Exploratory application ng 3D printing technology sa industriya ng semiconductor

Sa panahon ng mabilis na pag-unlad ng teknolohiya, unti-unting binabago ng 3D printing, bilang mahalagang kinatawan ng advanced na teknolohiya sa pagmamanupaktura, ang mukha ng tradisyonal na pagmamanupaktura. Sa patuloy na kapanahunan ng teknolohiya at pagbabawas ng mga gastos, ang teknolohiya sa pag-print ng 3D ay nagpakita ng malawak na mga prospect ng aplikasyon sa maraming larangan tulad ng aerospace, pagmamanupaktura ng sasakyan, kagamitang medikal, at disenyo ng arkitektura, at nagsulong ng pagbabago at pag-unlad ng mga industriyang ito.

Kapansin-pansin na ang potensyal na epekto ng teknolohiya sa pag-print ng 3D sa high-tech na larangan ng semiconductors ay lalong nagiging prominente. Bilang pundasyon ng pag-unlad ng teknolohiya ng impormasyon, ang katumpakan at kahusayan ng mga proseso ng pagmamanupaktura ng semiconductor ay nakakaapekto sa pagganap at gastos ng mga produktong elektroniko. Nahaharap sa mga pangangailangan ng mataas na katumpakan, mataas na kumplikado at mabilis na pag-ulit sa industriya ng semiconductor, ang teknolohiya ng pag-print ng 3D, kasama ang mga natatanging pakinabang nito, ay nagdala ng mga hindi pa nagagawang pagkakataon at hamon sa paggawa ng semiconductor, at unti-unting nakapasok sa lahat ng mga link ngtanikala ng industriya ng semiconductor, na nagpapahiwatig na ang industriya ng semiconductor ay malapit nang maghatid ng isang malalim na pagbabago.

Samakatuwid, ang pagsusuri at paggalugad sa hinaharap na aplikasyon ng 3D printing technology sa industriya ng semiconductor ay hindi lamang makakatulong sa amin na maunawaan ang pulso ng pag-unlad ng makabagong teknolohiyang ito, ngunit magbibigay din ng teknikal na suporta at sanggunian para sa pag-upgrade ng industriya ng semiconductor. Sinusuri ng artikulong ito ang pinakabagong pag-unlad ng teknolohiya sa pag-print ng 3D at ang mga potensyal na aplikasyon nito sa industriya ng semiconductor, at inaasahan kung paano mai-promote ng teknolohiyang ito ang industriya ng pagmamanupaktura ng semiconductor.

3D na teknolohiya sa pag-print

Ang 3D printing ay kilala rin bilang additive manufacturing technology. Ang prinsipyo nito ay ang pagbuo ng isang three-dimensional na entity sa pamamagitan ng pag-stack ng mga materyales nang patong-patong. Binabagsak ng makabagong pamamaraan ng produksyon na ito ang tradisyunal na pagmamanupaktura na "subtractive" o "equal material" processing mode, at maaaring "pagsamahin" ang mga hinulmang produkto nang walang tulong sa amag. Mayroong maraming mga uri ng mga teknolohiya sa pag-print ng 3D, at ang bawat teknolohiya ay may sariling mga pakinabang.

Ayon sa prinsipyo ng paghubog ng teknolohiya sa pag-print ng 3D, mayroong pangunahing apat na uri.

✔ Ang teknolohiya ng photocuring ay batay sa prinsipyo ng ultraviolet polymerization. Ang mga likidong photosensitive na materyales ay ginagamot sa pamamagitan ng ultraviolet light at nakasalansan sa bawat layer. Sa kasalukuyan, ang teknolohiyang ito ay maaaring bumuo ng mga ceramics, metal, at resins na may mataas na katumpakan sa paghubog. Maaari itong magamit sa larangan ng medikal, sining, at industriya ng abyasyon.

✔ Fused deposition technology, sa pamamagitan ng computer-driven na print head upang init at tunawin ang filament, at i-extrude ito ayon sa isang partikular na trajectory ng hugis, patong-patong, at maaaring bumuo ng mga plastic at ceramic na materyales.

✔ Ang teknolohiya ng direktang pagsulat ng slurry ay gumagamit ng high-viscosity slurry bilang materyal ng tinta, na nakaimbak sa barrel at nakakonekta sa extrusion needle, at naka-install sa isang platform na maaaring kumpletuhin ang three-dimensional na paggalaw sa ilalim ng kontrol ng computer. Sa pamamagitan ng mekanikal na presyon o pneumatic pressure, ang materyal ng tinta ay itinutulak palabas ng nozzle upang patuloy na mag-extrude sa substrate upang mabuo, at pagkatapos ay isinasagawa ang kaukulang post-processing (volatile solvent, thermal curing, light curing, sintering, atbp.) ayon sa mga materyal na katangian upang makuha ang panghuling tatlong-dimensional na bahagi. Sa kasalukuyan, ang teknolohiyang ito ay maaaring magamit sa mga larangan ng bioceramics at pagproseso ng pagkain.

✔Powder bed fusion technology ay maaaring nahahati sa laser selective melting technology (SLM) at laser selective sintering technology (SLS). Ang parehong mga teknolohiya ay gumagamit ng mga materyales sa pulbos bilang mga bagay sa pagproseso. Kabilang sa mga ito, ang laser energy ng SLM ay mas mataas, na maaaring gawin ang pulbos na matunaw at patigasin sa maikling panahon. Maaaring hatiin ang SLS sa direktang SLS at hindi direktang SLS. Ang enerhiya ng direktang SLS ay mas mataas, at ang mga particle ay maaaring direktang sintered o matunaw upang bumuo ng pagbubuklod sa pagitan ng mga particle. Samakatuwid, ang direktang SLS ay katulad ng SLM. Ang mga particle ng pulbos ay sumasailalim sa mabilis na pag-init at paglamig sa isang maikling panahon, na ginagawang ang molded block ay may malaking panloob na stress, mababang pangkalahatang density, at mahinang mekanikal na mga katangian; ang laser energy ng indirect SLS ay mas mababa, at ang binder sa powder ay natutunaw ng laser beam at ang mga particle ay nakagapos. Matapos makumpleto ang pagbuo, ang panloob na panali ay tinanggal sa pamamagitan ng thermal degreasing, at sa wakas ay isinasagawa ang sintering. Ang teknolohiya ng powder bed fusion ay maaaring bumuo ng mga metal at ceramics at kasalukuyang ginagamit sa aerospace at automotive manufacturing fields.

Larawan 1 (a) Teknolohiya ng photocuring; (b) Fused deposition technology; (c) Slurry direct writing technology; (d) Teknolohiya ng powder bed fusion [1, 2]

Sa patuloy na pag-unlad ng teknolohiya sa pag-print ng 3D, ang mga pakinabang nito ay patuloy na ipinapakita mula sa prototyping hanggang sa mga huling produkto. Una, sa mga tuntunin ng kalayaan ng disenyo ng istraktura ng produkto, ang pinaka makabuluhang bentahe ng teknolohiya sa pag-print ng 3D ay ang direktang paggawa nito ng mga kumplikadong istruktura ng mga workpiece. Susunod, sa mga tuntunin ng pagpili ng materyal ng molding object, ang 3D printing technology ay maaaring mag-print ng iba't ibang mga materyales, kabilang ang mga metal, keramika, polymer na materyales, atbp. Sa mga tuntunin ng proseso ng pagmamanupaktura, ang 3D printing technology ay may mataas na antas ng flexibility at maaaring ayusin ang proseso ng pagmamanupaktura at mga parameter ayon sa aktwal na mga pangangailangan.

Industriya ng semiconductor

Ang industriya ng semiconductor ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa modernong agham at teknolohiya at ekonomiya, at ang kahalagahan nito ay makikita sa maraming aspeto. Ginagamit ang mga semiconductor upang bumuo ng mga miniaturized na circuit, na nagbibigay-daan sa mga device na magsagawa ng mga kumplikadong gawain sa pag-compute at pagproseso ng data. At bilang isang mahalagang haligi ng pandaigdigang ekonomiya, ang industriya ng semiconductor ay nagbibigay ng malaking bilang ng mga trabaho at benepisyong pang-ekonomiya para sa maraming bansa. Hindi lamang nito direktang itinaguyod ang pag-unlad ng industriya ng pagmamanupaktura ng electronics, ngunit humantong din sa paglago ng mga industriya tulad ng software development at disenyo ng hardware. Bilang karagdagan, sa larangan ng militar at pagtatanggol,teknolohiya ng semiconductoray mahalaga para sa mga pangunahing kagamitan tulad ng mga sistema ng komunikasyon, radar, at satellite navigation, na tinitiyak ang pambansang seguridad at mga bentahe ng militar.

Tsart 2 "Ika-14 na Limang Taon na Plano" (sipi) [3]

Samakatuwid, ang kasalukuyang industriya ng semiconductor ay naging isang mahalagang simbolo ng pambansang kompetisyon, at lahat ng mga bansa ay aktibong umuunlad nito. ang "14th Five-Year Plan" ng aking bansa ay nagmumungkahi na tumuon sa pagsuporta sa iba't ibang pangunahing "bottleneck" na mga link sa industriya ng semiconductor, pangunahin kasama ang mga advanced na proseso, pangunahing kagamitan, third-generation semiconductors at iba pang larangan.

Tsart 3 Proseso ng pagproseso ng semiconductor chip [4]

Ang proseso ng pagmamanupaktura ng semiconductor chips ay lubhang kumplikado. Gaya ng ipinapakita sa Figure 3, pangunahin nitong kasama ang mga sumusunod na pangunahing hakbang:paghahanda ng ostiya, litograpiya,ukit, thin film deposition, ion implantation, at packaging testing. Ang bawat proseso ay nangangailangan ng mahigpit na kontrol at tumpak na pagsukat. Ang mga problema sa anumang link ay maaaring magdulot ng pinsala sa chip o pagkasira ng pagganap. Samakatuwid, ang paggawa ng semiconductor ay may napakataas na mga kinakailangan para sa kagamitan, proseso at tauhan.

Bagama't ang tradisyunal na paggawa ng semiconductor ay nakamit ng mahusay na tagumpay, mayroon pa ring ilang mga limitasyon: Una, ang mga semiconductor chips ay lubos na pinagsama at pinaliit. Sa pagpapatuloy ng Batas ni Moore (Larawan 4), ang pagsasama ng mga semiconductor chip ay patuloy na tumataas, ang laki ng mga bahagi ay patuloy na lumiliit, at ang proseso ng pagmamanupaktura ay kailangang tiyakin ang napakataas na katumpakan at katatagan.

Figure 4 (a) Ang bilang ng mga transistor sa isang chip ay patuloy na tumataas sa paglipas ng panahon; (b) Ang laki ng chip ay patuloy na lumiliit [5]

Bilang karagdagan, ang pagiging kumplikado at kontrol sa gastos ng proseso ng pagmamanupaktura ng semiconductor. Ang proseso ng pagmamanupaktura ng semiconductor ay kumplikado at umaasa sa katumpakan na kagamitan, at ang bawat link ay kailangang tumpak na kontrolin. Ang mataas na gastos ng kagamitan, gastos sa materyal at gastos sa R&D ay ginagawang mataas ang gastos sa pagmamanupaktura ng mga produktong semiconductor. Samakatuwid, kinakailangang patuloy na galugarin at bawasan ang mga gastos habang tinitiyak ang ani ng produkto.

Kasabay nito, ang industriya ng pagmamanupaktura ng semiconductor ay kailangang tumugon nang mabilis sa pangangailangan sa merkado. Sa mabilis na pagbabago sa demand sa merkado. Ang tradisyunal na modelo ng pagmamanupaktura ay may mga problema sa mahabang cycle at mahinang flexibility, na nagpapahirap na matugunan ang mabilis na pag-ulit ng merkado ng mga produkto. Samakatuwid, ang isang mas mahusay at nababaluktot na paraan ng pagmamanupaktura ay naging direksyon ng pag-unlad ng industriya ng semiconductor.

Paglalapat ng3D printingsa industriya ng semiconductor

Sa larangan ng semiconductor, ang teknolohiya ng pag-print ng 3D ay patuloy ding nagpakita ng aplikasyon nito.

Una, ang 3D printing technology ay may mataas na antas ng kalayaan sa structural design at maaaring makamit ang "integrated" molding, na nangangahulugang mas sopistikado at kumplikadong mga istruktura ang maaaring idisenyo. Figure 5 (a), ino-optimize ng 3D System ang internal heat dissipation structure sa pamamagitan ng artificial auxiliary design, pinapabuti ang thermal stability ng wafer stage, binabawasan ang thermal stabilization time ng wafer, at pinapabuti ang yield at efficiency ng paggawa ng chip. Mayroon ding mga kumplikadong pipeline sa loob ng makina ng lithography. Sa pamamagitan ng 3D printing, ang mga kumplikadong istruktura ng pipeline ay maaaring "isama" upang bawasan ang paggamit ng mga hose at i-optimize ang daloy ng gas sa pipeline, sa gayon ay binabawasan ang negatibong epekto ng mekanikal na interference at vibration at pagpapabuti ng katatagan ng proseso ng pagproseso ng chip.

Figure 5 Ang 3D System ay gumagamit ng 3D printing upang bumuo ng mga bahagi (a) lithography machine wafer stage; (b) manifold pipeline [6]

Sa mga tuntunin ng pagpili ng materyal, ang teknolohiya sa pag-print ng 3D ay maaaring mapagtanto ang mga materyales na mahirap mabuo sa pamamagitan ng mga tradisyonal na pamamaraan ng pagproseso. Ang mga materyales ng Silicon carbide ay may mataas na tigas at mataas na punto ng pagkatunaw. Ang mga tradisyonal na pamamaraan sa pagproseso ay mahirap mabuo at may mahabang ikot ng produksyon. Ang pagbuo ng mga kumplikadong istruktura ay nangangailangan ng pagproseso na tinulungan ng amag. Nakabuo ang Sublimation 3D ng isang independiyenteng dual-nozzle 3D printer na UPS-250 at naghanda ng mga bangkang kristal ng silicon carbide. Pagkatapos ng reaction sintering, ang density ng produkto ay 2.95~3.02g/cm3.

Larawan 6Silicon carbide crystal boat[7]

Figure 7 (a) 3D co-printing equipment; (b) Ang ilaw ng UV ay ginagamit upang bumuo ng mga three-dimensional na istruktura, at ang laser ay ginagamit upang makabuo ng mga silver nanoparticle; (c) Prinsipyo ng 3D co-printing na mga elektronikong bahagi[8]

Ang tradisyunal na proseso ng elektronikong produkto ay kumplikado, at maraming mga hakbang sa proseso ang kinakailangan mula sa mga hilaw na materyales hanggang sa mga natapos na produkto. Xiao et al.[8] gumamit ng 3D na co-printing na teknolohiya upang piliing bumuo ng mga istruktura ng katawan o mag-embed ng mga conductive na metal sa mga free-form na ibabaw upang makagawa ng mga 3D na elektronikong device. Ang teknolohiyang ito ay nagsasangkot lamang ng isang materyal sa pag-print, na maaaring magamit upang bumuo ng mga istruktura ng polimer sa pamamagitan ng UV curing, o upang i-activate ang mga metal precursor sa mga photosensitive resin sa pamamagitan ng laser scanning upang makagawa ng mga nano-metal na particle upang bumuo ng mga conductive circuit. Bilang karagdagan, ang nagresultang conductive circuit ay nagpapakita ng isang mahusay na resistivity na kasingbaba ng tungkol sa 6.12µΩm. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng formula ng materyal at mga parameter ng pagproseso, ang resistivity ay maaaring higit pang kontrolin sa pagitan ng 10-6 at 10Ωm. Makikita na nilulutas ng 3D co-printing technology ang hamon ng multi-material na deposition sa tradisyunal na pagmamanupaktura at nagbubukas ng bagong landas para sa pagmamanupaktura ng mga 3D na elektronikong produkto.

Ang chip packaging ay isang mahalagang link sa paggawa ng semiconductor. Ang tradisyunal na teknolohiya ng packaging ay mayroon ding mga problema tulad ng kumplikadong proseso, pagkabigo ng thermal management, at stress na dulot ng hindi pagkakatugma ng thermal expansion coefficients sa pagitan ng mga materyales, na humahantong sa packaging failure. Maaaring gawing simple ng teknolohiya ng 3D printing ang proseso ng pagmamanupaktura at mabawasan ang mga gastos sa pamamagitan ng direktang pag-print ng istraktura ng packaging. Feng et al. [9] naghanda ng phase change electronic packaging materials at pinagsama ang mga ito sa 3D printing technology upang mag-package ng mga chips at circuits. Ang phase change electronic packaging material na inihanda ni Feng et al. ay may mataas na latent heat na 145.6 J/g at may makabuluhang thermal stability sa temperatura na 130°C. Kung ikukumpara sa mga tradisyonal na electronic packaging materials, ang cooling effect nito ay maaaring umabot sa 13°C.

Figure 8 Schematic diagram ng paggamit ng 3D printing technology upang tumpak na i-encapsulate ang mga circuit na may phase change electronic na materyales; (b) Ang LED chip sa kaliwa ay na-encapsulated ng phase change electronic packaging materials, at ang LED chip sa kanan ay hindi na-encapsulated; (c) Infrared na imahe ng LED chips na may at walang encapsulation; (d) Mga kurba ng temperatura sa ilalim ng parehong kapangyarihan at magkakaibang mga materyales sa packaging; (e) Complex circuit na walang LED chip packaging diagram; (f) Schematic diagram ng heat dissipation ng phase change electronic packaging materials [9]

Mga hamon ng 3D printing technology sa industriya ng semiconductor

Bagama't ang 3D printing technology ay nagpakita ng malaking potensyal saindustriya ng semiconductor. Gayunpaman, marami pa ring hamon.

Sa mga tuntunin ng katumpakan ng paghubog, ang kasalukuyang teknolohiya ng pag-print ng 3D ay maaaring makamit ang katumpakan ng 20μm, ngunit mahirap pa ring matugunan ang mataas na pamantayan ng paggawa ng semiconductor. Sa mga tuntunin ng pagpili ng materyal, bagaman ang 3D printing technology ay maaaring bumuo ng iba't ibang mga materyales, ang kahirapan sa paghubog ng ilang mga materyales na may mga espesyal na katangian (silicon carbide, silicon nitride, atbp.) ay medyo mataas pa rin. Sa mga tuntunin ng gastos sa produksyon, mahusay na gumaganap ang 3D printing sa small-batch customized na produksyon, ngunit ang bilis ng produksyon nito ay medyo mabagal sa malakihang produksyon, at mataas ang gastos sa kagamitan, na nagpapahirap sa pagtugon sa mga pangangailangan ng malakihang produksyon. . Sa teknikal, bagama't nakamit ng teknolohiyang 3D printing ang ilang partikular na resulta ng pag-unlad, isa pa rin itong umuusbong na teknolohiya sa ilang larangan at nangangailangan ng karagdagang pananaliksik at pagpapaunlad at pagpapabuti upang mapabuti ang katatagan at pagiging maaasahan nito.