Aplicação exploratória da tecnologia de impressão 3D na indústria de semicondutores

Em uma era de rápido desenvolvimento tecnológico, a impressão 3D, como um importante representante da tecnologia avançada de fabricação, está mudando gradualmente a face da fabricação tradicional. Com a maturidade contínua da tecnologia e a redução dos custos, a tecnologia de impressão 3D mostrou amplas perspectivas de aplicação em muitos campos, como aeroespacial, fabricação de automóveis, equipamentos médicos e design arquitetônico, e promoveu a inovação e o desenvolvimento dessas indústrias.

É importante notar que o impacto potencial da tecnologia de impressão 3D no campo de alta tecnologia dos semicondutores está a tornar-se cada vez mais proeminente. Como pedra angular do desenvolvimento da tecnologia da informação, a precisão e a eficiência dos processos de fabricação de semicondutores afetam o desempenho e o custo dos produtos eletrônicos. Diante das necessidades de alta precisão, alta complexidade e rápida iteração na indústria de semicondutores, a tecnologia de impressão 3D, com suas vantagens únicas, trouxe oportunidades e desafios sem precedentes para a fabricação de semicondutores e penetrou gradualmente em todos os elos docadeia da indústria de semicondutores, indicando que a indústria de semicondutores está prestes a iniciar uma mudança profunda.

Portanto, analisar e explorar a aplicação futura da tecnologia de impressão 3D na indústria de semicondutores não apenas nos ajudará a compreender o pulso de desenvolvimento dessa tecnologia de ponta, mas também fornecerá suporte técnico e referência para a atualização da indústria de semicondutores. Este artigo analisa o mais recente progresso da tecnologia de impressão 3D e suas aplicações em potencial na indústria de semicondutores e esperam como essa tecnologia pode promover a indústria de fabricação de semicondutores.

Tecnologia de impressão 3D

A impressão 3D também é conhecida como tecnologia de fabricação aditiva. Seu princípio é construir uma entidade tridimensional empilhando a camada de materiais por camada. Esse método inovador de produção subverte o modo de processamento "subtrativo" ou "igual" da fabricação ou "material igual" e pode "integrar" produtos moldados sem assistência de molde. Existem muitos tipos de tecnologias de impressão 3D, e cada tecnologia tem suas próprias vantagens.

De acordo com o princípio de moldagem da tecnologia de impressão 3D, existem principalmente quatro tipos.

Technology A tecnologia de fotocurro é baseada no princípio da polimerização ultravioleta. Os materiais fotossensíveis líquidos são curados por luz ultravioleta e camada empilhada por camada. Atualmente, essa tecnologia pode formar cerâmica, metais e resinas com alta precisão de moldagem. Pode ser usado nos campos da indústria médica, de arte e aviação.

✔ Tecnologia de deposição fundida, através da cabeça de impressão controlada por computador para aquecer e derreter o filamento, e extrudá-lo de acordo com uma trajetória de formato específico, camada por camada, podendo formar materiais plásticos e cerâmicos.

Technology A tecnologia de escrita direta de pasta usa pasta de alta viscosidade como material de tinta, que é armazenado no barril e conectado à agulha de extrusão e instalado em uma plataforma que pode concluir o movimento tridimensional sob controle do computador. Através da pressão mecânica ou pressão pneumática, o material de tinta é empurrado para fora do bico para extrudar continuamente o substrato para se formar e, em seguida, o pós-processamento correspondente (solvente volátil, cura térmica, cura leve, sinterização etc.) é realizada De acordo com as propriedades do material para obter o componente tridimensional final. Atualmente, essa tecnologia pode ser aplicada aos campos de biocerâmica e processamento de alimentos.

✔ A tecnologia de fusão da cama de picante pode ser dividida em tecnologia de fusão seletiva a laser (SLM) e tecnologia de sinterização seletiva a laser (SLS). Ambas as tecnologias usam materiais em pó como objetos de processamento. Entre eles, a energia a laser do SLM é maior, o que pode fazer com que o pó derrete e solidifique em pouco tempo. O SLS pode ser dividido em SLS direto e SLS indiretos. A energia do SLS direta é maior e as partículas podem ser sinterizadas diretamente ou derretidas para formar a ligação entre as partículas. Portanto, o SLS direto é semelhante ao SLM. As partículas de pó passam por aquecimento e resfriamento rápido em pouco tempo, o que faz com que o bloco moldado tenha grande tensão interna, baixa densidade geral e propriedades mecânicas ruins; A energia do laser do SLS indireta é menor e o fichário no pó é derretido pelo feixe de laser e as partículas são ligadas. Após a conclusão da formação, o aglutinante interno é removido pelo degrescência térmico e, finalmente, a sinterização é realizada. A tecnologia de fusão de leitos em pó pode formar metais e cerâmicos e atualmente é usada nos campos de fabricação aeroespacial e automotiva.

Figura 1 (a) tecnologia de fotocurador; (b) tecnologia de deposição fundida; (c) tecnologia de escrita direta de pasta; (d) Tecnologia de fusão de leito de pó [1, 2]

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de impressão 3D, suas vantagens estão sendo constantemente demonstradas desde a prototipagem até os produtos finais. Primeiro, em termos da liberdade de design da estrutura do produto, a vantagem mais significativa da tecnologia de impressão 3D é que ela pode fabricar diretamente estruturas complexas de peças de trabalho. Em seguida, em termos de seleção de material do objeto de moldagem, a tecnologia de impressão 3D pode imprimir uma variedade de materiais, incluindo metais, cerâmica, materiais de polímeros, etc. Em termos do processo de fabricação, a tecnologia de impressão 3D tem um alto grau de flexibilidade e pode ajustar o processo de fabricação e os parâmetros de acordo com as necessidades reais.

Indústria de semicondutores

A indústria de semicondutores desempenha um papel vital na ciência, tecnologia e economia modernas, e a sua importância reflecte-se em muitos aspectos. Os semicondutores são usados ​​para construir circuitos miniaturizados, que permitem que os dispositivos executem tarefas complexas de computação e processamento de dados. E como um pilar importante da economia global, a indústria de semicondutores proporciona um grande número de empregos e benefícios económicos para muitos países. Não só promoveu diretamente o desenvolvimento da indústria de fabricação de eletrônicos, mas também levou ao crescimento de indústrias como o desenvolvimento de software e o design de hardware. Além disso, nos campos militar e de defesa,Tecnologia de semicondutoresé crucial para equipamentos -chave, como sistemas de comunicação, radares e navegação por satélite, garantindo a segurança nacional e as vantagens militares.

Gráfico 2 "14º plano de cinco anos" (trecho) [3]

Portanto, a atual indústria de semicondutores se tornou um símbolo importante da competitividade nacional, e todos os países o estão desenvolvendo ativamente. O "14º plano de cinco anos" do meu país propõe se concentrar em apoiar vários links importantes de "gargalo" na indústria de semicondutores, incluindo processos avançados, equipamentos-chave, semicondutores de terceira geração e outros campos.

Gráfico 3 Processo de processamento de chips semicondutores [4]

O processo de fabricação de chips semicondutores é extremamente complexo. Conforme mostrado na Figura 3, inclui principalmente as seguintes etapas principais:Preparação de wafer, litografia,gravura, deposição de filmes finos, implantação de íons e testes de embalagens. Cada processo requer controle rigoroso e medição precisa. Problemas em qualquer link podem causar danos ao chip ou degradação de desempenho. Portanto, a fabricação de semicondutores exige requisitos muito elevados de equipamentos, processos e pessoal.

Embora a fabricação tradicional de semicondutores tenha alcançado grande sucesso, ainda existem algumas limitações: primeiro, os chips semicondutores são altamente integrados e miniaturizados. Com a continuação da lei de Moore (Figura 4), a integração de chips semicondutores continua a aumentar, o tamanho dos componentes continua a encolher e o processo de fabricação precisa garantir uma precisão e estabilidade extremamente alta.

Figura 4 (a) O número de transistores em um chip continua a aumentar com o tempo; (b) O tamanho do chip continua diminuindo [5]

Além disso, a complexidade e o controle de custos do processo de fabricação de semicondutores. O processo de fabricação de semicondutores é complexo e depende de equipamentos de precisão, e cada link precisa ser controlado com precisão. O alto custo do equipamento, o custo do material e o custo de P&D tornam alto o custo de fabricação de produtos semicondutores. Portanto, é necessário continuar explorando e reduzindo custos garantindo ao mesmo tempo o rendimento do produto.

Ao mesmo tempo, a indústria de fabricação de semicondutores precisa responder rapidamente à demanda do mercado. Com as rápidas mudanças na demanda do mercado. O modelo de fabricação tradicional tem os problemas de ciclo longo e baixa flexibilidade, o que dificulta o atendimento da rápida iteração de produtos do mercado. Portanto, um método de fabricação mais eficiente e flexível também se tornou a direção de desenvolvimento da indústria de semicondutores.

Aplicação deImpressão 3Dna indústria de semicondutores

No campo semicondutor, a tecnologia de impressão 3D também demonstrou continuamente sua aplicação.

Primeiro, a tecnologia de impressão 3D tem um alto grau de liberdade no projeto estrutural e pode obter molduras "integradas", o que significa que estruturas mais sofisticadas e complexas podem ser projetadas. Figura 5 (a), o sistema 3D otimiza a estrutura interna de dissipação de calor através do projeto auxiliar artificial, melhora a estabilidade térmica do estágio de wafer, reduz o tempo de estabilização térmica da bolacha e melhora o rendimento e a eficiência da produção de ChIP. Também existem pipelines complexos dentro da máquina de litografia. Através da impressão 3D, as estruturas complexas de pipeline podem ser "integradas" para reduzir o uso de mangueiras e otimizar o fluxo de gás na tubulação, reduzindo assim o impacto negativo da interferência e vibração mecânica e melhorando a estabilidade do processo de processamento de chip.

Figura 5 O sistema 3D usa impressão 3D para formar peças (a) estágio de wafer da máquina de litografia; (b) tubulação múltipla [6]

Em termos de seleção de materiais, a tecnologia de impressão 3D pode realizar materiais difíceis de formar pelos métodos tradicionais de processamento. Os materiais de carboneto de silício têm alta dureza e alto ponto de fusão. Os métodos tradicionais de processamento são difíceis de formar e têm um longo ciclo de produção. A formação de estruturas complexas requer processamento assistido por mofo. A Sublimation 3D desenvolveu uma impressora 3D de dupla nuvem independente UPS-250 e preparou barcos de cristal de carboneto de silício. Após a sinterização da reação, a densidade do produto é de 2,95 ~ 3,02g/cm3.

Figura 6Barco de cristal de carboneto de silício[7]

Figura 7 (a) Equipamento de coimpressão 3D; (b) a luz UV é usada para construir estruturas tridimensionais e o laser é usado para gerar nanopartículas de prata; (c) Princípio da co-impressão de componentes eletrônicos em 3D[8]

O processo tradicional de produto eletrônico é complexo e várias etapas de processo são necessárias, desde matérias -primas até produtos acabados. Xiao et al. [8] Utilizou a tecnologia de co-impressão 3D para construir seletivamente estruturas corporais ou incorporar metais condutores em superfícies de forma livre para fabricar dispositivos eletrônicos 3D. Essa tecnologia envolve apenas um material de impressão, que pode ser usado para construir estruturas de polímeros através da cura UV ou para ativar precursores de metal em resinas fotossensíveis através da varredura a laser para produzir partículas nano-metal para formar circuitos condutores. Além disso, o circuito condutor resultante exibe uma excelente resistividade tão baixa quanto cerca de 6,12µΩm. Ajustando a fórmula do material e os parâmetros de processamento, a resistividade pode ser controlada ainda mais entre 10-6 e 10Ωm. Pode-se observar que a tecnologia de co-impressão 3D resolve o desafio da deposição multimaterial na fabricação tradicional e abre um novo caminho para a fabricação de produtos eletrônicos em 3D.

A embalagem de chips é um elo fundamental na fabricação de semicondutores. A tecnologia de embalagem tradicional também apresenta problemas como processos complexos, falha no gerenciamento térmico e estresse causado pela incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica entre os materiais, o que leva à falha da embalagem. A tecnologia de impressão 3D pode simplificar o processo de fabricação e reduzir custos ao imprimir diretamente a estrutura da embalagem. Feng et al. [9] prepararam materiais de embalagem eletrônica com mudança de fase e os combinaram com tecnologia de impressão 3D para embalar chips e circuitos. O material de embalagem eletrônica de mudança de fase preparado por Feng et al. tem um alto calor latente de 145,6 J/g e tem estabilidade térmica significativa a uma temperatura de 130°C. Comparado com materiais de embalagem eletrônica tradicionais, seu efeito de resfriamento pode chegar a 13°C.

Figura 8 Diagrama esquemático do uso da tecnologia de impressão 3D para encapsular com precisão circuitos com materiais eletrônicos de mudança de fase; (b) O chip LED à esquerda foi encapsulado com materiais de embalagem eletrônica de mudança de fase, e o chip LED à direita não foi encapsulado; (c) Imagens infravermelhas de chips LED com e sem encapsulamento; (d) Curvas de temperatura sob a mesma potência e diferentes materiais de embalagem; (e) Circuito complexo sem diagrama de embalagem de chip de LED; (f) Diagrama esquemático de dissipação de calor de materiais de embalagem eletrônica de mudança de fase [9]

Desafios da tecnologia de impressão 3D na indústria de semicondutores

Embora a tecnologia de impressão 3D tenha mostrado grande potencial noindústria de semicondutores. No entanto, ainda existem muitos desafios.

Em termos de precisão de moldagem, a atual tecnologia de impressão 3D pode obter uma precisão de 20μm, mas ainda é difícil atender aos altos padrões de fabricação de semicondutores. Em termos de seleção de material, embora a tecnologia de impressão 3D possa formar uma variedade de materiais, a dificuldade de moldagem de alguns materiais com propriedades especiais (carboneto de silício, nitreto de silício etc.) ainda é relativamente alto. Em termos de custo de produção, a impressão 3D tem um bom desempenho na produção personalizada de pequenos lotes, mas sua velocidade de produção é relativamente lenta na produção em larga escala, e o custo do equipamento é alto, o que dificulta o atendimento às necessidades da produção em larga escala . Tecnicamente, embora a tecnologia de impressão 3D tenha alcançado certos resultados de desenvolvimento, ainda é uma tecnologia emergente em alguns campos e requer mais pesquisas, desenvolvimento e melhoria para melhorar sua estabilidade e confiabilidade.