Verkennende toepassing van 3D-printtechnologie in de halfgeleiderindustrie

In een tijdperk van snelle technologische ontwikkeling verandert 3D-printen, als belangrijke vertegenwoordiger van geavanceerde productietechnologie, geleidelijk het gezicht van de traditionele productie. Met de voortdurende volwassenheid van de technologie en de verlaging van de kosten heeft de 3D-printtechnologie brede toepassingsmogelijkheden opgeleverd op veel gebieden, zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, medische apparatuur en architectonisch ontwerp, en heeft de innovatie en ontwikkeling van deze industrieën bevorderd.

Het is vermeldenswaard dat de potentiële impact van 3D-printtechnologie op het hightechgebied van halfgeleiders steeds prominenter wordt. Als hoeksteen van de ontwikkeling van de informatietechnologie beïnvloeden de precisie en efficiëntie van halfgeleiderproductieprocessen de prestaties en kosten van elektronische producten. Geconfronteerd met de behoeften van hoge precisie, hoge complexiteit en snelle iteratie in de halfgeleiderindustrie, heeft de 3D-printtechnologie, met zijn unieke voordelen, ongekende kansen en uitdagingen gebracht voor de productie van halfgeleiders, en is geleidelijk doorgedrongen tot alle schakels van de industrie.keten van de halfgeleiderindustrieDit geeft aan dat de halfgeleiderindustrie op het punt staat een diepgaande verandering in te luiden.

Daarom zal het analyseren en verkennen van de toekomstige toepassing van 3D-printtechnologie in de halfgeleiderindustrie ons niet alleen helpen de ontwikkelingspuls van deze geavanceerde technologie te begrijpen, maar ook technische ondersteuning en referentie bieden voor de modernisering van de halfgeleiderindustrie. Dit artikel analyseert de nieuwste vooruitgang van de 3D-printtechnologie en de potentiële toepassingen ervan in de halfgeleiderindustrie, en kijkt uit naar hoe deze technologie de halfgeleiderindustrie kan bevorderen.

3D-printtechnologie

3D-printen wordt ook wel additive manufacturing-technologie genoemd. Het principe ervan is om een ​​driedimensionale entiteit te bouwen door materialen laag voor laag te stapelen. Deze innovatieve productiemethode ondermijnt de traditionele "subtractieve" of "gelijk materiaal"-verwerkingsmodus en kan gegoten producten "integreren" zonder hulp van de matrijs. Er zijn veel soorten 3D-printtechnologieën en elke technologie heeft zijn eigen voordelen.

Volgens het vormprincipe van de 3D-printtechnologie zijn er hoofdzakelijk vier soorten.

✔ Fotohardingstechnologie is gebaseerd op het principe van ultraviolette polymerisatie. Vloeibare lichtgevoelige materialen worden uitgehard door ultraviolet licht en laag voor laag gestapeld. Momenteel kan deze technologie keramiek, metalen en harsen vormen met een hoge vormprecisie. Het kan worden gebruikt op het gebied van de medische, kunst- en luchtvaartindustrie.

✔ Fused deposition-technologie, via de computergestuurde printkop, om het filament te verwarmen en te smelten, en het volgens een specifiek vormtraject laag voor laag te extruderen, en kan plastic en keramische materialen vormen.

✔ De directe schrijftechnologie voor slurry maakt gebruik van slurry met een hoge viscositeit als inktmateriaal, dat in het vat wordt opgeslagen en met de extrusienaald wordt verbonden, en op een platform wordt geïnstalleerd dat de driedimensionale beweging onder computerbesturing kan voltooien. Door mechanische druk of pneumatische druk wordt het inktmateriaal uit de spuitmond geduwd om continu op het substraat te extruderen om zich te vormen, en vervolgens wordt de bijbehorende nabewerking (vluchtig oplosmiddel, thermische uitharding, lichtuitharding, sinteren, enz.) uitgevoerd. volgens de materiaaleigenschappen om de uiteindelijke driedimensionale component te verkrijgen. Momenteel kan deze technologie worden toegepast op het gebied van biokeramiek en voedselverwerking.

✔Poederbedfusietechnologie kan worden onderverdeeld in laserselectieve smelttechnologie (SLM) en laserselectieve sintertechnologie (SLS). Beide technologieën gebruiken poedermaterialen als verwerkingsobjecten. Onder hen is de laserenergie van SLM hoger, waardoor het poeder in korte tijd kan smelten en stollen. SLS kan worden onderverdeeld in directe SLS en indirecte SLS. De energie van directe SLS is hoger en de deeltjes kunnen direct worden gesinterd of gesmolten om binding tussen deeltjes te vormen. Daarom is directe SLS vergelijkbaar met SLM. De poederdeeltjes ondergaan in korte tijd een snelle verwarming en afkoeling, waardoor het gegoten blok grote interne spanningen, een lage totale dichtheid en slechte mechanische eigenschappen heeft; de laserenergie van indirecte SLS is lager en het bindmiddel in het poeder wordt gesmolten door de laserstraal en de deeltjes worden gebonden. Nadat het vormen is voltooid, wordt het interne bindmiddel verwijderd door thermisch ontvetten en tenslotte wordt het sinteren uitgevoerd. Poederbedfusietechnologie kan metalen en keramiek vormen en wordt momenteel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie.

Figuur 1 (a) Fotohardingstechnologie; (b) technologie voor gesmolten depositie; (c) Slurry-technologie voor direct schrijven; (d) Poederbedfusietechnologie [1, 2]

Met de voortdurende ontwikkeling van de 3D-printtechnologie worden de voordelen ervan voortdurend aangetoond, van prototyping tot eindproducten. Ten eerste is het belangrijkste voordeel van de 3D-printtechnologie, in termen van de vrijheid van het ontwerp van de productstructuur, dat deze rechtstreeks complexe structuren van werkstukken kan vervaardigen. Vervolgens kan de 3D-printtechnologie, wat betreft de materiaalkeuze van het vormobject, een verscheidenheid aan materialen printen, waaronder metalen, keramiek, polymeermaterialen, enz. Wat het productieproces betreft, heeft de 3D-printtechnologie een hoge mate van flexibiliteit en kan het productieproces en de parameters aanpassen aan de werkelijke behoeften.

Halfgeleiderindustrie

De halfgeleiderindustrie speelt een cruciale rol in de moderne wetenschap, technologie en economie, en het belang ervan komt in veel aspecten tot uiting. Halfgeleiders worden gebruikt om geminiaturiseerde circuits te bouwen, waardoor apparaten complexe computer- en gegevensverwerkingstaken kunnen uitvoeren. En als belangrijke pijler van de wereldeconomie zorgt de halfgeleiderindustrie voor veel landen voor een groot aantal banen en economische voordelen. Het bevorderde niet alleen direct de ontwikkeling van de elektronica-industrie, maar leidde ook tot de groei van industrieën zoals softwareontwikkeling en hardwareontwerp. Bovendien is er op militair en defensiegebiedhalfgeleider technologieis van cruciaal belang voor belangrijke apparatuur zoals communicatiesystemen, radars en satellietnavigatie, waardoor de nationale veiligheid en militaire voordelen worden gewaarborgd.

Grafiek 2 "14e vijfjarenplan" (uittreksel) [3]

Daarom is de huidige halfgeleiderindustrie een belangrijk symbool geworden van het nationale concurrentievermogen, en alle landen ontwikkelen deze actief. Het "14e Vijfjarenplan" van mijn land stelt voor om zich te concentreren op het ondersteunen van verschillende belangrijke "knelpunten" in de halfgeleiderindustrie, waaronder vooral geavanceerde processen, sleutelapparatuur, halfgeleiders van de derde generatie en andere gebieden.

Grafiek 3 Verwerkingsproces van halfgeleiderchips [4]

Het productieproces van halfgeleiderchips is uiterst complex. Zoals weergegeven in figuur 3 omvat het hoofdzakelijk de volgende belangrijke stappen:wafel voorbereiding, lithografie,etsen, dunne-filmdepositie, ionenimplantatie en verpakkingstests. Elk proces vereist strikte controle en nauwkeurige metingen. Problemen in welke link dan ook kunnen schade aan de chip of prestatievermindering veroorzaken. Daarom stelt de productie van halfgeleiders zeer hoge eisen aan apparatuur, processen en personeel.

Hoewel de traditionele productie van halfgeleiders grote successen heeft geboekt, zijn er nog steeds enkele beperkingen: ten eerste zijn halfgeleiderchips sterk geïntegreerd en geminiaturiseerd. Met de voortzetting van de wet van Moore (figuur 4) blijft de integratie van halfgeleiderchips toenemen, blijft de omvang van de componenten krimpen en moet het productieproces een extreem hoge precisie en stabiliteit garanderen.

Figuur 4 (a) Het aantal transistors in een chip blijft in de loop van de tijd toenemen; (b) De chipgrootte blijft krimpen [5]

Daarnaast de complexiteit en kostenbeheersing van het halfgeleiderproductieproces. Het productieproces van halfgeleiders is complex en afhankelijk van precisieapparatuur, en elke schakel moet nauwkeurig worden gecontroleerd. De hoge apparatuurkosten, materiaalkosten en R&D-kosten maken de productiekosten van halfgeleiderproducten hoog. Daarom is het noodzakelijk om door te gaan met het verkennen en verlagen van de kosten en tegelijkertijd de productopbrengst te garanderen.

Tegelijkertijd moet de halfgeleiderindustrie snel reageren op de marktvraag. Met de snelle veranderingen in de marktvraag. Het traditionele productiemodel kent de problemen van lange cycli en slechte flexibiliteit, wat het moeilijk maakt om te voldoen aan de snelle iteratie van producten op de markt. Daarom is een efficiëntere en flexibelere productiemethode ook de ontwikkelingsrichting van de halfgeleiderindustrie geworden.

Toepassing van3d printenin de halfgeleiderindustrie

Ook op het gebied van de halfgeleiders heeft de 3D-printtechnologie voortdurend haar toepassing bewezen.

Ten eerste kent de 3D-printtechnologie een hoge mate van vrijheid bij het constructief ontwerpen en kan 'geïntegreerd' gieten worden bereikt, wat betekent dat er meer geavanceerde en complexe structuren kunnen worden ontworpen. Figuur 5 (a), 3D-systeem optimaliseert de interne warmtedissipatiestructuur door middel van kunstmatig hulpontwerp, verbetert de thermische stabiliteit van de waferfase, vermindert de thermische stabilisatietijd van de wafer en verbetert de opbrengst en efficiëntie van de chipproductie. Er zijn ook complexe pijpleidingen in de lithografiemachine. Door middel van 3D-printen kunnen complexe pijpleidingstructuren worden "geïntegreerd" om het gebruik van slangen te verminderen en de gasstroom in de pijpleiding te optimaliseren, waardoor de negatieve impact van mechanische interferentie en trillingen wordt verminderd en de stabiliteit van het chipverwerkingsproces wordt verbeterd.

Figuur 5 3D-systeem maakt gebruik van 3D-printen om onderdelen te vormen (a) waferplatform van lithografiemachine; (b) spruitstukpijpleiding [6]

Wat de materiaalkeuze betreft, kan de 3D-printtechnologie materialen realiseren die moeilijk te vormen zijn met traditionele verwerkingsmethoden. Siliciumcarbidematerialen hebben een hoge hardheid en een hoog smeltpunt. Traditionele verwerkingsmethoden zijn moeilijk te vormen en hebben een lange productiecyclus. De vorming van complexe structuren vereist verwerking met behulp van schimmels. Sublimation 3D heeft een onafhankelijke 3D-printer met dubbele spuitmonden UPS-250 ontwikkeld en siliciumcarbide-kristalboten gemaakt. Na het reactiesinteren bedraagt ​​de productdichtheid 2,95~3,02 g/cm3.

Figuur 6Siliciumcarbide kristallen boot[7]

Figuur 7 (a) 3D co-printapparatuur; (b) UV-licht wordt gebruikt om driedimensionale structuren te construeren, en laser wordt gebruikt om zilveren nanodeeltjes te genereren; (c) Principe van het 3D-coprinten van elektronische componenten[8]

Het traditionele elektronische productproces is complex en er zijn meerdere processtappen nodig, van grondstoffen tot eindproducten. Xiao et al.[8] gebruikte 3D-co-printtechnologie om selectief lichaamsstructuren te construeren of geleidende metalen in vrije vormoppervlakken in te bedden om 3D-elektronische apparaten te vervaardigen. Deze technologie omvat slechts één printmateriaal, dat kan worden gebruikt om polymeerstructuren te bouwen door middel van UV-uitharding, of om metaalvoorlopers in lichtgevoelige harsen te activeren door middel van laserscanning om nanometaaldeeltjes te produceren om geleidende circuits te vormen. Bovendien vertoont het resulterende geleidende circuit een uitstekende soortelijke weerstand van slechts ongeveer 6,12 µΩm. Door de materiaalformule en verwerkingsparameters aan te passen, kan de soortelijke weerstand verder worden geregeld tussen 10-6 en 10Ωm. Het is duidelijk dat 3D-co-printtechnologie de uitdaging van de afzetting van meerdere materialen bij traditionele productie oplost en een nieuwe weg opent voor de productie van 3D-elektronische producten.

Chipverpakking is een belangrijke schakel in de productie van halfgeleiders. Traditionele verpakkingstechnologie heeft ook problemen zoals complexe processen, falend thermisch beheer en stress veroorzaakt door een verkeerde afstemming van thermische uitzettingscoëfficiënten tussen materialen, wat leidt tot falen van de verpakking. 3D-printtechnologie kan het productieproces vereenvoudigen en de kosten verlagen door de verpakkingsstructuur rechtstreeks te printen. Feng et al. [9] bereidde elektronische verpakkingsmaterialen met faseverandering voor en combineerde deze met 3D-printtechnologie om chips en circuits te verpakken. Het elektronische verpakkingsmateriaal met faseverandering, opgesteld door Feng et al. heeft een hoge latente warmte van 145,6 J/g en heeft een aanzienlijke thermische stabiliteit bij een temperatuur van 130°C. Vergeleken met traditionele elektronische verpakkingsmaterialen kan het koeleffect 13°C bereiken.

Figuur 8 Schematisch diagram van het gebruik van 3D-printtechnologie om circuits nauwkeurig in te kapselen met elektronische materialen met faseverandering; (b) De LED-chip aan de linkerkant is ingekapseld met elektronische verpakkingsmaterialen met faseverandering, en de LED-chip aan de rechterkant is niet ingekapseld; (c) Infraroodbeelden van LED-chips met en zonder inkapseling; (d) Temperatuurcurven bij hetzelfde vermogen en verschillende verpakkingsmaterialen; (e) Complex circuit zonder LED-chipverpakkingsdiagram; (f) Schematisch diagram van de warmteafvoer van elektronische verpakkingsmaterialen met faseverandering [9]

Uitdagingen van 3D-printtechnologie in de halfgeleiderindustrie

Hoewel de 3D-printtechnologie een groot potentieel heeft getoond in dehalfgeleiderindustrie. Er zijn echter nog veel uitdagingen.

In termen van nauwkeurigheid bij het vormen kan de huidige 3D-printtechnologie een nauwkeurigheid van 20 μm bereiken, maar het is nog steeds moeilijk om aan de hoge normen van de halfgeleiderproductie te voldoen. Wat de materiaalkeuze betreft, hoewel de 3D-printtechnologie een verscheidenheid aan materialen kan vormen, zijn de vormproblemen van sommige materialen met speciale eigenschappen (siliciumcarbide, siliciumnitride, enz.) nog steeds relatief hoog. In termen van productiekosten presteert 3D-printen goed bij productie op maat in kleine batches, maar de productiesnelheid is relatief traag bij productie op grote schaal en de apparatuurkosten zijn hoog, wat het moeilijk maakt om aan de behoeften van grootschalige productie te voldoen. . Hoewel de 3D-printtechnologie bepaalde ontwikkelingsresultaten heeft behaald, is het technisch gezien op sommige gebieden nog steeds een opkomende technologie en vereist verder onderzoek, ontwikkeling en verbetering om de stabiliteit en betrouwbaarheid ervan te verbeteren.