Applicazione esplorativa della tecnologia di stampa 3D nel settore dei semiconduttori

In un’era di rapido sviluppo tecnologico, la stampa 3D, in quanto importante rappresentante della tecnologia di produzione avanzata, sta gradualmente cambiando il volto della produzione tradizionale. Con la continua maturità della tecnologia e la riduzione dei costi, la tecnologia di stampa 3D ha mostrato ampie prospettive di applicazione in molti campi come quello aerospaziale, della produzione automobilistica, delle apparecchiature mediche e della progettazione architettonica, e ha promosso l’innovazione e lo sviluppo di questi settori.

Vale la pena notare che il potenziale impatto della tecnologia di stampa 3D nel campo high-tech dei semiconduttori sta diventando sempre più evidente. Essendo la pietra angolare dello sviluppo della tecnologia dell'informazione, la precisione e l'efficienza dei processi di produzione dei semiconduttori influiscono sulle prestazioni e sui costi dei prodotti elettronici. Di fronte alle esigenze di alta precisione, elevata complessità e rapida iterazione nel settore dei semiconduttori, la tecnologia di stampa 3D, con i suoi vantaggi unici, ha portato opportunità e sfide senza precedenti alla produzione di semiconduttori ed è gradualmente penetrata in tutti gli anelli del settore.filiera dei semiconduttori, indicando che l’industria dei semiconduttori sta per inaugurare un profondo cambiamento.

Pertanto, analizzare ed esplorare la futura applicazione della tecnologia di stampa 3D nel settore dei semiconduttori non solo ci aiuterà a cogliere l’impulso allo sviluppo di questa tecnologia all’avanguardia, ma fornirà anche supporto tecnico e riferimento per l’aggiornamento del settore dei semiconduttori. Questo articolo analizza gli ultimi progressi della tecnologia di stampa 3D e le sue potenziali applicazioni nel settore dei semiconduttori e attende con impazienza come questa tecnologia possa promuovere l’industria manifatturiera dei semiconduttori.

Tecnologia di stampa 3D

La stampa 3D è anche conosciuta come tecnologia di produzione additiva. Il suo principio è quello di costruire un'entità tridimensionale impilando i materiali strato dopo strato. Questo metodo di produzione innovativo sovverte la tradizionale modalità di lavorazione "sottrattiva" o "dello stesso materiale" e può "integrare" prodotti stampati senza l'assistenza dello stampo. Esistono molti tipi di tecnologie di stampa 3D e ciascuna tecnologia presenta i suoi vantaggi.

Secondo il principio di stampaggio della tecnologia di stampa 3D, ne esistono principalmente quattro tipi.

✔ La tecnologia di fotoindurimento si basa sul principio della polimerizzazione ultravioletta. I materiali fotosensibili liquidi vengono polimerizzati dalla luce ultravioletta e impilati strato dopo strato. Allo stato attuale, questa tecnologia può formare ceramiche, metalli e resine con elevata precisione di stampaggio. Può essere utilizzato nei campi dell'industria medica, artistica e aeronautica.

✔ Tecnologia di deposizione fusa, attraverso la testina di stampa computerizzata per riscaldare e sciogliere il filamento ed estruderlo secondo una traiettoria di forma specifica, strato dopo strato, e può formare materiali plastici e ceramici.

✔ La tecnologia di scrittura diretta dell'impasto liquido utilizza un impasto liquido ad alta viscosità come materiale di inchiostro, che viene immagazzinato nel cilindro e collegato all'ago di estrusione e installato su una piattaforma in grado di completare il movimento tridimensionale sotto il controllo del computer. Attraverso la pressione meccanica o pneumatica, il materiale dell'inchiostro viene spinto fuori dall'ugello per estrudere continuamente sul substrato da formare, quindi viene eseguita la corrispondente post-elaborazione (solvente volatile, polimerizzazione termica, fotopolimerizzazione, sinterizzazione, ecc.). in base alle proprietà del materiale per ottenere il componente tridimensionale finale. Allo stato attuale, questa tecnologia può essere applicata ai campi della bioceramica e della lavorazione alimentare.

✔La tecnologia di fusione del letto di polvere può essere suddivisa in tecnologia di fusione selettiva laser (SLM) e tecnologia di sinterizzazione selettiva laser (SLS). Entrambe le tecnologie utilizzano materiali in polvere come oggetti di lavorazione. Tra questi, l'energia laser di SLM è più elevata, il che può far sciogliere e solidificare la polvere in breve tempo. Gli SLS possono essere suddivisi in SLS diretti e SLS indiretti. L'energia dell'SLS diretto è più elevata e le particelle possono essere sinterizzate o fuse direttamente per formare un legame tra le particelle. Pertanto, la SLS diretta è simile alla SLM. Le particelle di polvere subiscono un rapido riscaldamento e raffreddamento in breve tempo, il che fa sì che il blocco stampato presenti un grande stress interno, una bassa densità complessiva e scarse proprietà meccaniche; l'energia laser della SLS indiretta è inferiore e il legante nella polvere viene fuso dal raggio laser e le particelle vengono legate. Una volta completata la formatura, il legante interno viene rimosso mediante sgrassaggio termico e infine viene eseguita la sinterizzazione. La tecnologia di fusione a letto di polvere può formare metalli e ceramiche ed è attualmente utilizzata nei settori della produzione aerospaziale e automobilistica.

Figura 1 (a) Tecnologia di fotopolimerizzazione; (b) tecnologia di deposizione fusa; (c) Tecnologia di scrittura diretta dell'impasto liquido; (d) Tecnologia di fusione a letto di polvere [1, 2]

Con il continuo sviluppo della tecnologia di stampa 3D, i suoi vantaggi vengono costantemente dimostrati dalla prototipazione ai prodotti finali. Innanzitutto, in termini di libertà di progettazione della struttura del prodotto, il vantaggio più significativo della tecnologia di stampa 3D è che può produrre direttamente strutture complesse di pezzi. Successivamente, in termini di selezione del materiale dell'oggetto da stampare, la tecnologia di stampa 3D può stampare una varietà di materiali, inclusi metalli, ceramica, materiali polimerici, ecc. In termini di processo di produzione, la tecnologia di stampa 3D ha un alto grado di flessibilità e può regolare il processo di produzione e i parametri in base alle esigenze effettive.

Industria dei semiconduttori

L’industria dei semiconduttori svolge un ruolo vitale nella scienza, nella tecnologia e nell’economia moderne e la sua importanza si riflette in molti aspetti. I semiconduttori vengono utilizzati per costruire circuiti miniaturizzati, che consentono ai dispositivi di eseguire complesse attività di calcolo ed elaborazione dati. Inoltre, essendo un importante pilastro dell’economia globale, l’industria dei semiconduttori offre numerosi posti di lavoro e vantaggi economici a molti paesi. Non solo ha promosso direttamente lo sviluppo dell’industria manifatturiera dell’elettronica, ma ha anche portato alla crescita di settori come lo sviluppo di software e la progettazione di hardware. Inoltre, nel campo militare e della difesa,tecnologia dei semiconduttoriè fondamentale per apparecchiature chiave come i sistemi di comunicazione, i radar e la navigazione satellitare, garantendo la sicurezza nazionale e vantaggi militari.

Chart 2 "14th Five-Year Plan" (excerpt) [3]

Pertanto, l’attuale industria dei semiconduttori è diventata un importante simbolo della competitività nazionale e tutti i paesi la stanno sviluppando attivamente. Il “14° piano quinquennale” del mio Paese propone di concentrarsi sul sostegno di vari “colli di bottiglia” chiave nell’industria dei semiconduttori, che comprendono principalmente processi avanzati, apparecchiature chiave, semiconduttori di terza generazione e altri settori.

Grafico 3 Processo di lavorazione dei chip semiconduttori [4]

Il processo di produzione dei chip semiconduttori è estremamente complesso. Come mostrato nella Figura 3, comprende principalmente i seguenti passaggi chiave:preparazione delle cialde, litografia,acquaforte, deposizione di film sottile, impianto di ioni e test di imballaggio. Ogni processo richiede un controllo rigoroso e una misurazione precisa. Problemi in qualsiasi collegamento possono causare danni al chip o un degrado delle prestazioni. Pertanto, la produzione di semiconduttori ha requisiti molto elevati in termini di attrezzature, processi e personale.

Sebbene la produzione tradizionale di semiconduttori abbia ottenuto un grande successo, esistono ancora alcune limitazioni: in primo luogo, i chip semiconduttori sono altamente integrati e miniaturizzati. Con il proseguimento della Legge di Moore (Figura 4), l'integrazione dei chip semiconduttori continua ad aumentare, le dimensioni dei componenti continuano a ridursi e il processo di produzione deve garantire precisione e stabilità estremamente elevate.

Figura 4 (a) Il numero di transistor in un chip continua ad aumentare nel tempo; (b) La dimensione del chip continua a ridursi [5]

Inoltre, la complessità e il controllo dei costi del processo di produzione dei semiconduttori. Il processo di produzione dei semiconduttori è complesso e si basa su apparecchiature di precisione e ogni collegamento deve essere controllato accuratamente. Gli elevati costi delle apparecchiature, dei materiali e della ricerca e sviluppo rendono elevati i costi di produzione dei prodotti a semiconduttori. Pertanto, è necessario continuare a esplorare e ridurre i costi garantendo al tempo stesso la resa del prodotto.

Allo stesso tempo, l’industria manifatturiera dei semiconduttori deve rispondere rapidamente alla domanda del mercato. Con i rapidi cambiamenti della domanda del mercato. Il modello di produzione tradizionale presenta i problemi del ciclo lungo e della scarsa flessibilità, che rendono difficile soddisfare la rapida iterazione dei prodotti del mercato. Pertanto, un metodo di produzione più efficiente e flessibile è diventato anche la direzione di sviluppo dell’industria dei semiconduttori.

Applicazione diStampa 3Dnell'industria dei semiconduttori

Anche nel campo dei semiconduttori, la tecnologia di stampa 3D ha continuamente dimostrato la sua applicazione.

Innanzitutto, la tecnologia di stampa 3D ha un elevato grado di libertà nella progettazione strutturale e può ottenere uno stampaggio “integrato”, il che significa che è possibile progettare strutture più sofisticate e complesse. Figura 5 (a), 3D System ottimizza la struttura interna di dissipazione del calore attraverso la progettazione ausiliaria artificiale, migliora la stabilità termica dello stadio del wafer, riduce il tempo di stabilizzazione termica del wafer e migliora la resa e l'efficienza della produzione dei chip. Ci sono anche condutture complesse all'interno della macchina litografica. Attraverso la stampa 3D, è possibile "integrare" strutture complesse di condutture per ridurre l'uso di tubi flessibili e ottimizzare il flusso di gas nella conduttura, riducendo così l'impatto negativo delle interferenze meccaniche e delle vibrazioni e migliorando la stabilità del processo di lavorazione dei trucioli.

Figura 5 Il sistema 3D utilizza la stampa 3D per formare parti (a) stadio wafer della macchina litografica; (b) tubazione del collettore [6]

In termini di selezione dei materiali, la tecnologia di stampa 3D può realizzare materiali difficili da formare con i metodi di lavorazione tradizionali. I materiali in carburo di silicio hanno elevata durezza e alto punto di fusione. I metodi di lavorazione tradizionali sono difficili da formare e hanno un ciclo produttivo lungo. La formazione di strutture complesse richiede una lavorazione assistita da stampi. Sublimation 3D ha sviluppato una stampante 3D indipendente a doppio ugello UPS-250 e ha preparato imbarcazioni in cristallo di carburo di silicio. Dopo la sinterizzazione della reazione, la densità del prodotto è di 2,95~3,02 g/cm3.

Figura 6Barchetta in cristallo al carburo di silicio[7]

Figura 7 (a) Attrezzatura per la co-stampa 3D; (b) la luce UV viene utilizzata per costruire strutture tridimensionali e il laser viene utilizzato per generare nanoparticelle d'argento; (c) Principio della co-stampa 3D di componenti elettronici[8]

Il processo tradizionale dei prodotti elettronici è complesso e sono necessarie più fasi di processo, dalle materie prime ai prodotti finiti. Xiao et al.[8] ha utilizzato la tecnologia di co-stampa 3D per costruire selettivamente strutture corporee o incorporare metalli conduttivi su superfici a forma libera per produrre dispositivi elettronici 3D. Questa tecnologia prevede un solo materiale di stampa, che può essere utilizzato per costruire strutture polimeriche tramite polimerizzazione UV o per attivare precursori metallici in resine fotosensibili tramite scansione laser per produrre nanoparticelle metalliche per formare circuiti conduttivi. Inoltre, il circuito conduttivo risultante presenta un'eccellente resistività pari a circa 6,12 µΩm. Regolando la formula del materiale e i parametri di lavorazione, la resistività può essere ulteriormente controllata tra 10-6 e 10Ωm. Si può vedere che la tecnologia di co-stampa 3D risolve la sfida della deposizione multi-materiale nella produzione tradizionale e apre un nuovo percorso per la produzione di prodotti elettronici 3D.

Il confezionamento dei chip è un anello chiave nella produzione di semiconduttori. La tecnologia di imballaggio tradizionale presenta anche problemi quali processi complessi, fallimento della gestione termica e stress causati dalla mancata corrispondenza dei coefficienti di dilatazione termica tra i materiali, che portano al fallimento dell'imballaggio. La tecnologia di stampa 3D può semplificare il processo di produzione e ridurre i costi stampando direttamente la struttura dell’imballaggio. Feng et al. [9] hanno preparato materiali di imballaggio elettronici a cambiamento di fase e li hanno combinati con la tecnologia di stampa 3D per confezionare chip e circuiti. Il materiale di imballaggio elettronico a cambiamento di fase preparato da Feng et al. ha un elevato calore latente di 145,6 J/ge ha una significativa stabilità termica ad una temperatura di 130°C. Rispetto ai tradizionali materiali di imballaggio elettronico, il suo effetto di raffreddamento può raggiungere i 13°C.

Figura 8 Diagramma schematico dell'utilizzo della tecnologia di stampa 3D per incapsulare accuratamente i circuiti con materiali elettronici a cambiamento di fase; (b) Il chip LED a sinistra è stato incapsulato con materiali di imballaggio elettronici a cambiamento di fase e il chip LED a destra non è stato incapsulato; (c) Immagini a infrarossi di chip LED con e senza incapsulamento; (d) Curve di temperatura con la stessa potenza e diversi materiali di imballaggio; (e) Circuito complesso senza schema di confezionamento del chip LED; (f) Diagramma schematico della dissipazione del calore dei materiali di imballaggio elettronici a cambiamento di fase [9]

Sfide della tecnologia di stampa 3D nel settore dei semiconduttori

Sebbene la tecnologia di stampa 3D abbia mostrato un grande potenziale nelindustria dei semiconduttori. Tuttavia, ci sono ancora molte sfide.

In termini di precisione dello stampaggio, l’attuale tecnologia di stampa 3D può raggiungere una precisione di 20μm, ma è ancora difficile soddisfare gli elevati standard della produzione di semiconduttori. In termini di selezione dei materiali, sebbene la tecnologia di stampa 3D possa formare una varietà di materiali, la difficoltà di stampaggio di alcuni materiali con proprietà speciali (carburo di silicio, nitruro di silicio, ecc.) è ancora relativamente elevata. In termini di costi di produzione, la stampa 3D funziona bene nella produzione personalizzata in piccoli lotti, ma la sua velocità di produzione è relativamente lenta nella produzione su larga scala e il costo delle attrezzature è elevato, il che rende difficile soddisfare le esigenze della produzione su larga scala . Tecnicamente, sebbene la tecnologia di stampa 3D abbia raggiunto determinati risultati di sviluppo, è ancora una tecnologia emergente in alcuni campi e richiede ulteriori ricerche, sviluppo e miglioramenti per migliorarne la stabilità e l'affidabilità.