Tiriamasis 3D spausdinimo technologijos taikymas puslaidininkių pramonėje

Spartaus technologijų vystymosi eroje 3D spausdinimas, kaip svarbus pažangių gamybos technologijų atstovas, palaipsniui keičia tradicinės gamybos veidą. Nuolat tobulėjant technologijoms ir mažėjant sąnaudoms, 3D spausdinimo technologija parodė plačias taikymo perspektyvas daugelyje sričių, pavyzdžiui, aviacijos, automobilių gamybos, medicinos įrangos ir architektūrinio projektavimo, ir paskatino šių pramonės šakų naujoves bei plėtrą.

Verta paminėti, kad galimas 3D spausdinimo technologijos poveikis aukštųjų technologijų puslaidininkių srityje tampa vis ryškesnis. Puslaidininkių gamybos procesų tikslumas ir efektyvumas, kaip informacinių technologijų plėtros kertinis akmuo, turi įtakos elektroninių gaminių našumui ir kainai. Atsižvelgdama į didelio tikslumo, didelio sudėtingumo ir greito kartojimo puslaidininkių pramonėje poreikius, 3D spausdinimo technologija su savo unikaliais pranašumais suteikė puslaidininkių gamybai precedento neturinčias galimybes ir iššūkius ir palaipsniui įsiskverbė į visas pramonės grandis.puslaidininkių pramonės grandinė, o tai rodo, kad puslaidininkių pramonė netrukus pradės esminius pokyčius.

Todėl analizuojant ir tyrinėjant būsimą 3D spausdinimo technologijos taikymą puslaidininkių pramonėje, mes ne tik galėsime suvokti šios pažangiausios technologijos vystymosi impulsą, bet ir suteiksime techninę pagalbą bei nuorodas atnaujinant puslaidininkių pramonę. Šiame straipsnyje analizuojama naujausia 3D spausdinimo technologijos pažanga ir galimi jos pritaikymai puslaidininkių pramonėje ir laukiama, kaip ši technologija gali skatinti puslaidininkių gamybos pramonę.

3D spausdinimo technologija

3D spausdinimas taip pat žinomas kaip priedų gamybos technologija. Jo principas yra sukurti trimatę esybę, sukraunant medžiagas sluoksnis po sluoksnio. Šis novatoriškas gamybos metodas pakerta tradicinį gamybos „atimamą“ arba „lygios medžiagos“ apdorojimo režimą ir gali „integruoti“ liejinius gaminius be pelėsių pagalbos. Yra daugybė 3D spausdinimo technologijų tipų ir kiekviena technologija turi savų privalumų.

Pagal 3D spausdinimo technologijos formavimo principą daugiausia yra keturi tipai.

✔ Fotokietėjimo technologija paremta ultravioletinės polimerizacijos principu. Skysčio šviesai jautrios medžiagos kietinamos ultravioletiniais spinduliais ir sukraunamos sluoksnis po sluoksnio. Šiuo metu ši technologija gali formuoti keramiką, metalus ir dervas su dideliu liejimo tikslumu. Jis gali būti naudojamas medicinos, meno ir aviacijos pramonės srityse.

✔ Lydyto nusodinimo technologija, naudojant kompiuterio valdomą spausdinimo galvutę, kad kaitinamas ir išlydomas siūlas, ir išspaudžiamas pagal tam tikrą formos trajektoriją, sluoksnis po sluoksnio ir gali sudaryti plastikines ir keramines medžiagas.

✔ Srutų tiesioginio rašymo technologija naudoja didelio klampumo suspensiją kaip rašalo medžiagą, kuri laikoma statinėje ir prijungiama prie ekstruzijos adatos bei montuojama ant platformos, kuri gali užbaigti trimatį judėjimą kompiuteriu valdant. Mechaniniu arba pneumatiniu slėgiu rašalo medžiaga išstumiama iš purkštuko, kad būtų nuolat išspaudžiama ant pagrindo, kad susidarytų, o tada atliekamas atitinkamas tolesnis apdorojimas (lakus tirpiklis, terminis kietėjimas, kietėjimas šviesoje, sukepinimas ir kt.). pagal medžiagos savybes gauti galutinį trimatį komponentą. Šiuo metu ši technologija gali būti pritaikyta biokeramikos ir maisto perdirbimo srityse.

✔Mitelių sluoksnio sintezės technologija gali būti skirstoma į lazerinio selektyvaus lydymo technologiją (SLM) ir lazerinio selektyvaus sukepinimo technologiją (SLS). Abi technologijos naudoja miltelines medžiagas kaip apdorojimo objektus. Tarp jų SLM lazerio energija yra didesnė, todėl milteliai gali ištirpti ir per trumpą laiką sukietėti. SLS galima suskirstyti į tiesioginį SLS ir netiesioginį SLS. Tiesioginio SLS energija yra didesnė, o dalelės gali būti tiesiogiai sukepintos arba išlydomos, kad susidarytų ryšys tarp dalelių. Todėl tiesioginis SLS yra panašus į SLM. Miltelių dalelės per trumpą laiką greitai įkaista ir atšaldomos, todėl suformuotas blokas turi didelį vidinį įtempį, mažą bendrą tankį ir blogas mechanines savybes; netiesioginio SLS lazerio energija yra mažesnė, o milteliuose esantis rišiklis lazerio spinduliu ištirpsta ir dalelės sujungiamos. Užbaigus formavimą, termiškai nuriebalinant pašalinamas vidinis rišiklis, o galiausiai atliekamas sukepinimas. Miltelinio sluoksnio sintezės technologija gali sudaryti metalus ir keramiką ir šiuo metu naudojama aviacijos ir automobilių gamybos srityse.

1 paveikslas a) Kietėjimo fotonuotraukomis technologija; b) lydyto nusodinimo technologija; c) srutų tiesioginio rašymo technologija; d) Miltelių sluoksnio sintezės technologija [1, 2]

Nuolat tobulėjant 3D spausdinimo technologijai, jos pranašumai nuolat demonstruojami nuo prototipų kūrimo iki galutinių gaminių. Pirma, kalbant apie gaminio struktūros projektavimo laisvę, svarbiausias 3D spausdinimo technologijos pranašumas yra tai, kad ji gali tiesiogiai gaminti sudėtingas ruošinių struktūras. Be to, kalbant apie liejimo objekto medžiagos pasirinkimą, 3D spausdinimo technologija gali spausdinti įvairias medžiagas, įskaitant metalus, keramiką, polimerines medžiagas ir kt. Kalbant apie gamybos procesą, 3D spausdinimo technologija pasižymi dideliu lankstumu ir gali koreguoti gamybos procesą ir parametrus pagal faktinius poreikius.

Puslaidininkių pramonė

Puslaidininkių pramonė atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį šiuolaikiniame moksle, technologijoje ir ekonomikoje, o jos svarba atsispindi daugeliu aspektų. Puslaidininkiai naudojami kuriant miniatiūrines grandines, kurios leidžia įrenginiams atlikti sudėtingas skaičiavimo ir duomenų apdorojimo užduotis. Kaip svarbus pasaulinės ekonomikos ramstis, puslaidininkių pramonė suteikia daug darbo vietų ir teikia daug ekonominės naudos daugeliui šalių. Tai ne tik tiesiogiai skatino elektronikos gamybos pramonės plėtrą, bet ir paskatino tokių pramonės šakų, kaip programinės įrangos kūrimas ir techninės įrangos projektavimas, augimą. Be to, karinėje ir gynybos sritysepuslaidininkių technologijayra labai svarbus pagrindinei įrangai, tokiai kaip ryšių sistemos, radarai ir palydovinė navigacija, užtikrinant nacionalinį saugumą ir karinius pranašumus.

2 diagrama „14-asis penkerių metų planas“ (ištrauka) [3]

Todėl dabartinė puslaidininkių pramonė tapo svarbiu nacionalinio konkurencingumo simboliu, o visos šalys ją aktyviai plėtoja. mano šalies „14-ajame penkerių metų plane“ siūloma sutelkti dėmesį į įvairias pagrindines puslaidininkių pramonės „butelio kaklelio“ grandis, daugiausia apimančias pažangius procesus, pagrindinę įrangą, trečiosios kartos puslaidininkius ir kitas sritis.

3 diagrama Puslaidininkių lustų apdorojimo procesas [4]

Puslaidininkinių lustų gamybos procesas yra labai sudėtingas. Kaip parodyta 3 paveiksle, jį daugiausia sudaro šie pagrindiniai žingsniai:vaflių ruošimas, litografija,ofortas, plonos plėvelės nusodinimas, jonų implantavimas ir pakavimo bandymai. Kiekvienas procesas reikalauja griežtos kontrolės ir tikslaus matavimo. Problemos, susijusios su bet kokia nuoroda, gali sugadinti lustą arba pabloginti veikimą. Todėl puslaidininkių gamyboje keliami labai aukšti reikalavimai įrangai, procesams ir personalui.

Nors tradicinė puslaidininkių gamyba pasiekė didelę sėkmę, vis dar yra tam tikrų apribojimų: Pirma, puslaidininkių lustai yra labai integruoti ir miniatiūrizuoti. Tęsiant Moore'o dėsnį (4 pav.), puslaidininkinių lustų integracija ir toliau didėja, komponentų dydis ir toliau mažėja, o gamybos procese reikia užtikrinti itin aukštą tikslumą ir stabilumą.

4 paveikslas a) Tranzistorių skaičius mikroschemoje laikui bėgant didėja; b) lusto dydis ir toliau mažėja [5]

Be to, puslaidininkių gamybos proceso sudėtingumas ir sąnaudų kontrolė. Puslaidininkių gamybos procesas yra sudėtingas ir priklauso nuo tikslios įrangos, todėl kiekviena grandis turi būti tiksliai kontroliuojama. Dėl didelių įrangos, medžiagų ir MTTP sąnaudų puslaidininkinių gaminių gamybos sąnaudos yra didelės. Todėl būtina toliau tyrinėti ir mažinti sąnaudas užtikrinant produkto išeigą.

Tuo pačiu metu puslaidininkių gamybos pramonė turi greitai reaguoti į rinkos paklausą. Sparčiai kintant paklausai rinkoje. Tradicinis gamybos modelis turi ilgo ciklo ir prasto lankstumo problemų, todėl sunku patenkinti greitą produktų kartojimą rinkoje. Todėl efektyvesnis ir lankstesnis gamybos būdas tapo ir puslaidininkių pramonės plėtros kryptimi.

Taikymas3D spausdinimaspuslaidininkių pramonėje

Puslaidininkių srityje 3D spausdinimo technologija taip pat nuolat demonstruoja savo taikymą.

Pirma, 3D spausdinimo technologija turi didelę konstrukcijų projektavimo laisvę ir gali pasiekti „integruotą“ liejimą, o tai reiškia, kad galima sukurti sudėtingesnes ir sudėtingesnes struktūras. 5 (a) paveikslas, 3D sistema optimizuoja vidinę šilumos išsklaidymo struktūrą naudodama dirbtinį pagalbinį dizainą, pagerina plokštelės stadijos terminį stabilumą, sumažina plokštelės terminio stabilizavimo laiką ir pagerina lustų gamybos išeigą bei efektyvumą. Litografijos aparato viduje taip pat yra sudėtingų vamzdynų. Naudojant 3D spausdinimą, sudėtingos vamzdynų struktūros gali būti „integruojamos“, kad būtų sumažintas žarnų naudojimas ir optimizuotas dujų srautas vamzdyne, taip sumažinant neigiamą mechaninių trukdžių ir vibracijos poveikį bei pagerinant lustų apdorojimo proceso stabilumą.

5 pav. 3D sistema naudoja 3D spausdinimą dalims formuoti (a) litografijos mašinos plokštelės stadija; b) kolektoriaus vamzdynas [6]

Kalbant apie medžiagų pasirinkimą, 3D spausdinimo technologija gali realizuoti medžiagas, kurias sunku suformuoti tradiciniais apdorojimo metodais. Silicio karbido medžiagos turi didelį kietumą ir aukštą lydymosi temperatūrą. Tradicinius perdirbimo būdus sunku suformuoti ir jų gamybos ciklas yra ilgas. Sudėtingoms struktūroms formuoti reikalingas apdorojimas naudojant pelėsį. Sublimacija 3D sukūrė nepriklausomą dviejų purkštukų 3D spausdintuvą UPS-250 ir paruošė silicio karbido krištolo valtis. Po reakcijos sukepinimo produkto tankis yra 2,95–3,02 g/cm3.

6 pavSilicio karbido krištolo valtis[7]

7 pav. a) 3D bendro spausdinimo įranga; b) UV šviesa naudojama trimatėms struktūroms konstruoti, o lazeris – sidabro nanodalelėms generuoti; c) 3D bendro spausdinimo elektroninių komponentų principas[8]

Tradicinis elektroninio gaminio procesas yra sudėtingas, todėl reikia kelių proceso etapų nuo žaliavų iki gatavų gaminių. Xiao ir kt.[8] naudojo 3D bendro spausdinimo technologiją, kad galėtų pasirinktinai konstruoti kūno struktūras arba įterpti laidžius metalus ant laisvos formos paviršių, kad būtų galima gaminti 3D elektroninius prietaisus. Ši technologija apima tik vieną spausdinimo medžiagą, kuri gali būti naudojama polimerinėms struktūroms kurti kietinant UV spinduliais arba metalo pirmtakams šviesai jautriose dervose aktyvuoti naudojant lazerinį nuskaitymą, kad būtų pagamintos nanometalo dalelės, kurios sudaro laidžias grandines. Be to, gautos laidžios grandinės savitoji varža yra tik maždaug 6,12 µm. Reguliuojant medžiagos formulę ir apdorojimo parametrus, varža gali būti toliau valdoma tarp 10-6 ir 10Ωm. Galima pastebėti, kad 3D bendro spausdinimo technologija išsprendžia kelių medžiagų nusodinimo tradicinėje gamyboje iššūkį ir atveria naują kelią 3D elektroninių gaminių gamybai.

Lustų pakuotė yra pagrindinė puslaidininkių gamybos grandis. Tradicinė pakavimo technologija taip pat turi problemų, tokių kaip sudėtingas procesas, šilumos valdymo gedimas ir įtempis, atsirandantis dėl medžiagų šiluminio plėtimosi koeficientų neatitikimo, dėl kurio pakavimas sugenda. 3D spausdinimo technologija gali supaprastinti gamybos procesą ir sumažinti išlaidas tiesiogiai spausdinant pakuotės struktūrą. Feng ir kt. [9] paruošė fazių keitimo elektronines pakavimo medžiagas ir sujungė jas su 3D spausdinimo technologija, kad pakuotų lustus ir grandines. Fazių keitimo elektroninė pakavimo medžiaga, kurią paruošė Feng ir kt. turi didelę latentinę šilumą 145,6 J/g ir turi didelį terminį stabilumą 130°C temperatūroje. Palyginti su tradicinėmis elektroninėmis pakavimo medžiagomis, jo vėsinimo efektas gali siekti 13°C.

8 pav. Scheminė 3D spausdinimo technologijos naudojimo schema, skirta tiksliai inkapsuliuoti grandines su fazės keitimo elektroninėmis medžiagomis; b) LED lustas kairėje buvo įdėtas į fazės keitimo elektronines pakavimo medžiagas, o dešinėje esantis LED lustas nebuvo uždengtas; c) šviesos diodų lustų infraraudonieji vaizdai su kapsulėmis ir be jų; d) temperatūros kreivės esant tokiai pačiai galiai ir skirtingoms pakavimo medžiagoms; e) sudėtinga grandinė be LED lusto pakavimo diagramos; f) fazių keitimo elektroninių pakavimo medžiagų šilumos išsklaidymo schema [9]

3D spausdinimo technologijos iššūkiai puslaidininkių pramonėje

Nors 3D spausdinimo technologija parodė didelį potencialąpuslaidininkių pramonė. Tačiau vis dar yra daug iššūkių.

Kalbant apie liejimo tikslumą, dabartinė 3D spausdinimo technologija gali pasiekti 20 μm tikslumą, tačiau vis tiek sunku atitikti aukštus puslaidininkių gamybos standartus. Kalbant apie medžiagų pasirinkimą, nors 3D spausdinimo technologija gali formuoti įvairias medžiagas, kai kurių specialių savybių (silicio karbido, silicio nitrido ir kt.) liejimo sunkumai vis dar yra gana dideli. Kalbant apie gamybos sąnaudas, 3D spausdinimas gerai veikia mažų partijų pritaikytoje gamyboje, tačiau jo gamybos greitis yra gana lėtas didelės apimties gamyboje, o įrangos kaina yra didelė, todėl sunku patenkinti didelio masto gamybos poreikius. . Techniškai, nors 3D spausdinimo technologija pasiekė tam tikrų plėtros rezultatų, kai kuriose srityse ji vis dar yra nauja technologija ir reikalauja tolesnių tyrimų bei plėtros ir tobulinimo, kad būtų pagerintas jos stabilumas ir patikimumas.