Жартылайөткізгіштер өнеркәсібінде 3D басып шығару технологиясын зерттеушілік қолдану

Технологиялық қарқынды даму дәуірінде 3D басып шығару озық өндіріс технологиясының маңызды өкілі ретінде дәстүрлі өндірістің келбетін біртіндеп өзгертуде. Технологияның үздіксіз жетілуіне және шығындардың төмендеуіне байланысты 3D басып шығару технологиясы аэроғарыш, автомобиль өндірісі, медициналық жабдықтар және сәулет дизайны сияқты көптеген салаларда кең қолдану перспективаларын көрсетті және осы салалардың инновациялары мен дамуына ықпал етті.

Жартылай өткізгіштердің жоғары технологиялық саласындағы 3D басып шығару технологиясының әлеуетті әсері барған сайын көрнекті бола бастағанын атап өткен жөн. Ақпараттық технологияларды дамытудың негізі ретінде жартылай өткізгіштерді өндіру процестерінің дәлдігі мен тиімділігі электронды өнімдердің өнімділігі мен құнына әсер етеді. Жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі жоғары дәлдік, жоғары күрделілік және жылдам итерация қажеттіліктеріне тап болған 3D басып шығару технологиясы өзінің бірегей артықшылықтарымен жартылай өткізгіштер өндірісіне бұрын-соңды болмаған мүмкіндіктер мен қиындықтар әкелді және бірте-бірте өндірістің барлық буындарына еніп кетті.жартылай өткізгіш өнеркәсіп тізбегіБұл жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде түбегейлі өзгерістердің басталатынын көрсетеді.

Сондықтан, жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде 3D басып шығару технологиясының болашақта қолданылуын талдау және зерттеу бізге осы озық технологияның даму импульсін түсінуге көмектесіп қана қоймай, сонымен қатар жартылай өткізгіш өнеркәсібін жаңартуға техникалық қолдау мен анықтама береді. Бұл мақалада 3D басып шығару технологиясының соңғы жетістіктері және оның жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі әлеуетті қолданбалары талданады және бұл технологияның жартылай өткізгіштерді өндіру өнеркәсібіне қалай ықпал ететінін күтеді.

3D басып шығару технологиясы

3D басып шығару қосымша өндіріс технологиясы ретінде де белгілі. Оның принципі - материалдарды қабат-қабат қабаттастыру арқылы үш өлшемді нысанды құру. Бұл инновациялық өндіріс әдісі дәстүрлі өндірістік «алу» немесе «бірдей материалды» өңдеу режимін бұзады және пішінделген өнімдерді қалыптың көмегінсіз «біріктіре» алады. 3D басып шығару технологияларының көптеген түрлері бар және әр технологияның өзіндік артықшылықтары бар.

3D басып шығару технологиясының қалыптау принципіне сәйкес, негізінен төрт түрі бар.

✔ Фотокуринг технологиясы ультракүлгін полимерлеу принципіне негізделген. Сұйық фотосезімтал материалдар ультракүлгін сәулемен өңделеді және қабат-қабат қабаттасады. Қазіргі уақытта бұл технология жоғары қалыптау дәлдігімен керамика, металдар және шайырлар құра алады. Оны медицина, өнер және авиация өнеркәсібі салаларында қолдануға болады.

✔ Балқытылған тұндыру технологиясы, компьютермен басқарылатын басып шығару механизмі арқылы жіпті қыздырып, балқытып, оны белгілі бір пішін траекториясына, қабат-қабатқа сәйкес экструзиялау және пластик пен керамикалық материалдарды құра алады.

✔ Slurry direct жазу технологиясы сия материалы ретінде жоғары тұтқырлығы бар суспензияны пайдаланады, ол бөшкеде сақталады және экструзия инесіне жалғанады және компьютердің басқаруымен үш өлшемді қозғалысты аяқтай алатын платформаға орнатылады. Механикалық қысым немесе пневматикалық қысым арқылы сия материалы қалыптау үшін субстратқа үздіксіз экструдтау үшін саптамадан итеріледі, содан кейін тиісті кейінгі өңдеу (ұшпа еріткіш, термиялық қатаю, жарықпен емдеу, агломерация және т.б.) жүзеге асырылады. соңғы үш өлшемді компонентті алу үшін материалдың қасиеттеріне сәйкес. Қазіргі уақытта бұл технологияны биокерамика және тамақ өңдеу салаларында қолдануға болады.

✔Ұнтақ қабатын біріктіру технологиясын лазерлік селективті балқыту технологиясы (SLM) және лазерлік селективті агломерациялау технологиясы (SLS) деп бөлуге болады. Екі технология да өңдеу объектілері ретінде ұнтақ материалдарын пайдаланады. Олардың ішінде SLM лазерлік энергиясы жоғарырақ, бұл ұнтақты қысқа мерзімде ерітіп, қатып қалуы мүмкін. SLS тікелей SLS және жанама SLS болып екіге бөлінеді. Тікелей SLS энергиясы жоғарырақ, ал бөлшектерді тікелей агломерациялау немесе балқыту арқылы бөлшектер арасында байланыс орнатуға болады. Сондықтан тікелей SLS SLM-ге ұқсас. Ұнтақ бөлшектері қысқа уақыт ішінде жылдам қыздыру мен салқындатудан өтеді, бұл қалыпталған блокты үлкен ішкі кернеуге, төмен жалпы тығыздыққа және нашар механикалық қасиеттерге ие етеді; жанама SLS лазерлік энергиясы төмен, ал ұнтақтағы байланыстырғыш лазер сәулесімен балқытылған және бөлшектер байланысқан. Қалыптау аяқталғаннан кейін ішкі байланыстырғыш термиялық майсыздандыру арқылы жойылады, ең соңында агломерация жүргізіледі. Ұнтақты қабаттағы балқыту технологиясы металдар мен керамика құра алады және қазіргі уақытта аэроғарыш және автомобиль өндірісі салаларында қолданылады.

1-сурет (а) Фотоқағару технологиясы; (b) Балқытылған тұндыру технологиясы; (c) суспензияны тікелей жазу технологиясы; (d) Ұнтақ қабатын біріктіру технологиясы [1, 2]

3D басып шығару технологиясының үздіксіз дамуымен оның артықшылықтары прототиптеуден бастап соңғы өнімге дейін үнемі көрсетіліп отырады. Біріншіден, өнім құрылымын жобалау еркіндігі тұрғысынан алғанда, 3D басып шығару технологиясының ең маңызды артықшылығы - ол дайындаманың күрделі құрылымдарын тікелей жасай алады. Содан кейін, қалыптау объектісінің материалын таңдау тұрғысынан, 3D басып шығару технологиясы әртүрлі материалдарды, соның ішінде металдарды, керамикаларды, полимерлі материалдарды және т.б. басып шығара алады. Өндіріс процесінде 3D басып шығару технологиясы жоғары икемділікке ие және нақты қажеттіліктерге сәйкес өндірістік процесс пен параметрлерді реттей алады.

Жартылай өткізгіштер өнеркәсібі

Жартылай өткізгіштер өнеркәсібі қазіргі ғылым мен техника мен экономикада маңызды рөл атқарады және оның маңыздылығы көптеген аспектілерде көрінеді. Жартылай өткізгіштер құрылғыларға күрделі есептеу және деректерді өңдеу тапсырмаларын орындауға мүмкіндік беретін шағын схемаларды құру үшін қолданылады. Ал жаһандық экономиканың маңызды тірегі ретінде жартылай өткізгіш өнеркәсібі көптеген елдерге көптеген жұмыс орындары мен экономикалық пайда әкеледі. Ол электроника өнеркәсібінің дамуына тікелей ықпал етіп қана қоймай, сонымен қатар бағдарламалық жасақтаманы жасау және аппараттық құралдарды жобалау сияқты салалардың өсуіне әкелді. Сонымен қатар, әскери және қорғаныс салаларындажартылай өткізгіштер технологиясыұлттық қауіпсіздік пен әскери артықшылықтарды қамтамасыз ететін байланыс жүйелері, радарлар және спутниктік навигация сияқты негізгі жабдықтар үшін өте маңызды.

2-график «14-бесжылдық» (үзінді) [3]

Сондықтан қазіргі жартылай өткізгіш өнеркәсібі ұлттық бәсекеге қабілеттіліктің маңызды символына айналды және оны барлық елдер белсенді түрде дамытуда. менің елімнің «14-ші бесжылдық жоспары» жартылай өткізгіш өнеркәсібіндегі, негізінен, озық процестерді, негізгі жабдықтарды, үшінші буындағы жартылай өткізгіштерді және басқа да салаларды қоса алғанда, әртүрлі негізгі «тарыл» буындарды қолдауға назар аударуды ұсынады.

3-график Жартылай өткізгішті микросхеманы өңдеу процесі [4]

Жартылай өткізгіш микросхемаларды өндіру процесі өте күрделі. 3-суретте көрсетілгендей, ол негізінен келесі негізгі қадамдарды қамтиды:вафельді дайындау, литография,ою, жұқа қабықшаны тұндыру, ионды имплантациялау және орау сынағы. Әрбір процесс қатаң бақылауды және дәл өлшеуді қажет етеді. Кез келген сілтемедегі ақаулар чипке зақым келтіруі немесе өнімділіктің төмендеуіне әкелуі мүмкін. Сондықтан жартылай өткізгіш өндірісі жабдықтарға, процестерге және персоналға өте жоғары талаптар қояды.

Дәстүрлі жартылай өткізгіштер өндірісі үлкен жетістікке жеткенімен, әлі де кейбір шектеулер бар: Біріншіден, жартылай өткізгіш микросхемалар жоғары интеграцияланған және миниатюризацияланған. Мур заңының жалғасуымен (4-сурет) жартылай өткізгіш микросхемалардың интеграциясы ұлғаюда, құрамдас бөліктердің өлшемдері кішірейе береді және өндіріс процесі өте жоғары дәлдік пен тұрақтылықты қамтамасыз етуі керек.

4-сурет (а) Чиптегі транзисторлар саны уақыт өте келе көбейе береді; (b) Чип өлшемі кішірейе береді [5]

Сонымен қатар, жартылай өткізгіштерді өндіру процесінің күрделілігі мен құнын бақылау. Жартылай өткізгішті өндіру процесі күрделі және дәл жабдыққа сүйенеді және әрбір буынды дәл бақылау қажет. Жабдықтың жоғары құны, материалдың құны және ҒЗТКЖ құны жартылай өткізгіш өнімдерді өндіру құнын жоғары етеді. Сондықтан өнім шығымдылығын қамтамасыз ете отырып, барлауды жалғастырып, шығындарды азайту қажет.

Сонымен қатар, жартылай өткізгіштерді өндіру өнеркәсібі нарық сұранысына тез жауап беруі керек. Нарық сұранысының жылдам өзгеруімен. Дәстүрлі өндірістік модельде ұзақ цикл және нашар икемділік проблемалары бар, бұл нарықтағы өнімдердің жылдам итерациясын қанағаттандыруды қиындатады. Сондықтан тиімдірек және икемді өндіріс әдісі жартылай өткізгіш өнеркәсібінің даму бағытына айналды.

қолдану3D басып шығаружартылай өткізгіштер өнеркәсібінде

Жартылай өткізгіштер саласында 3D басып шығару технологиясы да өзінің қолданылуын үздіксіз көрсетіп келеді.

Біріншіден, 3D басып шығару технологиясы құрылымдық дизайндағы еркіндіктің жоғары дәрежесіне ие және «интегралды» қалыптауға қол жеткізе алады, бұл неғұрлым күрделі және күрделі құрылымдарды жобалауға болатындығын білдіреді. 5 (а) суреті, 3D жүйесі жасанды қосалқы дизайн арқылы ішкі жылуды тарату құрылымын оңтайландырады, пластинаның термиялық тұрақтылығын жақсартады, пластинаның термиялық тұрақтандыру уақытын қысқартады және чип өндірісінің шығымы мен тиімділігін арттырады. Литография машинасының ішінде күрделі құбырлар да бар. 3D басып шығару арқылы түтіктерді пайдалануды азайту және құбырдағы газ ағынын оңтайландыру үшін күрделі құбыр құрылымдарын «біріктіруге» болады, осылайша механикалық кедергілер мен дірілдің теріс әсерін азайтады және чипті өңдеу процесінің тұрақтылығын жақсартады.

5-сурет 3D жүйесі бөліктерді қалыптастыру үшін 3D басып шығаруды пайдаланады (a) литография машинасының вафли сатысы; (b) коллекторлық құбыр [6]

Материалды таңдау тұрғысынан алғанда, 3D басып шығару технологиясы дәстүрлі өңдеу әдістерімен құрастырылуы қиын материалдарды жүзеге асыра алады. Кремний карбидті материалдардың қаттылығы жоғары және балқу температурасы жоғары. Дәстүрлі өңдеу әдістерін қалыптастыру қиын және ұзақ өндірістік циклге ие. Күрделі құрылымдардың қалыптасуы көгерудің көмегімен өңдеуді қажет етеді. Sublimation 3D тәуелсіз қос саптамалы 3D принтері UPS-250 әзірледі және кремний карбиді кристалды қайықтарды дайындады. Реакциялық агломерациядан кейін өнімнің тығыздығы 2,95~3,02г/см3 құрайды.

6-суретКремний карбиді кристалды қайық[7]

7-сурет (а) 3D бірлескен басып шығару жабдығы; (b) УК сәулесі үш өлшемді құрылымдарды құру үшін қолданылады, ал лазер күміс нанобөлшектерін жасау үшін қолданылады; (c) электрондық компоненттерді 3D бірлесіп басып шығару принципі[8]

Дәстүрлі электронды өнім процесі күрделі және шикізаттан дайын өнімге дейін бірнеше процесс қадамдары қажет. Xiao және т.б.[8] 3D электронды құрылғыларды жасау үшін дене құрылымдарын таңдап салу немесе еркін пішінді беттерге өткізгіш металдарды енгізу үшін 3D бірлескен басып шығару технологиясын пайдаланды. Бұл технология тек бір баспа материалын қамтиды, оны ультракүлгін сәулелену арқылы полимер құрылымдарын құру немесе өткізгіш тізбектерді қалыптастыру үшін нанометалл бөлшектерін шығару үшін лазерлік сканерлеу арқылы фотосезімтал шайырлардағы металл прекурсорларын белсендіру үшін пайдалануға болады. Сонымен қатар, нәтижесінде алынған өткізгіш схема шамамен 6,12 мкОм болатын тамаша кедергіні көрсетеді. Материалдық формуланы және өңдеу параметрлерін реттеу арқылы меншікті кедергіні 10-6 және 10 Ом аралығында әрі қарай басқаруға болады. 3D бірлескен басып шығару технологиясы дәстүрлі өндірісте көп материалды тұндыру мәселесін шешіп, 3D электронды өнімдерді өндіруге жаңа жол ашатынын көруге болады.

Чипті қаптама жартылай өткізгіш өндірісіндегі негізгі буын болып табылады. Дәстүрлі орау технологиясында сонымен қатар күрделі процесс, термиялық басқарудың сәтсіздігі және материалдар арасындағы термиялық кеңею коэффициенттерінің сәйкес келмеуінен туындаған кернеу сияқты проблемалар бар, бұл қаптаманың бұзылуына әкеледі. 3D басып шығару технологиясы қаптама құрылымын тікелей басып шығару арқылы өндіріс процесін жеңілдетеді және шығындарды азайтады. Фэн және т.б. [9] электрондық орауыш материалдарын фазалық өзгертуді дайындады және оларды чиптер мен схемаларды орау үшін 3D басып шығару технологиясымен біріктірді. Фэн және т.б. дайындаған фазалық өзгеріс электронды орауыш материалы. 145,6 Дж/г жоғары жасырын жылуы бар және 130°С температурада айтарлықтай термиялық тұрақтылыққа ие. Дәстүрлі электронды орау материалдарымен салыстырғанда оның салқындату әсері 13°C дейін жетуі мүмкін.

8-сурет Фазалық ауыспалы электрондық материалдармен тізбектерді дәл инкапсуляциялау үшін 3D басып шығару технологиясын қолданудың схемалық диаграммасы; (b) сол жақтағы жарық диодты чип фазалық ауыспалы электронды орау материалдарымен қапталған, ал оң жақтағы жарық диодты чип инкапсуляцияланбаған; (c) инкапсуляциясы бар және онсыз жарықдиодты чиптердің инфрақызыл кескіндері; (d) бірдей қуат пен әртүрлі орауыш материалдардағы температура қисықтары; (e) Жарық диодты чипті орау схемасы жоқ күрделі схема; (f) Электрондық орауыш материалдарының фазалық өзгерісінің жылу диссипациясының схемалық диаграммасы [9]

Жартылай өткізгіштер өнеркәсібіндегі 3D басып шығару технологиясының қиындықтары

3D басып шығару технологиясы үлкен әлеуетті көрсеткеніменжартылай өткізгіш өнеркәсібі. Дегенмен әлі де көптеген қиындықтар бар.

Қалыптау дәлдігі тұрғысынан қазіргі 3D басып шығару технологиясы 20 мкм дәлдікке қол жеткізе алады, бірақ жартылай өткізгіштерді өндірудің жоғары стандарттарына сәйкес келу әлі де қиын. Материалды таңдау тұрғысынан алғанда, 3D басып шығару технологиясы әртүрлі материалдарды құра алатын болса да, ерекше қасиеттері бар кейбір материалдардың (кремний карбиді, кремний нитриді және т.б.) қалыптау қиындығы әлі де салыстырмалы түрде жоғары. Өндіріс құны бойынша 3D басып шығару шағын сериялы тапсырыс бойынша өндірісте жақсы жұмыс істейді, бірақ оның өндіріс жылдамдығы ауқымды өндірісте салыстырмалы түрде баяу, ал жабдық құны жоғары, бұл ауқымды өндірістің қажеттіліктерін қанағаттандыруды қиындатады. . Техникалық тұрғыдан алғанда, 3D басып шығару технологиясы белгілі бір даму нәтижелеріне қол жеткізгенімен, ол әлі де кейбір салаларда дамып келе жатқан технология болып табылады және оның тұрақтылығы мен сенімділігін арттыру үшін одан әрі зерттеулер мен әзірлемелерді және жетілдіруді қажет етеді.