Проучвателно приложение на технологията за 3D печат в полупроводниковата индустрия

В епохата на бързо технологично развитие, 3D принтирането, като важен представител на напредналите производствени технологии, постепенно променя лицето на традиционното производство. С непрекъснатото развитие на технологиите и намаляването на разходите, технологията за 3D печат показа широки перспективи за приложение в много области като космическата промишленост, производството на автомобили, медицинското оборудване и архитектурния дизайн и насърчи иновациите и развитието на тези индустрии.

Заслужава да се отбележи, че потенциалното въздействие на технологията за 3D печат в областта на високите технологии на полупроводниците става все по-забележимо. Като крайъгълен камък на развитието на информационните технологии, прецизността и ефективността на процесите на производство на полупроводници влияят на производителността и цената на електронните продукти. Изправена пред нуждите от висока прецизност, висока сложност и бърза итерация в полупроводниковата индустрия, технологията за 3D печат, със своите уникални предимства, донесе безпрецедентни възможности и предизвикателства пред производството на полупроводници и постепенно навлезе във всички връзки наверига за полупроводникова индустрия, което показва, че полупроводниковата индустрия е на път да въведе дълбока промяна.

Следователно, анализирането и проучването на бъдещото приложение на технологията за 3D печат в полупроводниковата индустрия не само ще ни помогне да разберем пулса на развитие на тази авангардна технология, но също така ще предостави техническа поддръжка и справка за надграждане на полупроводниковата индустрия. Тази статия анализира най-новия напредък на технологията за 3D печат и нейните потенциални приложения в полупроводниковата индустрия и очаква как тази технология може да популяризира индустрията за производство на полупроводници.

3D технология за печат

3D принтирането е известно още като технология за адитивно производство. Неговият принцип е да се изгради триизмерна единица чрез подреждане на материали слой по слой. Този иновативен метод на производство подкопава традиционния режим на обработка на „субтрактивен“ или „еднакъв материал“ и може да „интегрира“ формовани продукти без помощта на матрицата. Има много видове технологии за 3D печат и всяка технология има своите предимства.

Според принципа на формоване на технологията за 3D печат има основно четири вида.

✔ Технологията за фотополимеризация се основава на принципа на ултравиолетовата полимеризация. Течните фоточувствителни материали се втвърдяват с ултравиолетова светлина и се подреждат слой по слой. Понастоящем тази технология може да формира керамика, метали и смоли с висока прецизност на формоване. Може да се използва в областта на медицината, изкуството и авиационната индустрия.

✔ Технология за разтопено отлагане чрез компютърно управлявана печатаща глава за нагряване и стопяване на нишката и екструдирането й според траектория на специфична форма, слой по слой, и може да образува пластмасови и керамични материали.

✔ Технологията за директно писане на суспензия използва суспензия с висок вискозитет като материал за мастило, който се съхранява в цевта и е свързан с иглата за екструдиране и е инсталиран на платформа, която може да извърши триизмерно движение под компютърен контрол. Чрез механично налягане или пневматично налягане мастиленият материал се изтласква от дюзата, за да екструдира непрекъснато върху субстрата, за да се оформи, и след това се извършва съответната последваща обработка (летлив разтворител, термично втвърдяване, светлинно втвърдяване, синтероване и т.н.) според свойствата на материала, за да се получи крайният триизмерен компонент. Понастоящем тази технология може да се приложи в областта на биокерамиката и преработката на храни.

✔Технологията за синтез на прахообразно легло може да бъде разделена на технология за лазерно селективно топене (SLM) и технология за лазерно селективно синтероване (SLS). И двете технологии използват прахообразни материали като обработващи обекти. Сред тях лазерната енергия на SLM е по-висока, което може да накара праха да се стопи и втвърди за кратко време. SLS може да бъде разделен на директен SLS и индиректен SLS. Енергията на директния SLS е по-висока и частиците могат да бъдат директно синтеровани или разтопени, за да образуват връзка между частиците. Следователно директният SLS е подобен на SLM. Праховите частици претърпяват бързо нагряване и охлаждане за кратко време, което прави формования блок с голямо вътрешно напрежение, ниска обща плътност и лоши механични свойства; лазерната енергия на индиректния SLS е по-ниска и свързващото вещество в праха се разтопява от лазерния лъч и частиците се свързват. След приключване на формоването вътрешното свързващо вещество се отстранява чрез термично обезмасляване и накрая се извършва синтероване. Технологията за сливане на прахово легло може да формира метали и керамика и в момента се използва в аерокосмическата и автомобилната промишленост.

Фигура 1 (a) Технология за фотовтвърдяване; (б) Технология за отлагане чрез стопяване; в) технология за директно писане на суспензия; (d) Технология за синтез на прахово легло [1, 2]

С непрекъснатото развитие на технологията за 3D печат, нейните предимства непрекъснато се демонстрират от създаването на прототипи до крайните продукти. Първо, по отношение на свободата на проектиране на структурата на продукта, най-същественото предимство на технологията за 3D печат е, че тя може директно да произвежда сложни структури от детайли. След това, по отношение на избора на материал на формовъчния обект, технологията за 3D печат може да отпечата различни материали, включително метали, керамика, полимерни материали и др. По отношение на производствения процес, технологията за 3D печат има висока степен на гъвкавост и може да коригира производствения процес и параметрите според действителните нужди.

Полупроводникова индустрия

Полупроводниковата индустрия играе жизненоважна роля в съвременната наука и технологии и икономика и нейното значение се отразява в много аспекти. Полупроводниците се използват за изграждане на миниатюрни схеми, които позволяват на устройствата да изпълняват сложни изчислителни задачи и задачи за обработка на данни. И като важен стълб на глобалната икономика, полупроводниковата индустрия осигурява голям брой работни места и икономически ползи за много страни. Той не само насърчи директно развитието на индустрията за производство на електроника, но също така доведе до растеж на индустрии като разработка на софтуер и дизайн на хардуер. Освен това във военните и отбранителните области,полупроводникова технологияе от решаващо значение за ключово оборудване като комуникационни системи, радари и сателитна навигация, осигурявайки национална сигурност и военни предимства.

Диаграма 2 „14-ти петгодишен план“ (откъс) [3]

Следователно настоящата полупроводникова индустрия се превърна във важен символ на националната конкурентоспособност и всички страни я развиват активно. „14-ият петгодишен план“ на моята страна предлага да се съсредоточи върху подкрепата на различни ключови връзки с „тесни места“ в полупроводниковата индустрия, включително главно усъвършенствани процеси, ключово оборудване, полупроводници от трето поколение и други области.

Диаграма 3 Процес на обработка на полупроводникови чипове [4]

Процесът на производство на полупроводникови чипове е изключително сложен. Както е показано на фигура 3, той включва главно следните ключови стъпки:приготвяне на вафла, литография,офорт, отлагане на тънък слой, йонна имплантация и тестване на опаковки. Всеки процес изисква строг контрол и прецизно измерване. Проблемите във всяка връзка могат да причинят повреда на чипа или влошаване на производителността. Следователно производството на полупроводници има много високи изисквания към оборудването, процесите и персонала.

Въпреки че традиционното производство на полупроводници е постигнало голям успех, все още има някои ограничения: Първо, полупроводниковите чипове са силно интегрирани и миниатюризирани. С продължаването на Закона на Мур (Фигура 4), интеграцията на полупроводникови чипове продължава да се увеличава, размерът на компонентите продължава да се свива и производственият процес трябва да осигури изключително висока прецизност и стабилност.

Фигура 4 (a) Броят на транзисторите в чипа продължава да се увеличава с времето; (b) Размерът на чипа продължава да намалява [5]

В допълнение, сложността и контролът на разходите на процеса на производство на полупроводници. Процесът на производство на полупроводници е сложен и разчита на прецизно оборудване и всяка връзка трябва да бъде точно контролирана. Високата цена на оборудването, разходите за материали и разходите за научноизследователска и развойна дейност правят производствените разходи за полупроводникови продукти високи. Следователно е необходимо да продължим да проучваме и да намаляваме разходите, като същевременно гарантираме добива на продукта.

В същото време индустрията за производство на полупроводници трябва да реагира бързо на пазарното търсене. С бързите промени в пазарното търсене. Традиционният модел на производство има проблеми с дългия цикъл и слабата гъвкавост, което затруднява посрещането на бързата итерация на продуктите на пазара. Следователно по-ефективен и гъвкав метод на производство също се превърна в посока на развитие на полупроводниковата индустрия.

Приложение на3D печатв полупроводниковата индустрия

В областта на полупроводниците технологията за 3D печат също непрекъснато демонстрира своето приложение.

Първо, технологията за 3D печат има висока степен на свобода в структурния дизайн и може да постигне "интегрирано" формоване, което означава, че могат да бъдат проектирани по-сложни и сложни структури. Фигура 5 (a), 3D система оптимизира вътрешната структура на разсейване на топлината чрез изкуствен спомагателен дизайн, подобрява термичната стабилност на етапа на пластината, намалява времето за термична стабилизация на пластината и подобрява добива и ефективността на производството на чипове. Вътре в литографската машина има и сложни тръбопроводи. Чрез 3D печат могат да бъдат „интегрирани“ сложни тръбопроводни структури, за да се намали използването на маркучи и да се оптимизира газовият поток в тръбопровода, като по този начин се намали отрицателното въздействие на механичните смущения и вибрациите и се подобри стабилността на процеса на обработка на чипове.

Фигура 5 3D система използва 3D печат за формиране на части (a) етап на литографска машина за пластини; б) колекторен тръбопровод [6]

По отношение на избора на материал, технологията за 3D печат може да реализира материали, които са трудни за формоване чрез традиционни методи на обработка. Материалите от силициев карбид имат висока твърдост и висока точка на топене. Традиционните методи на обработка са трудни за формоване и имат дълъг производствен цикъл. Формирането на сложни структури изисква обработка с помощта на матрица. Sublimation 3D разработи независим 3D принтер с две дюзи UPS-250 и подготви кристални лодки от силициев карбид. След реакционно синтероване, плътността на продукта е 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

Фигура 6Кристална лодка от силициев карбид[7]

Фигура 7 (a) Оборудване за 3D съвместен печат; (б) UV светлина се използва за конструиране на триизмерни структури, а лазерът се използва за генериране на сребърни наночастици; в) Принцип на 3D съвместно отпечатване на електронни компоненти[8]

Традиционният процес на електронни продукти е сложен и са необходими множество стъпки на процеса от суровините до готовите продукти. Xiao et al.[8] използва технология за 3D съвместно отпечатване за селективно конструиране на структури на тялото или вграждане на проводими метали върху повърхности със свободна форма за производство на 3D електронни устройства. Тази технология включва само един печатен материал, който може да се използва за изграждане на полимерни структури чрез UV втвърдяване или за активиране на метални прекурсори във фоточувствителни смоли чрез лазерно сканиране за производство на нанометални частици за образуване на проводими вериги. В допълнение, получената проводяща верига показва отлично съпротивление от около 6,12µΩm. Чрез регулиране на формулата на материала и параметрите на обработка, съпротивлението може да бъде допълнително контролирано между 10-6 и 10Ωm. Може да се види, че технологията за 3D съвместен печат решава предизвикателството на отлагането на много материали в традиционното производство и отваря нов път за производство на 3D електронни продукти.

Опаковката на чипове е ключова връзка в производството на полупроводници. Традиционната технология за опаковане също има проблеми като сложен процес, неуспешно управление на топлината и напрежение, причинено от несъответствие на коефициентите на топлинно разширение между материалите, което води до повреда на опаковката. Технологията за 3D печат може да опрости производствения процес и да намали разходите чрез директно отпечатване на структурата на опаковката. Feng и др. [9] подготви електронни опаковъчни материали с фазова промяна и ги комбинира с технология за 3D печат, за да опаковат чипове и вериги. Електронният опаковъчен материал с промяна на фазата, изготвен от Feng et al. има висока латентна топлина от 145,6 J/g и има значителна термична стабилност при температура от 130°C. В сравнение с традиционните електронни опаковъчни материали, неговият охлаждащ ефект може да достигне 13°C.

Фигура 8 Схематична диаграма на използване на технология за 3D печат за точно капсулиране на вериги с електронни материали с промяна на фазата; (b) LED чипът отляво е капсулован с електронни опаковъчни материали с промяна на фазата, а LED чипът отдясно не е капсулован; (c) Инфрачервени изображения на LED чипове със и без капсулиране; (d) Температурни криви при една и съща мощност и различни опаковъчни материали; (д) Сложна схема без схема на опаковане на светодиоден чип; (е) Схематична диаграма на разсейване на топлината на електронни опаковъчни материали с промяна на фазата [9]

Предизвикателства на технологията за 3D печат в полупроводниковата индустрия

Въпреки че технологията за 3D печат показа голям потенциал вполупроводникова индустрия. Все още обаче има много предизвикателства.

По отношение на точността на формоване, настоящата технология за 3D печат може да постигне точност от 20 μm, но все още е трудно да се изпълнят високите стандарти за производство на полупроводници. По отношение на избора на материал, въпреки че технологията за 3D печат може да формира различни материали, трудността при формоване на някои материали със специални свойства (силициев карбид, силициев нитрид и др.) все още е относително висока. По отношение на производствените разходи, 3D печатът се представя добре при персонализирано производство на малки партиди, но скоростта му на производство е сравнително бавна при широкомащабно производство, а цената на оборудването е висока, което затруднява посрещането на нуждите на широкомащабното производство . Технически, въпреки че технологията за 3D печат е постигнала определени резултати в развитието, тя все още е нововъзникваща технология в някои области и изисква по-нататъшни изследвания и разработки и подобрения, за да се подобри нейната стабилност и надеждност.