Yarı iletken endüstrisinde 3 boyutlu baskı teknolojisinin keşif amaçlı uygulaması

Hızlı teknolojik gelişme çağında, ileri üretim teknolojisinin önemli bir temsilcisi olarak 3D baskı, geleneksel üretimin yüzünü yavaş yavaş değiştiriyor. Teknolojinin sürekli olgunluğu ve maliyetlerin azaltılması ile 3D baskı teknolojisi, havacılık, otomobil üretimi, tıbbi ekipman ve mimari tasarım gibi birçok alanda geniş uygulama beklentileri göstermiştir ve bu endüstrilerin yeniliklerini ve geliştirilmesini teşvik etmiştir.

Yarı iletkenlerin yüksek teknoloji alanındaki 3D baskı teknolojisinin potansiyel etkisinin giderek daha belirgin hale geldiğini belirtmek gerekir. Bilgi teknolojisinin geliştirilmesinin temel taşı olarak, yarı iletken üretim süreçlerinin hassasiyeti ve verimliliği elektronik ürünlerin performansını ve maliyetini etkiler. Yarı iletken endüstrisinde yüksek hassasiyet, yüksek karmaşıklık ve hızlı yineleme ihtiyaçları ile karşı karşıya kalan 3D baskı teknolojisi, benzersiz avantajları ile, yarı iletken üretimine benzeri görülmemiş fırsatlar ve zorluklar getirdi ve kademeli olarak yavaş yavaş tüm bağlantılara nüfuz etti.yarı iletken endüstri zinciri, yarı iletken endüstrisinin derin bir değişikliği başlatması üzerine olduğunu gösterir.

Bu nedenle, yarı iletken endüstrisinde 3D baskı teknolojisinin gelecekteki uygulamasını analiz etmek ve keşfetmek, sadece bu son teknolojinin geliştirme nabzını kavramamıza yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda yarı iletken endüstrisinin yükseltilmesi için teknik destek ve referans sağlayacaktır. Bu makale, 3D baskı teknolojisinin en son ilerlemesini ve yarı iletken endüstrisindeki potansiyel uygulamalarını analiz ediyor ve bu teknolojinin yarı iletken üretim endüstrisini nasıl teşvik edebileceğini dört gözle bekliyor.

3D baskı teknolojisi

3D baskı aynı zamanda katmanlı üretim teknolojisi olarak da bilinir. Prensibi, malzemeleri katman katman istifleyerek üç boyutlu bir varlık oluşturmaktır. Bu yenilikçi üretim yöntemi, geleneksel üretim "çıkarmalı" veya "eşit malzeme" işleme modunu altüst eder ve kalıplanmış ürünleri kalıp yardımı olmadan "entegre edebilir". Pek çok 3D baskı teknolojisi türü vardır ve her teknolojinin kendine has avantajları vardır.

3D baskı teknolojisinin kalıp prensibine göre, esas olarak dört tip vardır.

✔ Fotokürleme teknolojisi ultraviyole polimerizasyon prensibine dayanmaktadır. Sıvı ışığa duyarlı malzemeler ultraviyole ışıkla kürlenir ve katman katman istiflenir. Şu anda bu teknoloji seramikleri, metalleri ve reçineleri yüksek kalıplama hassasiyetiyle şekillendirebilmektedir. Tıp, sanat ve havacılık sanayi alanlarında kullanılabilir.

✔ Filamanı ısıtmak ve eritmek için bilgisayar güdümlü baskı başlığı aracılığıyla kaynaşmış biriktirme teknolojisi ve belirli bir şekil yörüngesine göre ekstrüde, katmana göre katman ve plastik ve seramik malzemeler oluşturabilir.

✔ Slurry direkt yazma teknolojisi, mürekkep malzemesi olarak haznede depolanan ve ekstrüzyon iğnesine bağlanan yüksek viskoziteli bulamacı kullanır ve bilgisayar kontrolü altında üç boyutlu hareketi tamamlayabilen bir platform üzerine kurulur. Mekanik basınç veya pnömatik basınç yoluyla, mürekkep malzemesi, oluşturmak üzere alt tabaka üzerinde sürekli olarak ekstrüzyon yapmak üzere ağızlıktan dışarı itilir ve ardından karşılık gelen son işlemler (uçucu solvent, termal kürleme, ışıkla kürleme, sinterleme vb.) gerçekleştirilir. Nihai üç boyutlu bileşeni elde etmek için malzeme özelliklerine göre. Şu anda bu teknoloji biyoseramik ve gıda işleme alanlarına uygulanabilmektedir.

✔Toz yataklı füzyon teknolojisi, lazer seçici eritme teknolojisi (SLM) ve lazer seçici sinterleme teknolojisi (SLS) olarak ayrılabilir. Her iki teknoloji de toz malzemeleri işleme nesneleri olarak kullanıyor. Bunlar arasında SLM'nin lazer enerjisi daha yüksektir, bu da tozun kısa sürede erimesini ve katılaşmasını sağlayabilir. SLS, doğrudan SLS ve dolaylı SLS olarak ikiye ayrılabilir. Doğrudan SLS'nin enerjisi daha yüksektir ve parçacıklar arasında bağ oluşturmak için parçacıklar doğrudan sinterlenebilir veya eritilebilir. Bu nedenle doğrudan SLS, SLM'ye benzer. Toz parçacıkları kısa sürede hızlı ısıtma ve soğutmaya maruz kalır, bu da kalıplanmış bloğun büyük iç gerilime, düşük genel yoğunluğa ve zayıf mekanik özelliklere sahip olmasını sağlar; Dolaylı SLS'nin lazer enerjisi daha düşüktür ve tozdaki bağlayıcı lazer ışını tarafından eritilir ve parçacıklar bağlanır. Şekillendirme tamamlandıktan sonra termal yağ alma işlemiyle iç bağlayıcı uzaklaştırılır ve son olarak sinterleme gerçekleştirilir. Toz yataklı füzyon teknolojisi metal ve seramik oluşturabilir ve halihazırda havacılık ve otomotiv üretim alanlarında kullanılmaktadır.

Şekil 1 (a) fotokürasyon teknolojisi; (b) kaynaşmış biriktirme teknolojisi; (c) bulamaç doğrudan yazma teknolojisi; (d) Toz yatak füzyon teknolojisi [1, 2]

3D baskı teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte avantajları prototip aşamasından nihai ürüne kadar sürekli olarak ortaya konulmaktadır. Birincisi, ürün yapısı tasarımının özgürlüğü açısından 3D baskı teknolojisinin en önemli avantajı, iş parçalarının karmaşık yapılarını doğrudan üretebilmesidir. Daha sonra, kalıplama nesnesinin malzeme seçimi açısından 3D baskı teknolojisi, metaller, seramikler, polimer malzemeler vb. dahil olmak üzere çeşitli malzemeleri basabilir. Üretim süreci açısından, 3D baskı teknolojisi yüksek derecede esnekliğe sahiptir ve Üretim sürecini ve parametrelerini gerçek ihtiyaçlara göre ayarlayabilir.

Yarı iletken endüstrisi

Yarı iletken endüstrisi, modern bilim, teknoloji ve ekonomide hayati bir rol oynamaktadır ve önemi birçok açıdan yansıtılmaktadır. Yarı iletkenler, cihazların karmaşık bilgi işlem ve veri işleme görevlerini yerine getirmesini sağlayan minyatür devreler oluşturmak için kullanılır. Küresel ekonominin önemli bir dayanağı olan yarı iletken endüstrisi, birçok ülkeye çok sayıda iş ve ekonomik fayda sağlıyor. Yalnızca elektronik imalat endüstrisinin gelişimini doğrudan desteklemekle kalmadı, aynı zamanda yazılım geliştirme ve donanım tasarımı gibi endüstrilerin de büyümesine yol açtı. Ayrıca askeri ve savunma alanlarında,yarı iletken teknolojisiUlusal güvenliğin ve askeri avantajların sağlanmasında iletişim sistemleri, radarlar ve uydu navigasyonu gibi temel ekipmanlar açısından hayati öneme sahiptir.

Grafik 2 "14. Beş Yıllık Plan" (Alıntı) [3]

Bu nedenle, mevcut yarı iletken endüstrisi ulusal rekabet gücünün önemli bir sembolü haline gelmiştir ve tüm ülkeler aktif olarak geliştirmektedir. Ülkemin "14. Beş Yıllık Planı", yarı iletken endüstrisindeki çeşitli anahtar "darboğaz" bağlantılarını desteklemeye odaklanmayı öneriyor, esas olarak gelişmiş süreçler, anahtar ekipman, üçüncü nesil yarı iletkenler ve diğer alanlar.

Tablo 3 Yarı iletken çip işleme süreci [4]

Yarı iletken çiplerin üretim süreci son derece karmaşıktır. Şekil 3'te gösterildiği gibi, esas olarak aşağıdaki anahtar adımları içerir:gofret hazırlamalitografi,gravür, İnce film birikimi, iyon implantasyonu ve ambalaj testi. Her işlem katı kontrol ve hassas ölçüm gerektirir. Herhangi bir bağlantıdaki sorunlar çip veya performans bozulmasına zarar verebilir. Bu nedenle, yarı iletken üretiminin ekipman, süreçler ve personel için çok yüksek gereksinimleri vardır.

Her ne kadar geleneksel yarı iletken üretimi büyük bir başarı elde etmiş olsa da hâlâ bazı sınırlamalar mevcut: Birincisi, yarı iletken çipler yüksek düzeyde entegre edilmiş ve minyatürleştirilmiştir. Moore Yasasının devam etmesiyle (Şekil 4), yarı iletken yongaların entegrasyonu artmaya devam ediyor, bileşenlerin boyutu küçülmeye devam ediyor ve üretim sürecinin son derece yüksek hassasiyet ve kararlılık sağlaması gerekiyor.

Şekil 4 (a) Bir çipteki transistörlerin sayısı zamanla artmaya devam ediyor; (b) Çip boyutu küçülmeye devam ediyor [5]

Ayrıca yarı iletken üretim sürecinin karmaşıklığı ve maliyet kontrolü. Yarı iletken üretim süreci karmaşıktır ve hassas ekipmanlara dayanır ve her bağlantının doğru bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Yüksek ekipman maliyeti, malzeme maliyeti ve Ar-Ge maliyeti, yarı iletken ürünlerin üretim maliyetini yüksek kılmaktadır. Bu nedenle ürün verimini sağlarken araştırmaya devam etmek ve maliyetleri düşürmek gerekiyor.

Aynı zamanda, yarı iletken üretim endüstrisinin piyasa talebine hızlı bir şekilde yanıt vermesi gerekir. Pazar talebindeki hızlı değişikliklerle. Geleneksel üretim modeli, uzun döngü ve zayıf esneklik sorunlarına sahiptir, bu da pazarın hızlı ürün yinelemesini karşılamayı zorlaştırır. Bu nedenle, daha verimli ve esnek bir üretim yöntemi de yarı iletken endüstrisinin geliştirme yönü haline gelmiştir.

Uygulanması3D baskıyarı iletken endüstrisinde

Yarı iletken alanında, 3D baskı teknolojisi de uygulamasını sürekli olarak göstermiştir.

Birincisi, 3D baskı teknolojisi yapısal tasarımda yüksek derecede özgürlüğe sahiptir ve "entegre" kalıplamayı gerçekleştirebilir, bu da daha karmaşık ve karmaşık yapıların tasarlanabileceği anlamına gelir. Şekil 5 (a), 3D Sistem, yapay yardımcı tasarım yoluyla dahili ısı dağıtım yapısını optimize eder, levha aşamasının termal stabilitesini geliştirir, levhanın termal stabilizasyon süresini azaltır ve çip üretiminin verimini ve verimliliğini artırır. Litografi makinesinin içinde de karmaşık boru hatları bulunmaktadır. 3D baskı yoluyla karmaşık boru hattı yapıları, hortum kullanımını azaltmak ve boru hattındaki gaz akışını optimize etmek için "entegre edilebilir", böylece mekanik müdahale ve titreşimin olumsuz etkisi azaltılır ve talaş işleme prosesinin stabilitesi iyileştirilir.

Şekil 5 3D Sistem, parçaları oluşturmak için 3D baskıyı kullanır (a) litografi makinesi levha aşaması; (b) manifold boru hattı [6]

Malzeme seçimi açısından, 3D baskı teknolojisi, geleneksel işleme yöntemleriyle oluşturulması zor malzemeleri gerçekleştirebilir. Silikon karbür malzemeleri yüksek sertliğe ve yüksek erime noktasına sahiptir. Geleneksel işleme yöntemlerinin oluşturulması ve uzun bir üretim döngüsüne sahip olması zordur. Karmaşık yapıların oluşumu, kalıp destekli işleme gerektirir. Süblimasyon 3D, bağımsız bir çift-nole 3D yazıcı UPS-250 geliştirdi ve silikon karbür kristal tekneler hazırladı. Reaksiyon sinterlemesinden sonra, ürün yoğunluğu 2.95 ~ 3.02g/cm3'tür.

Şekil 6Silisyum karbür kristal tekne[7]

Şekil 7 (a) 3D birlikte baskı ekipmanı; (b) UV ışığı üç boyutlu yapılar oluşturmak için kullanılır ve lazer gümüş nanopartiküller üretmek için kullanılır; (c) 3D birlikte yer alan elektronik bileşenler prensibi [8]

Geleneksel elektronik ürün süreci karmaşıktır ve hammaddelerden bitmiş ürünlere kadar çoklu işlem adımı gereklidir. Xiao ve ark. [8] 3D elektronik cihazlar üretmek için gövde yapıları veya serbest biçimli yüzeylere iletken metalleri seçici olarak inşa etmek için 3D birlikte en basma teknolojisini kullandı. Bu teknoloji sadece UV kürleme yoluyla polimer yapıları oluşturmak veya iletken devreler oluşturmak için nano-metal parçacıklar üretmek için lazer taraması yoluyla ışığa duyarlı reçinelerde metal öncüllerini aktive etmek için kullanılabilen bir baskı malzemesini içerir. Ek olarak, ortaya çıkan iletken devre yaklaşık 6.12µΩm kadar düşük mükemmel bir direnç gösterir. Malzeme formülünü ayarlayarak ve işleme parametreleri, direnci 10-6 ila 10Ωm arasında kontrol edilebilir. 3D ortak baskı teknolojisinin geleneksel üretimde çok malzemeli biriktirme zorluğunu çözdüğü ve 3D elektronik ürünlerin üretimi için yeni bir yol açtığı görülebilir.

Chip ambalaj, yarı iletken üretiminde önemli bir bağlantıdır. Geleneksel ambalaj teknolojisi, karmaşık süreç, termal yönetimin başarısızlığı ve malzemeler arasında termal genleşme katsayılarının uyuşmasının neden olduğu stres gibi sorunlara sahiptir, bu da ambalaj başarısızlığına yol açar. 3D baskı teknolojisi, doğrudan ambalaj yapısını yazdırarak üretim sürecini basitleştirebilir ve maliyetleri azaltabilir. Feng ve ark. [9] Faz değişimi elektronik ambalaj malzemelerini hazırladı ve bunları paket parçaları ve devreler için 3D baskı teknolojisi ile birleştirdi. Faz değişimi Feng ve ark. 145.6 J/g yüksek latent ısısına sahiptir ve 130 ° C'lik bir sıcaklıkta önemli termal stabiliteye sahiptir. Geleneksel elektronik ambalaj malzemeleriyle karşılaştırıldığında, soğutma etkisi 13 ° C'ye ulaşabilir.

Şekil 8 Devreleri faz değiştiren elektronik malzemelerle doğru şekilde kapsüllemek için 3 boyutlu baskı teknolojisinin kullanımının şematik diyagramı; (b) Soldaki LED çipi, faz değiştiren elektronik ambalaj malzemeleriyle kapsüllenmiştir ve sağdaki LED çipi kapsüllenmemiştir; (c) Kapsüllemeli ve kapsülsüz LED çiplerinin kızılötesi görüntüleri; (d) Aynı güç ve farklı ambalaj malzemeleri altındaki sıcaklık eğrileri; (e) LED çip paketleme şeması olmayan karmaşık devre; (f) Faz değiştiren elektronik ambalaj malzemelerinin ısı dağılımının şematik diyagramı [9]

Yarıiletken endüstrisinde 3D baskı teknolojisinin zorlukları

Her ne kadar 3D baskı teknolojisi sektörde büyük bir potansiyel gösterse deyarı iletken endüstrisi. Ancak, hala birçok zorluk var.

Kalıplama doğruluğu açısından, mevcut 3D baskı teknolojisi 20μm'lik bir doğruluğa ulaşabiliyor ancak yarı iletken üretiminin yüksek standartlarını karşılamak hala zor. Malzeme seçimi açısından, 3D baskı teknolojisi çok çeşitli malzemeler oluşturabilse de, özel özelliklere sahip bazı malzemelerin (silisyum karbür, silisyum nitrür vb.) kalıplama zorluğu hala nispeten yüksektir. Üretim maliyeti açısından 3D baskı, küçük serili özelleştirilmiş üretimde iyi performans gösterir ancak büyük ölçekli üretimde üretim hızı nispeten yavaştır ve ekipman maliyeti yüksektir, bu da büyük ölçekli üretimin ihtiyaçlarının karşılanmasını zorlaştırır. . Teknik olarak, 3D baskı teknolojisi belirli gelişme sonuçlarına ulaşmış olsa da, bazı alanlarda hala gelişmekte olan bir teknolojidir ve istikrarını ve güvenilirliğini artırmak için daha fazla araştırma, geliştirme ve iyileştirme gerektirmektedir.