Raziskovalna uporaba tehnologije 3D tiskanja v industriji polprevodnikov

V dobi hitrega tehnološkega razvoja 3D-tiskanje kot pomemben predstavnik napredne proizvodne tehnologije postopoma spreminja podobo tradicionalne proizvodnje. Z nenehno zrelostjo tehnologije in zmanjševanjem stroškov je tehnologija 3D-tiskanja pokazala široke možnosti uporabe na številnih področjih, kot so vesoljska industrija, proizvodnja avtomobilov, medicinska oprema in arhitekturno oblikovanje, ter je spodbujala inovacije in razvoj teh industrij.

Omeniti velja, da potencialni vpliv tehnologije 3D tiskanja na visokotehnološkem področju polprevodnikov postaja vse bolj izrazit. Kot temelj razvoja informacijske tehnologije, natančnost in učinkovitost proizvodnih procesov polprevodnikov vplivata na zmogljivost in stroške elektronskih izdelkov. Soočen s potrebami visoke natančnosti, visoke zapletenosti in hitre iteracije v industriji polprevodnikov je tehnologija 3D tiskanja s svojimi edinstvenimi prednosti prinesla brez primere priložnosti in izzivov za proizvodnjo polprevodnikov in postopoma prodrla v vse povezave v vseh povezavah o povezaviVeriga industrije polprevodnikov, kar kaže na to, da bo polprevodniška industrija začela globoke spremembe.

Zato nam analiza in raziskovanje prihodnje uporabe tehnologije 3D-tiskanja v industriji polprevodnikov ne bo le pomagalo dojeti razvojnega utripa te vrhunske tehnologije, ampak bo tudi zagotovilo tehnično podporo in referenco za nadgradnjo industrije polprevodnikov. Ta članek analizira najnovejši napredek tehnologije 3D tiskanja in njene potencialne aplikacije v industriji polprevodnikov ter se veseli, kako lahko ta tehnologija spodbuja industrijo proizvodnje polprevodnikov.

Tehnologija 3D tiskanja

3D-tiskanje je znano tudi kot tehnologija aditivne proizvodnje. Njegovo načelo je zgraditi tridimenzionalno entiteto z zlaganjem materialov plast za plastjo. Ta inovativna proizvodna metoda spodkopava tradicionalni proizvodni "subtraktivni" ali "enaki materialni" način obdelave in lahko "integrira" oblikovane izdelke brez pomoči kalupa. Obstaja veliko vrst tehnologij 3D tiskanja in vsaka tehnologija ima svoje prednosti.

Po načelu oblikovanja tehnologije 3D tiskanja obstajajo predvsem štiri vrste.

✔ Tehnologija fotokološke temelji na načelu ultravijolične polimerizacije. Tekoči fotosenzibilni materiali so ozdravljeni z ultravijolično svetlobo in zloženo plastjo s plastjo. Trenutno lahko ta tehnologija tvori keramiko, kovine in smole z visoko natančnostjo oblikovanja. Uporablja se lahko na področju medicinske, umetnosti in letalske industrije.

✔ Tehnologija taljenega nanašanja prek računalniško vodene tiskalne glave za segrevanje in taljenje filamenta ter njegovo ekstrudiranje v skladu s specifično krivuljo oblike, plast za plastjo, in lahko oblikuje plastične in keramične materiale.

✔ Tehnologija neposrednega pisanja v blatu uporablja visoko viskoznost kot material za črnilo, ki je shranjen v sodu in je povezan z iglo ekstruzije in nameščen na platformi, ki lahko opravi tridimenzionalno gibanje pod računalniškim nadzorom. Z mehanskim tlakom ali pnevmatskim tlakom se iz šobe potisne iz šobe, da se nenehno iztisne na podlagi, da se oblikuje, nato pa se izvede ustrezno naknadno obdelavo (hlapno topilo, toplotno strjevanje, ozdravitev svetlobe, sintranje itd.) Glede na lastnosti materiala za pridobitev končne tridimenzionalne komponente. Trenutno lahko to tehnologijo uporabimo na področjih bioceramike in predelave hrane.

✔Tehnologijo fuzije v prahu lahko razdelimo na tehnologijo laserskega selektivnega taljenja (SLM) in tehnologijo laserskega selektivnega sintranja (SLS). Obe tehnologiji uporabljata praškaste materiale kot obdelovalne predmete. Med njimi je laserska energija SLM višja, zaradi česar se lahko prah stopi in strdi v kratkem času. SLS lahko razdelimo na neposredni SLS in posredni SLS. Energija neposrednega SLS je višja, delce pa je mogoče neposredno sintrati ali stopiti, da nastane vez med delci. Zato je direktni SLS podoben SLM. Praškasti delci se v kratkem času hitro segrejejo in ohladijo, zaradi česar ima oblikovani blok veliko notranjo napetost, nizko skupno gostoto in slabe mehanske lastnosti; laserska energija indirektnega SLS je manjša, vezivo v prahu pa se z laserskim žarkom stopi in delci se vežejo. Po končanem oblikovanju se s termičnim razmaščevanjem odstrani notranje vezivo in na koncu izvede sintranje. Tehnologija fuzije v prahu lahko oblikuje kovine in keramiko in se trenutno uporablja na področju vesoljske in avtomobilske proizvodnje.

Slika 1 (a) Tehnologija fotoutrjevanja; (b) tehnologija taljenega nanašanja; (c) tehnologija neposrednega zapisovanja gnojevke; (d) Tehnologija fuzije s prašno posteljo [1, 2]

Z nenehnim razvojem tehnologije 3D tiskanja se njegove prednosti nenehno kažejo od prototipov do končnih izdelkov. Prvič, glede na svobodo oblikovanja strukture izdelka je najpomembnejša prednost tehnologije 3D tiskanja ta, da lahko neposredno izdeluje zapletene strukture obdelovancev. Nato lahko tehnologija 3D tiskanja glede na izbiro materiala za oblikovanje objekta natisne različne materiale, vključno s kovinami, keramiko, polimernimi materiali itd. V smislu proizvodnega procesa ima tehnologija 3D tiskanja visoko stopnjo prilagodljivosti in prilagodljivosti lahko prilagodi postopek izdelave in parametre glede na dejanske potrebe.

Industrija polprevodnikov

Industrija polprevodnikov igra ključno vlogo v sodobni znanosti in tehnologiji ter gospodarstvu, njen pomen pa se kaže v mnogih vidikih. Polprevodniki se uporabljajo za gradnjo miniaturiziranih vezij, ki napravam omogočajo izvajanje kompleksnih računalniških nalog in nalog obdelave podatkov. Industrija polprevodnikov kot pomemben steber svetovnega gospodarstva zagotavlja veliko število delovnih mest in gospodarske koristi za številne države. Ne samo, da je neposredno spodbujal razvoj industrije proizvodnje elektronike, ampak je vodil tudi do rasti panog, kot sta razvoj programske opreme in oblikovanje strojne opreme. Poleg tega na vojaškem in obrambnem področjupolprevodniška tehnologijaje ključnega pomena za ključno opremo, kot so komunikacijski sistemi, radarji in satelitska navigacija, ki zagotavlja nacionalno varnost in vojaške prednosti.

Grafikon 2 "14. petletni načrt" (odlomek) [3]

Zato je sedanja polprevodniška industrija postala pomemben simbol nacionalne konkurenčnosti in vse države jo aktivno razvijajo. "14. petletni načrt" moje države predlaga osredotočanje na podporo različnim ključnim povezavam "ozkih grl" v industriji polprevodnikov, predvsem vključno z naprednimi procesi, ključno opremo, polprevodniki tretje generacije in drugimi področji.

Grafikon 3 Postopek obdelave polprevodnikov [4]

Postopek izdelave polprevodniških čipov je izjemno zapleten. Kot je prikazano na sliki 3, vključuje predvsem naslednje ključne korake:priprava oblatov, litografija,jedkanje, Tanko nalaganje filma, ionsko implantacijo in testiranje embalaže. Vsak postopek zahteva strog nadzor in natančno merjenje. Težave v kateri koli povezavi lahko povzročijo škodo na čipu ali degradaciji zmogljivosti. Zato ima proizvodnja polprevodnikov zelo velike zahteve za opremo, procese in osebje.

Čeprav je tradicionalna proizvodnja polprevodnikov dosegla velik uspeh, še vedno obstajajo nekatere omejitve: Prvič, polprevodniški čipi so visoko integrirani in miniaturizirani. Z nadaljevanjem Moorovega zakona (slika 4) se integracija polprevodniških čipov še naprej povečuje, velikost komponent se še naprej zmanjšuje, proizvodni proces pa mora zagotavljati izjemno visoko natančnost in stabilnost.

Slika 4 (a) Število tranzistorjev v čipu sčasoma narašča; (b) Velikost čipa se še naprej zmanjšuje [5]

Poleg tega kompleksnost in nadzor stroškov postopka izdelave polprevodnikov. Postopek izdelave polprevodnikov je zapleten in temelji na natančni opremi, zato je treba vsako povezavo natančno nadzorovati. Zaradi visokih stroškov opreme, materiala in stroškov raziskav in razvoja so proizvodni stroški polprevodniških izdelkov visoki. Zato je treba nadaljevati z raziskovanjem in zmanjševanjem stroškov ob zagotavljanju izkoristka izdelka.

Hkrati se mora industrija proizvodnje polprevodnikov hitro odzvati na povpraševanje na trgu. S hitrimi spremembami povpraševanja na trgu. Tradicionalni proizvodni model ima težave z dolgim ​​ciklom in slabo prilagodljivostjo, zaradi česar je težko doseči hitro ponovitev izdelkov na trgu. Zato je tudi učinkovitejša in prilagodljiva metoda proizvodnje postala tudi razvojna smer polprevodniške industrije.

Uporaba3D tiskanjev industriji polprevodnikov

Na polprevodniškem področju je tehnologija 3D tiskanja tudi neprekinjeno dokazala svojo uporabo.

Prvič, tehnologija 3D-tiskanja ima visoko stopnjo svobode pri strukturnem oblikovanju in lahko doseže "integrirano" oblikovanje, kar pomeni, da je mogoče oblikovati bolj sofisticirane in kompleksne strukture. Slika 5 (a), 3D sistem optimizira notranjo strukturo odvajanja toplote z umetno pomožno zasnovo, izboljša toplotno stabilnost stopnje rezine, skrajša čas toplotne stabilizacije rezine ter izboljša izkoristek in učinkovitost proizvodnje čipov. Znotraj litografskega stroja so tudi zapleteni cevovodi. S 3D-tiskanjem je mogoče kompleksne strukture cevovodov "integrirati", da se zmanjša uporaba cevi in ​​optimizira pretok plina v cevovodu, s čimer se zmanjša negativni vpliv mehanskih motenj in vibracij ter izboljša stabilnost procesa obdelave čipov.

Slika 5 3D-sistem uporablja 3D-tiskanje za oblikovanje delov (a) stopnje rezin litografskega stroja; (b) razdelilni cevovod [6]

Glede na izbiro materiala lahko tehnologija 3D tiskanja uresniči materiale, ki jih je težko oblikovati s tradicionalnimi metodami obdelave. Silicijevi karbidni materiali imajo visoko trdoto in visoko tališče. Tradicionalne metode obdelave je težko oblikovati in imeti dolg proizvodni cikel. Oblikovanje kompleksnih struktur zahteva obdelavo s pomočjo plesni. Sublimation 3D je razvil neodvisen 3D-tiskalnik z dvojnim šsenjem UPS-25 in pripravil kristalne čolne iz silicijevega karbida. Po reakcijskem sintranju je gostota produkta 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

Slika 6Kristalni čoln iz silicijevega karbida[7]

Slika 7 (a) Oprema za 3D sotiskanje; (b) UV svetloba se uporablja za izdelavo tridimenzionalnih struktur, laser pa se uporablja za ustvarjanje srebrovih nanodelcev; (c) Načelo 3D-so-tiskanja elektronskih komponent[8]

Tradicionalni postopek elektronskih izdelkov je zapleten in potrebnih je več procesnih korakov od surovin do končnih izdelkov. Xiao et al.[8] uporabljal tehnologijo 3D-so-tiskanja za selektivno konstrukcijo karoserijskih struktur ali vdelavo prevodnih kovin na površine proste oblike za izdelavo 3D-elektronskih naprav. Ta tehnologija vključuje samo en material za tiskanje, ki ga je mogoče uporabiti za izdelavo polimernih struktur z UV utrjevanjem ali za aktiviranje kovinskih prekurzorjev v fotoobčutljivih smolah z laserskim skeniranjem za proizvodnjo nanokovinskih delcev za oblikovanje prevodnih vezij. Poleg tega nastalo prevodno vezje kaže odlično upornost, ki znaša le približno 6,12 µΩm. S prilagoditvijo formule materiala in parametrov obdelave je mogoče upornost dodatno nadzorovati med 10-6 in 10Ωm. Vidimo lahko, da tehnologija 3D-so-tiskanja rešuje izziv nanosa več materialov v tradicionalni proizvodnji in odpira novo pot za proizvodnjo 3D-elektronskih izdelkov.

Embalaža čipov je ključni člen v proizvodnji polprevodnikov. Tradicionalna embalažna tehnologija ima tudi težave, kot so zapleteni procesi, napake pri toplotnem upravljanju in stres zaradi neusklajenosti koeficientov toplotnega raztezanja med materiali, kar vodi do okvare embalaže. Tehnologija 3D tiskanja lahko poenostavi proizvodni proces in zmanjša stroške z neposrednim tiskanjem strukture embalaže. Feng et al. [9] je pripravil elektronske embalažne materiale za spremembo faze in jih združil s tehnologijo 3D tiskanja za pakiranje čipov in vezij. Elektronski embalažni material s spremembo faze, ki so ga pripravili Feng et al. ima visoko latentno toploto 145,6 J/g in ima znatno toplotno stabilnost pri temperaturi 130 °C. V primerjavi s tradicionalnimi elektronskimi embalažnimi materiali lahko njegov hladilni učinek doseže 13 °C.

Slika 8 Shematski diagram uporabe 3D -tiskarske tehnologije za natančno zajemanje vezij z elektronskimi materiali fazne spremembe; (b) LED čip na levi je bil zaprt z elektronskimi embalažnimi materiali fazne spremembe, LED čip na desni pa ni bil zajet; (c) infrardeče slike LED čipov z in brez inkapsulacije; (d) temperaturne krivulje pod isto močjo in različnimi embalažnimi materiali; (e) kompleksno vezje brez diagrama embalaže LED čipov; (f) Shematski diagram odvajanja toplote faznega spreminjanja elektronskih embalažnih materialov [9]

Izzivi tehnologije 3D tiskanja v industriji polprevodnikov

Čeprav je tehnologija 3D tiskanja pokazala velik potencial vpolprevodniška industrija. Vendar pa je še vedno veliko izzivov.

Kar zadeva natančnost oblikovanja, lahko trenutna tehnologija 3D tiskanja doseže natančnost 20 μm, vendar je še vedno težko izpolniti visoke standarde proizvodnje polprevodnikov. Kar zadeva izbiro materiala, čeprav lahko tehnologija 3D tiskanja oblikuje različne materiale, je težava pri oblikovanju nekaterih materialov s posebnimi lastnostmi (silicijev karbid, silicijev nitrid itd.) še vedno razmeroma visoka. Kar zadeva proizvodne stroške, se 3D-tiskanje dobro obnese v maloserijski prilagojeni proizvodnji, vendar je njegova proizvodna hitrost razmeroma počasna v obsežni proizvodnji, stroški opreme pa so visoki, zaradi česar je težko izpolniti potrebe obsežne proizvodnje . Tehnično gledano, čeprav je tehnologija 3D tiskanja dosegla določene razvojne rezultate, je na nekaterih področjih še vedno nastajajoča tehnologija in zahteva nadaljnje raziskave in razvoj ter izboljšave za izboljšanje njene stabilnosti in zanesljivosti.