Aplicarea exploratorie a tehnologiei de imprimare 3D în industria semiconductoarelor

Într-o eră de dezvoltare tehnologică rapidă, imprimarea 3D, ca reprezentant important al tehnologiei avansate de fabricație, schimbă treptat fața producției tradiționale. Odată cu maturitatea continuă a tehnologiei și reducerea costurilor, tehnologia de imprimare 3D a arătat perspective largi de aplicare în multe domenii precum industria aerospațială, producția de automobile, echipamente medicale și design arhitectural și a promovat inovația și dezvoltarea acestor industrii.

Este de remarcat faptul că impactul potențial al tehnologiei de imprimare 3D în domeniul high-tech al semiconductorilor devine din ce în ce mai proeminent. Ca piatră de temelie a dezvoltării tehnologiei informației, precizia și eficiența proceselor de fabricație a semiconductorilor afectează performanța și costul produselor electronice. Confruntată cu nevoile de înaltă precizie, complexitate ridicată și iterație rapidă în industria semiconductoarelor, tehnologia de imprimare 3D, cu avantajele sale unice, a adus oportunități și provocări fără precedent pentru fabricarea semiconductoarelor și a pătruns treptat în toate verigăturileLanțul industriei semiconductoare, indicând faptul că industria semiconductorilor este pe cale să introducă o schimbare profundă.

Prin urmare, analiza și explorarea viitoarei aplicații a tehnologiei de imprimare 3D în industria semiconductoarelor nu numai că ne va ajuta să înțelegem pulsul de dezvoltare a acestei tehnologii de ultimă oră, ci și să oferim suport tehnic și referință pentru modernizarea industriei semiconductoarelor. Acest articol analizează cele mai recente progrese ale tehnologiei de imprimare 3D și aplicațiile sale potențiale în industria semiconductoarelor și așteaptă cu nerăbdare modul în care această tehnologie poate promova industria producției de semiconductori.

Tehnologie de imprimare 3D

Imprimarea 3D este cunoscută și sub denumirea de tehnologie de fabricație aditivă. Principiul său este de a construi o entitate tridimensională prin stivuirea materialelor strat după strat. Această metodă inovatoare de producție subvertește modul de procesare tradițional „subtractiv” sau „material egal” și poate „integra” produsele modelate fără asistență la mucegai. Există multe tipuri de tehnologii de imprimare 3D și fiecare tehnologie are propriile avantaje.

Conform principiului de modelare al tehnologiei de imprimare 3D, există în principal patru tipuri.

✔ Tehnologia de fotopolimerizare se bazează pe principiul polimerizării ultraviolete. Materialele fotosensibile lichide se întăresc prin lumină ultravioletă și se stivuesc strat cu strat. În prezent, această tehnologie poate forma ceramică, metale și rășini cu o mare precizie de turnare. Poate fi folosit în domeniul medical, al artei și al industriei aviatice.

✔ Tehnologia de depunere fuzionată, prin capul de imprimare comandat de computer, pentru a încălzi și a topi filamentul și a-l extruda în funcție de o traiectorie de formă specifică, strat cu strat, și poate forma materiale plastice și ceramice.

✔ Tehnologia de scriere directă a slurry folosește nămol de înaltă vâscozitate ca material de cerneală, care este stocat în butoi și conectat la acul de extrudare și instalat pe o platformă care poate finaliza mișcarea tridimensională sub controlul computerului. Prin presiune mecanică sau presiune pneumatică, materialul de cerneală este împins în afara duzei pentru a se extruda continuu pe substrat pentru a se forma, iar apoi se efectuează post-procesarea corespunzătoare (solvent volatil, polimerizare termică, fotopolimerizare, sinterizare etc.) în funcţie de proprietăţile materialului pentru a obţine componenta tridimensională finală. În prezent, această tehnologie poate fi aplicată în domeniile bioceramicului și procesării alimentelor.

Tehnologia Tehnologia de fuziune a patului poate fi împărțită în tehnologie selectivă de topire laser (SLM) și tehnologie de sinterizare selectivă laser (SLS). Ambele tehnologii folosesc materiale pulbere ca obiecte de procesare. Printre ele, energia laser a SLM este mai mare, ceea ce poate face ca pulberea să se topească și să se solidifice într -un timp scurt. SL -urile pot fi împărțite în SL -uri directe și SL -uri indirecte. Energia SLS directă este mai mare, iar particulele pot fi sinterizate direct sau topite pentru a forma legarea între particule. Prin urmare, SLS -ul direct este similar cu SLM. Particulele de pulbere suferă încălzire și răcire rapidă într -un timp scurt, ceea ce face ca blocul modelat să aibă o tensiune internă mare, o densitate generală scăzută și proprietăți mecanice slabe; Energia laser a SLS indirectă este mai mică, iar liantul din pulbere este topit de fasciculul laser și particulele sunt legate. După finalizarea formării, liantul intern este îndepărtat prin degresare termică și, în final, se efectuează sinterizarea. Tehnologia de fuziune a patului de pulbere poate forma metale și ceramică și este utilizată în prezent în câmpurile aerospațiale și automobile.

Figura 1 (a) Tehnologia de fotopolimerizare; (b) Tehnologia de depunere prin fuzionare; (c) Tehnologia de scriere directă a nămolului; (d) Tehnologia de fuziune în pat de pulbere [1, 2]

Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de imprimare 3D, avantajele acesteia sunt demonstrate în mod constant de la prototipare la produsele finale. În primul rând, în ceea ce privește libertatea de proiectare a structurii produsului, cel mai semnificativ avantaj al tehnologiei de imprimare 3D este faptul că poate fabrica direct structuri complexe de piese de lucru. În continuare, în ceea ce privește selecția materiale a obiectului de modelare, tehnologia de imprimare 3D poate imprima o varietate de materiale, inclusiv metale, ceramică, materiale polimerice etc. În ceea ce privește procesul de fabricație, tehnologia de imprimare 3D are un grad ridicat de flexibilitate și poate ajusta procesul de fabricație și parametrii în funcție de nevoile reale.

Industria semiconductorilor

Industria semiconductoarelor joacă un rol vital în știința și tehnologia modernă și în economie, iar importanța sa se reflectă în multe aspecte. Semiconductorii sunt utilizați pentru a construi circuite miniaturizate, care permit dispozitivelor să efectueze sarcini complexe de calcul și procesare a datelor. Și ca pilon important al economiei globale, industria semiconductoarelor oferă un număr mare de locuri de muncă și beneficii economice pentru multe țări. Nu numai că a promovat în mod direct dezvoltarea industriei de fabricare a electronicelor, dar a condus și la creșterea unor industrii precum dezvoltarea de software și designul hardware. În plus, în domeniul militar și al apărării,tehnologie semiconductoareeste esențial pentru echipamentele cheie, cum ar fi sistemele de comunicații, radarele și navigația prin satelit, asigurând securitatea națională și avantajele militare.

Diagrama 2 „Al 14-lea plan cincinal” (fragment) [3]

Prin urmare, actuala industrie semiconductoare a devenit un simbol important al competitivității naționale și toate țările o dezvoltă activ. „Al 14-lea plan de cinci ani” al țării mele propune să se concentreze pe susținerea diferitelor legături cheie „blocaje” în industria semiconductorilor, incluzând în principal procese avansate, echipamente cheie, semiconductori de generația a treia și alte domenii.

Graficul 3 Procesul de procesare a cipurilor cu semiconductor [4]

Procesul de fabricație al jetoanelor cu semiconductor este extrem de complex. Așa cum se arată în figura 3, include în principal următorii pași cheie:prepararea napolitanelor, litografie,gravură, depunerea filmului subțire, implantarea ionică și testarea ambalajului. Fiecare proces necesită un control strict și măsurare precisă. Problemele în orice legătură pot cauza deteriorarea cipului sau degradarea performanței. Prin urmare, fabricarea semiconductorilor are cerințe foarte ridicate pentru echipamente, procese și personal.

Deși fabricarea tradițională a semiconductorilor a obținut un succes mare, există încă unele limitări: în primul rând, jetoanele cu semiconductor sunt extrem de integrate și miniaturizate. Odată cu continuarea legii lui Moore (figura 4), integrarea jetoanelor cu semiconductor continuă să crească, dimensiunea componentelor continuă să se micșoreze, iar procesul de fabricație trebuie să asigure o precizie și stabilitate extrem de ridicată.

Figura 4 (a) numărul tranzistoarelor dintr -un cip continuă să crească în timp; (b) Mărimea cipului continuă să se micșoreze [5]

În plus, complexitatea și controlul costurilor procesului de fabricație a semiconductorilor. Procesul de fabricație a semiconductorilor este complex și se bazează pe echipamente de precizie, iar fiecare legătură trebuie controlată cu exactitate. Costul ridicat al echipamentului, costul materialului și costul de cercetare și dezvoltare fac ca costul de fabricație al produselor semiconductor să fie ridicat. Prin urmare, este necesar să continuați să explorați și să reduceți costurile, asigurând în același timp randamentul produsului.

În același timp, industria de fabricație a semiconductorilor trebuie să răspundă rapid la cererea pieței. Cu schimbările rapide ale cererii pieței. Modelul tradițional de fabricație are probleme de ciclu lung și flexibilitate slabă, ceea ce face dificilă îndeplinirea iterației rapide a produselor de pe piață. Prin urmare, o metodă de fabricație mai eficientă și mai flexibilă a devenit, de asemenea, direcția de dezvoltare a industriei semiconductorilor.

AplicareaImprimare 3Dîn industria semiconductoarelor

În domeniul semiconductorului, tehnologia de imprimare 3D și -a demonstrat continuu aplicarea.

În primul rând, tehnologia de imprimare 3D are un grad ridicat de libertate în proiectarea structurală și poate realiza modelarea „integrată”, ceea ce înseamnă că pot fi proiectate structuri mai sofisticate și complexe. Figura 5 (a), sistemul 3D optimizează structura internă de disipare a căldurii prin proiectarea auxiliară artificială, îmbunătățește stabilitatea termică a etapei de placă, reduce timpul de stabilizare termică a plafonului și îmbunătățește randamentul și eficiența producției de cipuri. Există, de asemenea, conducte complexe în mașina de litografie. Prin imprimarea 3D, structurile complexe ale conductelor pot fi „integrate” pentru a reduce utilizarea furtunurilor și pentru a optimiza fluxul de gaz din conductă, reducând astfel impactul negativ al interferenței și vibrațiilor mecanice și îmbunătățind stabilitatea procesului de procesare a cipurilor.

Figura 5 Sistemul 3D folosește imprimarea 3D pentru a forma părți (a) stadiul de wafer al mașinii de litografie; (b) conductă colector [6]

În ceea ce privește selecția materialelor, tehnologia de imprimare 3D poate realiza materiale dificil de format prin metode tradiționale de procesare. Materialele din carbură de siliciu au o duritate ridicată și un punct de topire ridicat. Metodele tradiționale de procesare sunt dificil de format și au un ciclu de producție lung. Formarea structurilor complexe necesită prelucrare asistată de mucegai. Sublimation 3D a dezvoltat o imprimantă 3D cu dublă dublă dublă UPS-250 și a preparat bărci de cristal de carbură de siliciu. După sinterizarea reacției, densitatea produsului este de 2,95 ~ 3,02g/cm3.

Figura 6Barcă de cristal cu carbură de siliciu[7]

Figura 7 (a) Echipament de co-tipărire 3D; (b) lumina UV este utilizată pentru a construi structuri tridimensionale, iar laser este utilizat pentru a genera nanoparticule de argint; (c) Principiul componentelor electronice de co-tipărire 3D [8]

Procesul tradițional de produse electronice este complex și sunt necesari mai multe etape de proces de la materii prime la produse finite. Xiao și colab. [8] a utilizat tehnologia de co-tipărire 3D pentru a construi selectiv structurile corpului sau a încorpora metale conductoare pe suprafețe de formă liberă pentru a fabrica dispozitive electronice 3D. Această tehnologie implică doar un material de imprimare, care poate fi utilizat pentru a construi structuri polimerice prin întărirea UV sau pentru a activa precursorii metalului în rășini fotosensibile prin scanarea cu laser pentru a produce particule nano-metalice pentru a forma circuite conductive. În plus, circuitul conductor rezultat prezintă o rezistivitate excelentă la aproximativ 6,12µωm. Prin reglarea formulei materialului și a parametrilor de procesare, rezistivitatea poate fi controlată în continuare între 10-6 și 10ωm. Se poate observa că tehnologia de co-tipărire 3D rezolvă provocarea depunerii multi-materiale la producția tradițională și deschide o nouă cale pentru fabricarea produselor electronice 3D.

Ambalarea cipurilor este o verigă cheie în producția de semiconductori. Tehnologia tradițională de ambalare are, de asemenea, probleme precum procese complexe, eșec în managementul termic și stres cauzat de nepotrivirea coeficienților de dilatare termică între materiale, ceea ce duce la defecțiunea ambalajului. Tehnologia de imprimare 3D poate simplifica procesul de fabricație și poate reduce costurile prin imprimarea directă a structurii ambalajului. Feng şi colab. [9] a pregătit materiale de ambalare electronică cu schimbare de fază și le-a combinat cu tehnologia de imprimare 3D pentru a împacheta cipuri și circuite. Materialul de ambalare electronică cu schimbare de fază preparat de Feng și colab. are o căldură latentă mare de 145,6 J/g și are o stabilitate termică semnificativă la o temperatură de 130°C. În comparație cu materialele de ambalare electronice tradiționale, efectul său de răcire poate ajunge la 13°C.

Figura 8 Diagrama schematică a utilizării tehnologiei de imprimare 3D pentru a încapsula cu precizie circuite cu materiale electronice cu schimbare de fază; (b) Cipul LED din stânga a fost încapsulat cu materiale electronice de ambalare cu schimbare de fază, iar cipul LED din dreapta nu a fost încapsulat; (c) Imagini în infraroșu ale cipurilor LED cu și fără încapsulare; (d) curbe de temperatură la aceeași putere și diferite materiale de ambalare; (e) Circuit complex fără diagramă de ambalare a cipului LED; (f) Diagrama schematică a disipării căldurii a materialelor electronice de ambalare cu schimbare de fază [9]

Provocări ale tehnologiei de imprimare 3D în industria semiconductorilor

Deși tehnologia de imprimare 3D a demonstrat un mare potențial înindustria semiconductoarelor. Cu toate acestea, există încă multe provocări.

În ceea ce privește precizia modelării, tehnologia actuală de imprimare 3D poate obține o precizie de 20 μm, dar este încă dificil să îndeplinească standardele ridicate ale producției de semiconductori. În ceea ce privește selecția materialelor, deși tehnologia de imprimare 3D poate forma o varietate de materiale, dificultatea de modelare a unor materiale cu proprietăți speciale (carbură de siliciu, nitrură de siliciu etc.) este încă relativ ridicată. În ceea ce privește costul de producție, imprimarea 3D funcționează bine în producția personalizată cu lot mic, dar viteza de producție este relativ lentă în producția pe scară largă, iar costul echipamentului este mare, ceea ce face dificilă satisfacerea nevoilor producției pe scară largă . Tehnic, deși tehnologia de imprimare 3D a obținut anumite rezultate de dezvoltare, este totuși o tehnologie emergentă în unele domenii și necesită cercetări și dezvoltare și îmbunătățire suplimentară pentru a -și îmbunătăți stabilitatea și fiabilitatea.