Aplikasi penerokaan teknologi percetakan 3D dalam industri semikonduktor

Dalam era perkembangan teknologi yang pesat, percetakan 3D, sebagai wakil penting teknologi pembuatan termaju, secara beransur-ansur mengubah wajah pembuatan tradisional. Dengan kematangan teknologi yang berterusan dan pengurangan kos, teknologi percetakan 3D telah menunjukkan prospek aplikasi yang luas dalam banyak bidang seperti aeroangkasa, pembuatan kereta, peralatan perubatan dan reka bentuk seni bina, dan telah mempromosikan inovasi dan pembangunan industri ini.

Perlu diingat bahawa potensi kesan teknologi pencetakan 3D dalam bidang semikonduktor berteknologi tinggi menjadi semakin menonjol. Sebagai asas pembangunan teknologi maklumat, ketepatan dan kecekapan proses pembuatan semikonduktor mempengaruhi prestasi dan kos produk elektronik. Berdepan dengan keperluan ketepatan tinggi, kerumitan tinggi dan lelaran pantas dalam industri semikonduktor, teknologi percetakan 3D, dengan kelebihan uniknya, telah membawa peluang dan cabaran yang belum pernah berlaku sebelum ini kepada pembuatan semikonduktor, dan telah secara beransur-ansur menembusi semua pautanrantaian industri semikonduktor, menunjukkan bahawa industri semikonduktor akan membawa perubahan yang mendalam.

Oleh itu, menganalisis dan meneroka aplikasi masa depan teknologi percetakan 3D dalam industri semikonduktor bukan sahaja akan membantu kami memahami nadi pembangunan teknologi canggih ini, tetapi juga menyediakan sokongan teknikal dan rujukan untuk menaik taraf industri semikonduktor. Artikel ini menganalisis kemajuan terkini teknologi pencetakan 3D dan potensi aplikasinya dalam industri semikonduktor, dan menantikan cara teknologi ini boleh mempromosikan industri pembuatan semikonduktor.

teknologi percetakan 3D

Percetakan 3D juga dikenali sebagai teknologi pembuatan aditif. Prinsipnya adalah untuk membina entiti tiga dimensi dengan menyusun bahan lapisan demi lapisan. Kaedah pengeluaran yang inovatif ini mengubah mod pemprosesan "subtraktif" atau "bahan yang sama" pembuatan tradisional, dan boleh "mengintegrasikan" produk acuan tanpa bantuan acuan. Terdapat banyak jenis teknologi percetakan 3D, dan setiap teknologi mempunyai kelebihan tersendiri.

Menurut prinsip pengacuan teknologi percetakan 3D, terdapat empat jenis.

✔ Teknologi pengawetan foto adalah berdasarkan prinsip pempolimeran ultraviolet. Bahan fotosensitif cecair diawetkan oleh cahaya ultraungu dan disusun lapisan demi lapisan. Pada masa ini, teknologi ini boleh membentuk seramik, logam, dan resin dengan ketepatan pengacuan yang tinggi. Ia boleh digunakan dalam bidang perubatan, seni, dan industri penerbangan.

✔ Teknologi pemendapan bersatu, melalui kepala cetakan dipacu komputer untuk memanaskan dan mencairkan filamen, dan menyemperitnya mengikut trajektori bentuk tertentu, lapisan demi lapisan, dan boleh membentuk bahan plastik dan seramik.

✔ Teknologi penulisan langsung buburan menggunakan buburan kelikatan tinggi sebagai bahan dakwat, yang disimpan dalam tong dan disambungkan ke jarum penyemperitan, dan dipasang pada platform yang boleh melengkapkan pergerakan tiga dimensi di bawah kawalan komputer. Melalui tekanan mekanikal atau tekanan pneumatik, bahan dakwat ditolak keluar dari muncung untuk terus menyemperit pada substrat untuk membentuk, dan kemudian pasca pemprosesan yang sepadan (pelarut meruap, pengawetan haba, pengawetan cahaya, pensinteran, dll.) dijalankan. mengikut sifat bahan untuk mendapatkan komponen tiga dimensi akhir. Pada masa ini, teknologi ini boleh digunakan dalam bidang bioseramik dan pemprosesan makanan.

✔Teknologi gabungan katil serbuk boleh dibahagikan kepada teknologi peleburan terpilih laser (SLM) dan teknologi pensinteran terpilih laser (SLS). Kedua-dua teknologi menggunakan bahan serbuk sebagai objek pemprosesan. Antaranya, tenaga laser SLM lebih tinggi, yang boleh membuat serbuk cair dan pepejal dalam masa yang singkat. SLS boleh dibahagikan kepada SLS langsung dan SLS tidak langsung. Tenaga SLS langsung adalah lebih tinggi, dan zarah boleh terus disinter atau cair untuk membentuk ikatan antara zarah. Oleh itu, SLS langsung adalah serupa dengan SLM. Zarah serbuk mengalami pemanasan dan penyejukan yang cepat dalam masa yang singkat, yang menjadikan blok acuan mempunyai tekanan dalaman yang besar, ketumpatan keseluruhan yang rendah, dan sifat mekanikal yang lemah; tenaga laser SLS tidak langsung adalah lebih rendah, dan pengikat dalam serbuk dicairkan oleh pancaran laser dan zarah terikat. Selepas pembentukan selesai, pengikat dalaman dikeluarkan dengan nyahgris haba, dan akhirnya pensinteran dilakukan. Teknologi gabungan katil serbuk boleh membentuk logam dan seramik dan kini digunakan dalam bidang pembuatan aeroangkasa dan automotif.

Rajah 1 (a) Teknologi pengawetan foto; (b) Teknologi pemendapan bercantum; (c) Teknologi penulisan langsung buburan; (d) Teknologi gabungan katil serbuk [1, 2]

Dengan pembangunan berterusan teknologi percetakan 3D, kelebihannya sentiasa ditunjukkan daripada prototaip kepada produk akhir. Pertama, dari segi kebebasan reka bentuk struktur produk, kelebihan paling ketara teknologi percetakan 3D ialah ia boleh secara langsung mengeluarkan struktur kompleks bahan kerja. Seterusnya, dari segi pemilihan bahan objek acuan, teknologi percetakan 3D boleh mencetak pelbagai bahan, termasuk logam, seramik, bahan polimer, dan lain-lain. Dari segi proses pembuatan, teknologi percetakan 3D mempunyai tahap fleksibiliti yang tinggi dan boleh melaraskan proses pembuatan dan parameter mengikut keperluan sebenar.

Industri semikonduktor

Industri semikonduktor memainkan peranan penting dalam sains dan teknologi moden serta ekonomi, dan kepentingannya dicerminkan dalam banyak aspek. Semikonduktor digunakan untuk membina litar kecil, yang membolehkan peranti melaksanakan tugas pengkomputeran dan pemprosesan data yang kompleks. Dan sebagai tonggak penting ekonomi global, industri semikonduktor menyediakan sejumlah besar pekerjaan dan faedah ekonomi untuk banyak negara. Ia bukan sahaja secara langsung menggalakkan pembangunan industri pembuatan elektronik, tetapi juga membawa kepada pertumbuhan industri seperti pembangunan perisian dan reka bentuk perkakasan. Selain itu, dalam bidang ketenteraan dan pertahanan,teknologi semikonduktoradalah penting untuk peralatan utama seperti sistem komunikasi, radar, dan navigasi satelit, memastikan keselamatan negara dan kelebihan ketenteraan.

Carta 2 "Rancangan Lima Tahun Ke-14" (petikan) [3]

Oleh itu, industri semikonduktor semasa telah menjadi simbol penting daya saing negara, dan semua negara sedang giat membangunkannya. "Rancangan Lima Tahun ke-14" negara saya bercadang untuk memberi tumpuan kepada menyokong pelbagai pautan "bottleneck" utama dalam industri semikonduktor, terutamanya termasuk proses lanjutan, peralatan utama, semikonduktor generasi ketiga dan bidang lain.

Carta 3 Proses pemprosesan cip semikonduktor [4]

Proses pembuatan cip semikonduktor adalah sangat kompleks. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, ia merangkumi langkah-langkah utama berikut:penyediaan wafer, litografi,goresan, pemendapan filem nipis, implantasi ion, dan ujian pembungkusan. Setiap proses memerlukan kawalan yang ketat dan pengukuran yang tepat. Masalah dalam mana-mana pautan boleh menyebabkan kerosakan pada cip atau kemerosotan prestasi. Oleh itu, pembuatan semikonduktor mempunyai keperluan yang sangat tinggi untuk peralatan, proses dan kakitangan.

Walaupun pembuatan semikonduktor tradisional telah mencapai kejayaan besar, masih terdapat beberapa batasan: Pertama, cip semikonduktor sangat bersepadu dan dikecilkan. Dengan penerusan Undang-undang Moore (Rajah 4), penyepaduan cip semikonduktor terus meningkat, saiz komponen terus mengecil, dan proses pembuatan perlu memastikan ketepatan dan kestabilan yang sangat tinggi.

Rajah 4 (a) Bilangan transistor dalam cip terus meningkat dari semasa ke semasa; (b) Saiz cip terus mengecil [5]

Di samping itu, kerumitan dan kawalan kos proses pembuatan semikonduktor. Proses pembuatan semikonduktor adalah kompleks dan bergantung pada peralatan ketepatan, dan setiap pautan perlu dikawal dengan tepat. Kos peralatan yang tinggi, kos bahan dan kos R&D menjadikan kos pembuatan produk semikonduktor tinggi. Oleh itu, adalah perlu untuk terus meneroka dan mengurangkan kos sambil memastikan hasil produk.

Pada masa yang sama, industri pembuatan semikonduktor perlu bertindak balas dengan cepat terhadap permintaan pasaran. Dengan perubahan pesat dalam permintaan pasaran. Model pembuatan tradisional mempunyai masalah kitaran yang panjang dan fleksibiliti yang lemah, yang menjadikannya sukar untuk memenuhi lelaran produk yang pantas di pasaran. Oleh itu, kaedah pembuatan yang lebih cekap dan fleksibel juga telah menjadi hala tuju pembangunan industri semikonduktor.

PermohonanPercetakan 3Ddalam industri semikonduktor

Dalam bidang semikonduktor, teknologi percetakan 3D juga telah menunjukkan penggunaannya secara berterusan.

Pertama, teknologi percetakan 3D mempunyai tahap kebebasan yang tinggi dalam reka bentuk struktur dan boleh mencapai pengacuan "bersepadu", yang bermaksud struktur yang lebih canggih dan kompleks boleh direka bentuk. Rajah 5 (a), Sistem 3D mengoptimumkan struktur pelesapan haba dalaman melalui reka bentuk tambahan buatan, meningkatkan kestabilan terma peringkat wafer, mengurangkan masa penstabilan terma wafer, dan meningkatkan hasil dan kecekapan pengeluaran cip. Terdapat juga saluran paip yang kompleks di dalam mesin litografi. Melalui percetakan 3D, struktur saluran paip yang kompleks boleh "diintegrasikan" untuk mengurangkan penggunaan hos dan mengoptimumkan aliran gas dalam saluran paip, dengan itu mengurangkan kesan negatif gangguan mekanikal dan getaran dan meningkatkan kestabilan proses pemprosesan cip.

Rajah 5 Sistem 3D menggunakan cetakan 3D untuk membentuk bahagian (a) peringkat wafer mesin litografi; (b) saluran paip manifold [6]

Dari segi pemilihan bahan, teknologi percetakan 3D dapat merealisasikan bahan yang sukar dibentuk dengan kaedah pemprosesan tradisional. Bahan silikon karbida mempunyai kekerasan yang tinggi dan takat lebur yang tinggi. Kaedah pemprosesan tradisional sukar dibentuk dan mempunyai kitaran pengeluaran yang panjang. Pembentukan struktur kompleks memerlukan pemprosesan dibantu acuan. Sublimasi 3D telah membangunkan pencetak 3D dwi muncung bebas UPS-250 dan menyediakan bot kristal silikon karbida. Selepas pensinteran tindak balas, ketumpatan produk ialah 2.95~3.02g/cm3.

Rajah 6Bot kristal silikon karbida[7]

Rajah 7 (a) peralatan pencetakan bersama 3D; (b) Cahaya UV digunakan untuk membina struktur tiga dimensi, dan laser digunakan untuk menghasilkan nanozarah perak; (c) Prinsip komponen elektronik pencetakan bersama 3D[8]

Proses produk elektronik tradisional adalah kompleks, dan pelbagai langkah proses diperlukan daripada bahan mentah kepada produk siap. Xiao et al.[8] menggunakan teknologi pencetakan bersama 3D untuk membina struktur badan secara selektif atau membenamkan logam konduktif pada permukaan bentuk bebas untuk mengeluarkan peranti elektronik 3D. Teknologi ini hanya melibatkan satu bahan cetakan, yang boleh digunakan untuk membina struktur polimer melalui pengawetan UV, atau untuk mengaktifkan prekursor logam dalam resin fotosensitif melalui pengimbasan laser untuk menghasilkan zarah logam nano untuk membentuk litar konduktif. Di samping itu, litar konduktif yang terhasil mempamerkan kerintangan yang sangat baik serendah kira-kira 6.12µΩm. Dengan melaraskan formula bahan dan parameter pemprosesan, kerintangan boleh dikawal lagi antara 10-6 dan 10Ωm. Ia boleh dilihat bahawa teknologi pencetakan bersama 3D menyelesaikan cabaran pemendapan berbilang bahan dalam pembuatan tradisional dan membuka laluan baharu untuk mengeluarkan produk elektronik 3D.

Pembungkusan cip adalah pautan utama dalam pembuatan semikonduktor. Teknologi pembungkusan tradisional juga mempunyai masalah seperti proses yang kompleks, kegagalan pengurusan haba, dan tekanan yang disebabkan oleh ketidakpadanan pekali pengembangan haba antara bahan, yang membawa kepada kegagalan pembungkusan. Teknologi percetakan 3D boleh memudahkan proses pembuatan dan mengurangkan kos dengan mencetak terus struktur pembungkusan. Feng et al. [9] menyediakan bahan pembungkusan elektronik perubahan fasa dan menggabungkannya dengan teknologi percetakan 3D untuk membungkus cip dan litar. Bahan pembungkusan elektronik perubahan fasa yang disediakan oleh Feng et al. mempunyai haba pendam yang tinggi iaitu 145.6 J/g dan mempunyai kestabilan haba yang ketara pada suhu 130°C. Berbanding dengan bahan pembungkusan elektronik tradisional, kesan penyejukannya boleh mencapai 13°C.

Rajah 8 Gambar rajah skema menggunakan teknologi percetakan 3D untuk membungkus litar dengan tepat dengan bahan elektronik perubahan fasa; (b) Cip LED di sebelah kiri telah dikapsulkan dengan bahan pembungkus elektronik perubahan fasa, dan cip LED di sebelah kanan belum dikapsulkan; (c) Imej inframerah cip LED dengan dan tanpa enkapsulasi; (d) Lengkung suhu di bawah kuasa yang sama dan bahan pembungkusan yang berbeza; (e) Litar kompleks tanpa gambar rajah pembungkusan cip LED; (f) Gambar rajah skema pelesapan haba bahan pembungkus elektronik perubahan fasa [9]

Cabaran teknologi percetakan 3D dalam industri semikonduktor

Walaupun teknologi percetakan 3D telah menunjukkan potensi besar dalamindustri semikonduktor. Namun, masih terdapat banyak cabaran.

Dari segi ketepatan pengacuan, teknologi percetakan 3D semasa boleh mencapai ketepatan 20μm, tetapi masih sukar untuk memenuhi piawaian tinggi pembuatan semikonduktor. Dari segi pemilihan bahan, walaupun teknologi percetakan 3D boleh membentuk pelbagai bahan, kesukaran membentuk beberapa bahan dengan sifat khas (silikon karbida, silikon nitrida, dll.) masih agak tinggi. Dari segi kos pengeluaran, percetakan 3D berprestasi baik dalam pengeluaran tersuai kelompok kecil, tetapi kelajuan pengeluarannya agak perlahan dalam pengeluaran berskala besar, dan kos peralatan adalah tinggi, yang menjadikannya sukar untuk memenuhi keperluan pengeluaran berskala besar. . Secara teknikalnya, walaupun teknologi pencetakan 3D telah mencapai hasil pembangunan tertentu, ia masih merupakan teknologi yang baru muncul dalam beberapa bidang dan memerlukan penyelidikan dan pembangunan lanjut serta penambahbaikan untuk meningkatkan kestabilan dan kebolehpercayaannya.