深度剖析3D打印如何升级半导体制造技术

2021-03-31 3D科学谷 1183
近年来,由于电子元器件及其应用产品的飞速发展,热损耗与热安全问题日益凸显,电子产品散热器作为散热功能性部件,在电子产品应用领域扮演越来越重要的角色。据公开文献调查,电子产品的热管理是一个价值100亿美元的市场,并且是该技术的潜在受益者。

而3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色,3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势,特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工,3D打印具有传统制造技术不具备的优势。


改变-在静悄悄的进行中!
虽然半导体行业一直在使用3D打印技术,我们可能会有一个疑问,为什么我们没有听说,一个因素是竞争。如果全球只有四个庞大的大型公司,它们构成了光刻或制造机器的主要部分,那么这些公司并没有告诉外界关于他们应用3D打印技术的内幕,因为他们想确保的竞争优势。至少,对外界揭示其优化设备性能的技术,这种主观动机并不强。

增材制造改善半导体工艺是多方面的,从轻量化,到随形冷却 ,再到结构一体化实现,根据3D科学谷的市场观察,增材制造使得半导体设备中的零件性能迈向了一个新的进化时代!

轻量化
光刻机中有超过100,000个组件。其中的每一个都是相对少量的,从实施到生产运行可能需要成千上万的专用零件。这是一个复杂的系统,其中包含来自供应商的相对较低数量的大型供应链。因此,在光刻机内部的几乎所有位置设计了折衷方案。

在许多情况下,3D打印-增材制造可能使这些系统能够更接近理论上预期的工作环境,而不是在机器操作上做出妥协。3D打印带来的直接好处包括更高的精度、更高的生产能力、更快的周期时间,甚至使得每台机器每周生产更多的晶圆。某些情况下,还将看到整个晶片的成像质量更高。这将意味着更少的浪费和更高质量的产品。

增材制造使光刻机零件可以优化强度重量比,譬如针对大型电枢组件,增材制造可通过设计的灵活性来优化组件,以便组件仅占用最小的空间,但具有执行任务的实力。拓扑优化或结构优化使设计人员可以创建重量较轻的相对较大的零件,例如使用点阵晶格结构。

根据3D科学谷的市场观察,荷兰3D打印公司-Additive Industries,Mi-Partners,TUDelft和ASML Research融合了最先进的创成式设计,先进的系统控制和大尺寸金属3D打印,增材制造了晶片卡盘,可以提高定位速度,降低半导体行业的成本。


3D打印的晶片卡盘


业界将ASML芯片机中的晶圆台称为“飞毯”,因为它是一个浮动的平台,在磁场中以闪电般的速度运动。每轮机器人会在该平台上放置一块晶圆。随着运动,芯片上的图案被照亮了数百次,而精确度是头发丝的十分之一。

十多年来,MI Partners工程公司一直致力于使该“飞毯”更好,更轻。当MI Partners公司计划将晶片从30厘米扩大到45厘米时,就开始了这一工作。这将使晶圆台变得庞大和沉重,以至于难以快速移动,MI Partners工程公司的任务是研究如何使它尽可能轻。

通过3D打印技术,根据3D科学谷的深度了解,卡盘的前两个原型已经实现了30%的重量减轻,并且平台仅重约8公斤。

随形通道
光刻机内部有许多歧管流体管线,3D打印-增材制造在生产具有随形或内部冷却结构的零件方面要好得多,以获得更好的流体歧管动力学性能。设计人员不再必须为了适应制造技术而折衷设计。对于光刻机,设计人员可以消除以前使用的各种管子的连接。

通过增材制造,可以构建优先考虑功能实现更复杂的流体歧管或冷却结构设计,并不需要像传统设计那样折衷。最终将获得平滑的通道或没有直角弯曲的通道,提升动力学性能。

另一个例子是晶圆台。可以设计出可以超出想象的晶圆台内部的复杂冷却结构。通过仿真可以更好的获得想要实现的冷却性能。

根据3D科学谷的市场研究,国际上,半导体制造设备企业Varian Semiconductor Equipment Associates采用增材制造技术制造离子注入机中的冷却部件,部件内部集成了冷却导管。

在采用增材制造技术的情况下,导管的设计空间得以提升,例如可以设计为拥有螺旋形状的结构,可以将导管横截面设计为多边形,也可以在部件内集成多个导管,至少一个可具有圆形横截面,还可以再导管内表面上制造一组凸起的表面特征,这组凸起的表面特征可以延伸到导管的内部区域中。

与传统设计及制造方式相比,3D打印导管可以设计为复杂的形状、轮廓和横截面,这是使用常规减法制造技术(例如,钻孔)无法实现的。在设计时可以将冷却部件设计成更接近理想的几何形状,从而改进流体系统的热性能。另外,3D打印技术能够有效控制导管的内表面光洁度及其特征,起到影响流体的流动特性的作用,通过改变导管的内表面特征,可以改变流动特性(例如湍流),这是传统设计的导管所无法实现的。

根据3D科学谷的市场判断,科林研发有可能将金属3D打印用于制造关键的零部件,尤其是带冷却功能的零部件,用于提升其半导体制造设备性能。

结构一体化设计-替代钎焊
传统上,调节板和冷却台是铜焊的。将多个零件钎焊在一起以创建单个组件。增材制造在此提供的优势在于,可以设计结构一体化的零件,从而减少零件的数量,并替代钎焊。

单一的结构对设计迭代也带来了直观的好处,我们可以想象,要通过传统的供应链,订购多个零件可能需要一两个月才能得到,因为必须通过订购系统,有人必须加工,有人必须组装,有人可能需要测试进行质量检查。然后才进入到供货物流系统中,而将这些不同的零件组装在一起后,才可以对其进行最终测试。这使得每一次设计迭代都变得缓慢而昂贵。

但是,通过3D打印-增材制造技术,就可以省去所有这些步骤。尤其是对于实现结构一体化的组件来说,可以快速迭代新的设计概念,节约繁杂的重新订购不同零件的成本与时间,这将使设计师更快地获得理想的功能优势。

内容来源:3D科学谷
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