Eksplorasi penerapan teknologi pencetakan 3D di industri semikonduktor

Di era perkembangan teknologi yang pesat, pencetakan 3D, sebagai representasi penting dari teknologi manufaktur maju, secara bertahap mengubah wajah manufaktur tradisional. Dengan kematangan teknologi yang berkelanjutan dan pengurangan biaya, teknologi pencetakan 3D telah menunjukkan prospek penerapan yang luas di banyak bidang seperti dirgantara, manufaktur mobil, peralatan medis, dan desain arsitektur, serta telah mendorong inovasi dan pengembangan industri-industri ini.

Perlu dicatat bahwa potensi dampak teknologi pencetakan 3D di bidang semikonduktor berteknologi tinggi menjadi semakin menonjol. Sebagai landasan perkembangan teknologi informasi, ketepatan dan efisiensi proses manufaktur semikonduktor mempengaruhi kinerja dan biaya produk elektronik. Dihadapkan dengan kebutuhan presisi tinggi, kompleksitas tinggi, dan iterasi cepat dalam industri semikonduktor, teknologi pencetakan 3D, dengan keunggulan uniknya, telah membawa peluang dan tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya pada manufaktur semikonduktor, dan secara bertahap merambah ke semua tautan di industri semikonduktor.rantai industri semikonduktor, menunjukkan bahwa industri semikonduktor akan membawa perubahan besar.

Oleh karena itu, menganalisis dan mengeksplorasi penerapan teknologi pencetakan 3D di masa depan dalam industri semikonduktor tidak hanya akan membantu kita memahami perkembangan teknologi mutakhir ini, namun juga memberikan dukungan teknis dan referensi untuk peningkatan industri semikonduktor. Artikel ini menganalisis kemajuan terkini teknologi pencetakan 3D dan potensi penerapannya dalam industri semikonduktor, dan menantikan bagaimana teknologi ini dapat memajukan industri manufaktur semikonduktor.

Teknologi pencetakan 3D

Pencetakan 3D juga dikenal sebagai teknologi manufaktur aditif. Prinsipnya adalah membangun entitas tiga dimensi dengan menumpuk material lapis demi lapis. Metode produksi inovatif ini merongrong mode pemrosesan manufaktur tradisional yang "subtraktif" atau "bahan yang sama", dan dapat "mengintegrasikan" produk cetakan tanpa bantuan cetakan. Ada banyak jenis teknologi pencetakan 3D, dan masing-masing teknologi memiliki kelebihannya masing-masing.

Menurut prinsip pencetakan teknologi pencetakan 3D, ada empat jenis utama.

✔ Teknologi photocuring didasarkan pada prinsip polimerisasi ultraviolet. Bahan fotosensitif cair disembuhkan dengan sinar ultraviolet dan ditumpuk lapis demi lapis. Saat ini, teknologi tersebut dapat membentuk keramik, logam, dan resin dengan presisi cetakan yang tinggi. Dapat digunakan di bidang medis, seni, dan industri penerbangan.

✔ Teknologi deposisi menyatu, melalui kepala cetak yang digerakkan oleh komputer untuk memanaskan dan melelehkan filamen, dan mengeluarkannya sesuai dengan lintasan bentuk tertentu, lapis demi lapis, dan dapat membentuk bahan plastik dan keramik.

✔ Teknologi penulisan langsung bubur menggunakan bubur dengan viskositas tinggi sebagai bahan tinta, yang disimpan dalam tong dan dihubungkan ke jarum ekstrusi, dan dipasang pada platform yang dapat menyelesaikan gerakan tiga dimensi di bawah kendali komputer. Melalui tekanan mekanis atau tekanan pneumatik, bahan tinta didorong keluar dari nosel untuk terus menerus mengekstrusi substrat hingga terbentuk, dan kemudian pasca-pemrosesan yang sesuai (pelarut yang mudah menguap, pengawetan termal, pengawetan ringan, sintering, dll.) dilakukan. sesuai dengan sifat material untuk mendapatkan komponen tiga dimensi akhir. Saat ini, teknologi tersebut dapat diterapkan pada bidang biokeramik dan pengolahan makanan.

✔Teknologi fusi lapisan bubuk dapat dibagi menjadi teknologi peleburan selektif laser (SLM) dan teknologi sintering selektif laser (SLS). Kedua teknologi tersebut menggunakan bahan bubuk sebagai objek pengolahannya. Diantaranya, energi laser SLM lebih tinggi sehingga dapat membuat bubuk meleleh dan mengeras dalam waktu singkat. SLS dapat dibagi menjadi SLS langsung dan SLS tidak langsung. Energi SLS langsung lebih tinggi, dan partikel dapat langsung disinter atau dicairkan untuk membentuk ikatan antar partikel. Oleh karena itu, SLS langsung mirip dengan SLM. Partikel bubuk mengalami pemanasan dan pendinginan yang cepat dalam waktu singkat, yang membuat blok cetakan memiliki tegangan internal yang besar, kepadatan keseluruhan yang rendah, dan sifat mekanik yang buruk; energi laser SLS tidak langsung lebih rendah, dan pengikat dalam bubuk dicairkan oleh sinar laser dan partikel-partikelnya terikat. Setelah pembentukan selesai, pengikat internal dihilangkan dengan degreasing termal, dan akhirnya dilakukan sintering. Teknologi fusi lapisan bubuk dapat membentuk logam dan keramik dan saat ini digunakan di bidang manufaktur dirgantara dan otomotif.

Gambar 1 (a) Teknologi pemotretan; (b) Teknologi deposisi menyatu; (c) Teknologi penulisan langsung bubur; (d) Teknologi fusi lapisan bubuk [1, 2]

Dengan terus berkembangnya teknologi pencetakan 3D, keunggulannya terus ditunjukkan mulai dari pembuatan prototipe hingga produk akhir. Pertama, dalam hal kebebasan merancang struktur produk, keuntungan paling signifikan dari teknologi pencetakan 3D adalah teknologi ini dapat secara langsung membuat struktur benda kerja yang rumit. Selanjutnya dalam hal pemilihan material objek cetakan, teknologi pencetakan 3D dapat mencetak berbagai macam material, antara lain logam, keramik, bahan polimer, dll. Dari segi proses pembuatannya, teknologi pencetakan 3D memiliki tingkat fleksibilitas yang tinggi dan dapat menyesuaikan proses pembuatan dan parameter sesuai dengan kebutuhan sebenarnya.

Industri semikonduktor

Industri semikonduktor memainkan peran penting dalam ilmu pengetahuan, teknologi, dan perekonomian modern, dan pentingnya hal ini tercermin dalam banyak aspek. Semikonduktor digunakan untuk membangun sirkuit mini, yang memungkinkan perangkat melakukan tugas komputasi dan pemrosesan data yang kompleks. Dan sebagai pilar penting perekonomian global, industri semikonduktor menyediakan banyak lapangan kerja dan manfaat ekonomi bagi banyak negara. Hal ini tidak hanya secara langsung mendorong perkembangan industri manufaktur elektronik, tetapi juga mendorong pertumbuhan industri seperti pengembangan perangkat lunak dan desain perangkat keras. Selain itu, di bidang militer dan pertahanan,teknologi semikonduktorsangat penting untuk peralatan utama seperti sistem komunikasi, radar, dan navigasi satelit, yang menjamin keamanan nasional dan keuntungan militer.

Bagan 2 "Rencana Lima Tahun ke-14" (kutipan) [3]

Oleh karena itu, industri semikonduktor saat ini telah menjadi simbol penting daya saing nasional, dan semua negara sedang giat mengembangkannya. "Rencana Lima Tahun ke-14" negara saya mengusulkan untuk fokus mendukung berbagai mata rantai "hambatan" utama dalam industri semikonduktor, terutama termasuk proses lanjutan, peralatan utama, semikonduktor generasi ketiga, dan bidang lainnya.

Bagan 3 Proses pengolahan chip semikonduktor [4]

Proses pembuatan chip semikonduktor sangatlah kompleks. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, ini terutama mencakup langkah-langkah utama berikut:persiapan wafer, litografi,etsa, deposisi film tipis, implantasi ion, dan pengujian pengemasan. Setiap proses memerlukan kontrol yang ketat dan pengukuran yang tepat. Masalah pada tautan mana pun dapat menyebabkan kerusakan pada chip atau penurunan kinerja. Oleh karena itu, manufaktur semikonduktor memiliki persyaratan yang sangat tinggi terhadap peralatan, proses, dan personel.

Meskipun manufaktur semikonduktor tradisional telah mencapai kesuksesan besar, masih ada beberapa keterbatasan: Pertama, chip semikonduktor sangat terintegrasi dan berukuran kecil. Dengan kelanjutan Hukum Moore (Gambar 4), integrasi chip semikonduktor terus meningkat, ukuran komponen terus menyusut, dan proses manufaktur perlu memastikan presisi dan stabilitas yang sangat tinggi.

Gambar 4 (a) Jumlah transistor dalam sebuah chip terus bertambah seiring berjalannya waktu; (b) Ukuran chip terus menyusut [5]

Selain itu, kompleksitas dan pengendalian biaya proses pembuatan semikonduktor. Proses pembuatan semikonduktor rumit dan bergantung pada peralatan presisi, dan setiap tautan perlu dikontrol secara akurat. Tingginya biaya peralatan, biaya material dan biaya R&D membuat biaya produksi produk semikonduktor menjadi tinggi. Oleh karena itu, perlu terus dilakukan eksplorasi dan pengurangan biaya sekaligus memastikan rendemen produk.

Pada saat yang sama, industri manufaktur semikonduktor perlu merespons permintaan pasar dengan cepat. Dengan cepatnya perubahan permintaan pasar. Model manufaktur tradisional memiliki masalah siklus yang panjang dan fleksibilitas yang buruk, sehingga sulit untuk memenuhi iterasi produk yang cepat di pasar. Oleh karena itu, metode manufaktur yang lebih efisien dan fleksibel juga menjadi arah pengembangan industri semikonduktor.

Aplikasi dariPencetakan 3Ddalam industri semikonduktor

Di bidang semikonduktor, teknologi pencetakan 3D juga terus menunjukkan penerapannya.

Pertama, teknologi pencetakan 3D memiliki tingkat kebebasan yang tinggi dalam desain struktur dan dapat mencapai pencetakan "terintegrasi", yang berarti struktur yang lebih canggih dan kompleks dapat dirancang. Gambar 5 (a), Sistem 3D mengoptimalkan struktur pembuangan panas internal melalui desain tambahan buatan, meningkatkan stabilitas termal tahap wafer, mengurangi waktu stabilisasi termal wafer, dan meningkatkan hasil dan efisiensi produksi chip. Ada juga jaringan pipa yang rumit di dalam mesin litografi. Melalui pencetakan 3D, struktur pipa yang kompleks dapat "diintegrasikan" untuk mengurangi penggunaan selang dan mengoptimalkan aliran gas dalam pipa, sehingga mengurangi dampak negatif gangguan mekanis dan getaran serta meningkatkan stabilitas proses pemrosesan chip.

Gambar 5 Sistem 3D menggunakan pencetakan 3D untuk membentuk bagian (a) tahap wafer mesin litografi; (b) pipa manifold [6]

Dalam hal pemilihan material, teknologi pencetakan 3D dapat mewujudkan material yang sulit dibentuk dengan metode pengolahan tradisional. Bahan silikon karbida memiliki kekerasan tinggi dan titik leleh tinggi. Cara pengolahan tradisional sulit dibentuk dan memiliki siklus produksi yang panjang. Pembentukan struktur yang kompleks memerlukan pemrosesan dengan bantuan cetakan. Sublimasi 3D telah mengembangkan printer 3D nosel ganda independen UPS-250 dan menyiapkan perahu kristal silikon karbida. Setelah reaksi sintering, kepadatan produk adalah 2,95~3,02g/cm3.

Gambar 6Perahu kristal silikon karbida[7]

Gambar 7 (a) Peralatan pencetakan bersama 3D; (b) Sinar UV digunakan untuk membangun struktur tiga dimensi, dan laser digunakan untuk menghasilkan nanopartikel perak; (c) Prinsip komponen elektronik pencetakan bersama 3D[8]

Proses produk elektronik tradisional rumit, dan diperlukan beberapa langkah proses mulai dari bahan mentah hingga produk jadi. Xiao dkk.[8] menggunakan teknologi pencetakan bersama 3D untuk membuat struktur bodi secara selektif atau menyematkan logam konduktif pada permukaan bentuk bebas untuk memproduksi perangkat elektronik 3D. Teknologi ini hanya melibatkan satu bahan pencetakan, yang dapat digunakan untuk membangun struktur polimer melalui pengawetan UV, atau untuk mengaktifkan prekursor logam dalam resin fotosensitif melalui pemindaian laser untuk menghasilkan partikel logam nano untuk membentuk sirkuit konduktif. Selain itu, rangkaian konduktif yang dihasilkan menunjukkan resistivitas yang sangat baik serendah sekitar 6,12µΩm. Dengan menyesuaikan formula material dan parameter pemrosesan, resistivitas dapat dikontrol lebih lanjut antara 10-6 dan 10Ωm. Dapat dilihat bahwa teknologi pencetakan bersama 3D memecahkan tantangan pengendapan multi-material dalam manufaktur tradisional dan membuka jalur baru dalam pembuatan produk elektronik 3D.

Pengemasan chip adalah mata rantai utama dalam manufaktur semikonduktor. Teknologi pengemasan tradisional juga memiliki permasalahan seperti proses yang rumit, kegagalan manajemen termal, dan tekanan yang disebabkan oleh ketidaksesuaian koefisien muai panas antar bahan, yang mengakibatkan kegagalan pengemasan. Teknologi pencetakan 3D dapat menyederhanakan proses pembuatan dan mengurangi biaya dengan mencetak langsung struktur kemasan. Feng dkk. [9] menyiapkan bahan kemasan elektronik perubahan fase dan menggabungkannya dengan teknologi pencetakan 3D untuk mengemas chip dan sirkuit. Bahan kemasan elektronik perubahan fasa disiapkan oleh Feng et al. memiliki panas laten yang tinggi sebesar 145,6 J/g dan memiliki stabilitas termal yang signifikan pada suhu 130°C. Dibandingkan dengan bahan kemasan elektronik tradisional, efek pendinginannya bisa mencapai 13°C.

Gambar 8 Diagram skema penggunaan teknologi pencetakan 3D untuk merangkum sirkuit dengan bahan elektronik perubahan fasa secara akurat; (b) Chip LED di sebelah kiri telah dienkapsulasi dengan bahan kemasan elektronik perubahan fasa, dan chip LED di sebelah kanan belum dienkapsulasi; (c) Gambar inframerah dari chip LED dengan dan tanpa enkapsulasi; (d) Kurva suhu pada daya yang sama dan bahan pengemas berbeda; (e) Rangkaian kompleks tanpa diagram pengemasan chip LED; (f) Diagram skema pembuangan panas bahan kemasan elektronik perubahan fasa [9]

Tantangan teknologi pencetakan 3D di industri semikonduktor

Meskipun teknologi pencetakan 3D telah menunjukkan potensi besar dalam hal iniindustri semikonduktor. Namun, masih banyak tantangan yang dihadapi.

Dalam hal akurasi pencetakan, teknologi pencetakan 3D saat ini dapat mencapai akurasi 20μm, namun masih sulit untuk memenuhi standar tinggi manufaktur semikonduktor. Dalam hal pemilihan material, meskipun teknologi pencetakan 3D dapat membentuk berbagai macam material, namun kesulitan pencetakan beberapa material dengan sifat khusus (silikon karbida, silikon nitrida, dll.) masih tergolong tinggi. Dalam hal biaya produksi, pencetakan 3D berkinerja baik dalam produksi kustom dalam jumlah kecil, tetapi kecepatan produksinya relatif lambat dalam produksi skala besar, dan biaya peralatan tinggi, sehingga sulit untuk memenuhi kebutuhan produksi skala besar. . Secara teknis, meskipun teknologi pencetakan 3D telah mencapai hasil pengembangan tertentu, teknologi ini masih merupakan teknologi baru di beberapa bidang dan memerlukan penelitian dan pengembangan lebih lanjut serta peningkatan untuk meningkatkan stabilitas dan keandalannya.