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

Numa era de rápido desenvolvimento tecnológico, a impressão 3D, como importante representante da tecnologia de produção avançada, está gradualmente a mudar a face da produção tradicional. Com a maturidade contínua da tecnologia e a redução de 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.

Vale a pena 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 futura aplicação da tecnologia de impressão 3D na indústria de semicondutores não só nos ajudará a compreender o pulso de desenvolvimento desta tecnologia de ponta, mas também fornecerá suporte técnico e referência para a atualização da indústria de semicondutores. Este artigo analisa os mais recentes progressos da tecnologia de impressão 3D e suas aplicações potenciais na indústria de semicondutores, e analisa 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 materiais camada por camada. Este método de produção inovador subverte o modo de processamento tradicional de fabricação "subtrativo" 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.

✔ A tecnologia de fotocura baseia-se no princípio da polimerização ultravioleta. Os materiais fotossensíveis líquidos são curados por luz ultravioleta e empilhados camada por camada. Atualmente, esta tecnologia pode formar cerâmicas, metais e resinas com alta precisão de moldagem. Ele pode ser usado nas áreas da indústria médica, artística e de 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.

✔ A tecnologia de escrita direta de pasta usa pasta de alta viscosidade como material de tinta, que é armazenada no cilindro e conectada à agulha de extrusão e instalada em uma plataforma que pode completar o movimento tridimensional sob controle do computador. Através de pressão mecânica ou pressão pneumática, o material da tinta é empurrado para fora do bico para extrusão contínua no substrato para formar, e então o pós-processamento correspondente (solvente volátil, cura térmica, fotopolimerização, sinterização, etc.) é realizado de acordo com as propriedades do material para obter o componente tridimensional final. Atualmente, esta tecnologia pode ser aplicada nas áreas de biocerâmica e processamento de alimentos.

✔A tecnologia de fusão em leito de pó pode ser dividida em tecnologia de fusão seletiva a laser (SLM) e tecnologia de sinterização seletiva a laser (SLS). Ambas as tecnologias utilizam materiais em pó como objetos de processamento. Dentre eles, a energia do laser do SLM é maior, o que pode fazer o pó derreter e solidificar em pouco tempo. O SLS pode ser dividido em SLS direto e SLS indireto. A energia do SLS direto é maior e as partículas podem ser sinterizadas ou derretidas diretamente para formar ligações entre as partículas. Portanto, o SLS direto é semelhante ao SLM. As partículas de pó sofrem rápido aquecimento e resfriamento 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 indireto é menor, e o aglutinante no pó é derretido pelo feixe de laser e as partículas são ligadas. Após a conclusão da conformação, o ligante interno é removido por desengorduramento térmico e, finalmente, é realizada a sinterização. A tecnologia de fusão em leito de pó pode formar metais e cerâmicas e é atualmente usada nas áreas de fabricação aeroespacial e automotiva.

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

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de impressão 3D, as suas vantagens são constantemente demonstradas desde a prototipagem até aos produtos finais. Primeiro, em termos de 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 da seleção do material do objeto de moldagem, a tecnologia de impressão 3D pode imprimir uma variedade de materiais, incluindo metais, cerâmicas, materiais poliméricos, 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 essenciais, como sistemas de comunicação, radares e navegação por satélite, garantindo a segurança nacional e vantagens militares.

Quadro 2 "14º Plano Quinquenal" (trecho) [3]

Portanto, a actual indústria de semicondutores tornou-se um símbolo importante da competitividade nacional, e todos os países estão a desenvolvê-la activamente. o "14º Plano Quinquenal" do meu país propõe concentrar-se no apoio a vários elos importantes de "gargalos" na indústria de semicondutores, incluindo principalmente processos avançados, equipamentos essenciais, semicondutores de terceira geração e outros campos.

Quadro 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 diminuir e o processo de fabricação precisa garantir precisão e estabilidade extremamente altas.

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 fabrico de semicondutores precisa de responder rapidamente à procura do mercado. Com as rápidas mudanças na demanda do mercado. O modelo de fabricação tradicional apresenta problemas de ciclo longo e pouca flexibilidade, o que torna difícil atender à 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 deimpressao 3Dna indústria de semicondutores

No campo dos semicondutores, a tecnologia de impressão 3D também tem demonstrado continuamente a sua aplicação.

Primeiro, a tecnologia de impressão 3D tem um alto grau de liberdade no projeto estrutural e pode alcançar moldagem "integrada", 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 por meio de design auxiliar artificial, melhora a estabilidade térmica do estágio do wafer, reduz o tempo de estabilização térmica do wafer e melhora o rendimento e a eficiência da produção de chips. Existem também tubulações complexas dentro da máquina de litografia. Através da impressão 3D, estruturas complexas de tubulações podem ser "integradas" para reduzir o uso de mangueiras e otimizar o fluxo de gás na tubulação, reduzindo assim o impacto negativo de interferência mecânica e vibração e melhorando a estabilidade do processo de processamento de chips.

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 produzir materiais que são difíceis de formar pelos métodos de processamento tradicionais. Os materiais de carboneto de silício possuem alta dureza e alto ponto de fusão. Os métodos de processamento tradicionais são difíceis de formar e têm um longo ciclo de produção. A formação de estruturas complexas requer processamento assistido por molde. A Sublimation 3D desenvolveu uma impressora 3D independente de bico duplo UPS-250 e preparou barcos de cristal de carboneto de silício. Após a sinterização por 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 produtos eletrônicos é complexo e são necessárias várias etapas do processo, desde as matérias-primas até os produtos acabados. Xiao et al.[8] usou tecnologia de co-impressão 3D para construir seletivamente estruturas corporais ou incorporar metais condutores em superfícies de forma livre para fabricar dispositivos eletrônicos 3D. Esta tecnologia envolve apenas um material de impressão, que pode ser usado para construir estruturas poliméricas através da cura UV, ou para ativar precursores metálicos em resinas fotossensíveis através de varredura a laser para produzir partículas nanometálicas para formar circuitos condutores. Além disso, o circuito condutor resultante exibe uma excelente resistividade tão baixa quanto cerca de 6,12 µΩm. Ao ajustar 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 de múltiplos materiais na fabricação tradicional e abre um novo caminho para a fabricação de produtos eletrônicos 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 atingir uma precisão de 20μm, mas ainda é difícil atender aos altos padrões de fabricação de semicondutores. Em termos de seleção de materiais, 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 alta. Em termos de custo de produção, a impressão 3D tem um bom desempenho na produção personalizada em pequenos lotes, mas sua velocidade de produção é relativamente lenta na produção em grande escala e o custo do equipamento é alto, o que torna difícil atender às necessidades de produção em grande 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 investigação, desenvolvimento e melhoria para melhorar a sua estabilidade e fiabilidade.