반도체 산업에서 3D 프린팅 기술의 탐색 적용

급속한 기술 발전 시대에 첨단 제조 기술의 중요한 대표자인 3D 프린팅은 전통 제조의 면모를 점차 변화시키고 있습니다. 지속적인 기술 성숙과 비용 절감으로 인해 3D 프린팅 기술은 항공우주, 자동차 제조, 의료기기, 건축 설계 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여주며 이들 산업의 혁신과 발전을 촉진해 왔습니다.

반도체의 첨단 기술 분야에서 3D 프린팅 기술의 잠재적 영향이 점점 두드러지고 있음을 주목할 가치가 있습니다. 정보 기술 개발의 초석으로서 반도체 제조 공정의 정밀성과 효율성은 전자 제품의 성능 및 비용에 영향을 미칩니다. 반도체 산업에서 높은 정밀도, 높은 복잡성 및 빠른 반복의 요구에 직면하여 고유 한 장점을 가진 3D 프린팅 기술은 반도체 제조에 전례없는 기회와 도전을 가져 왔으며 점차적으로 모든 링크에 침투했습니다.반도체 산업 체인, 반도체 산업이 심오한 변화를 안내하려고한다는 것을 나타냅니다.

따라서 반도체 산업에서 향후 3D 프린팅 기술의 적용을 분석하고 탐색하면이 최첨단 기술의 개발 펄스를 파악하는 데 도움이 될뿐만 아니라 반도체 산업의 업그레이드를위한 기술 지원과 참조도 제공 할 수 있습니다. 이 기사는 3D 프린팅 기술의 최신 진행 상황과 반도체 산업에서 잠재적 인 응용 프로그램을 분석 하고이 기술이 반도체 제조 산업을 홍보 할 수있는 방법을 기대합니다.

3D 프린팅 기술

3D 프린팅은 첨가제 제조 기술이라고도합니다. 그 원칙은 재료 층을 층별로 쌓아서 3 차원 실체를 구축하는 것입니다. 이 혁신적인 생산 방법은 전통적인 제조 "빼기"또는 "동일한 재료"가공 모드를 전복시키고 곰팡이 보조없이 성형 제품을 "통합"할 수 있습니다. 많은 유형의 3D 프린팅 기술이 있으며 각 기술에는 고유 한 장점이 있습니다.

3D 인쇄 기술의 성형 원칙에 따르면 주로 네 가지 유형이 있습니다.

✔ 광경화 기술은 자외선 중합 원리를 기반으로 합니다. 액체 감광성 재료는 자외선에 의해 경화되며 층층이 쌓입니다. 현재 이 기술은 세라믹, 금속, 수지 등을 높은 성형 정밀도로 성형할 수 있다. 의료, 예술, 항공산업 등 다양한 분야에서 활용이 가능합니다.

computer 컴퓨터 구동 프린트 헤드를 통해 융합 된 증착 기술을 통해 필라멘트를 녹이고, 특정 모양 궤적에 따라 층별로 층에 따라 압출되며, 플라스틱 및 세라믹 재료를 형성 할 수 있습니다.

Slurry Direct Write Technology는 고도도 슬러리를 잉크 재료로 사용합니다. 잉크 재료는 배럴에 저장되고 압출 바늘에 연결되어 컴퓨터 제어 하에서 3 차원 이동을 완료 할 수있는 플랫폼에 설치됩니다. 기계적 압력 또는 공압 압력을 통해 잉크 재료는 노즐에서 밀려서 기판을 연속적으로 돌출시키고 해당 후 처리 (휘발성 용매, 열 경화, 광 경화, 소결 등)를 수행합니다. 최종 3 차원 구성 요소를 얻기위한 재료 특성에 따라. 현재이 기술은 바이오 세라믹 및 식품 가공 분야에 적용될 수 있습니다.

✔분말층 융합 기술은 레이저 선택적 용융 기술(SLM)과 레이저 선택적 소결 기술(SLS)로 나눌 수 있습니다. 두 기술 모두 분말 재료를 가공 대상으로 사용합니다. 그 중 SLM의 레이저 에너지는 더 높아 단시간에 분말을 녹이고 고화시킬 수 있습니다. SLS는 직접 SLS와 간접 SLS로 나눌 수 있습니다. 직접 SLS의 에너지는 더 높으며 입자를 직접 소결하거나 녹여 입자 간 결합을 형성할 수 있습니다. 따라서 직접 SLS는 SLM과 유사합니다. 분말 입자는 단시간에 급속 가열 및 냉각되므로 성형 블록의 내부 응력이 크고 전체 밀도가 낮으며 기계적 특성이 열악합니다. 간접 SLS의 레이저 에너지는 더 낮으며, 레이저 빔에 의해 분말의 바인더가 녹아 입자가 결합됩니다. 성형이 완료된 후 열탈지하여 내부바인더를 제거한 후 최종 소결을 진행한다. 분말층 융합 기술은 금속 및 세라믹을 형성할 수 있으며 현재 항공우주 및 자동차 제조 분야에서 사용되고 있습니다.

그림 1 (a) 광경화 기술; (b) 융합 증착 기술; (c) 슬러리 직접 라이팅 기술; (d) 분말층 융합 기술[1, 2]

3D 프린팅 기술의 지속적인 개발로 인해 프로토 타이핑에서 최종 제품에 이르기까지 장점이 끊임없이 입증되고 있습니다. 첫째, 제품 구조 설계의 자유 측면에서 3D 프린팅 기술의 가장 중요한 장점은 복잡한 워크 피스 구조를 직접 제조 할 수 있다는 것입니다. 다음으로 성형 물체의 재료 선택 측면에서 3D 프린팅 기술은 금속, 세라믹, 폴리머 재료 등을 포함한 다양한 재료를 제조 공정 측면에서 인쇄 할 수 있습니다. 실제 요구에 따라 제조 공정 및 매개 변수를 조정할 수 있습니다.

반도체 산업

반도체 산업은 현대 과학기술과 경제에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있으며 그 중요성은 여러 측면에서 나타나고 있습니다. 반도체는 장치가 복잡한 컴퓨팅 및 데이터 처리 작업을 수행할 수 있도록 하는 소형화된 회로를 만드는 데 사용됩니다. 그리고 세계 경제의 중요한 기둥인 반도체 산업은 많은 국가에 많은 일자리와 경제적 이익을 제공합니다. 이는 전자제조산업의 발전을 직접적으로 촉진했을 뿐만 아니라, 소프트웨어 개발, 하드웨어 설계 등 산업의 성장으로 이어졌습니다. 또한, 군사 및 국방 분야에서는반도체 기술통신시스템, 레이더, 위성항법 등 핵심장비에 있어 국가안보와 군사적 우위를 보장하는 핵심 장비다.

차트 2 "14 차 5 년 계획"(발췌) [3]

따라서 현재의 반도체 산업은 국가 경쟁력의 중요한 상징이되었으며 모든 국가가 적극적으로 개발하고 있습니다. 우리 나라의 "14 번째 5 년 계획"은 주로 고급 프로세스, 주요 장비, 3 세대 반도체 및 기타 분야를 포함하여 반도체 업계의 다양한 주요 "병목 현상"링크를 지원하는 데 집중할 것을 제안합니다.

그림 3 반도체 칩 처리 공정 [4]

반도체 칩의 제조 공정은 매우 복잡합니다. 그림 3과 같이 주로 다음의 주요 단계를 포함합니다.웨이퍼 준비, 리소그래피,에칭, 박막 증착, 이온 주입 및 패키징 테스트. 각 프로세스에는 엄격한 제어와 정밀한 측정이 필요합니다. 링크에 문제가 있으면 칩이 손상되거나 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 반도체 제조에는 장비, 프로세스 및 인력에 대한 요구 사항이 매우 높습니다.

전통적인 반도체 제조는 큰 성공을 거두었지만 여전히 몇 가지 한계가 있습니다. 첫째, 반도체 칩은 고집적화되고 소형화됩니다. 무어의 법칙(그림 4)이 지속됨에 따라 반도체 칩의 집적도가 계속 증가하고 부품 크기가 계속 작아지며 제조 공정에서는 매우 높은 정밀도와 안정성이 보장되어야 합니다.

그림 4 (a) 칩의 트랜지스터 수는 시간이 지남에 따라 계속 증가합니다. (b) 칩 크기는 계속해서 줄어들고 있습니다. [5]

또한, 반도체 제조 공정의 복잡성과 비용 제어가 가능합니다. 반도체 제조 공정은 복잡하고 정밀 장비에 의존하며 각 링크를 정확하게 제어해야 합니다. 높은 장비 비용, 재료비 및 R&D 비용으로 인해 반도체 제품의 제조 비용이 높아집니다. 따라서 제품 수율을 보장하면서 비용을 지속적으로 탐색하고 절감하는 것이 필요합니다.

동시에 반도체 제조 산업은 시장 수요에 빠르게 대응해야합니다. 시장 수요의 급속한 변화와 함께. 기존 제조 모델은 긴 사이클과 유연성이 좋지 않아 시장의 빠른 제품 반복을 충족시키기가 어렵습니다. 따라서보다 효율적이고 유연한 제조 방법은 또한 반도체 산업의 개발 방향이되었습니다.

적용3D 프린팅반도체 산업에서

반도체 필드에서, 3D 프린팅 기술은 또한 그 적용을 지속적으로 시연했다.

첫째, 3D 프린팅 기술은 구조 설계에서 높은 수준의 자유를 가지고 있으며 "통합 된"성형을 달성 할 수 있으며, 이는보다 정교하고 복잡한 구조를 설계 할 수 있음을 의미합니다. 그림 5 (a), 3D 시스템은 인공 보조 설계를 통해 내부 열 소산 구조를 최적화하고, 웨이퍼 단계의 열 안정성을 향상시키고, 웨이퍼의 열 안정화 시간을 줄이며, 칩 생산의 수율 및 효율을 향상시킵니다. 리소그래피 머신 내부에는 복잡한 파이프 라인도 있습니다. 3D 프린팅을 통해 복잡한 파이프 라인 구조를 "통합"하여 호스의 사용을 줄이고 파이프 라인의 가스 흐름을 최적화하여 기계적 간섭 및 진동의 부정적인 영향을 줄이고 칩 처리 프로세스의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

그림 5 3D 시스템은 3D 프린팅을 사용하여 부품 (a) 리소그래피 머신 웨이퍼 단계를 형성합니다. (b) 매니 폴드 파이프 라인 [6]

재료 선택 측면에서 3D 프린팅 기술은 전통적인 가공 방법으로는 형성하기 어려운 재료를 실현할 수 있습니다. 탄화 규소 재료는 경도가 높고 융점이 높습니다. 전통적인 가공 방법은 형성하기 어렵고 생산주기가 길다. 복잡한 구조를 형성하려면 금형 보조 가공이 필요합니다. 승화3D는 독립형 듀얼노즐 3D프린터 UPS-250을 개발하고 탄화규소 크리스털 보트를 준비했다. 반응소결 후 제품밀도는 2.95~3.02g/cm3이다.

그림 6실리콘 카바이드 크리스탈 보트[7]

그림 7 (a) 3D 공동 인쇄 장비; (b) 자외선은 3차원 구조를 만드는 데 사용되고, 레이저는 은나노입자를 생성하는 데 사용됩니다. (c) 3D 공동 프린팅 전자부품의 원리[8]

전통적인 전자 제품 공정은 복잡하며 원료에서 완제품에 이르기까지 여러 공정 단계가 필요합니다. Xiao et al. [8] 3D 전자 장치를 제조하기 위해 신체 구조를 선택적으로 구성하거나 전도성 금속을 선택적으로 구성하거나 전도성 금속을 포함시키기 위해 3D 공동 프린팅 기술을 사용했습니다. 이 기술에는 UV 경화를 통해 중합체 구조를 구축하거나 레이저 스캐닝을 통해 감광성 ​​수지에서 금속 전구체를 활성화하여 전도성 회로를 형성하기 위해 나노 금속 입자를 생성하는 데 사용될 수있는 하나의 인쇄 재료 만 포함됩니다. 또한, 생성 된 전도성 회로는 약 6.12 갈수만큼 우수한 저항을 나타낸다. 재료 공식 및 처리 파라미터를 조정함으로써 저항력은 10-6에서 10Ω 사이에서 추가로 제어 될 수 있습니다. 3D 공동 프린팅 기술은 전통적인 제조에서 다중 재료 증착의 과제를 해결하고 3D 전자 제품을 제조하기위한 새로운 경로를 개방한다는 것을 알 수 있습니다.

칩 패키징은 반도체 제조의 핵심 연결고리입니다. 기존 패키징 기술 역시 복잡한 공정, 열 관리 실패, 재료 간 열팽창 계수 불일치로 인한 스트레스 등의 문제를 안고 있으며 이로 인해 패키징 실패가 발생합니다. 3D 프린팅 기술은 포장 구조를 직접 프린팅해 제조 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있다. Feng et al. [9] 상변화 전자 패키징 소재를 준비하고 이를 3D 프린팅 기술과 결합하여 칩과 회로를 패키징했다. Feng 등이 제조한 상변화 전자 포장재. 145.6 J/g의 높은 잠열을 가지며 130°C의 온도에서 상당한 열 안정성을 갖습니다. 기존 전자 포장재와 비교하여 냉각 효과는 13°C에 달할 수 있습니다.

그림 8 상변화 전자 재료로 회로를 정확하게 캡슐화하기 위해 3D 프린팅 기술을 사용하는 개략도. (b) 왼쪽의 LED 칩은 상변화 전자 포장재로 밀봉되었으며, 오른쪽의 LED 칩은 밀봉되지 않았습니다. (c) 캡슐화가 있거나 없는 LED 칩의 적외선 이미지; (d) 동일한 전력 및 다른 포장재에서의 온도 곡선; (e) LED 칩 패키징 다이어그램이 없는 복잡한 회로; (f) 상변화 전자포장재의 방열 모식도[9]

반도체 산업의 3D 프린팅 기술의 과제

3D 프린팅 기술이 국내에서도 큰 잠재력을 보여주었지만반도체 산업. 그러나 여전히 많은 도전이 있습니다.

성형 정확도 측면에서, 현재 3D 프린팅 기술은 정확도 20μm를 달성 할 수 있지만, 반도체 제조의 높은 표준을 충족하는 것은 여전히 ​​어렵다. 재료 선택 측면에서, 3D 프린팅 기술은 다양한 재료를 형성 할 수 있지만, 특수 특성 (실리콘 카바이드, 질화물 등)을 갖는 일부 재료의 성형 어려움은 여전히 ​​비교적 높다. 생산 비용 측면에서 3D 프린팅은 소규모 배치 맞춤형 생산에서 잘 작동하지만 대규모 생산에서는 생산 속도가 상대적으로 느리고 장비 비용이 높아서 대규모 생산의 요구를 충족시키기가 어렵습니다. . 기술적으로, 3D 프린팅 기술은 특정 개발 결과를 달성했지만 일부 분야에서는 여전히 새로운 기술이며 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위해 추가 연구 및 개발 및 개선이 필요합니다.