Yarı iletken endüstrisinde 3 boyutlu baskı teknolojisinin keşif amaçlı uygulaması

Hızlı teknolojik gelişme çağında, ileri üretim teknolojisinin önemli bir temsilcisi olan 3D baskı, geleneksel imalatın çehresini giderek değiştiriyor. Teknolojinin sürekli olgunlaşması ve maliyetlerin azalmasıyla birlikte 3D baskı teknolojisi, havacılık, otomobil üretimi, tıbbi ekipman ve mimari tasarım gibi birçok alanda geniş uygulama olanakları sunmuş ve bu endüstrilerin inovasyonunu ve gelişimini teşvik etmiştir.

3D baskı teknolojisinin yarı iletkenlerin yüksek teknoloji alanındaki potansiyel etkisinin giderek daha belirgin hale geldiğini belirtmekte fayda var. Bilgi teknolojisinin gelişiminin temel taşı olan 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 avantajlarıyla birlikte yarı iletken üretimine benzeri görülmemiş fırsatlar ve zorluklar getirdi ve yavaş yavaş dünyanın tüm bağlantılarına nüfuz etti.yarı iletken endüstri zinciriyarı iletken endüstrisinin derin bir değişime öncülük etmek üzere olduğunu gösteriyor.

Bu nedenle, yarı iletken endüstrisinde 3D baskı teknolojisinin gelecekteki uygulamasını analiz etmek ve keşfetmek, yalnızca bu ileri teknolojinin gelişim nabzını yakalamamıza yardımcı olmakla kalmayacak, aynı zamanda yarı iletken endüstrisinin geliştirilmesi için teknik destek ve referans da sağlayacaktır. Bu makale, 3D baskı teknolojisindeki en son gelişmeleri ve yarı iletken endüstrisindeki potansiyel uygulamalarını analiz ediyor ve bu teknolojinin yarı iletken imalat endüstrisini nasıl destekleyebileceğini sabırsızlıkla 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 göre avantajları vardır.

3D baskı teknolojisinin kalıplama prensibine göre başlıca dört tip bulunmaktadır.

✔ 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.

✔ Filamenti ısıtmak ve eritmek için bilgisayar destekli baskı kafası aracılığıyla kaynaştırılmış biriktirme teknolojisi ve onu belirli bir şekil yörüngesine göre katman katman ekstrüde eder 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) Işıkla sertleştirme teknolojisi; (b) Erimiş biriktirme teknolojisi; (c) Bulamaç doğrudan yazma teknolojisi; (d) Toz yataklı 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.

Tablo 2 "14. Beş Yıllık Plan" (alıntı) [3]

Bu nedenle mevcut yarı iletken endüstrisi ulusal rekabet gücünün önemli bir sembolü haline geldi ve tüm ülkeler bunu aktif olarak geliştiriyor. ülkemin "14. Beş Yıllık Planı", yarı iletken endüstrisindeki çeşitli önemli "darboğaz" bağlantılarının desteklenmesine odaklanmayı önermektedir; bunlar arasında, özellikle gelişmiş süreçler, temel ekipmanlar, üçüncü nesil yarı iletkenler ve diğer alanlar yer almaktadır.

Tablo 3 Yarı iletken çip işleme süreci [4]

Yarı iletken çiplerin üretim süreci son derece karmaşıktır. Şekil 3'te gösterildiği gibi temel olarak aşağıdaki temel adımları içerir:gofret hazırlamalitografi,gravür, ince film biriktirme, iyon implantasyonu ve paketleme testleri. Her proses sıkı kontrol ve hassas ölçüm gerektirir. Herhangi bir bağlantıdaki sorun çipin zarar görmesine veya performansın düşmesine neden olabilir. Bu nedenle yarı iletken üretiminin ekipman, süreç ve personel açısından 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 imalat endüstrisinin pazar talebine hızla yanıt vermesi gerekiyor. Piyasa talebindeki hızlı değişikliklerle birlikte. Geleneksel üretim modelinin uzun döngü ve zayıf esneklik gibi sorunları vardır, bu da pazarın hızlı ürün yinelemelerini karşılamayı zorlaştırır. Bu nedenle daha verimli ve esnek bir üretim yöntemi aynı zamanda yarı iletken endüstrisinin de gelişim yönü haline gelmiştir.

Uygulama3D baskıyarı iletken endüstrisinde

Yarı iletken alanında da 3D baskı teknolojisinin uygulaması sürekli olarak kanıtlanmıştır.

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 şekillendirilmesi zor olan malzemeleri gerçekleştirebilmektedir. Silisyum karbür malzemeler yüksek sertliğe ve yüksek erime noktasına sahiptir. Geleneksel işleme yöntemlerinin oluşturulması zordur ve uzun bir üretim döngüsüne sahiptir. Karmaşık yapıların oluşumu kalıp destekli işlemeyi gerektirir. Sublimation 3D, bağımsız bir çift nozullu 3D yazıcı UPS-250 geliştirdi ve silisyum 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 ortak baskı ekipmanı; (b) Üç boyutlu yapılar oluşturmak için UV ışığı kullanılır ve gümüş nanopartiküller oluşturmak için lazer kullanılır; (c) 3D ortak baskı elektronik bileşenlerinin ilkesi[8]

Geleneksel elektronik ürün süreci karmaşıktır ve ham maddelerden son ürünlere kadar birden fazla süreç adımı gereklidir. Xiao ve ark.[8] 3D elektronik cihazlar üretmek için gövde yapılarını seçici olarak oluşturmak veya serbest biçimli yüzeylere iletken metaller yerleştirmek için 3D ortak baskı teknolojisini kullandı. Bu teknoloji, UV kürleme yoluyla polimer yapılar oluşturmak veya iletken devreler oluşturmak üzere nano-metal parçacıklar üretmek için lazer tarama yoluyla ışığa duyarlı reçinelerdeki metal öncüllerini aktive etmek için kullanılabilen yalnızca tek bir baskı malzemesini içerir. Ek olarak, ortaya çıkan iletken devre yaklaşık 6,12 µΩm kadar düşük mükemmel bir direnç sergiliyor. Malzeme formülünü ve işleme parametrelerini ayarlayarak direnç 10-6 ile 10Ωm arasında daha da kontrol edilebilir. 3D ortak baskı teknolojisinin, geleneksel üretimdeki çoklu malzeme biriktirme sorununu çözdüğü ve 3D elektronik ürünlerin imalatında yeni bir yol açtığı görülebilir.

Çip paketleme, yarı iletken üretiminde önemli bir bağlantıdır. Geleneksel paketleme teknolojisinde ayrıca karmaşık süreç, termal yönetimin başarısızlığı ve malzemeler arasındaki termal genleşme katsayılarının uyumsuzluğundan kaynaklanan ve paketleme hatasına yol açan stres gibi sorunlar da vardır. 3D baskı teknolojisi, ambalaj yapısını doğrudan yazdırarak üretim sürecini basitleştirebilir ve maliyetleri azaltabilir. Feng ve ark. [9] faz değiştiren elektronik ambalaj malzemeleri hazırladı ve bunları çipleri ve devreleri paketlemek için 3 boyutlu baskı teknolojisiyle birleştirdi. Feng ve arkadaşları tarafından hazırlanan faz değişimli elektronik ambalaj malzemesi. 145,6 J/g'lik yüksek bir gizli ısıya sahiptir ve 130°C sıcaklıkta önemli bir 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]

Yarı iletken endüstrisinde 3 boyutlu baskı teknolojisinin zorlukları

Her ne kadar 3D baskı teknolojisi sektörde büyük bir potansiyel gösterse deyarı iletken endüstrisi. Ancak hâlâ 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.