Aplicación exploratoria de tecnología de impresión 3D en la industria de semiconductores

En una era de desarrollo tecnológico rápido, la impresión 3D, como un representante importante de la tecnología de fabricación avanzada, está cambiando gradualmente la cara de la fabricación tradicional. Con el vencimiento continuo de la tecnología y la reducción de los costos, la tecnología de impresión 3D ha mostrado amplias perspectivas de aplicaciones en muchos campos, como aeroespacial, fabricación de automóviles, equipos médicos y diseño arquitectónico, y ha promovido la innovación y el desarrollo de estas industrias.

Vale la pena señalar que el impacto potencial de la tecnología de impresión 3D en el campo de alta tecnología de los semiconductores se está volviendo cada vez más prominente. Como la piedra angular del desarrollo de la tecnología de la información, la precisión y eficiencia de los procesos de fabricación de semiconductores afectan el rendimiento y el costo de los productos electrónicos. Ante las necesidades de alta precisión, alta complejidad e iteración rápida en la industria de semiconductores, la tecnología de impresión 3D, con sus ventajas únicas, ha traído oportunidades y desafíos sin precedentes a la fabricación de semiconductores, y ha penetrado gradualmente en todos los vínculos de los vínculos de los vínculos de los vínculos de los vínculos de los vínculos.cadena de la industria de semiconductores, lo que indica que la industria de los semiconductores está a punto de marcar el comienzo de un cambio profundo.

Por lo tanto, analizar y explorar la aplicación futura de la tecnología de impresión 3D en la industria de los semiconductores no solo nos ayudará a comprender el pulso de desarrollo de esta tecnología de punta, sino que también proporcionará soporte técnico y referencia para la actualización de la industria de los semiconductores. Este artículo analiza el último progreso de la tecnología de impresión 3D y sus posibles aplicaciones en la industria de semiconductores, y espera cómo esta tecnología puede promover la industria de fabricación de semiconductores.

Tecnología de impresión 3D

La impresión 3D también se conoce como tecnología de fabricación aditiva. Su principio es construir una entidad tridimensional apilando la capa de materiales por capa. Este innovador método de producción subvierte el modo de procesamiento "sustractivo" o "igual de material" de fabricación tradicional, y puede "integrar" productos moldeados sin asistencia de moho. Hay muchos tipos de tecnologías de impresión 3D, y cada tecnología tiene sus propias ventajas.

Según el principio de moldeo de la tecnología de impresión 3D, hay principalmente cuatro tipos.

✔ La tecnología de fotocuración se basa en el principio de polimerización ultravioleta. Los materiales fotosensibles líquidos se curan por luz ultravioleta y capa apilada por capa. En la actualidad, esta tecnología puede formar cerámica, metales y resinas con alta precisión de moldeo. Se puede usar en los campos de la industria médica, de arte y aviación.

✔ Tecnología de deposición fusionada, a través de la cabeza de impresión impulsada por la computadora para calentar y derretir el filamento, y extruirla de acuerdo con una trayectoria de forma específica, capa por capa y puede formar materiales de plástico y cerámica.

✔ Slurry Direct Writing Technology utiliza la suspensión de alta viscosidad como material de tinta, que se almacena en el barril y se conecta a la aguja de extrusión, y se instala en una plataforma que puede completar el movimiento tridimensional bajo el control de la computadora. A través de la presión mecánica o la presión neumática, el material de tinta se empuja fuera de la boquilla para extruir continuamente sobre el sustrato para formarse, y luego se lleva a cabo el postprocesamiento correspondiente (disolvente volátil, curado térmico, curado de luz, sinterización, etc.) Según las propiedades del material para obtener el componente tridimensional final. En la actualidad, esta tecnología se puede aplicar a los campos de biocerámica y procesamiento de alimentos.

✔ La tecnología de fusión del lecho de la potencia se puede dividir en la tecnología de fusión selectiva láser (SLM) y la tecnología de sinterización selectiva (SLS) láser. Ambas tecnologías usan materiales en polvo como objetos de procesamiento. Entre ellos, la energía láser de SLM es mayor, lo que puede hacer que el polvo se derrita y se solidifique en poco tiempo. Los SL se pueden dividir en SLS directos e SL indirectos. La energía de SLS directo es mayor, y las partículas pueden ser directamente sinterizadas o derretidas para formar unión entre partículas. Por lo tanto, SLS directo es similar a SLM. Las partículas de polvo sufren calentamiento y enfriamiento rápido en poco tiempo, lo que hace que el bloque moldeado tenga una gran tensión interna, baja densidad general y propiedades mecánicas deficientes; La energía láser de los SL indirectos es menor, y el aglutinante en el polvo se derrite por el haz láser y las partículas están unidas. Después de completar la formación, el aglutinante interno se elimina por desengrasado térmico y finalmente se realiza la sinterización. La tecnología de fusión de lecho de polvo puede formar metales y cerámica y actualmente se utiliza en los campos de fabricación aeroespaciales y automotrices.

Figura 1 (a) Tecnología de fotocurado; b) tecnología de deposición fundida; (c) tecnología de escritura directa en suspensión; (d) Tecnología de fusión de lecho de polvo [1, 2]

Con el continuo desarrollo de la tecnología de impresión 3D, sus ventajas se demuestran constantemente desde la creación de prototipos hasta los productos finales. En primer lugar, en términos de libertad de diseño de la estructura del producto, la ventaja más significativa de la tecnología de impresión 3D es que puede fabricar directamente estructuras complejas de piezas de trabajo. A continuación, en términos de la selección del material del objeto moldeado, la tecnología de impresión 3D puede imprimir una variedad de materiales, incluidos metales, cerámicas, materiales poliméricos, etc. En términos del proceso de fabricación, la tecnología de impresión 3D tiene un alto grado de flexibilidad y Puede ajustar el proceso de fabricación y los parámetros de acuerdo con las necesidades reales.

Industria de semiconductores

La industria de los semiconductores juega un papel vital en la ciencia y la economía moderna y su importancia se refleja en muchos aspectos. Los semiconductores se utilizan para construir circuitos miniaturizados, lo que permite que los dispositivos realicen tareas complejas de informática y procesamiento de datos. Y como un pilar importante de la economía global, la industria de los semiconductores proporciona una gran cantidad de empleos y beneficios económicos para muchos países. No solo promovió directamente el desarrollo de la industria de fabricación electrónica, sino que también condujo al crecimiento de industrias como el desarrollo de software y el diseño de hardware. Además, en los campos militares y de defensa,Tecnología de semiconductoresEs crucial para equipos clave como sistemas de comunicación, radares y navegación por satélite, lo que garantiza la seguridad nacional y las ventajas militares.

Cuadro 2 "Decimocuarto Plan Quinquenal" (extracto) [3]

Por lo tanto, la actual industria de semiconductores se ha convertido en un símbolo importante de la competitividad nacional, y todos los países la están desarrollando activamente. El "14 ° plan quinquenal" de mi país propone centrarse en apoyar varios enlaces clave de "cuello de botella" en la industria de semiconductores, principalmente incluyendo procesos avanzados, equipos clave, semiconductores de tercera generación y otros campos.

Gráfico 3 Proceso de procesamiento de chips semiconductores [4]

El proceso de fabricación de chips semiconductores es extremadamente complejo. Como se muestra en la Figura 3, incluye principalmente los siguientes pasos clave:preparación de obleas, litografía,aguafuerte, deposición de películas delgadas, implantación de iones y pruebas de empaque. Cada proceso requiere un control estricto y una medición precisa. Los problemas en cualquier enlace pueden causar daños al chip o degradación del rendimiento. Por lo tanto, la fabricación de semiconductores tiene requisitos muy altos en cuanto a equipos, procesos y personal.

Aunque la fabricación tradicional de semiconductores ha logrado un gran éxito, todavía hay algunas limitaciones: primero, los chips de semiconductores están altamente integrados y miniaturizados. Con la continuación de la ley de Moore (Figura 4), la integración de los chips semiconductores continúa aumentando, el tamaño de los componentes continúa encogiéndose y el proceso de fabricación debe garantizar una precisión y estabilidad extremadamente altas.

Figura 4 (a) El número de transistores en un chip continúa aumentando con el tiempo; (b) El tamaño del chip continúa reduciéndose [5]

Además, la complejidad y el control de costos del proceso de fabricación de semiconductores. El proceso de fabricación de semiconductores es complejo y se basa en equipos de precisión, y cada enlace debe controlarse con precisión. El alto costo del equipo, el costo del material y el costo de I + D hacen que el costo de fabricación de los productos semiconductores sea alto. Por lo tanto, es necesario continuar explorando y reduciendo los costos al tiempo que garantiza el rendimiento del producto.

Al mismo tiempo, la industria de fabricación de semiconductores necesita responder rápidamente a la demanda del mercado. Con los rápidos cambios en la demanda del mercado. El modelo de fabricación tradicional tiene problemas de ciclo largo y poca flexibilidad, lo que dificulta satisfacer la rápida iteración de productos del mercado. Por lo tanto, un método de fabricación más eficiente y flexible también se ha convertido en la dirección de desarrollo de la industria de los semiconductores.

Aplicación deimpresión 3Den la industria de semiconductores

En el campo de semiconductores, la tecnología de impresión 3D también ha demostrado continuamente su aplicación.

Primero, la tecnología de impresión 3D tiene un alto grado de libertad en el diseño estructural y puede lograr un moldeo "integrado", lo que significa que se pueden diseñar estructuras más sofisticadas y complejas. La Figura 5 (a), el sistema 3D optimiza la estructura interna de disipación de calor a través del diseño auxiliar artificial, mejora la estabilidad térmica de la etapa de la oblea, reduce el tiempo de estabilización térmica de la oblea y mejora el rendimiento y la eficiencia de la producción de chips. También hay tuberías complejas dentro de la máquina de litografía. A través de la impresión 3D, las estructuras de tuberías complejas pueden "integrarse" para reducir el uso de mangueras y optimizar el flujo de gas en la tubería, reduciendo así el impacto negativo de la interferencia mecánica y la vibración y mejorando la estabilidad del proceso de procesamiento de chips.

Figura 5 El sistema 3D utiliza la impresión 3D para formar piezas (a) la etapa de oblea de la máquina de litografía; (b) tubería múltiple [6]

En términos de selección de materiales, la tecnología de impresión 3D puede realizar materiales que son difíciles de formar mediante métodos de procesamiento tradicionales. Los materiales de carburo de silicio tienen alta dureza y alto punto de fusión. Los métodos de procesamiento tradicionales son difíciles de formar y tienen un ciclo de producción largo. La formación de estructuras complejas requiere un procesamiento asistido por moho. Sublimation 3D ha desarrollado una impresora 3D de doble nozuelo independiente UPS-250 y ha preparado botes de cristal de carburo de silicio. Después de la sinterización de la reacción, la densidad del producto es 2.95 ~ 3.02g/cm3.

Figura 6Bote de cristal de carburo de silicio[7]

Figura 7 (a) Equipo de coimpresión 3D; (b) se utiliza luz ultravioleta para construir estructuras tridimensionales y láser para generar nanopartículas de plata; c) Principio de la coimpresión 3D de componentes electrónicos[8]

El proceso tradicional de productos electrónicos es complejo y se requieren múltiples pasos desde las materias primas hasta los productos terminados. Xiao y otros[8] utilizó tecnología de coimpresión 3D para construir selectivamente estructuras corporales o incrustar metales conductores en superficies de forma libre para fabricar dispositivos electrónicos 3D. Esta tecnología solo involucra un material de impresión, que puede usarse para construir estructuras poliméricas mediante curado UV, o para activar precursores metálicos en resinas fotosensibles mediante escaneo láser para producir partículas nanometálicas para formar circuitos conductores. Además, el circuito conductor resultante exhibe una resistividad excelente tan baja como aproximadamente 6,12 µΩm. Al ajustar la fórmula del material y los parámetros de procesamiento, la resistividad se puede controlar aún más entre 10-6 y 10 Ωm. Se puede ver que la tecnología de coimpresión 3D resuelve el desafío de la deposición de múltiples materiales en la fabricación tradicional y abre un nuevo camino para la fabricación de productos electrónicos 3D.

El embalaje de chip es un enlace clave en la fabricación de semiconductores. La tecnología de envasado tradicional también tiene problemas como el proceso complejo, la falla de la gestión térmica y el estrés causado por el desajuste de los coeficientes de expansión térmica entre los materiales, lo que conduce a una falla del empaque. La tecnología de impresión 3D puede simplificar el proceso de fabricación y reducir los costos imprimiendo directamente la estructura de envasado. Feng et al. [9] Cambio de fase preparado materiales de empaque electrónico y los combinó con tecnología de impresión 3D para empaquetar chips y circuitos. El material de envasado electrónico de cambio de fase preparado por Feng et al. tiene un calor latente alto de 145.6 J/g y tiene una estabilidad térmica significativa a una temperatura de 130 ° C. En comparación con los materiales de embalaje electrónico tradicionales, su efecto de enfriamiento puede alcanzar 13 ° C.

Figura 8 Diagrama esquemático del uso de tecnología de impresión 3D para encapsular con precisión circuitos con materiales electrónicos de cambio de fase; (b) El chip LED de la izquierda se ha encapsulado con materiales de embalaje electrónicos de cambio de fase y el chip LED de la derecha no se ha encapsulado; c) Imágenes infrarrojas de chips LED con y sin encapsulación; d) Curvas de temperatura bajo la misma potencia y diferentes materiales de embalaje; (e) Circuito complejo sin diagrama de empaquetado de chips LED; (f) Diagrama esquemático de la disipación de calor de materiales de embalaje electrónicos de cambio de fase [9]

Desafíos de la tecnología de impresión 3D en la industria de semiconductores

Aunque la tecnología de impresión 3D ha mostrado un gran potencial en elindustria de semiconductores. Sin embargo, todavía quedan muchos desafíos.

En términos de precisión de moldeo, la tecnología de impresión 3D actual puede alcanzar una precisión de 20 μm, pero aún es difícil cumplir con los altos estándares de fabricación de semiconductores. En términos de selección de materiales, aunque la tecnología de impresión 3D puede formar una variedad de materiales, la dificultad de moldeo de algunos materiales con propiedades especiales (carburo de silicio, nitruro de silicio, etc.) sigue siendo relativamente alta. En términos de costo de producción, la impresión 3D funciona bien en la producción personalizada de lotes pequeños, pero su velocidad de producción es relativamente lenta en la producción a gran escala y el costo del equipo es alto, lo que dificulta satisfacer las necesidades de la producción a gran escala. . Técnicamente, aunque la tecnología de impresión 3D ha logrado ciertos resultados de desarrollo, todavía es una tecnología emergente en algunos campos y requiere más investigación, desarrollo y mejoras para mejorar su estabilidad y confiabilidad.