3D-printimise tehnoloogia uurimuslik rakendamine pooljuhtide tööstuses

Kiire tehnoloogilise arengu ajastul muudab 3D-printimine kui arenenud tootmistehnoloogia oluline esindaja järk-järgult traditsioonilise tootmise palet. Tehnoloogia pideva küpsuse ja kulude vähenemisega on 3D-printimise tehnoloogia näidanud laialdasi rakendusväljavaateid paljudes valdkondades, nagu lennundus, autotootmine, meditsiiniseadmed ja arhitektuurne projekteerimine, ning on edendanud nende tööstusharude innovatsiooni ja arengut.

Väärib märkimist, et 3D-printimise tehnoloogia potentsiaalne mõju pooljuhtide kõrgtehnoloogilises valdkonnas on muutumas üha olulisemaks. Infotehnoloogia arengu nurgakivina mõjutab pooljuhtide tootmisprotsesside täpsus ja efektiivsus elektroonikatoodete jõudlust ja maksumust. Seistes silmitsi suure täpsuse, suure keerukuse ja kiire iteratsiooniga pooljuhtide tööstuses, on 3D-printimise tehnoloogia oma ainulaadsete eelistega toonud pooljuhtide tootmisesse enneolematuid võimalusi ja väljakutseid ning on järk-järgult tunginud kõikidesse lülidessepooljuhtide tööstuse kett, mis näitab, et pooljuhtide tööstus on peagi sisse viimas põhjalikud muutused.

Seetõttu ei aita 3D-printimise tehnoloogia tulevase kasutuse analüüsimine ja uurimine pooljuhtide tööstuses meil mitte ainult mõista selle tipptehnoloogia arenguimpulssi, vaid pakub ka tehnilist tuge ja viiteid pooljuhtide tööstuse ajakohastamiseks. See artikkel analüüsib 3D-printimise tehnoloogia uusimaid edusamme ja selle potentsiaalseid rakendusi pooljuhtide tööstuses ning ootab huviga, kuidas see tehnoloogia saab pooljuhtide tootmistööstust edendada.

3D printimise tehnoloogia

3D-printimist tuntakse ka lisatootmistehnoloogiana. Selle põhimõte on ehitada kolmemõõtmeline üksus materjalide kiht-kihi haaval virnastamise teel. See uuenduslik tootmismeetod õõnestab traditsioonilise tootmise "lahutava" või "võrdse materjali" töötlemisrežiimi ja võib vormitud tooteid "integreerida" ilma hallituse abita. 3D-printimise tehnoloogiaid on mitut tüüpi ja igal tehnoloogial on oma eelised.

3D-printimise tehnoloogia vormimispõhimõtte kohaselt on peamiselt nelja tüüpi.

✔ Fotokõvastumise tehnoloogia põhineb ultraviolettkiirguse polümerisatsiooni põhimõttel. Vedelaid valgustundlikke materjale kõveneb ultraviolettvalgus ja laotakse kiht kihi haaval. Praegu saab selle tehnoloogia abil vormida suure vormimistäpsusega keraamikat, metalle ja vaiku. Seda saab kasutada meditsiini, kunsti ja lennunduse valdkonnas.

✔ Sulatatud sadestamise tehnoloogia arvutipõhise prindipea kaudu hõõgniidi kuumutamiseks ja sulatamiseks ning selle väljapressimiseks vastavalt kindla kuju trajektoorile, kiht kihi haaval ning võib moodustada plast- ja keraamilisi materjale.

✔ Slurry otsekirjutamise tehnoloogia kasutab tindimaterjalina kõrge viskoossusega lobri, mida hoitakse tünnis ja ühendatakse ekstrusiooninõelaga ning paigaldatakse platvormile, mis suudab arvuti juhtimisel teostada kolmemõõtmelist liikumist. Mehaanilise rõhu või pneumaatilise rõhu abil surutakse tindimaterjal düüsist välja, et moodustuks pidevalt aluspinnale ekstrudeerida, ja seejärel viiakse läbi vastav järeltöötlus (lenduv lahusti, termiline kõvenemine, valguskõvastumine, paagutamine jne). vastavalt materjali omadustele, et saada lõplik kolmemõõtmeline komponent. Praegu saab seda tehnoloogiat rakendada biokeraamika ja toiduainete töötlemise valdkondades.

✔Pulberkihi sulatamise tehnoloogia võib jagada laserselektiivsulatustehnoloogiaks (SLM) ja laserselektiivseks paagutamise tehnoloogiaks (SLS). Mõlemas tehnoloogias kasutatakse töötlemisobjektidena pulbermaterjale. Nende hulgas on SLM-i laserenergia suurem, mis võib panna pulbri lühikese aja jooksul sulama ja tahkuma. SLS-i võib jagada otseseks SLS-iks ja kaudseks SLS-iks. Otsese SLS-i energia on suurem ja osakesi saab otse paagutada või sulatada, et moodustada osakeste vahel side. Seetõttu on otsene SLS sarnane SLM-iga. Pulbriosakesed kuumenevad ja jahutatakse kiiresti lühikese aja jooksul, mistõttu on vormitud plokil suur sisemine pinge, madal üldine tihedus ja halvad mehaanilised omadused; kaudse SLS-i laserenergia on väiksem ning pulbris olev sideaine sulab laserkiire toimel ja osakesed seotakse. Pärast vormimise lõpetamist eemaldatakse sisemine sideaine termilise rasvaärastuse teel ja lõpuks viiakse läbi paagutamine. Pulberkihi sulatamise tehnoloogia võib moodustada metalle ja keraamikat ning seda kasutatakse praegu lennunduses ja autotööstuses.

Joonis 1 (a) Fototöötlustehnoloogia; b) sulatatud sadestamise tehnoloogia; c) läga otsekirjutamise tehnoloogia; d) Pulberkihi sulatamise tehnoloogia [1, 2]

3D-printimise tehnoloogia pideva arenguga demonstreeritakse pidevalt selle eeliseid prototüüpimisest kuni lõpptoodeteni. Esiteks on 3D-printimise tehnoloogia kõige olulisem eelis tootestruktuuri kujundamise vabaduse osas see, et sellega saab vahetult valmistada detailide keerulisi struktuure. Järgmiseks, mis puudutab vormimisobjekti materjalivalikut, siis 3D-printimise tehnoloogiaga saab printida mitmesuguseid materjale, sealhulgas metalle, keraamikat, polümeermaterjale jne. Tootmisprotsessi osas on 3D-printimise tehnoloogial suur paindlikkus ja saab kohandada tootmisprotsessi ja parameetreid vastavalt tegelikele vajadustele.

Pooljuhtide tööstus

Pooljuhtide tööstusel on tänapäeva teaduses, tehnoloogias ja majanduses ülitähtis roll ning selle tähtsus kajastub mitmes aspektis. Pooljuhte kasutatakse miniatuursete vooluahelate ehitamiseks, mis võimaldavad seadmetel täita keerulisi andmetöötlus- ja andmetöötlusülesandeid. Ja pooljuhtide tööstus kui maailmamajanduse oluline tugisammas pakub paljudele riikidele palju töökohti ja majanduslikku kasu. See mitte ainult ei edendanud otseselt elektroonikatööstuse arengut, vaid tõi kaasa ka selliste tööstusharude kasvu nagu tarkvaraarendus ja riistvara disain. Lisaks sõjaväe- ja kaitsevaldkonnaspooljuhtide tehnoloogiaon ülioluline selliste võtmeseadmete jaoks nagu sidesüsteemid, radarid ja satelliitnavigatsioon, tagades riigi julgeoleku ja sõjalised eelised.

Diagramm 2 "14. viie aasta plaan" (väljavõte) [3]

Seetõttu on praegusest pooljuhtide tööstusest saanud oluline riigi konkurentsivõime sümbol ja kõik riigid arendavad seda aktiivselt. minu riigi 14. viieaastases plaanis tehakse ettepanek keskenduda pooljuhtide tööstuse erinevate võtmetähtsusega kitsaskohtade toetamisele, mis hõlmavad peamiselt täiustatud protsesse, võtmeseadmeid, kolmanda põlvkonna pooljuhte ja muid valdkondi.

Joonis 3 Pooljuhtkiibi töötlemise protsess [4]

Pooljuhtkiipide tootmisprotsess on äärmiselt keeruline. Nagu on näidatud joonisel 3, sisaldab see peamiselt järgmisi põhietappe:vahvli valmistamine, litograafia,söövitus, õhukese kile sadestamine, ioonide implanteerimine ja pakendamise testimine. Iga protsess nõuab ranget kontrolli ja täpset mõõtmist. Mis tahes lingi probleemid võivad kahjustada kiipi või halvendada jõudlust. Seetõttu on pooljuhtide tootmisel väga kõrged nõuded seadmetele, protsessidele ja personalile.

Kuigi traditsiooniline pooljuhtide tootmine on saavutanud suurt edu, on siiski mõned piirangud: Esiteks on pooljuhtkiibid väga integreeritud ja miniatuursed. Moore'i seaduse jätkudes (joonis 4) kasvab pooljuhtkiipide integreeritus jätkuvalt, komponentide suurus kahaneb ning tootmisprotsess peab tagama ülikõrge täpsuse ja stabiilsuse.

Joonis 4 (a) Transistoride arv kiibis kasvab aja jooksul jätkuvalt; (b) Kiibi suurus väheneb jätkuvalt [5]

Lisaks pooljuhtide tootmisprotsessi keerukus ja kulude kontroll. Pooljuhtide tootmisprotsess on keeruline ja tugineb täppisseadmetele ning iga linki tuleb täpselt juhtida. Kõrge seadmete maksumus, materjalikulu ning teadus- ja arendustegevuse maksumus muudavad pooljuhttoodete tootmiskulud kõrgeks. Seetõttu on vaja jätkata uurimist ja kulude vähendamist, tagades samal ajal toote saagikuse.

Samal ajal peab pooljuhtide tootmine kiiresti turunõudlusele reageerima. Seoses turunõudluse kiirete muutustega. Traditsioonilises tootmismudelis on probleeme pika tsükli ja vähese paindlikkusega, mis raskendab turul toimuvat kiiret toodete iteratsiooni. Seetõttu on tõhusam ja paindlikum tootmismeetod muutunud ka pooljuhtide tööstuse arengusuunaks.

Rakendus3D printiminepooljuhtide tööstuses

Pooljuhtide valdkonnas on 3D-printimise tehnoloogia samuti pidevalt oma rakendust demonstreerinud.

Esiteks on 3D-printimise tehnoloogial konstruktsioonide kujundamisel suur vabadus ja sellega saab saavutada "integreeritud" vormimise, mis tähendab, et saab kujundada keerukamaid ja keerukamaid struktuure. Joonis 5 (a), 3D-süsteem optimeerib sisemist soojuse hajumise struktuuri kunstliku abikonstruktsiooni abil, parandab vahvliastme termilist stabiilsust, vähendab vahvli termilise stabiliseerimise aega ning parandab kiibi tootmise saagist ja efektiivsust. Litograafiamasina sees on ka keerulised torustikud. 3D-printimise abil saab keerulisi torujuhtme struktuure "integreerida", et vähendada voolikute kasutamist ja optimeerida gaasivoogu torujuhtmes, vähendades seeläbi mehaaniliste häirete ja vibratsiooni negatiivset mõju ning parandades kiibi töötlemise protsessi stabiilsust.

Joonis 5 3D-süsteem kasutab osade moodustamiseks 3D-printimist (a) litograafiamasina vahvli staadium; b) kollektori torujuhe [6]

Materjalivaliku osas saab 3D-printimise tehnoloogia abil realiseerida materjale, mida on traditsiooniliste töötlemismeetoditega raske vormida. Ränikarbiidmaterjalidel on kõrge kõvadus ja kõrge sulamistemperatuur. Traditsioonilisi töötlemismeetodeid on raske kujundada ja neil on pikk tootmistsükkel. Keeruliste struktuuride moodustamine nõuab vormiabiga töötlemist. Sublimation 3D on välja töötanud sõltumatu kahe otsikuga 3D-printeri UPS-250 ja valmistanud ränikarbiidist kristallpaadid. Pärast reaktsiooniga paagutamist on toote tihedus 2,95–3,02 g/cm3.

Joonis 6Ränikarbiidist kristallpaat[7]

Joonis 7 a) 3D-kaasprintimise seadmed; b) UV-valgust kasutatakse kolmemõõtmeliste struktuuride ehitamiseks ja laserit kasutatakse hõbeda nanoosakeste genereerimiseks; c) Elektrooniliste komponentide 3D-koosprintimise põhimõte[8]

Traditsiooniline elektrooniline tooteprotsess on keeruline ja alates toorainest kuni valmistoodeteni on vaja mitut protsessietappi. Xiao jt.[8] kasutas 3D-kaasprintimise tehnoloogiat kerestruktuuride valikuliseks konstrueerimiseks või juhtivate metallide kinnistamiseks vabakujulistele pindadele 3D-elektroonikaseadmete tootmiseks. See tehnoloogia hõlmab ainult ühte trükimaterjali, mida saab kasutada polümeerstruktuuride ehitamiseks UV-kõvastumise teel või metallide lähteainete aktiveerimiseks valgustundlikes vaikudes laserskaneerimisega, et toota nanometalliosakesi juhtivate ahelate moodustamiseks. Lisaks on saadud juhtiva vooluahela suurepärane eritakistus, mis on nii väike kui umbes 6,12 µΩm. Reguleerides materjali valemit ja töötlemisparameetreid, saab takistust veelgi reguleerida vahemikus 10-6 kuni 10Ωm. On näha, et 3D-koosprintimise tehnoloogia lahendab traditsioonilises tootmises mitme materjali sadestamise väljakutse ja avab uue tee 3D-elektroonikatoodete tootmiseks.

Kiibi pakendamine on pooljuhtide tootmise võtmelüli. Traditsioonilisel pakkimistehnoloogial on ka probleeme, nagu keeruline protsess, soojusjuhtimise ebaõnnestumine ja materjalide soojuspaisumiskoefitsientide mittevastavusest põhjustatud stress, mis põhjustab pakendi rikke. 3D-printimise tehnoloogia võib pakendistruktuuri otse printides tootmisprotsessi lihtsustada ja kulusid vähendada. Feng jt. [9] valmistas faasimuutusega elektroonilisi pakkematerjale ja kombineeris need 3D-printimise tehnoloogiaga kiipide ja vooluahelate pakendamiseks. Fengi jt poolt koostatud faasimuutuse elektrooniline pakkematerjal. sellel on kõrge latentne soojus 145,6 J/g ja sellel on märkimisväärne termiline stabiilsus temperatuuril 130 °C. Võrreldes traditsiooniliste elektrooniliste pakkematerjalidega võib selle jahutav toime ulatuda 13 °C-ni.

Joonis 8 skemaatiline diagramm 3D-printimise tehnoloogia kasutamisest vooluahelate täpseks kapseldamiseks faasimuutusega elektrooniliste materjalidega; b) vasakpoolne LED-kiip on kapseldatud faasimuutuse elektrooniliste pakkematerjalidega ja parempoolne LED-kiip ei ole kapseldatud; c) LED-kiipide infrapunakujutised kapseldamisega ja ilma; d) temperatuurikõverad sama võimsuse ja erinevate pakkematerjalide korral; (e) Komplekslülitus ilma LED-kiibi pakkimisskeemita; f) Faasimuutuste elektrooniliste pakkematerjalide soojuse hajumise skemaatiline diagramm [9]

3D-printimise tehnoloogia väljakutsed pooljuhtide tööstuses

Kuigi 3D-printimise tehnoloogia on näidanud suurt potentsiaalipooljuhtide tööstus. Siiski on veel palju väljakutseid.

Vormimise täpsuse osas suudab praegune 3D-printimise tehnoloogia saavutada 20 μm täpsust, kuid pooljuhtide tootmise kõrgetele standarditele on siiski raske vastata. Materjalivaliku osas võib öelda, et kuigi 3D-printimise tehnoloogia abil saab moodustada mitmesuguseid materjale, on mõnede eriliste omadustega materjalide (ränikarbiid, räninitriid jne) vormimisraskused siiski suhteliselt kõrged. Tootmiskulude osas toimib 3D-printimine väikeste partiide kohandatud tootmises hästi, kuid selle tootmiskiirus on suuremahulises tootmises suhteliselt aeglane ja seadmete maksumus on kõrge, mis muudab suuremahulise tootmise vajaduste rahuldamise keeruliseks. . Tehniliselt, kuigi 3D-printimise tehnoloogia on saavutanud teatud arendustulemusi, on see mõnes valdkonnas endiselt arenev tehnoloogia ning vajab edasist uurimis- ja arendustegevust ning täiustamist, et parandada selle stabiilsust ja töökindlust.