Applicazione esplorativa della tecnologia di stampa 3D nel settore dei semiconduttori

In un’era di rapido sviluppo tecnologico, la stampa 3D, in quanto importante rappresentante della tecnologia di produzione avanzata, sta gradualmente cambiando il volto della produzione tradizionale. Con la continua maturità della tecnologia e la riduzione dei costi, la tecnologia di stampa 3D ha mostrato ampie prospettive di applicazione in molti campi come quello aerospaziale, della produzione automobilistica, delle apparecchiature mediche e della progettazione architettonica, e ha promosso l’innovazione e lo sviluppo di questi settori.

Vale la pena notare che il potenziale impatto della tecnologia di stampa 3D nel campo high-tech dei semiconduttori sta diventando sempre più evidente. Essendo la pietra angolare dello sviluppo della tecnologia dell'informazione, la precisione e l'efficienza dei processi di produzione dei semiconduttori influiscono sulle prestazioni e sui costi dei prodotti elettronici. Di fronte alle esigenze di alta precisione, elevata complessità e rapida iterazione nel settore dei semiconduttori, la tecnologia di stampa 3D, con i suoi vantaggi unici, ha portato opportunità e sfide senza precedenti alla produzione di semiconduttori ed è gradualmente penetrata in tutti gli anelli del settore.catena dell'industria dei semiconduttori, indicando che l'industria dei semiconduttori sta per inaugurare un profondo cambiamento.

Pertanto, analizzare e esplorare la futura applicazione della tecnologia di stampa 3D nel settore dei semiconduttori non solo ci aiuterà a cogliere l'impulso di sviluppo di questa tecnologia all'avanguardia, ma fornirà anche supporto tecnico e riferimento per l'aggiornamento del settore dei semiconduttori. Questo articolo analizza gli ultimi progressi della tecnologia di stampa 3D e le sue potenziali applicazioni nel settore dei semiconduttori e non vede l'ora di come questa tecnologia può promuovere l'industria manifatturiera dei semiconduttori.

Tecnologia di stampa 3D

La stampa 3D è anche nota come tecnologia di produzione additiva. Il suo principio è quello di costruire un'entità tridimensionale impilando i materiali strati per strato. Questo innovativo metodo di produzione sovverte la tradizionale modalità di elaborazione "sottrattiva" o "materiale uguale" e può "integrare" prodotti modellati senza assistenza alla muffa. Esistono molti tipi di tecnologie di stampa 3D e ogni tecnologia ha i suoi vantaggi.

Secondo il principio di stampaggio della tecnologia di stampa 3D, ne esistono principalmente quattro tipi.

✔ La tecnologia di fotocuismo si basa sul principio della polimerizzazione ultravioletta. I materiali fotosensibili liquidi sono curati da luce ultravioletta e strato impilato per strato. Al momento, questa tecnologia può formare ceramiche, metalli e resine con alta precisione di stampaggio. Può essere utilizzato nei campi dell'industria medica, artistica e aeronautica.

✔ Tecnologia di deposizione fusa, attraverso la stampa a stampa guidata dal computer per calore e sciogliere il filamento e estrusione in base a una traiettoria di forma specifica, strato per strato e può formare materiali in plastica e ceramica.

✔ La tecnologia di scrittura diretta dell'impasto liquido utilizza un impasto liquido ad alta viscosità come materiale di inchiostro, che viene immagazzinato nel cilindro e collegato all'ago di estrusione e installato su una piattaforma in grado di completare il movimento tridimensionale sotto il controllo del computer. Attraverso la pressione meccanica o pneumatica, il materiale dell'inchiostro viene spinto fuori dall'ugello per estrudere continuamente sul substrato da formare, quindi viene eseguita la corrispondente post-elaborazione (solvente volatile, polimerizzazione termica, fotopolimerizzazione, sinterizzazione, ecc.). in base alle proprietà del materiale per ottenere il componente tridimensionale finale. Allo stato attuale, questa tecnologia può essere applicata ai campi della bioceramica e della lavorazione alimentare.

✔ La tecnologia di fusione del letto dipowder può essere divisa in tecnologia di fusione selettiva (SLM) Laser e tecnologia di sinterizzazione selettiva (SLS). Entrambe le tecnologie usano i materiali in polvere come oggetti di lavorazione. Tra questi, l'energia laser di SLM è più alta, il che può far sciogliere la polvere e solidificarsi in breve tempo. SLS può essere diviso in SL diretti e SL indiretti. L'energia degli SL diretti è più alta e le particelle possono essere sinterizzate o fuse direttamente per formare il legame tra le particelle. Pertanto, SLS diretto è simile a SLM. Le particelle di polvere subiscono un rapido riscaldamento e raffreddamento in breve tempo, il che fa sì che il blocco modellato abbia una grande sollecitazione interna, una bassa densità complessiva e scarse proprietà meccaniche; L'energia laser degli SL indiretti è inferiore e il legante nella polvere viene fuso dal raggio laser e le particelle sono legate. Dopo che la formazione è stata completata, il legante interno viene rimosso dallo sgrassamento termico e infine viene eseguita la sinterizzazione. La tecnologia di fusione del letto in polvere può formare metalli e ceramiche ed è attualmente utilizzata nei campi di produzione aerospaziale e automobilistico.

Figura 1 (a) tecnologia di fotocuismo; (b) tecnologia di deposizione fusa; (c) tecnologia di scrittura diretta di liquami; (d) Tecnologia di fusione del letto in polvere [1, 2]

Con il continuo sviluppo della tecnologia di stampa 3D, i suoi vantaggi vengono costantemente dimostrati dalla prototipazione ai prodotti finali. Innanzitutto, in termini di progettazione della libertà della struttura del prodotto, il vantaggio più significativo della tecnologia di stampa 3D è che può produrre direttamente strutture complesse di pezzi. Successivamente, in termini di selezione dei materiali dell'oggetto di stampaggio, la tecnologia di stampa 3D può stampare una varietà di materiali, tra cui metalli, ceramiche, materiali polimerici, ecc. In termini di processo di produzione, la tecnologia di stampa 3D ha un alto grado di flessibilità e può regolare il processo di produzione e i parametri in base alle esigenze effettive.

Industria dei semiconduttori

L'industria dei semiconduttori svolge un ruolo vitale nella scienza, nella tecnologia e nell'economia moderne, e la sua importanza si riflette in molti aspetti. I semiconduttori vengono utilizzati per costruire circuiti miniaturizzati, che consentono ai dispositivi di eseguire complessi attività di elaborazione di elaborazione dei dati. E come un importante pilastro dell'economia globale, l'industria dei semiconduttori offre un gran numero di posti di lavoro e benefici economici per molti paesi. Non solo ha promosso direttamente lo sviluppo dell'industria manifatturiera elettronica, ma ha anche portato alla crescita di industrie come lo sviluppo del software e la progettazione di hardware. Inoltre, nei campi militari e di difesa,tecnologia a semiconduttoreè fondamentale per apparecchiature chiave come i sistemi di comunicazione, i radar e la navigazione satellitare, garantendo la sicurezza nazionale e vantaggi militari.

Grafico 2 "14 ° piano quinquennale" (estratto) [3]

Pertanto, l’attuale industria dei semiconduttori è diventata un importante simbolo della competitività nazionale e tutti i paesi la stanno sviluppando attivamente. Il “14° piano quinquennale” del mio Paese propone di concentrarsi sul sostegno di vari “colli di bottiglia” chiave nell’industria dei semiconduttori, che comprendono principalmente processi avanzati, apparecchiature chiave, semiconduttori di terza generazione e altri settori.

Grafico 3 Processo di lavorazione dei chip semiconduttori [4]

Il processo di produzione dei chip semiconduttori è estremamente complesso. Come mostrato nella Figura 3, comprende principalmente i seguenti passaggi chiave:preparazione delle cialde, litografia,acquaforte, Deposizione di film sottile, impianto di ioni e test di imballaggio. Ogni processo richiede un controllo rigoroso e una misurazione precisa. I problemi in qualsiasi collegamento possono causare danni al chip o al degrado delle prestazioni. Pertanto, la produzione di semiconduttori ha requisiti molto elevati per attrezzature, processi e personale.

Sebbene la tradizionale produzione di semiconduttori abbia ottenuto un grande successo, ci sono ancora alcune limitazioni: in primo luogo, i chip a semiconduttori sono altamente integrati e miniaturizzati. Con la continuazione della legge di Moore (Figura 4), l'integrazione dei chip a semiconduttore continua ad aumentare, la dimensione dei componenti continua a ridursi e il processo di produzione deve garantire una precisione e una stabilità estremamente elevate.

Figura 4 (a) Il numero di transistor in un chip continua ad aumentare nel tempo; (b) La dimensione del chip continua a ridursi [5]

Inoltre, la complessità e il controllo dei costi del processo di produzione dei semiconduttori. Il processo di produzione dei semiconduttori è complesso e si basa su apparecchiature di precisione e ogni collegamento deve essere controllato accuratamente. I costi elevati delle attrezzature, i costi del materiale e il costo di ricerca e sviluppo rendono alto il costo di produzione dei prodotti a semiconduttore. Pertanto, è necessario continuare a esplorare e ridurre i costi garantendo al contempo il rendimento del prodotto.

Allo stesso tempo, l'industria manifatturiera dei semiconduttori deve rispondere rapidamente alla domanda del mercato. Con i rapidi cambiamenti nella domanda del mercato. Il tradizionale modello di produzione ha i problemi di lungo ciclo e scarsa flessibilità, il che rende difficile soddisfare la rapida iterazione dei prodotti del mercato. Pertanto, un metodo di produzione più efficiente e flessibile è diventato anche la direzione di sviluppo del settore dei semiconduttori.

Applicazione diStampa 3DNel settore dei semiconduttori

Nel campo dei semiconduttori, anche la tecnologia di stampa 3D ha dimostrato continuamente la sua applicazione.

Innanzitutto, la tecnologia di stampa 3D ha un alto grado di libertà nella progettazione strutturale e può ottenere modanature "integrate", il che significa che possono essere progettate strutture più sofisticate e complesse. La Figura 5 (a), il sistema 3D ottimizza la struttura interna di dissipazione del calore attraverso il design ausiliario artificiale, migliora la stabilità termica della fase del wafer, riduce il tempo di stabilizzazione termica del wafer e migliora la resa e l'efficienza della produzione di chip. Ci sono anche condotte complesse all'interno della macchina litografica. Attraverso la stampa 3D, le strutture complesse di condutture possono essere "integrate" per ridurre l'uso di tubi e ottimizzare il flusso di gas nella tubazione, riducendo così l'impatto negativo dell'interferenza meccanica e delle vibrazioni e migliorando la stabilità del processo di elaborazione del chip.

La Figura 5 il sistema 3D utilizza la stampa 3D per formare parti (a) fase del wafer della macchina litografica; (b) Pipeline del collettore [6]

In termini di selezione dei materiali, la tecnologia di stampa 3D può realizzare materiali difficili da formare con i metodi di lavorazione tradizionali. I materiali in carburo di silicio hanno elevata durezza e alto punto di fusione. I metodi di lavorazione tradizionali sono difficili da formare e hanno un ciclo produttivo lungo. La formazione di strutture complesse richiede una lavorazione assistita da stampi. Sublimation 3D ha sviluppato una stampante 3D indipendente a doppio ugello UPS-250 e ha preparato imbarcazioni in cristallo di carburo di silicio. Dopo la sinterizzazione della reazione, la densità del prodotto è di 2,95~3,02 g/cm3.

Figura 6Barchetta in cristallo al carburo di silicio[7]

Figura 7 (a) attrezzatura di co-stampa 3D; (b) la luce UV viene utilizzata per costruire strutture tridimensionali e il laser viene utilizzato per generare nanoparticelle d'argento; (c) Principio dei componenti elettronici di co-stampa 3D [8]

Il tradizionale processo di prodotto elettronico è complesso e sono necessarie diverse fasi di processo dalle materie prime ai prodotti finiti. Xiao et al. [8] Utilizzato la tecnologia di co-stampa 3D per costruire selettivamente strutture corporee o incorporare metalli conduttive su superfici a forma libera per produrre dispositivi elettronici 3D. Questa tecnologia prevede solo un materiale di stampa, che può essere utilizzato per costruire strutture polimeriche attraverso l'indurimento UV o per attivare i precursori metallici nelle resine fotosensibili attraverso la scansione laser per produrre particelle nano-metalli per formare circuiti conduttivi. Inoltre, il circuito conduttivo risultante mostra un'eccellente resistività a partire da circa 6,12µΩm. Regolando la formula del materiale e i parametri di elaborazione, la resistività può essere ulteriormente controllata tra 10-6 e 10Ωm. Si può vedere che la tecnologia di co-stampa 3D risolve la sfida della deposizione multi-materiale nella produzione tradizionale e apre un nuovo percorso per la produzione di prodotti elettronici 3D.

L'imballaggio CHIP è un collegamento chiave nella produzione di semiconduttori. La tecnologia di imballaggio tradizionale ha anche problemi come il processo complesso, il fallimento della gestione termica e lo stress causato da mancata corrispondenza dei coefficienti di espansione termica tra i materiali, che portano a un fallimento dell'imballaggio. La tecnologia di stampa 3D può semplificare il processo di produzione e ridurre i costi stampando direttamente la struttura dell'imballaggio. Feng et al. [9] Materiale di imballaggio elettronico di cambio di fase preparato e li ha combinati con la tecnologia di stampa 3D per imballarsi chip e circuiti. Il materiale di imballaggio elettronico del cambiamento di fase preparato da Feng et al. ha un alto calore latente di 145,6 J/g e ha una significativa stabilità termica a una temperatura di 130 ° C. Rispetto ai tradizionali materiali di imballaggio elettronico, il suo effetto di raffreddamento può raggiungere 13 ° C.

Figura 8 Diagramma schematico dell'utilizzo della tecnologia di stampa 3D per incapsulare accuratamente i circuiti con materiali elettronici a cambiamento di fase; (b) Il chip LED a sinistra è stato incapsulato con materiali di imballaggio elettronici a cambiamento di fase e il chip LED a destra non è stato incapsulato; (c) Immagini a infrarossi di chip LED con e senza incapsulamento; (d) Curve di temperatura con la stessa potenza e diversi materiali di imballaggio; (e) Circuito complesso senza schema di confezionamento del chip LED; (f) Diagramma schematico della dissipazione del calore dei materiali di imballaggio elettronici a cambiamento di fase [9]

Sfide della tecnologia di stampa 3D nel settore dei semiconduttori

Sebbene la tecnologia di stampa 3D abbia mostrato un grande potenziale nelIndustria dei semiconduttori. Tuttavia, ci sono ancora molte sfide.

In termini di precisione dello stampaggio, l’attuale tecnologia di stampa 3D può raggiungere una precisione di 20μm, ma è ancora difficile soddisfare gli elevati standard della produzione di semiconduttori. In termini di selezione dei materiali, sebbene la tecnologia di stampa 3D possa formare una varietà di materiali, la difficoltà di stampaggio di alcuni materiali con proprietà speciali (carburo di silicio, nitruro di silicio, ecc.) è ancora relativamente elevata. In termini di costi di produzione, la stampa 3D funziona bene nella produzione personalizzata in piccoli lotti, ma la sua velocità di produzione è relativamente lenta nella produzione su larga scala e il costo delle attrezzature è elevato, il che rende difficile soddisfare le esigenze della produzione su larga scala . Tecnicamente, sebbene la tecnologia di stampa 3D abbia raggiunto determinati risultati di sviluppo, è ancora una tecnologia emergente in alcuni campi e richiede ulteriori ricerche, sviluppo e miglioramenti per migliorarne la stabilità e l'affidabilità.