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 semiconductoarelor, 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 ca tehnologie de fabricație aditivă. Principiul său este de a construi o entitate tridimensională prin stivuirea materialelor strat cu strat. Această metodă de producție inovatoare subminează modul tradițional de prelucrare „substractiv” sau „material egal” și poate „integra” produsele turnate fără asistență pentru mucegai. Există multe tipuri de tehnologii de imprimare 3D, iar fiecare tehnologie are propriile sale avantaje.

Conform principiului de turnare 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 aviației.

✔ 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 de fuziune a stratului de pulbere poate fi împărțită în tehnologie de topire selectivă cu laser (SLM) și tehnologie de sinterizare selectivă cu laser (SLS). Ambele tehnologii folosesc materiale pulbere ca obiecte de prelucrare. Printre acestea, energia laser a SLM este mai mare, ceea ce poate face ca pulberea să se topească și să se solidifice într-un timp scurt. SLS poate fi împărțit în SLS direct și SLS indirect. Energia SLS directă este mai mare, iar particulele pot fi sinterizate sau topite direct pentru a forma legături între particule. Prin urmare, SLS direct este similar cu SLM. Particulele de pulbere suferă încălzire și răcire rapidă într-un timp scurt, ceea ce face ca blocul turnat să aibă stres intern mare, densitate generală scăzută și proprietăți mecanice slabe; energia laser a SLS indirect este mai mică, iar liantul din pulbere este topit de fasciculul laser și particulele sunt legate. După terminarea formării, liantul intern este îndepărtat prin degresare termică, iar în final se efectuează sinterizarea. Tehnologia de fuziune a stratului de pulbere poate forma metale și ceramică și este utilizată în prezent în domeniul aerospațial și al producției de 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 până 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 că poate fabrica direct structuri complexe de piese de prelucrat. Apoi, în ceea ce privește selecția materialului obiectului de turnare, 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 semiconductoarelor

Industria semiconductoarelor joacă un rol vital în știința și tehnologia modernă și în economie, iar importanța sa se reflectă în multe aspecte. Semiconductorii sunt folosiți 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 crucial 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, industria actuală a semiconductorilor a devenit un simbol important al competitivității naționale și toate țările o dezvoltă activ. „Al 14-lea plan cincinal” al țării mele propune să se concentreze pe sprijinirea diverselor legături cheie „gât de sticlă” în industria semiconductoarelor, inclusiv procese avansate, echipamente cheie, semiconductori de a treia generație și alte domenii.

Diagrama 3 Procesul de procesare a cipurilor semiconductoare [4]

Procesul de fabricație a cipurilor semiconductoare este extrem de complex. După cum se arată în Figura 3, acesta include în principal următorii pași cheie:prepararea napolitanelor, litografie,gravare, 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 producția tradițională de semiconductori a obținut un mare succes, există încă câteva limitări: în primul rând, cipurile semiconductoare sunt foarte integrate și miniaturizate. Odată cu continuarea Legii lui Moore (Figura 4), integrarea cipurilor semiconductoare continuă să crească, dimensiunea componentelor continuă să se micșoreze, iar procesul de fabricație trebuie să asigure o precizie și stabilitate extrem de ridicate.

Figura 4 (a) Numărul de tranzistori dintr-un cip continuă să crească în timp; (b) Dimensiunea cipului continuă să se micșoreze [5]

În plus, complexitatea și controlul costurilor procesului de fabricație a semiconductorilor. Procesul de fabricare a semiconductorilor este complex și se bazează pe echipamente de precizie, iar fiecare legătură trebuie controlată cu precizie. Costul ridicat al echipamentelor, costul materialului și costul cercetării și dezvoltării fac costul de producție al produselor semiconductoare ridicat. Prin urmare, este necesar să continuăm explorarea și reducerea costurilor, asigurând în același timp randamentul produsului.

În același timp, industria producătoare de semiconductori trebuie să răspundă rapid la cererea pieței. Odată cu schimbările rapide ale cererii de pe piață. Modelul tradițional de producție 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 semiconductoarelor.

Aplicareaprintare 3dîn industria semiconductoarelor

În domeniul semiconductorilor, 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 turnare „integrată”, ceea ce înseamnă că pot fi proiectate structuri mai sofisticate și mai complexe. Figura 5 (a), Sistemul 3D optimizează structura internă de disipare a căldurii prin proiectare auxiliară artificială, îmbunătățește stabilitatea termică a etapei plachetei, reduce timpul de stabilizare termică a plachetei și îmbunătățește randamentul și eficiența producției de cip. Există, de asemenea, conducte complexe în interiorul mașinii de litografie. Prin imprimarea 3D, structurile complexe de conducte pot fi „integrate” pentru a reduce utilizarea furtunurilor și pentru a optimiza fluxul de gaz în conductă, reducând astfel impactul negativ al interferențelor mecanice și al vibrațiilor 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 greu de format prin metodele tradiționale de procesare. Materialele cu carbură de siliciu au duritate mare și punct de topire ridicat. Metodele tradiționale de prelucrare sunt greu de format și au un ciclu lung de producție. Formarea structurilor complexe necesită prelucrare asistată de mucegai. Sublimation 3D a dezvoltat o imprimantă 3D independentă cu duză duală UPS-250 și a pregătit bărci de cristal cu carbură de siliciu. După sinterizarea reacției, densitatea produsului este de 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

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

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

Procesul tradițional al produselor electronice este complex și sunt necesari mai mulți pași de proces de la materii prime până la produsele finite. Xiao și colab.[8] a folosit tehnologia de co-imprimare 3D pentru a construi în mod selectiv structurile corpului sau pentru a încorpora metale conductoare pe suprafețe cu formă liberă pentru a fabrica dispozitive electronice 3D. Această tehnologie implică un singur material de imprimare, care poate fi folosit pentru a construi structuri polimerice prin întărire UV sau pentru a activa precursorii metalici în rășinile fotosensibile prin scanare cu laser pentru a produce particule nano-metalice pentru a forma circuite conductoare. În plus, circuitul conductiv rezultat prezintă o rezistivitate excelentă de până la aproximativ 6,12 µΩm. Prin ajustarea 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-imprimare 3D rezolvă provocarea depunerii de mai multe materiale în 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 procesele complexe, eșecul managementului termic și stresul 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]

Provocările tehnologiei de imprimare 3D în industria semiconductoarelor

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

În ceea ce privește precizia de turnare, tehnologia actuală de imprimare 3D poate atinge o precizie de 20μm, dar este încă dificil să se îndeplinească standardele înalte ale producției de semiconductori. În ceea ce privește selecția materialelor, deși tehnologia de imprimare 3D poate forma o varietate de materiale, dificultatea de turnare a unor materiale cu proprietăți speciale (carbură de siliciu, nitrură de siliciu etc.) este încă relativ mare. În ceea ce privește costul de producție, imprimarea 3D funcționează bine în producția personalizată în loturi mici, dar viteza de producție este relativ lentă în producția la scară largă, iar costul echipamentului este ridicat, ceea ce face dificilă satisfacerea nevoilor producției la scară largă. . Din punct de vedere tehnic, deși tehnologia de imprimare 3D a obținut anumite rezultate de dezvoltare, este încă o tehnologie în curs de dezvoltare în unele domenii și necesită cercetări, dezvoltare și îmbunătățiri suplimentare pentru a-și îmbunătăți stabilitatea și fiabilitatea.