Истраживачка примена технологије 3Д штампања у индустрији полупроводника

У ери брзог технолошког развоја, 3Д штампа, као важан представник напредне производне технологије, постепено мења лице традиционалне производње. Уз континуирану зрелост технологије и смањење трошкова, технологија 3Д штампања је показала широке изгледе за примену у многим областима као што су ваздухопловство, производња аутомобила, медицинска опрема и архитектонски дизајн, и промовисала је иновације и развој ових индустрија.

Вриједно је напоменути да потенцијални утицај 3Д технологије штампања у високотехнолошко поље полуводича постаје све истакнутији. Као камен темељац развоја информационе технологије, прецизност и ефикасност процеса производње полуводича утичу на перформансе и трошкове електронских производа. Суочени са потребама велике прецизности, високе сложености и брзе итерације у полуводичкој индустрији, 3Д технологији штампања, са својим јединственим предностима, донела је невиђене могућности и изазове производњи полуводича и постепено продирисала у све везеланац индустрије полупроводника, што указује да ће индустрија полупроводника ускоро увести дубоку промену.

Стога, анализа и истраживање будуће примене технологије 3Д штампања у индустрији полупроводника не само да ће нам помоћи да схватимо развојни пулс ове најсавременије технологије, већ ће нам такође пружити техничку подршку и референцу за надоградњу индустрије полупроводника. Овај чланак анализира најновији напредак технологије 3Д штампања и њене потенцијалне примене у индустрији полупроводника, и радује се како ова технологија може да промовише индустрију производње полупроводника.

3Д технологија штампања

3Д штампање је познато и као технологија производње адитиве. Његов принцип је изградња тродимензионалног субјекта слојем материјала за слање слојем. Ова иновативна метода производње подмањује традиционалну производњу "подвргав" или "једнаки материјал" режим обраде и може "интегрирати" ливене производе без помоћи калупа. Постоји много врста 3Д технологија штампања и свака технологија има своје предности.

Према принципу обликовања технологије 3Д штампања, постоје углавном четири типа.

✔ Технологија фотоочвршћавања заснована је на принципу ултраљубичасте полимеризације. Течни фотоосетљиви материјали се очвршћавају ултраљубичастим светлом и слажу слој по слој. Тренутно, ова технологија може да формира керамику, метале и смоле са високом прецизношћу обликовања. Може се користити у области медицинске, уметничке и ваздухопловне индустрије.

✔ Технологија фузионог таложења, преко компјутерски вођене главе штампача за загревање и топљење филамента, и екструдирање према одређеној путањи облика, слој по слој, и може да формира пластичне и керамичке материјале.

✔ Директна технологија за писање суспензије користи се суспензију високе вискозности као материјал за мастило, који се чува у барелу и повезује се на иглу екструдирања и инсталиран на платформи која може да заврши тродимензионални покрет под рачунарском контролом. Кроз механички притисак или пнеуматски притисак материјал мастила се гура из млазнице да се континуирано истисните на подлогу да се формира, а затим одговарајући пост-обрада (испарљиви растварач, термичко очвршћивање, светлошћење, синтеровање, синтеровање, синтрање и синтрање и синтрање и слтреновање итд.) према материјалним својствима за добијање коначне тродимензионалне компоненте. Тренутно се ова технологија може применити на поља биоцерамике и прераде хране.

✔Технологија фузије у слоју праха може се поделити на технологију ласерског селективног топљења (СЛМ) и технологију ласерског селективног синтеровања (СЛС). Обе технологије користе прашкасте материјале као објекте за обраду. Међу њима, ласерска енергија СЛМ-а је већа, што може учинити да се прах растопи и учврсти за кратко време. СЛС се може поделити на директни СЛС и индиректни СЛС. Енергија директног СЛС-а је већа, а честице се могу директно синтеровати или растопити да би се створила веза између честица. Дакле, директни СЛС је сличан СЛМ. Честице праха пролазе брзо загревање и хлађење за кратко време, због чега обликовани блок има велико унутрашње напрезање, ниску укупну густину и лоша механичка својства; ласерска енергија индиректног СЛС је нижа, а везиво у праху се топи ласерским зраком и честице се везују. Након што је формирање завршено, унутрашње везиво се уклања термичким одмашћивањем и на крају се врши синтеровање. Технологија фузије у праху може да формира метале и керамику и тренутно се користи у областима ваздухопловства и производње аутомобила.

Слика 1 (а) Технологија фотоочвршћавања; (б) Технологија фузионог таложења; (ц) Технологија директног писања каше; (д) Технологија фузије у слоју праха [1, 2]

Уз континуирани развој технологије 3Д штампе, њене предности се стално показују од израде прототипа до финалних производа. Прво, у смислу слободе дизајна структуре производа, најзначајнија предност технологије 3Д штампања је то што може директно да производи сложене структуре радних комада. Затим, у погледу избора материјала за калупни предмет, технологија 3Д штампања може да штампа различите материјале, укључујући метале, керамику, полимерне материјале, итд. У погледу процеса производње, технологија 3Д штампања има висок степен флексибилности и може прилагодити производни процес и параметре према стварним потребама.

Индустрија полупроводника

Индустрија полупроводника игра виталну улогу у савременој науци и технологији и економији, а њен значај се огледа у многим аспектима. Полупроводници се користе за изградњу минијатуризованих кола, која омогућавају уређајима да обављају сложене рачунарске и задатке обраде података. И као важан стуб глобалне економије, индустрија полупроводника пружа велики број радних места и економске користи за многе земље. Не само да је директно промовисао развој индустрије производње електронике, већ је довео и до раста индустрија као што су развој софтвера и дизајн хардвера. Поред тога, у војној и одбрамбеној области,технологија полупроводникаје пресудно за кључну опрему као што су комуникациони системи, радари и сателитска навигација, обезбеђујући националне безбедности и војне предности.

Графикон 2 "14. петогодишњи план" (одломак) [3]

Стога је садашња индустрија полупроводника постала важан симбол националне конкурентности и све земље је активно развијају. „14. петогодишњи план“ моје земље предлаже да се фокусира на подршку различитим кључним везама „уских грла“ у индустрији полупроводника, углавном укључујући напредне процесе, кључну опрему, полупроводнике треће генерације и друга поља.

Графикон 3 Полуководствена процеса обраде чипа [4]

Процес производње полупроводничких чипова је изузетно сложен. Као што је приказано на слици 3, он углавном укључује следеће кључне кораке:Припрема вафла, литографија,једење, танколошко таложење филма, ИОН имплантација и испитивање паковања. Сваки процес захтева строгу контролу и прецизно мерење. Проблеми у било којој вези могу проузроковати оштећење чипа или разградње перформанси. Стога, полуводичка производња има веома високе захтеве за опрему, процесе и особље.

Иако је традиционална производња полуводича постигла велики успех, још увек постоје нека ограничења: прво, полуводички чипови су високо интегрисани и минијатурисани. Уз наставак Моореовог закона (слика 4), интеграција полуводичких чипова и даље расте, величина компоненти и даље се смањује и производни процес треба да обезбеди изузетно велику прецизност и стабилност.

Слика 4 (а) Број транзистора у чипу наставља да расте током времена; (б) Величина чипа наставља да се смањује [5]

Поред тога, сложеност и контрола трошкова процеса производње полупроводника. Процес производње полупроводника је сложен и ослања се на прецизну опрему, а сваку везу треба прецизно контролисати. Високи трошкови опреме, трошкови материјала и трошкови истраживања и развоја чине трошкове производње полупроводничких производа високим. Стога је неопходно наставити са истраживањем и смањењем трошкова уз обезбеђивање приноса производа.

Истовремено, индустрија производње полупроводника треба брзо да одговори на потражњу тржишта. Уз брзе промене тржишне потражње. Традиционални производни модел има проблеме дугог циклуса и слабе флексибилности, што отежава испуњавање брзе итерације производа на тржишту. Стога је ефикаснија и флексибилнија метода производње такође постала правац развоја индустрије полупроводника.

Примена од3Д штампањеу индустрији полупроводника

У области полупроводника, технологија 3Д штампања је такође континуирано демонстрирала своју примену.

Прво, 3Д технологија штампања има висок степен слободе у структурном дизајну и може постићи "интегрисано" ливење, што значи да се могу осмислити софистицираније и сложене структуре. Слика 5 (а), 3Д систем оптимизује унутрашњу структуру расипања топлоте кроз вештачки помоћни дизајн, побољшава топлотну стабилност фазе резине, смањује време топлотне стабилизације решетка и побољшава принос и ефикасност производње чипова. Постоје и сложени цевоводи унутар машине за литографију. Кроз 3Д штампање, сложене цевоводне структуре могу се "интегрирати" да би се смањила употреба црева и оптимизирајући проток гаса у току, чиме се смањује негативни утицај механичког уплитања и усавршавања и побољшање стабилности процеса обраде чипова.

Слика 5 3Д систем користи 3Д штампање за формирање дијелова (а) литографија литографске фазе; (б) Располађивање цевовода [6]

У погледу избора материјала, технологија 3Д штампања може да реализује материјале који се тешко формирају традиционалним методама обраде. Материјали од силицијум карбида имају високу тврдоћу и високу тачку топљења. Традиционалне методе обраде се тешко формирају и имају дуг производни циклус. Формирање сложених структура захтева обраду помоћу калупа. Сублиматион 3Д је развио независни 3Д штампач са две млазнице УПС-250 и припремио кристалне чамце од силицијум карбида. Након реакционог синтеровања, густина производа је 2,95~3,02г/цм3.

Слика 6Кристални брод силицијум карбида[7]

Слика 7 (а) Опрема за 3Д ко-штампање; (б) УВ светло се користи за конструисање тродимензионалних структура, а ласер се користи за генерисање наночестица сребра; (ц) Принцип 3Д ко-штампање електронских компоненти[8]

Традиционални процес електронског производа је сложен и потребно је више корака процеса од сировина до готових производа. Ксиао ет ал.[8] користио је технологију 3Д заједничког штампања за селективну конструкцију каросерије или уградњу проводних метала на површине слободног облика за производњу 3Д електронских уређаја. Ова технологија укључује само један штампарски материјал, који се може користити за изградњу полимерних структура кроз УВ очвршћавање, или за активирање металних прекурсора у фотоосетљивим смолама путем ласерског скенирања да би се произвеле нано-металне честице за формирање проводних кола. Поред тога, резултирајуће проводно коло показује одличну отпорност од око 6,12 µΩм. Подешавањем формуле материјала и параметара обраде, отпорност се може даље контролисати између 10-6 и 10Ωм. Може се видети да технологија 3Д ко-штампања решава изазов депозиције више материјала у традиционалној производњи и отвара нови пут за производњу 3Д електронских производа.

Паковање чипова је кључна веза у производњи полуводича. Традиционална технологија паковања такође има проблема као што су сложен процес, неуспех топлотног управљања и стрес изазван неусклађивањем топлотних коефицијената термичких експанзија између материјала, што доводи до квара на паковање. 3Д технологија штампања може поједноставити процес производње и смањити трошкове директно штампањем структуре амбалаже. Фенг ет ал. [9] Припремљена фаза Промените електронски материјали за паковање и комбиновали их са 3Д технологијом штампања да бисте паковали чипове и кругове. Фазни материјал за промену електронског амбалажног амбалажа који је припремила Фенг ет ал. Има велику латентну топлоту од 145.6 Ј / Г и има значајну топлотну стабилност на температури од 130 ° Ц. У поређењу са традиционалним електронским амбалажним материјалима, његов ефекат хлађења може доћи до 13 ° Ц.

Слика 8 Схематски дијаграм употребе 3Д технологије штампања да бисте тачно инкапсулирали склопове са електронским материјалима за промену фаза; (б) ЛЕД чип на левој страни је инкапсулиран са фазним променом електронског амбалажног амбалаже, а ЛЕД чип са десне стране није инкапсулиран; (ц) инфрацрвене слике ЛЕД чипова са и без капсулације; (д) температурне кривине под истом снагом и различитом амбалажном материјалом; (е) сложени круг без ледног дијаграма паковања чипа; (ф) шематски дијаграм распршивања топлоте у фазном промену електронских амбалажа за паковање [9]

Изазови 3Д технологије штампања у индустрији полуводича

Иако је технологија 3Д штампања показала велики потенцијал уиндустрија полупроводника. Међутим, још увек има много изазова.

У погледу тачне прецизности, тренутна технологија 3Д штампања може постићи тачност од 20 μм, али још увек је тешко испунити високе стандарде производње полуводича. У погледу селекције материјала, мада 3Д технологија штампања може формирати различите материјале, потешкоће у обликовању неких материјала са посебним својствима (силицијум карбид, силицијум нитрид итд.) И даље је релативно висок. У погледу трошкова производње, 3Д штампање се добро сналази у малој серији прилагођеној производњи, али његова производна брзина је релативно спора у великој производњи и трошкови опреме је висок, што отежава задовољење потреба велике производње . Технички, иако је 3Д технологија штампања постигла одређене резултате развоја, то је и даље технологија у настајању у неким областима и захтева даља истраживања и развој и побољшање за побољшање стабилности и поузданости.