Дослідницьке застосування технології 3D-друку в напівпровідниковій промисловості

В епоху стрімкого розвитку технологій 3D-друк, як важливий представник передової технології виробництва, поступово змінює вигляд традиційного виробництва. Завдяки постійному розвитку технологій і зниженню витрат технологія 3D-друку показала широкі перспективи застосування в багатьох галузях, таких як аерокосмічна промисловість, виробництво автомобілів, медичне обладнання та архітектурний дизайн, і сприяла інноваціям і розвитку цих галузей.

Варто зазначити, що потенційний вплив технології 3D-друку в галузі високих технологій напівпровідників стає дедалі помітнішим. Як наріжний камінь розвитку інформаційних технологій, точність і ефективність процесів виробництва напівпровідників впливають на продуктивність і вартість електронних виробів. Зіткнувшись із потребами високої точності, високої складності та швидкої ітерації в напівпровідниковій промисловості, технологія 3D-друку з її унікальними перевагами принесла безпрецедентні можливості та виклики для виробництва напівпровідників і поступово проникла в усі ланки виробництва.ланцюг напівпровідникової промисловості, що вказує на те, що напівпровідникова промисловість ось-ось розпочне кардинальні зміни.

Таким чином, аналіз і вивчення майбутнього застосування технології 3D-друку в напівпровідниковій промисловості не тільки допоможе нам зрозуміти пульс розвитку цієї передової технології, але й надасть технічну підтримку та довідкові матеріали для модернізації напівпровідникової промисловості. У цій статті аналізуються останні досягнення технології 3D-друку та її потенційні застосування в напівпровідниковій промисловості, а також очікується, як ця технологія може сприяти розвитку напівпровідникової промисловості.

Технологія 3D друку

3D-друк також відомий як технологія адитивного виробництва. Його принцип полягає в створенні тривимірної сутності шляхом укладання матеріалів шар за шаром. Цей інноваційний метод виробництва руйнує традиційний режим виробництва «субтрактивний» або «рівний матеріал» і може «інтегрувати» формовані вироби без допомоги форми. Існує багато типів технологій 3D-друку, і кожна технологія має свої переваги.

Відповідно до принципу формування технології 3D-друку існує в основному чотири типи.

✔ Технологія фотозатвердіння заснована на принципі ультрафіолетової полімеризації. Рідкі світлочутливі матеріали затверджуються ультрафіолетом і накладаються шар за шаром. Зараз ця технологія може формувати кераміку, метали та смоли з високою точністю формування. Його можна використовувати в галузі медицини, мистецтва та авіаційної промисловості.

✔ Технологія плавленого осадження через керовану комп’ютером друкувальну голівку для нагрівання та розплавлення нитки та екструдування її відповідно до певної траєкторії форми, шар за шаром, і може формувати пластикові та керамічні матеріали.

✔ Технологія прямого написання суспензії використовує суспензію з високою в’язкістю як чорнильний матеріал, який зберігається в стволі та з’єднаний з екструзійною голкою та встановлений на платформі, яка може здійснювати тривимірний рух під керуванням комп’ютера. За допомогою механічного або пневматичного тиску чорнильний матеріал виштовхується з сопла, щоб безперервно видавлюватися на підкладку для формування, а потім виконується відповідна додаткова обробка (летючий розчинник, термічне затвердіння, світлове затвердіння, спікання тощо). відповідно до властивостей матеріалу для отримання кінцевого тривимірного компонента. В даний час ця технологія може бути застосована в галузі біокераміки та харчової промисловості.

✔Технологію злиття порошкового шару можна розділити на технологію лазерного селективного плавлення (SLM) і технологію лазерного селективного спікання (SLS). Обидві технології використовують порошкові матеріали як об'єкти обробки. Серед них лазерна енергія SLM вища, що може змусити порошок розплавитися та затвердіти за короткий час. SLS можна розділити на прямий SLS і непрямий SLS. Енергія прямого SLS вища, і частинки можна безпосередньо спекати або розплавляти для утворення зв’язку між частинками. Тому прямий SLS схожий на SLM. Частинки порошку піддаються швидкому нагріванню та охолодженню за короткий час, через що формований блок має велику внутрішню напругу, низьку загальну щільність і погані механічні властивості; лазерна енергія непрямого SLS нижча, і сполучна речовина в порошку розплавляється лазерним променем, і частинки з’єднуються. Після завершення формування внутрішнє сполучне видаляють термічним знежиренням і, нарешті, проводять спікання. Технологія порошкового сплаву може формувати метали та кераміку та зараз використовується в аерокосмічній та автомобільній промисловості.

Рисунок 1 (а) Технологія фотозатвердіння; (b) технологія наплавлення; (c) технологія прямого запису суспензії; (d) Технологія порошкового сплаву [1, 2]

Завдяки безперервному розвитку технології 3D-друку, її переваги постійно демонструються від створення прототипів до кінцевих продуктів. По-перше, з точки зору свободи проектування структури продукту, найважливішою перевагою технології 3D-друку є те, що вона може безпосередньо виготовляти складні структури заготовок. Далі, з точки зору вибору матеріалу об’єкта формування, технологія 3D-друку може друкувати різноманітні матеріали, включаючи метали, кераміку, полімерні матеріали тощо. Що стосується виробничого процесу, технологія 3D-друку має високий ступінь гнучкості та може налаштувати виробничий процес і параметри відповідно до реальних потреб.

Напівпровідникова промисловість

Напівпровідникова промисловість відіграє життєво важливу роль у сучасній науці, техніці та економіці, і її важливість відображається в багатьох аспектах. Напівпровідники використовуються для побудови мініатюрних схем, які дозволяють пристроям виконувати складні обчислювальні завдання та завдання обробки даних. Будучи важливою опорою світової економіки, напівпровідникова промисловість забезпечує велику кількість робочих місць та економічні вигоди для багатьох країн. Це не тільки безпосередньо сприяло розвитку промисловості виробництва електроніки, але й призвело до зростання таких галузей, як розробка програмного забезпечення та апаратного забезпечення. Крім того, у військовій та оборонній сферах,напівпровідникова технологіямає вирішальне значення для ключового обладнання, такого як системи зв’язку, радари та супутникова навігація, що забезпечує національну безпеку та військові переваги.

Схема 2 «14-та п'ятирічка» (витяг) [3]

Тому нинішня напівпровідникова промисловість стала важливим символом національної конкурентоспроможності, і всі країни активно її розвивають. «14-й п’ятирічний план» моєї країни пропонує зосередитися на підтримці різних ключових «вузьких» ланок у напівпровідниковій промисловості, головним чином включаючи передові процеси, ключове обладнання, напівпровідники третього покоління та інші галузі.

Діаграма 3 Процес обробки напівпровідникових мікросхем [4]

Процес виробництва напівпровідникових мікросхем надзвичайно складний. Як показано на малюнку 3, він в основному включає наступні ключові кроки:приготування вафель, літографія,травлення, осадження тонкої плівки, іонна імплантація та тестування упаковки. Кожен процес вимагає суворого контролю і точного вимірювання. Проблеми в будь-якому зв’язку можуть призвести до пошкодження мікросхеми або зниження продуктивності. Тому виробництво напівпровідників має дуже високі вимоги до обладнання, процесів і персоналу.

Незважаючи на те, що традиційне виробництво напівпровідників досягло великих успіхів, все ще існують певні обмеження: по-перше, напівпровідникові мікросхеми є високоінтегрованими та мініатюрними. З продовженням закону Мура (рис. 4) інтеграція напівпровідникових мікросхем продовжує збільшуватися, розмір компонентів продовжує зменшуватися, а виробничий процес повинен забезпечувати надзвичайно високу точність і стабільність.

Рисунок 4 (a) Кількість транзисторів у мікросхемі продовжує збільшуватися з часом; (b) Розмір мікросхеми продовжує зменшуватися [5]

Крім того, складність і контроль вартості процесу виробництва напівпровідників. Процес виробництва напівпровідників є складним і залежить від точного обладнання, і кожна ланка потребує точного контролю. Висока вартість обладнання, матеріалів і витрат на дослідження та розробки роблять виробничу вартість напівпровідникової продукції високою. Тому необхідно продовжувати дослідження та знижувати витрати, забезпечуючи при цьому вихід продукції.

У той же час промисловість виробництва напівпровідників повинна швидко реагувати на ринковий попит. Зі швидкими змінами ринкового попиту. Традиційна виробнича модель має проблеми тривалого циклу та поганої гнучкості, що ускладнює швидку ітерацію продукції на ринку. Таким чином, більш ефективний і гнучкий метод виробництва також став напрямком розвитку напівпровідникової промисловості.

Застосування3D друкв напівпровідниковій промисловості

У галузі напівпровідників технологія 3D-друку також постійно демонструє своє застосування.

По-перше, технологія 3D-друку має високий ступінь свободи в структурному проектуванні та може досягти «інтегрованого» формування, що означає, що можна проектувати більш витончені та складні конструкції. На малюнку 5 (a) система 3D оптимізує внутрішню структуру розсіювання тепла за допомогою штучного допоміжного дизайну, покращує термічну стабільність пластини, скорочує час термостабілізації пластини та покращує продуктивність і ефективність виробництва мікросхем. Всередині літографічної машини також є складні трубопроводи. За допомогою 3D-друку можна «інтегрувати» складні структури трубопроводів, щоб зменшити використання шлангів і оптимізувати потік газу в трубопроводі, тим самим зменшуючи негативний вплив механічних перешкод і вібрації та покращуючи стабільність процесу обробки стружки.

Малюнок 5 3D-система використовує 3D-друк для формування деталей (a) столик для пластин літографічної машини; (b) колекторний трубопровід [6]

З точки зору вибору матеріалів, технологія 3D-друку може реалізовувати матеріали, які важко формувати традиційними методами обробки. Карбідокремнієві матеріали мають високу твердість і високу температуру плавлення. Традиційні методи обробки складні у формуванні та мають тривалий цикл виробництва. Формування складних структур вимагає обробки за допомогою форми. Компанія Sublimation 3D розробила незалежний 3D-принтер з двома соплами UPS-250 і підготувала кристалічні човни з карбіду кремнію. Після реакційного спікання щільність продукту становить 2,95~3,02 г/см3.

Малюнок 6Кристалічний човен з карбіду кремнію[7]

Рисунок 7 (a) Обладнання для спільного 3D-друку; (b) ультрафіолетове світло використовується для побудови тривимірних структур, а лазер використовується для генерації наночастинок срібла; (c) Принцип 3D спільного друку електронних компонентів[8]

Традиційний процес виготовлення електронного продукту є складним і вимагає кількох етапів процесу від сировини до готової продукції. Сяо та ін.[8] використовували технологію спільного 3D-друку для вибіркової побудови структур корпусу або вбудовування провідних металів на поверхні довільної форми для виготовлення 3D-електронних пристроїв. Ця технологія передбачає лише один друкарський матеріал, який можна використовувати для побудови полімерних структур за допомогою ультрафіолетового затвердіння або для активації прекурсорів металів у фоточутливих смолах за допомогою лазерного сканування для виробництва частинок нанометалів для формування провідних ланцюгів. Крім того, отриманий провідний ланцюг демонструє чудовий питомий опір приблизно 6,12 мкОм. Регулюючи формулу матеріалу та параметри обробки, питомий опір можна додатково контролювати в межах від 10-6 до 10 Ом·м. Можна побачити, що технологія спільного 3D-друку вирішує проблему нанесення кількох матеріалів у традиційному виробництві та відкриває новий шлях для виробництва 3D-електронних продуктів.

Упаковка мікросхем є ключовою ланкою у виробництві напівпровідників. Традиційна технологія пакування також має такі проблеми, як складний процес, збій термоконтролю та стрес, спричинений невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення між матеріалами, що призводить до псування упаковки. Технологія 3D-друку може спростити виробничий процес і знизити витрати шляхом прямого друку структури пакування. Фенг та ін. [9] підготували електронні пакувальні матеріали зі зміною фази та поєднали їх із технологією 3D-друку для упаковки мікросхем і схем. Електронний пакувальний матеріал зі зміною фази, підготовлений Feng et al. має високу приховану теплоту 145,6 Дж/г і має значну термічну стабільність при температурі 130°C. У порівнянні з традиційними електронними пакувальними матеріалами, його охолоджуючий ефект може досягати 13°C.

Рисунок 8. Схематична діаграма використання технології 3D-друку для точної інкапсуляції схем електронними матеріалами зі зміною фази; (b) Світлодіодний чіп ліворуч був інкапсульований за допомогою електронних пакувальних матеріалів зі зміною фази, а світлодіодний чіп праворуч не був інкапсульований; (c) інфрачервоні зображення світлодіодних мікросхем з інкапсуляцією та без неї; (d) Температурні криві при однаковій потужності та різних пакувальних матеріалах; (e) Складна схема без світлодіодної мікросхеми упаковки; (f) Схематична діаграма розсіювання тепла електронних пакувальних матеріалів зі зміною фази [9]

Проблеми технології 3D-друку в напівпровідниковій промисловості

Хоча технологія 3D-друку показала великий потенціал унапівпровідникової промисловості. Проте є ще багато проблем.

З точки зору точності формування, сучасна технологія 3D-друку може досягти точності 20 мкм, але все ще важко відповідати високим стандартам виробництва напівпровідників. З точки зору вибору матеріалу, хоча технологія 3D-друку може формувати різноманітні матеріали, складність формування деяких матеріалів зі спеціальними властивостями (карбіду кремнію, нітриду кремнію тощо) все ще є відносно високою. З точки зору вартості виробництва, 3D-друк добре працює в дрібносерійному індивідуальному виробництві, але його швидкість виробництва відносно повільна у великомасштабному виробництві, а вартість обладнання висока, що ускладнює задоволення потреб великомасштабного виробництва. . Технічно, хоча технологія 3D-друку досягла певних результатів у розвитку, у деяких галузях вона все ще є технологією, що розвивається, і потребує подальших досліджень, розробок і вдосконалень для підвищення її стабільності та надійності.