为什么半导体行业必须拥抱3D打印？
2021-05-01
14:00:51
来源: 半导体行业观察
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全球供应链已经感受到流感大流行的影响已有相当长的一段时间了，即使世界上更多地区和商务中心逐渐重新开放并吸引更多人员回到现场，生产线中断的挑战仍将继续存在。在可预见的将来，最大的挑战仍然是半导体的短缺，而且已经出现了几个月的迹象。
去年12月，大众汽车表示半导体瓶颈意味着到2021年第一季度汽车产量将减少100,000辆，因为其零部件制造商无法确保供应。Nissan，雷诺，戴姆勒和通用汽车也在努力应对短缺问题，这可能导致每周减少多达20％的产量。
2月，袭击得克萨斯州的突如其来的暴风雪也严重影响了支持半导体生产的供应链，造成了更多延误。
半导体制造厂（也称为晶圆厂）需要新的生产线以增加产能。一个关键的挑战是，半导体资本设备制造商帮助，以使晶圆厂在满足需求无法转动自己的产品开发周期和生产，以满足不断增长的需求。他们对传统制造技术的依赖给他们带来了挑战，但是集成增材制造（AM）可能会改变游戏规则。
当试图快速提高产量时，传统的制造工作流程受到一些限制的阻碍。增材制造（也称为3D打印）消除了这些限制，从而实现了设计的自由，并实现了从原型到定制零件的小批量生产的无缝过渡。特别是AM的三种应用，已向固定设备制造商展示了其优势。
晶圆台热管理。更好的关键半导体设备组件（例如晶圆台）的热管理可以将半导体设备的精度提高1-2 nm，同时提高速度和吞吐量。更高的机器速度和正常运行时间可导致加工更多的晶圆和更高的总体生命周期价值。
在光刻过程中，保持在mlikelvin（mK）范围内的温度至关重要，因为任何系统干扰都会产生影响。通过增材制造（DfAM）设计，可以优化内部冷却通道和表面图案，从而显着提高表面温度和热梯度，同时减少时间常数。一家大型半导体资本设备制造商使用AM生产他们的晶圆台，实现了ΔT降低83％（从13.8到2.3 mK），并使晶圆稳定时间缩短了5倍。
使用AM生产晶片工作台的另一个好处是结构优化以及零件数量和装配减少的工作台。使用传统技术生产零件依赖于钎焊将零件连接在一起，这是一个漫长的，低产量的工艺，废品率高达50％。用整体增材制造的零件代替多零件组件可提高可靠性，提高制造良率并降低人工成本。
歧管流体流量优化。使用传统的制造工艺来生产复杂的流体歧管，会导致大型笨重的零件，这些零件由于组件之间的突然过渡以及带有尖角的通道而导致流体流动不理想，从而导致干扰，压降，停滞区域和泄漏。
当采用AM生产这些相同的歧管时，工程师可以优化其设计以减少压降，机械干扰和振动。流量引起的干扰力降低90％可以减少系统振动，并提高1-2 nm的精度。
结构优化和高级挠曲。AM使设计师可以使用一套高强度金属合金来灵活地优化零件的结构拓扑（即轻量化）。这些设计可以更精确地满足半导体资本设备的性能要求，提高强度重量比并缩短上市时间。轻巧的半导体组件和先进的运动机制可减少惯性并改善光刻和晶圆加工机的速度和正常运行时间，从而可加工更多的晶圆。在一个示例中，一家半导体资本设备制造商能够采用AM来实现挠曲件重量减轻50％以上，共振频率提高23％并降低系统振动。
AM（特别是直接金属印刷）是半导体资本设备行业中公认的经过验证的技术。市场上的优化压力，对更多设备的需求以及生产壁垒要求向添加剂快速发展。
从光刻的角度来看，目前已经有大量设备用于生产中，以使用约14nm工艺制造芯片。可能的情况是，增材制造将显着启用今天将要发货或将在未来1-2年内发货的新机器。通过此跑道，有足够的时间进行组件和系统级别的重新设计，这将提高生产率和质量。此外，制造商仍将对这些系统具有足够的控制权，以严格测试并证明性能提升。
在光刻之外，工艺链中还有许多其他应用，例如抛光，光源和蚀刻，分选甚至计量。AM使半导体资本设备制造商能够重新考虑可能的事并突破极限。增材制造有巨大的机会来帮助克服半导体短缺，并再次加强供应链。
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