Undersökande tillämpning av 3D-utskriftsteknik i halvledarindustrin

I en tid av snabb teknisk utveckling förändrar 3D-utskrift, som en viktig representant för avancerad tillverkningsteknik, gradvis ansiktet för traditionell tillverkning. Med den kontinuerliga mognad av teknik och minskning av kostnaderna har 3D-utskriftsteknik visat breda tillämpningsmöjligheter inom många områden som flyg, biltillverkning, medicinsk utrustning och arkitektonisk design, och har främjat innovation och utveckling av dessa industrier.

Det är värt att notera att den potentiella inverkan av 3D-utskriftsteknik inom det högteknologiska området halvledare blir allt mer framträdande. Som hörnstenen i utvecklingen av informationsteknologi påverkar precisionen och effektiviteten av tillverkningsprocesser för halvledar prestanda och kostnad för elektroniska produkter. Inför behoven av hög precision, hög komplexitet och snabb iteration inom halvledarindustrin har 3D-utskriftstekniken, med sina unika fördelar, medfört oöverträffade möjligheter och utmaningar för halvledartillverkning och har gradvis trängt in i alla länkar ihalvledarindustrins kedja, vilket indikerar att halvledarindustrin är på väg att inleda en djup förändring.

Därför kommer att analysera och utforska den framtida tillämpningen av 3D-tryckteknologi i halvledarindustrin inte bara hjälpa oss att förstå utvecklingspulsen för denna banbrytande teknik, utan också ge teknisk support och referens för uppgradering av halvledarindustrin. Den här artikeln analyserar den senaste framstegen med 3D -tryckteknik och dess potentiella tillämpningar inom halvledarindustrin och ser fram emot hur denna teknik kan främja halvledarindustrin.

3D -tryckteknik

3D-utskrift är också känd som additiv tillverkningsteknik. Dess princip är att bygga en tredimensionell enhet genom att stapla material lager för lager. Denna innovativa produktionsmetod undergräver det traditionella tillverkningsläget "subtraktiva" eller "lika material" och kan "integrera" formade produkter utan formhjälp. Det finns många typer av 3D-utskriftstekniker, och varje teknik har sina egna fördelar.

Enligt formningsprincipen för 3D -tryckteknik finns det främst fyra typer.

✔ Fotokureringsteknologi är baserad på principen om ultraviolett polymerisation. Flytande fotosensitiva material botas av ultraviolett ljus och staplat skikt för lager. För närvarande kan denna teknik bilda keramik, metaller och hartser med hög formning. Det kan användas inom områdena medicinska, konst- och luftfartsindustrin.

✔ Fused depositionsteknik, genom det datordrivna skrivhuvudet för att värma och smälta filamentet, och extrudera det enligt en specifik formbana, lager för lager, och kan bilda plast och keramiska material.

✔ Slurry Direct Writing Technology använder högviskositetslamning som bläckmaterial, som lagras i fatet och anslutet till extruderingsnålen och installeras på en plattform som kan fullborda tredimensionell rörelse under datorkontroll. Genom mekaniskt tryck eller pneumatiskt tryck skjuts bläckmaterialet ut ur munstycket för att kontinuerligt extrudera på underlaget till form, och sedan utförs motsvarande efterbehandling (flyktig lösningsmedel, termisk härdning, lätt härdning, sintring, etc.) enligt materialegenskaperna för att erhålla den sista tredimensionella komponenten. För närvarande kan denna teknik tillämpas på områdena bioceramik och livsmedelsbearbetning.

✔Powder bed fusion teknologi kan delas in i laserselektiv smältteknik (SLM) och laserselektiv sintringsteknologi (SLS). Båda teknologierna använder pulvermaterial som bearbetningsobjekt. Bland dem är laserenergin hos SLM högre, vilket kan få pulvret att smälta och stelna på kort tid. SLS kan delas in i direkt SLS och indirekt SLS. Energin för direkt SLS är högre, och partiklarna kan sintras direkt eller smältas för att bilda bindning mellan partiklar. Därför liknar direkt SLS SLM. Pulverpartiklarna genomgår snabb uppvärmning och kylning på kort tid, vilket gör att det gjutna blocket har stor inre spänning, låg total densitet och dåliga mekaniska egenskaper; laserenergin för indirekt SLS är lägre, och bindemedlet i pulvret smälts av laserstrålen och partiklarna binds. Efter att formningen är avslutad avlägsnas det inre bindemedlet genom termisk avfettning och slutligen utförs sintring. Pulverbäddsfusionsteknik kan bilda metaller och keramik och används för närvarande inom flyg- och biltillverkning.

Figur 1 (a) Fotohärdningsteknik; (b) Fused depositionsteknik. (c) Uppslamningsteknik för direktskrivning; (d) Fusionsteknik för pulverbädd [1, 2]

Med den kontinuerliga utvecklingen av 3D-utskriftsteknik, demonstreras dess fördelar ständigt från prototypframställning till slutprodukter. För det första, när det gäller friheten för produktstrukturdesign, är den viktigaste fördelen med 3D-utskriftsteknik att den direkt kan tillverka komplexa strukturer av arbetsstycken. Därefter, när det gäller materialvalet för formningsobjektet, kan 3D-utskriftsteknik skriva ut en mängd olika material, inklusive metaller, keramik, polymermaterial etc. När det gäller tillverkningsprocessen har 3D-utskriftsteknik en hög grad av flexibilitet och kan justera tillverkningsprocessen och parametrarna efter faktiska behov.

Halvledarindustrin

Halvledarindustrin spelar en viktig roll i modern vetenskap och teknik och ekonomi, och dess betydelse återspeglas i många aspekter. Halvledare används för att bygga miniatyriserade kretsar, som gör det möjligt för enheter att utföra komplexa beräknings- och databearbetningsuppgifter. Och som en viktig pelare i den globala ekonomin ger halvledarindustrin ett stort antal jobb och ekonomiska fördelar för många länder. Det främjade inte bara direkt utvecklingen av elektroniktillverkningsindustrin, utan ledde också till tillväxten av industrier som mjukvaruutveckling och hårdvarudesign. Dessutom, på militär- och försvarsområdet,halvledarteknikär avgörande för nyckelutrustning som kommunikationssystem, radar och satellitnavigering, vilket säkerställer nationell säkerhet och militära fördelar.

Diagram 2 "14: e femårsplanen" (utdrag) [3]

Därför har den nuvarande halvledarindustrin blivit en viktig symbol för nationell konkurrenskraft, och alla länder utvecklar den aktivt. Mitt lands "14: e femårsplan" föreslår att fokusera på att stödja olika viktiga "flaskhalsar" -länkar i halvledarindustrin, främst inklusive avancerade processer, nyckelutrustning, tredje generationens halvledare och andra fält.

Diagram 3 Bearbetningsprocess för halvledarchip [4]

Tillverkningsprocessen för halvledarchips är extremt komplex. Som visas i figur 3 innehåller den främst följande viktiga steg:skivförberedelse, litografi,etsning, tunnfilmavlagring, jonimplantation och förpackningstest. Varje process kräver strikt kontroll och exakt mätning. Problem i någon länk kan orsaka skador på chipet eller prestandaförstöringen. Därför har halvledartillverkning mycket höga krav på utrustning, processer och personal.

Även om traditionell halvledartillverkning har nått stor framgång finns det fortfarande vissa begränsningar: För det första är halvledarchips mycket integrerade och miniatyriserade. Med fortsättningen av Moores lag (Figur 4) fortsätter integrationen av halvledarchips att öka, storleken på komponenterna fortsätter att krympa och tillverkningsprocessen måste säkerställa extremt hög precision och stabilitet.

Figur 4 (a) antalet transistorer i ett chip fortsätter att öka med tiden; (b) Chipstorleken fortsätter att krympa [5]

Dessutom komplexiteten och kostnadskontrollen av halvledartillverkningsprocessen. Halvledartillverkningsprocessen är komplex och förlitar sig på precisionsutrustning, och varje länk måste kontrolleras exakt. Den höga utrustningskostnaden, materialkostnaden och FoU -kostnaden gör tillverkningskostnaden för halvledarprodukter höga. Därför är det nödvändigt att fortsätta utforska och minska kostnaderna samtidigt som produktutbytet säkerställs.

Samtidigt måste halvledartillverkningsindustrin snabbt reagera på marknadens efterfrågan. Med de snabba förändringarna i marknadens efterfrågan. Den traditionella tillverkningsmodellen har problemen med lång cykel och dålig flexibilitet, vilket gör det svårt att möta marknadens snabba iteration av produkter. Därför har en mer effektiv och flexibel tillverkningsmetod också blivit utvecklingsriktningen för halvledarindustrin.

Tillämpning av3D -tryckninginom halvledarindustrin

Inom halvledarfältet har 3D -tryckteknologi också kontinuerligt visat sin tillämpning.

Först har 3D -tryckteknologi en hög grad av frihet i strukturell design och kan uppnå "integrerad" gjutning, vilket innebär att mer sofistikerade och komplexa strukturer kan utformas. Figur 5 (a), 3D -systemet optimerar den inre värmespridningsstrukturen genom konstgjord hjälpdesign, förbättrar den termiska stabiliteten i skivstadiet, minskar den termiska stabiliseringstiden för skivan och förbättrar utbytet och effektiviteten i chipproduktionen. Det finns också komplexa rörledningar i litografimaskinen. Genom 3D -tryckning kan komplexa rörledningsstrukturer "integreras" för att minska användningen av slangar och optimera gasflödet i rörledningen, vilket minskar den negativa påverkan av mekanisk störning och vibration och förbättrar stabiliteten i chipbearbetningsprocessen.

Figur 5 3D-systemet använder 3D-utskrift för att bilda delar (a) litografimaskinskiva; (b) grenrörsrörledning [6]

När det gäller materialval kan 3D -utskriftsteknologi förverkliga material som är svåra att bilda med traditionella bearbetningsmetoder. Kiselkarbidmaterial har hög hårdhet och hög smältpunkt. Traditionella bearbetningsmetoder är svåra att bilda och ha en lång produktionscykel. Bildningen av komplexa strukturer kräver mögelassisterad bearbetning. Sublimation 3D har utvecklat en oberoende 3D-skrivare med dubbla nozzle-skrivare UPS-250 och beredd kiselkarbidkristallbåtar. Efter reaktionssintring är produktdensiteten 2,95 ~ 3,02 g/cm3.

Figur 6Kiselkarbid kristallbåt[7]

Figur 7 (a) 3D-samutskriftsutrustning; (b) UV-ljus används för att konstruera tredimensionella strukturer, och laser används för att generera silvernanopartiklar; (c) Principen för 3D-samutskrift av elektroniska komponenter[8]

Den traditionella elektroniska produktprocessen är komplex och flera processsteg krävs från råvaror till färdiga produkter. Xiao et al. [8] använde 3D-samuttryckteknologi för att selektivt konstruera kroppsstrukturer eller bädda in ledande metaller på fria formytor för att tillverka 3D-elektroniska enheter. Denna teknik involverar endast ett tryckmaterial, som kan användas för att bygga polymerstrukturer genom UV-härdning, eller för att aktivera metallprekursorer i fotosensitiva hartser genom laserskanning för att producera nano-metallpartiklar för att bilda ledande kretsar. Dessutom uppvisar den resulterande ledande kretsen en utmärkt resistivitet så låg som cirka 6,12 Ωm. Genom att justera materialformeln och bearbetningsparametrarna kan resistiviteten kontrolleras ytterligare mellan 10-6 och 10Ωm. Det kan ses att 3D-samtryckteknologi löser utmaningen med multimaterialavlagring i traditionell tillverkning och öppnar en ny väg för tillverkning av 3D-elektroniska produkter.

Chipförpackningar är en nyckellänk i halvledartillverkning. Traditionell förpackningsteknik har också problem som komplex process, misslyckande med termisk hantering och stress orsakad av missanpassning av termiska expansionskoefficienter mellan material, vilket leder till förpackningsfel. 3D -tryckteknik kan förenkla tillverkningsprocessen och minska kostnaderna genom att direkt skriva ut förpackningsstrukturen. Feng et al. [9] förberedde fasändring av elektroniska förpackningsmaterial och kombinerade dem med 3D -tryckteknik för att paketera chips och kretsar. Fasändringens elektroniska förpackningsmaterial framställt av Feng et al. har en hög latent värme på 145,6 J/g och har betydande termisk stabilitet vid en temperatur av 130 ° C. Jämfört med traditionella elektroniska förpackningsmaterial kan dess kyleffekt nå 13 ° C.

Figur 8 Schematiskt diagram över att använda 3D -tryckteknik för att exakt kapsla in kretsar med fasändring av elektroniska material; (b) LED -chipet till vänster har inkapslats med fasändring av elektroniska förpackningsmaterial, och LED -chipet till höger har inte kapslats in; (c) infraröda bilder av LED -chips med och utan inkapsling; (d) temperaturkurvor under samma kraft och olika förpackningsmaterial; (e) komplex krets utan LED -chipförpackningsdiagram; (f) Schematiskt diagram över värmeavledning av fasförändring Elektroniska förpackningsmaterial [9]

Utmaningar med 3D-utskriftsteknik i halvledarindustrin

Även om 3D-utskriftsteknik har visat stor potential ihalvledarindustrin. Men det finns fortfarande många utmaningar.

När det gäller formnoggrannhet kan den nuvarande 3D-utskriftstekniken uppnå en noggrannhet på 20μm, men det är fortfarande svårt att möta de höga standarderna för halvledartillverkning. När det gäller materialval, även om 3D-utskriftsteknik kan bilda en mängd olika material, är formningssvårigheten för vissa material med speciella egenskaper (kiselkarbid, kiselnitrid, etc.) fortfarande relativt hög. När det gäller produktionskostnad presterar 3D-utskrift bra i små satser anpassad produktion, men dess produktionshastighet är relativt långsam i storskalig produktion, och utrustningskostnaden är hög, vilket gör det svårt att möta behoven för storskalig produktion . Tekniskt sett, även om 3D-utskriftsteknik har uppnått vissa utvecklingsresultat, är det fortfarande en framväxande teknik inom vissa områden och kräver ytterligare forskning och utveckling och förbättringar för att förbättra dess stabilitet och tillförlitlighet.