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

En una era de rápido desarrollo tecnológico, la impresión 3D, como importante representante de la tecnología de fabricación avanzada, está cambiando gradualmente la faz de la fabricación tradicional. Con la continua madurez de la tecnología y la reducción de costos, la tecnología de impresión 3D ha mostrado amplias perspectivas de aplicación en muchos campos como el aeroespacial, la fabricación de automóviles, los equipos médicos y el 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 es cada vez más prominente. Como 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. Frente a las necesidades de alta precisión, alta complejidad y rápida iteración en la industria de semiconductores, la tecnología de impresión 3D, con sus ventajas únicas, ha traído oportunidades y desafíos sin precedentes para la fabricación de semiconductores y ha penetrado gradualmente en todos los eslabones del sector.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 captar el pulso del desarrollo de esta tecnología de vanguardia, sino que también brindará soporte técnico y referencia para la actualización de la industria de los semiconductores. Este artículo analiza los últimos avances de la tecnología de impresión 3D y sus posibles aplicaciones en la industria de los semiconductores, y espera ver 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 materiales capa por capa. Este innovador método de producción subvierte el modo de procesamiento tradicional "sustractivo" o de "material igual" de fabricación y puede "integrar" productos moldeados sin asistencia del molde. Existen 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, existen principalmente cuatro tipos.

✔ La tecnología de fotocurado se basa en el principio de polimerización ultravioleta. Los materiales líquidos fotosensibles se curan con luz ultravioleta y se apilan capa por capa. En la actualidad, esta tecnología puede formar cerámicas, metales y resinas con alta precisión de moldeo. Puede utilizarse en los campos de la industria médica, artística y aeronáutica.

✔ Tecnología de deposición fundida, a través del cabezal de impresión controlado por computadora para calentar y derretir el filamento y extruirlo de acuerdo con una trayectoria de forma específica, capa por capa, y puede formar materiales plásticos y cerámicos.

✔ La tecnología de escritura directa en suspensión utiliza una suspensión de alta viscosidad como material de tinta, que se almacena en el cilindro y se conecta a la aguja de extrusión, y se instala en una plataforma que puede completar el movimiento tridimensional bajo control por computadora. Mediante presión mecánica o presión neumática, el material de tinta se empuja fuera de la boquilla para extruir continuamente sobre el sustrato a formar, y luego se lleva a cabo el posprocesamiento correspondiente (disolvente volátil, curado térmico, fotocurado, 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 la biocerámica y el procesamiento de alimentos.

✔La tecnología de fusión de lecho de polvo se puede dividir en tecnología de fusión selectiva por láser (SLM) y tecnología de sinterización selectiva por láser (SLS). Ambas tecnologías utilizan 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 solidifique en poco tiempo. SLS se puede dividir en SLS directo y SLS indirecto. La energía del SLS directo es mayor y las partículas se pueden sinterizar o fundir directamente para formar enlaces entre partículas. Por tanto, el SLS directo es similar al SLM. Las partículas de polvo se calientan y enfrían rápidamente en poco tiempo, lo que hace que el bloque moldeado tenga una gran tensión interna, una densidad general baja y propiedades mecánicas deficientes; la energía del láser del SLS indirecto es menor y el rayo láser funde el aglutinante del polvo y las partículas se unen. Una vez completado el conformado, se elimina el aglutinante interno mediante desengrasado térmico y finalmente se realiza la sinterización. La tecnología de fusión de lechos de polvo puede formar metales y cerámicas y actualmente se utiliza en los campos de fabricación aeroespacial y automotriz.

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.

La industria de semiconductores

La industria de los semiconductores desempeña un papel vital en la ciencia, la tecnología y la economía modernas, y su importancia se refleja en muchos aspectos. Los semiconductores se utilizan para construir circuitos miniaturizados, que permiten a los dispositivos realizar complejas tareas informáticas y de procesamiento de datos. Y como 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 de productos electrónicos, sino que también condujo al crecimiento de industrias como el desarrollo de software y el diseño de hardware. Además, en los ámbitos militar y de defensa,semiconductor technologyEs 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 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 "Decimocuarto Plan Quinquenal" de mi país propone centrarse en apoyar varios eslabones clave de "cuellos de botella" en la industria de los semiconductores, incluidos principalmente procesos avanzados, equipos clave, semiconductores de tercera generación y otros campos.

Cuadro 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 oblea, litografía,grabando, 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 existen algunas limitaciones: en primer lugar, los chips semiconductores están altamente integrados y miniaturizados. Con la continuación de la Ley de Moore (Figura 4), la integración de chips semiconductores continúa aumentando, el tamaño de los componentes continúa reduciéndose 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 costes del proceso de fabricación de semiconductores. El proceso de fabricación de semiconductores es complejo y depende de 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 elevado. Por tanto, es necesario seguir explorando y reduciendo costes garantizando al mismo tiempo 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 los semiconductores, la tecnología de impresión 3D también ha demostrado continuamente su aplicación.

En primer lugar, la tecnología de impresión 3D tiene un alto grado de libertad en el diseño estructural y puede lograr un moldeado "integrado", lo que significa que se pueden diseñar estructuras más sofisticadas y complejas. Figura 5 (a), 3D System optimiza la estructura interna de disipación de calor a través de un diseño auxiliar artificial, mejora la estabilidad térmica de la etapa de 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. Mediante la impresión 3D, se pueden "integrar" estructuras complejas de tuberías 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 generar 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 implementar y tienen un ciclo de producción largo. La formación de estructuras complejas requiere un procesamiento asistido por moldes. Sublimation 3D ha desarrollado una impresora 3D independiente de doble boquilla UPS-250 y ha preparado barcos de cristal de carburo de silicio. Después de la sinterización por reacción, la densidad del producto es de 2,95~3,02 g/cm3.

Figura 6Barco 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 chips es un eslabón clave en la fabricación de semiconductores. La tecnología de embalaje tradicional también tiene problemas como procesos complejos, fallas en la gestión térmica y estrés causado por la falta de coincidencia de los coeficientes de expansión térmica entre materiales, lo que conduce a fallas en el embalaje. La tecnología de impresión 3D puede simplificar el proceso de fabricación y reducir costos al imprimir directamente la estructura del empaque. Feng et al. [9] prepararon materiales de embalaje electrónicos de cambio de fase y los combinaron con tecnología de impresión 3D para empaquetar chips y circuitos. El material de embalaje electrónico de cambio de fase preparado por Feng et al. tiene un alto calor latente de 145,6 J/g y tiene una estabilidad térmica significativa a una temperatura de 130 °C. En comparación con los materiales de embalaje electrónicos tradicionales, su efecto de enfriamiento puede alcanzar los 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 los semiconductores

Aunque la tecnología de impresión 3D ha demostrado un gran potencial en ella industria 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.