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. Soočena s potrebami po visoki natančnosti, visoki kompleksnosti in hitrem ponavljanju v industriji polprevodnikov, je tehnologija 3D tiskanja s svojimi edinstvenimi prednostmi prinesla priložnosti in izzive brez primere v proizvodnjo polprevodnikov in je postopoma prodrla v vse člene v industriji.veriga polprevodniške industrije, kar nakazuje, da bo polprevodniška industrija kmalu začela globoko spremembo.

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.

Glede na načelo oblikovanja tehnologije 3D tiskanja obstajajo predvsem štiri vrste.

✔ Tehnologija fotoutrjevanja temelji na principu ultravijolične polimerizacije. Tekoči fotoobčutljivi materiali se utrjujejo z ultravijolično svetlobo in zlagajo plast za plastjo. Trenutno lahko ta tehnologija oblikuje keramiko, kovine in smole z visoko natančnostjo oblikovanja. Uporablja se lahko na področju medicine, 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 z gnojevko uporablja visoko viskozno brozgo kot črnilni material, ki je shranjen v cevi in ​​povezan z ekstruzijsko iglo ter nameščen na platformi, ki lahko dokonča tridimenzionalno gibanje pod računalniškim nadzorom. Z mehanskim pritiskom ali pnevmatskim pritiskom se material črnila potisne iz šobe, da se nenehno ekstrudira na substrat, da se oblikuje, nato pa se izvede ustrezna naknadna obdelava (hlapno topilo, termično strjevanje, svetlobno strjevanje, sintranje itd.). glede na lastnosti materiala, da dobimo končno tridimenzionalno komponento. Trenutno je to tehnologijo mogoče uporabiti na področjih biokeramike 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 vseskozi dokazujejo njene prednosti od izdelave prototipov do končnih izdelkov. Prvič, kar zadeva svobodo oblikovanja strukture izdelka, je najpomembnejša prednost tehnologije 3D tiskanja ta, da lahko neposredno izdeluje kompleksne strukture obdelovancev. Nato lahko v smislu izbire materiala za oblikovanje predmeta tehnologija 3D-tiskanja natisne različne materiale, vključno s kovinami, keramiko, polimernimi materiali itd. Kar zadeva proizvodni proces, ima tehnologija 3D-tiskanja visoko stopnjo prilagodljivosti in lahko prilagodijo proizvodni proces 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.

Graf 3 Postopek obdelave polprevodniškega čipa [4]

Postopek izdelave polprevodniških čipov je izjemno zapleten. Kot je prikazano na sliki 3, vključuje predvsem naslednje ključne korake:priprava oblatov, litografija,jedkanica, nanašanje tankega filma, ionska implantacija in testiranje embalaže. Vsak proces zahteva strog nadzor in natančno merjenje. Težave v kateri koli povezavi lahko povzročijo poškodbe čipa ali poslabšanje delovanja. Zato ima proizvodnja polprevodnikov zelo visoke zahteve glede opreme, procesov in osebja.

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 trga. S hitrimi spremembami povpraševanja na trgu. Tradicionalni proizvodni model ima težave z dolgim ​​ciklom in slabo fleksibilnostjo, zaradi česar je težko kos hitrim ponavljanjem izdelkov na trgu. Zato je učinkovitejši in fleksibilnejši način izdelave postal tudi razvojna smer polprevodniške industrije.

Uporaba3D tiskanjev industriji polprevodnikov

Tudi na področju polprevodnikov tehnologija 3D-tiskanja nenehno dokazuje 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 termične 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]

Kar zadeva izbiro materiala, lahko tehnologija 3D tiskanja realizira materiale, ki jih je težko oblikovati s tradicionalnimi metodami obdelave. Materiali iz silicijevega karbida imajo visoko trdoto in visoko tališče. Tradicionalne metode predelave je težko oblikovati in imajo dolg proizvodni cikel. Oblikovanje kompleksnih struktur zahteva obdelavo s pomočjo kalupov. Sublimation 3D je razvil neodvisen 3D-tiskalnik UPS-250 z dvojno šobo 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 tehnologije 3D-tiskanja za natančno enkapsulacijo vezij z elektronskimi materiali s fazno spremembo; (b) čip LED na levi je bil inkapsuliran s fazno spremenjenimi elektronskimi embalažnimi materiali, čip LED na desni pa ni bil enkapsuliran; (c) infrardeče slike čipov LED z inkapsulacijo in brez nje; (d) temperaturne krivulje pri enaki moči in različnih embalažnih materialih; (e) kompleksno vezje brez diagrama pakiranja čipov LED; (f) Shematski diagram odvajanja toplote fazno spreminjajočih se elektronskih embalažnih materialov [9]

Izzivi tehnologije 3D tiskanja v industriji polprevodnikov

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

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 v razvoju in zahteva nadaljnje raziskave in razvoj ter izboljšave za izboljšanje njene stabilnosti in zanesljivosti.