3D -tulostustekniikan tutkittava soveltaminen puolijohdeteollisuudessa

Nopean teknologisen kehityksen aikakaudella 3D -tulostus on tärkeä edustajana edistyneen valmistustekniikan suhteen vähitellen perinteisen valmistuksen kasvoja. Teknologian jatkuvan kypsyyden ja kustannusten vähentämisen myötä 3D -tulostustekniikka on osoittanut laajoja sovellusnäkymiä monilla aloilla, kuten ilmailu-, autovalmistus, lääketieteelliset laitteet ja arkkitehtoninen suunnittelu, ja se on edistänyt näiden toimialojen innovaatiota ja kehitystä.

On syytä huomata, että 3D-tulostustekniikan potentiaalinen vaikutus puolijohteiden korkean teknologian alalla on yhä näkyvämpi. Tietotekniikan kehityksen kulmakivenä puolijohteiden valmistusprosessien tarkkuus ja tehokkuus vaikuttavat elektroniikkatuotteiden suorituskykyyn ja kustannuksiin. Puolijohdeteollisuuden korkean tarkkuuden, monimutkaisuuden ja nopean iteroinnin tarpeet huomioon ottaen 3D-tulostustekniikka ainutlaatuisine etuineen on tuonut ennennäkemättömiä mahdollisuuksia ja haasteita puolijohteiden valmistukseen ja on vähitellen tunkeutunut kaikkiin teollisuuden linkkeihin.puolijohdeteollisuusketjuosoittaen, että puolijohdeteollisuus on menossa syventämään muutokseen.

Siksi 3D-tulostustekniikan tulevan soveltamisen analysointi ja tutkiminen puolijohdeteollisuudessa ei vain auta meitä ymmärtämään tämän huipputeknologian kehityspulssia, vaan myös tarjoamaan teknistä tukea ja viitteitä puolijohdeteollisuuden päivittämiseen. Tässä artikkelissa analysoidaan 3D -tulostustekniikan ja sen mahdollisten sovellusten viimeisintä edistystä puolijohdeteollisuudessa ja odottaa, kuinka tämä tekniikka voi edistää puolijohteiden valmistusteollisuutta.

3D -tulostustekniikka

3D-tulostus tunnetaan myös additiivinen valmistustekniikka. Sen periaate on rakentaa kolmiulotteinen kokonaisuus pinoamalla materiaaleja kerros kerrokselta. Tämä innovatiivinen tuotantomenetelmä kumoaa perinteisen valmistustavan "vähennys" tai "yhden materiaalin" prosessointimoodi ja voi "integroida" valettuja tuotteita ilman muottiapua. 3D-tulostustekniikoita on monenlaisia, ja jokaisella tekniikalla on omat etunsa.

3D-tulostustekniikan muovausperiaatteen mukaan niitä on pääasiassa neljää tyyppiä.

✔ Valokovetustekniikka perustuu ultraviolettipolymeroinnin periaatteeseen. Nestemäiset valoherkät materiaalit kovetetaan ultraviolettivalolla ja pinotaan kerros kerrokselta. Tällä tekniikalla voidaan tällä hetkellä muodostaa keramiikkaa, metalleja ja hartseja suurella muovaustarkkuudella. Sitä voidaan käyttää lääketieteen, taiteen ja ilmailuteollisuuden aloilla.

✔ sulatettu laskeumatekniikka tietokonepohjaisen tulostuspään läpi lämmitykseen ja sulaa filamentti ja purkaa se tietyn muodon radan, kerroksen kerrosten mukaan ja voi muodostaa muovi- ja keraamisia materiaaleja.

✔ Slurry-suorakirjoitustekniikka käyttää mustemateriaalina korkeaviskoosista lietettä, joka varastoidaan tynnyriin ja liitetään suulakepuristusneulaan ja asennetaan alustalle, joka voi suorittaa kolmiulotteisen liikkeen tietokoneen ohjauksessa. Mekaanisen paineen tai pneumaattisen paineen avulla mustemateriaali työnnetään ulos suuttimesta ekstrudoituakseen jatkuvasti alustalle muodostumista varten, ja sitten suoritetaan vastaava jälkikäsittely (haihtuva liuotin, lämpökovetus, valokovetus, sintraus jne.) materiaalin ominaisuuksien mukaan lopullisen kolmiulotteisen komponentin saamiseksi. Tällä hetkellä tätä tekniikkaa voidaan soveltaa biokeramiikan ja elintarvikejalostuksen aloilla.

✔ Jauhepetifuusioteknologia voidaan jakaa laserselektiiviseen sulatustekniikkaan (SLM) ja laserselektiiviseen sintraustekniikkaan (SLS). Molemmat tekniikat käyttävät jauhemateriaaleja prosessointiesineinä. Niistä SLM:n laserenergia on korkeampi, mikä voi saada jauheen sulamaan ja kiinteytymään lyhyessä ajassa. SLS voidaan jakaa suoraan SLS:ään ja epäsuoraan SLS:ään. Suoran SLS:n energia on suurempi, ja hiukkaset voidaan suoraan sintrata tai sulattaa muodostamaan sidos hiukkasten välille. Siksi suora SLS on samanlainen kuin SLM. Jauhehiukkaset kuumenevat ja jäähtyvät nopeasti lyhyessä ajassa, minkä vuoksi muovatulla lohkolla on suuri sisäinen jännitys, alhainen kokonaistiheys ja huonot mekaaniset ominaisuudet; epäsuoran SLS:n laserenergia on pienempi ja jauheessa oleva sideaine sulaa lasersäteen vaikutuksesta ja hiukkaset sitoutuvat. Muovauksen päätyttyä sisäinen sideaine poistetaan lämpörasvanpoistolla ja lopuksi suoritetaan sintraus. Jauhepetifuusioteknologialla voidaan muodostaa metalleja ja keramiikkaa, ja sitä käytetään tällä hetkellä ilmailu- ja autoteollisuudessa.

Kuva 1 (a) valotekniikka; b) sulatettu laskeumatekniikka; c) lietteen suora kirjoitustekniikka; (d) Power Bed Fusion Technology [1, 2]

3D -tulostustekniikan jatkuvan kehityksen myötä sen edut osoitetaan jatkuvasti prototyyppien lopullisiin tuotteisiin. Ensinnäkin, tuoterakenteen suunnittelun suhteen 3D -tulostustekniikan merkittävin etu on, että se voi suoraan valmistaa työkappaleiden monimutkaisia ​​rakenteita. Seuraavaksi muovausobjektin materiaalivalinnassa 3D voi säätää valmistusprosessia ja parametreja todellisten tarpeiden mukaan.

Puolijohdeteollisuus

Puolijohdeteollisuudella on tärkeä rooli nykyaikaisessa tieteessä ja tekniikassa ja taloudessa, ja sen merkitys heijastuu moniin näkökohtiin. Puolijohteita käytetään miniatyrisoitujen piirien rakentamiseen, jotka antavat laitteille mahdollisuuden suorittaa monimutkaisia ​​laskenta- ja tietojenkäsittelytehtäviä. Ja tärkeänä maailmantalouden pylväänä puolijohdeteollisuus tarjoaa suuren määrän työpaikkoja ja taloudellisia etuja monille maille. Se ei vain edistänyt suoraan elektroniikan valmistusteollisuuden kehitystä, vaan johti myös teollisuudenalojen, kuten ohjelmistokehityksen ja laitteistojen suunnittelun, kasvuun. Lisäksi armeijan ja puolustusalueilla,puolijohdeteknologiaon ratkaisevan tärkeä keskeisille laitteille, kuten viestintäjärjestelmille, tutkaille ja satelliittinavigaatiolle, mikä takaa kansallisen turvallisuuden ja sotilaalliset edut.

Kaavio 2 "14. viisivuotissuunnitelma" (ote) [3]

Siksi nykyisestä puolijohdeteollisuudesta on tullut tärkeä kansallisen kilpailukyvyn symboli, ja kaikki maat kehittävät sitä aktiivisesti. kotimaani "14. viisivuotissuunnitelmassa" ehdotetaan keskittymistä puolijohdeteollisuuden erilaisten keskeisten "pullonkaula"-linkkien tukemiseen, mukaan lukien pääasiassa kehittyneet prosessit, keskeiset laitteet, kolmannen sukupolven puolijohteet ja muut alat.

Kaavio 3 puolijohdepiiriprosessi [4]

Puolijohteiden sirujen valmistusprosessi on erittäin monimutkainen. Kuten kuvassa 3 esitetään, se sisältää pääasiassa seuraavat avainvaiheet:kiekkojen valmistus, litografia,etsaus, ohutkalvopinnoitus, ioni-istutus ja pakkaustestaus. Jokainen prosessi vaatii tiukkaa valvontaa ja tarkkaa mittausta. Minkä tahansa linkin ongelmat voivat vahingoittaa sirua tai heikentää suorituskykyä. Siksi puolijohteiden valmistuksessa on erittäin korkeat vaatimukset laitteille, prosesseille ja henkilökunnalle.

Vaikka perinteinen puolijohdevalmistus on saavuttanut suuren menestyksen, on vielä joitain rajoituksia: ensinnäkin puolijohdisirut ovat erittäin integroituja ja pienennettyjä. Mooren lain (kuva 4) jatkaessa puolijohteiden sirujen integrointi kasvaa edelleen, komponenttien koko on edelleen kutistunut ja valmistusprosessin on varmistettava erittäin korkea tarkkuus ja vakaus.

Kuvio 4 (a) Sirun transistorien lukumäärä kasvaa edelleen ajan myötä; (b) Sirun koko kutistuu edelleen [5]

Lisäksi puolijohteiden valmistusprosessin monimutkaisuus ja kustannusten hallinta. Puolijohteiden valmistusprosessi on monimutkainen ja perustuu tarkkuuslaitteisiin, ja jokainen linkki on ohjattava tarkasti. Korkeat laitekustannukset, materiaalikustannukset ja T&K-kustannukset tekevät puolijohdetuotteiden valmistuskustannuksista korkeita. Siksi on tarpeen jatkaa tutkimusta ja vähentää kustannuksia samalla kun varmistetaan tuotteen tuotto.

Samanaikaisesti puolijohteiden valmistusteollisuuden on reagoitava nopeasti markkinoiden kysyntään. Markkinoiden kysynnän nopeat muutokset. Perinteisellä valmistusmallilla on pitkän syklin ja huonon joustavuuden ongelmat, mikä vaikeuttaa markkinoiden nopean iteraation täyttämistä. Siksi tehokkaammasta ja joustavammasta valmistusmenetelmästä on tullut myös puolijohdeteollisuuden kehityssuunta.

Soveltaminen3D printingpuolijohdeteollisuudessa

Puolijohdealalla 3D-tulostustekniikka on myös jatkuvasti osoittanut käyttökelpoisuuttaan.

Ensinnäkin 3D-tulostusteknologialla on suuri vapaus rakennesuunnittelussa ja sillä voidaan saavuttaa "integroitu" muovaus, mikä tarkoittaa, että voidaan suunnitella kehittyneempiä ja monimutkaisempia rakenteita. Kuva 5 (a), 3D-järjestelmä optimoi sisäisen lämmönpoistorakenteen keinotekoisen apusuunnittelun avulla, parantaa kiekkovaiheen lämpöstabiilisuutta, lyhentää kiekon lämpöstabilointiaikaa ja parantaa lastutuotannon saantoa ja tehokkuutta. Litografiakoneen sisällä on myös monimutkaisia ​​putkia. 3D-tulostuksen avulla monimutkaisia ​​putkilinjarakenteita voidaan "integroida" letkujen käytön vähentämiseksi ja kaasun virtauksen optimoimiseksi putkilinjassa, mikä vähentää mekaanisten häiriöiden ja tärinän negatiivista vaikutusta ja parantaa sirunkäsittelyprosessin vakautta.

Kuvio 5 3D -järjestelmä käyttää 3D -tulostusta osien muodostamiseen (a) litografiakoneen kiekkovaihe; (b) jakoputkilinja [6]

In terms of material selection, 3D printing technology can realize materials that are difficult to form by traditional processing methods. Silicon carbide materials have high hardness and high melting point. Traditional processing methods are difficult to form and have a long production cycle. The formation of complex structures requires mold-assisted processing. Sublimation 3D has developed an independent dual-nozzle 3D printer UPS-250 and prepared silicon carbide crystal boats. After reaction sintering, the product density is 2.95~3.02g/cm3.

Kuva 6Silicon carbide crystal boat[7]

Kuva 7 (a) 3D-yhteistulostuslaitteet; (b) UV-valoa käytetään kolmiulotteisten rakenteiden rakentamiseen ja laseria käytetään hopeananopartikkelien tuottamiseen; (c) Elektronisten komponenttien 3D-yhteistulostuksen periaate[8]

Perinteinen elektroninen tuoteprosessi on monimutkainen, ja raaka -aineista tarvitaan useita prosessivaiheita lopputuotteisiin. Xiao et ai. [8] Käytetty 3D-tulostustekniikka kehon rakenteiden selektiiviseen rakentamiseen tai johtavien metallien upottamiseen vapaamuotoisiin pintoihin 3D-elektronisten laitteiden valmistukseen. Tämä tekniikka sisältää vain yhden tulostusmateriaalin, jota voidaan käyttää polymeerirakenteiden rakentamiseen UV-kovettamisen avulla tai aktivoimaan valoherkkien hartsien metalli-esiasteita laserskannauksen avulla nanometallihiukkasten tuottamiseksi johtavien piirien muodostamiseksi. Lisäksi tuloksena olevalla johtavalla piirillä on erinomainen resistiivisyys niin alhaisella tavalla kuin noin 6,12 µΩm. Säätämällä materiaalikaavaa ja prosessointiparametreja, resistiivisyyttä voidaan edelleen ohjata välillä 10-6-10Ωm. Voidaan nähdä, että 3D-tulostustekniikka ratkaisee monimuotoisen laskeutumisen haasteen perinteisessä valmistuksessa ja avaa uuden polun 3D-elektronisten tuotteiden valmistukseen.

Sirupakkaus on avainlinkki puolijohteiden valmistuksessa. Perinteisessä pakkaustekniikassa on myös ongelmia, kuten monimutkainen prosessi, lämmönhallinnan epäonnistuminen ja stressi, joka johtuu materiaalien välisten lämpölaajennuskertoimien epäsuhta, mikä johtaa pakkaushäiriöön. 3D -tulostustekniikka voi yksinkertaistaa valmistusprosessia ja vähentää kustannuksia tulostamalla suoraan pakkausrakenne. Feng et ai. [9] Valmistettu vaiheenvaihtoelektroniset pakkausmateriaalit ja yhdisti ne 3D -tulostustekniikkaan sirujen ja piirien pakkaamiseksi. Feng et ai. on korkea piilevä lämpö 145,6 J/g ja sen lämpöstabiilisuus on merkittävä lämpötilassa 130 ° C. Verrattuna perinteisiin elektronisiin pakkausmateriaaleihin, sen jäähdytysvaikutus voi saavuttaa 13 ° C.

Kuva 8 Kaaviokaavio 3D-tulostustekniikan käytöstä piirien kapseloimiseksi tarkasti vaihemuutoselektroniikkamateriaalien kanssa; (b) Vasemmalla oleva LED-siru on koteloitu vaihemuutoselektroniikkapakkausmateriaaleihin, ja oikeanpuoleista LED-sirua ei ole kapseloitu; (c) LED-sirujen infrapunakuvat koteloidulla tai ilman; (d) Lämpötilakäyrät samalla teholla ja eri pakkausmateriaaleilla; (e) Monimutkainen piiri ilman LED-sirun pakkauskaaviota; (f) Kaaviokaavio vaihemuutoselektroniikkapakkausmateriaalien lämmönpoistosta [9]

3D -tulostustekniikan haasteet puolijohdeteollisuudessa

Vaikka 3D-tulostustekniikka on osoittanut suurta potentiaaliapuolijohdeteollisuus. However, there are still many challenges.

Muovan tarkkuuden kannalta nykyinen 3D -tulostustekniikka voi saavuttaa tarkkuuden 20 μm, mutta on silti vaikea täyttää puolijohteiden valmistuksen korkeita vaatimuksia. Materiaalin valinnan kannalta, vaikka 3D -tulostustekniikka voi muodostaa erilaisia ​​materiaaleja, joidenkin erityisominaisuuksilla olevien materiaalien muovausvaikeudet (piikarbidi, piinitridi jne.) On edelleen suhteellisen korkea. Tuotantokustannusten kannalta 3D-tulostus toimii hyvin pienen räätälöityjen tuotannon aikana, mutta sen tuotantonopeus on suhteellisen hidas laajamittaisessa tuotannossa, ja laitteiden kustannukset ovat korkeat, mikä vaikeuttaa suuren mittakaavan tuotannon tarpeiden tyydyttämistä . Vaikka 3D -tulostustekniikka on saavuttanut tietyt kehitystulokset, se on silti nouseva tekniikka joillakin aloilla ja vaatii lisätutkimuksia ja kehitystä ja parantamista sen vakauden ja luotettavuuden parantamiseksi.