcsék rövid időn belül gyorsan felmelegednek és lehűlnek, ami miatt az öntött blokk nagy belső feszültséggel, alacsony általános sűrűséggel és rossz mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik; az indirekt SLS lézerenergiája kisebb, a porban lévő kötőanyag a lézersugár hatására megolvad és a részecskék megkötődnek. A formázás befejezése után a belső kötőanyagot termikus zsírtalanítással eltávolítják, végül szinterezésre kerül sor. A porágyas fúziós technológiát fémek és kerámiák képezhetik, és jelenleg a repülőgépgyártás és az autógyártás területén használják.

1. ábra (a) fényszóró technológia; b) olvasztott lerakódási technológia; c) SHURRY Direct Writing Technology; (D) Por -ágy fúziós technológia [1, 2]

A 3D nyomtatási technológia folyamatos fejlesztésével az előnyeit folyamatosan mutatják a prototípus -készítéstől a végtermékekig. Először is, a termékszerkezet kialakításának szabadsága szempontjából a 3D nyomtatási technológia legjelentősebb előnye, hogy közvetlenül képes előállítani a munkadarabok összetett struktúráját. Ezután az öntvény objektum anyagválasztása szempontjából a 3D nyomtatási technológia különféle anyagokat nyomtathat, beleértve a fémeket, a kerámiákat, a polimer anyagokat stb. beállíthatja a gyártási folyamatot és a paramétereket a tényleges igények szerint.

Félvezető ipar

A félvezetőipar létfontosságú szerepet játszik a modern tudományban, a technológiában és a gazdaságban, és fontosságát sok szempontból tükrözi. A félvezetőket miniatürizált áramkörök felépítésére használják, amelyek lehetővé teszik az eszközök számára, hogy összetett számítástechnikai és adatfeldolgozási feladatok elvégzhessenek. És a globális gazdaság fontos oszlopaként a félvezető ipar számos ország számára számos munkahelyet és gazdasági előnyt biztosít. Ez nemcsak közvetlenül elősegítette az elektronikai gyártóipar fejlesztését, hanem az iparágak, például a szoftverfejlesztés és a hardver kialakításának növekedéséhez is vezetett. Ezenkívül a katonai és védelmi területeken,félvezető technológiakulcsfontosságú olyan kulcsfontosságú berendezések számára, mint a kommunikációs rendszerek, radarok és műholdas navigáció, biztosítva a nemzetbiztonságot és a katonai előnyöket.

2. diagram „14. ötéves terv” (részlet) [3]

Ezért a jelenlegi félvezetőipar a nemzeti versenyképesség fontos szimbólumává vált, és minden ország aktívan fejleszti. hazám „14. ötéves terve” azt javasolja, hogy a félvezetőipar különböző kulcsfontosságú „szűk keresztmetszetek” láncszemeinek támogatására összpontosítsanak, elsősorban a fejlett eljárásokra, a kulcsfontosságú berendezésekre, a harmadik generációs félvezetőkre és más területekre.

3. ábra félvezető chip -feldolgozási folyamat [4]

A félvezető chipek gyártási folyamata rendkívül összetett. Amint a 3. ábra mutatja, főként a következő kulcslépéseket tartalmazza:ostya előkészítése, litográfia,rézkarc, vékonyréteg-lerakás, ionimplantáció és csomagolás tesztelése. Minden folyamat szigorú ellenőrzést és pontos mérést igényel. Bármely kapcsolat problémája a chip károsodását vagy a teljesítmény romlását okozhatja. Ezért a félvezetőgyártás nagyon magas követelményeket támaszt a berendezésekkel, folyamatokkal és személyzettel szemben.

Bár a hagyományos félvezetőgyártás nagy sikereket ért el, még mindig vannak korlátok: Először is, a félvezető chipek nagymértékben integráltak és miniatürizáltak. A Moore-törvény (4. ábra) folytatódásával a félvezető chipek integráltsága tovább növekszik, az alkatrészek mérete tovább csökken, a gyártási folyamatnak pedig rendkívül nagy pontosságot és stabilitást kell biztosítania.

4. ábra (a) Egy chipben lévő tranzisztorok száma az idő múlásával tovább növekszik; (b) A forgács mérete tovább csökken [5]

Ezen túlmenően a félvezetőgyártási folyamat bonyolultsága és költségkontrollja. A félvezető gyártási folyamat összetett és precíziós berendezésekre támaszkodik, és minden kapcsolatot pontosan ellenőrizni kell. A magas felszerelési költség, az anyagköltség és a K+F költség magas a félvezető termékek gyártási költségét. Ezért folytatni kell a feltárást és a költségek csökkentését a termékhozam biztosítása mellett.

Ugyanakkor a félvezető feldolgozóiparnak gyorsan reagálnia kell a piaci keresletre. A piaci kereslet gyors változásaival. A hagyományos gyártási modellnek a hosszú ciklus és a rossz rugalmasság problémái vannak, ami megnehezíti a piac gyors iterációjának teljesítését. Ezért egy hatékonyabb és rugalmasabb gyártási módszer is a félvezető ipar fejlesztési irányává vált.

Alkalmazása3D nyomtatása félvezetőiparban

A félvezetők területén a 3D nyomtatási technológia is folyamatosan demonstrálta alkalmazását.

Először is, a 3D nyomtatási technológia nagy szabadságot biztosít a szerkezeti tervezésben, és képes "integrált" öntésre, ami azt jelenti, hogy kifinomultabb és összetettebb szerkezetek is tervezhetők. 5. ábra (a), A 3D rendszer mesterséges segédtervezés révén optimalizálja a belső hőelvezetési struktúrát, javítja az ostyafokozat termikus stabilitását, csökkenti az ostya hőstabilizációs idejét, valamint javítja a chipgyártás hozamát és hatékonyságát. A litográfiai gép belsejében összetett csővezetékek is vannak. A 3D nyomtatás révén összetett csővezeték-struktúrák „integrálhatók”, csökkentve a tömlők használatát és optimalizálva a gázáramlást a csővezetékben, ezáltal csökkentve a mechanikai interferencia és a vibráció negatív hatását, és javítva a forgácsfeldolgozási folyamat stabilitását.

5. ábra A 3D rendszer 3D nyomtatást használ az alkatrészek kialakításához (a) litográfiai gép lapka színpada; b) elosztó csővezeték [6]

Az anyagválasztás szempontjából a 3D nyomtatási technológia olyan anyagokat valósíthat meg, amelyeket a hagyományos feldolgozási módszerekkel nehéz kialakítani. A szilícium -karbid anyagok nagy keménységgel és magas olvadásponttal rendelkeznek. A hagyományos feldolgozási módszereket nehéz kialakítani, és hosszú termelési ciklusuk van. A komplex struktúrák kialakulásához penész-asszisztens feldolgozás szükséges. A Sublimation 3D kifejlesztett egy független kettős nuzzle 3D nyomtatót, amely az UPS-250-et és készített szilícium-karbid kristályhajókat. A reakciószinteráció után a termék sűrűsége 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

6. ábraSzilícium -karbid kristálycsónak[7]

7. ábra (a) 3D társnyomtató berendezés; (b) UV fényt használnak háromdimenziós szerkezetek felépítésére, lézert pedig ezüst nanorészecskék előállítására; c) Az elektronikus alkatrészek 3D együttnyomtatásának elve[8]

A hagyományos elektronikus termékfolyamat bonyolult, és több folyamatra van szükség a nyersanyagoktól a késztermékekig. Xiao et al. [8] A 3D-s társnyomtatási technológiát a testszerkezetek vagy a vezetőképes fémek beágyazása a szabad formájú felületeken a 3D elektronikus eszközök előállításához. Ez a technológia csak egy nyomtatási anyagot foglal magában, amely felhasználható a polimer szerkezetek felépítésére UV-kikeményedéssel, vagy a fényérzékeny gyanták fém prekurzorainak lézeres szkenneléssel történő aktiválására, hogy nano-fém részecskéket hozzon létre, hogy vezető áramköröket képezzenek. Ezenkívül a kapott vezetőképes áramkör kiváló ellenállást mutat, akár kb. Az anyagi képlet és a feldolgozási paraméterek beállításával az ellenállás tovább szabályozható 10-6 és 10Ωm között. Látható, hogy a 3D-s társnyomási technológia megoldja a multi-anyagi lerakódás kihívását a hagyományos gyártásban, és új utat nyit meg a 3D elektronikus termékek gyártásához.

A chipcsomagolás kulcsfontosságú láncszem a félvezetőgyártásban. A hagyományos csomagolási technológiának olyan problémái is vannak, mint például az összetett folyamat, a hőkezelés meghibásodása, valamint az anyagok közötti hőtágulási együtthatók eltéréséből adódó stressz, ami a csomagolás meghibásodásához vezet. A 3D nyomtatási technológia leegyszerűsítheti a gyártási folyamatot és csökkentheti a költségeket a csomagolás szerkezetének közvetlen kinyomtatásával. Feng és mtsai. [9] fázisváltó elektronikus csomagolóanyagokat készítettek, és 3D nyomtatási technológiával kombinálták chipek és áramkörök csomagolására. A Feng és munkatársai által készített fázisváltó elektronikus csomagolóanyag. magas, 145,6 J/g látens hővel rendelkezik, és jelentős termikus stabilitása van 130 °C-os hőmérsékleten. A hagyományos elektronikus csomagolóanyagokhoz képest hűsítő hatása elérheti a 13°C-ot.

8. ábra: A 3D nyomtatási technológia felhasználásának vázlatos diagramja az áramkörök pontos beágyazásához fázisváltoztatás elektronikus anyagokkal; (b) A bal oldali LED -es chipet fázisváltoztatás elektronikus csomagolóanyagokkal beillesztették, és a jobb oldalon lévő LED -chip nem volt beágyazva; c) a LED -chipek infravörös képei kapszulázással és anélkül; (d) hőmérsékleti görbék azonos teljesítmény és különböző csomagolóanyagok alatt; e) komplex áramkör LED chip csomagolási diagram nélkül; f) A fázisváltozás elektronikus csomagolóanyagok hőeloszlásának vázlatos diagramja [9]

A 3D nyomtatási technológia kihívásai a félvezetőiparban

Bár a 3D nyomtatási technológia nagy potenciált mutatott afélvezető ipar- Ennek ellenére még mindig sok kihívás van.

Az öntési pontosság szempontjából a jelenlegi 3D nyomtatási technológia 20 μm pontosságot érhet el, ám még mindig nehéz megfelelni a félvezető gyártás magas színvonalának. Az anyagválasztás szempontjából, bár a 3D nyomtatási technológia különféle anyagokat képezhet, egyes speciális tulajdonságokkal rendelkező anyagok (szilícium -karbid, szilícium -nitrid stb.) Verepítési nehézsége továbbra is viszonylag magas. A termelési költségek szempontjából a 3D nyomtatás jól teljesít a kis tételű testreszabott termelésben, de termelési sebessége viszonylag lassú a nagyszabású termelésben, és a berendezések költsége magas, ami megnehezíti a nagyszabású termelés igényeinek kielégítését - Technikai szempontból, bár a 3D nyomtatási technológia bizonyos fejlesztési eredményeket ért el, ez továbbra is egy kialakulóban lévő technológia egyes területeken, és további kutatást és fejlesztést és fejlesztést igényel annak stabilitása és megbízhatóságának javítása érdekében.