التطبيق الاستكشافي لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة أشباه الموصلات

في عصر التطور التكنولوجي السريع، تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد، باعتبارها ممثلًا مهمًا لتكنولوجيا التصنيع المتقدمة، على تغيير وجه التصنيع التقليدي تدريجيًا. ومع النضج المستمر للتكنولوجيا وخفض التكاليف، أظهرت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد آفاق تطبيق واسعة في العديد من المجالات مثل الطيران وتصنيع السيارات والمعدات الطبية والتصميم المعماري، وعززت ابتكار وتطوير هذه الصناعات.

ومن الجدير بالذكر أن التأثير المحتمل لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال التكنولوجيا الفائقة لأشباه الموصلات أصبح بارزًا بشكل متزايد. وباعتبارها حجر الزاوية في تطور تكنولوجيا المعلومات، فإن دقة وكفاءة عمليات تصنيع أشباه الموصلات تؤثر على أداء وتكلفة المنتجات الإلكترونية. في مواجهة احتياجات الدقة العالية والتعقيد العالي والتكرار السريع في صناعة أشباه الموصلات، جلبت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، بمزاياها الفريدة، فرصًا وتحديات غير مسبوقة لتصنيع أشباه الموصلات، وتغلغلت تدريجيًا في جميع روابط الصناعة.سلسلة صناعة أشباه الموصلاتمما يشير إلى أن صناعة أشباه الموصلات على وشك الدخول في تغيير عميق.

ولذلك، فإن تحليل واستكشاف التطبيق المستقبلي لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة أشباه الموصلات لن يساعدنا فقط على فهم نبض تطوير هذه التكنولوجيا المتطورة، بل سيوفر أيضًا الدعم الفني والمرجع لرفع مستوى صناعة أشباه الموصلات. تحلل هذه المقالة أحدث التطورات في تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد وتطبيقاتها المحتملة في صناعة أشباه الموصلات، وتتطلع إلى كيف يمكن لهذه التكنولوجيا تعزيز صناعة تصنيع أشباه الموصلات.

تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد

تُعرف الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا باسم تكنولوجيا التصنيع المضافة. مبدأها هو بناء كيان ثلاثي الأبعاد عن طريق تكديس المواد طبقة بعد طبقة. تعمل طريقة الإنتاج المبتكرة هذه على تقويض وضع المعالجة "الطرحي" أو "المواد المتساوية" في التصنيع التقليدي، ويمكنها "دمج" المنتجات المقولبة دون مساعدة العفن. هناك العديد من أنواع تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكل تقنية مميزاتها الخاصة.

وفقا لمبدأ صب تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، هناك أربعة أنواع رئيسية.

✔ تعتمد تقنية المعالجة الضوئية على مبدأ البلمرة فوق البنفسجية. تتم معالجة المواد السائلة الحساسة للضوء بالأشعة فوق البنفسجية ويتم تكديسها طبقة بعد طبقة. في الوقت الحاضر، يمكن لهذه التكنولوجيا تشكيل السيراميك والمعادن والراتنجات بدقة صب عالية. يمكن استخدامه في مجالات الطب والفن والطيران.

✔ تقنية الترسيب المنصهر، من خلال رأس الطباعة الذي يعمل بالكمبيوتر لتسخين الخيوط وإذابتها، وبثقها وفقًا لمسار شكل محدد، طبقة بعد طبقة، ويمكن تشكيل مواد بلاستيكية وسيراميكية.

✔ تستخدم تقنية الكتابة المباشرة للملاط ملاطًا عالي اللزوجة كمواد حبر، يتم تخزينه في البرميل وتوصيله بإبرة البثق، ويتم تثبيته على منصة يمكنها إكمال الحركة ثلاثية الأبعاد تحت تحكم الكمبيوتر. من خلال الضغط الميكانيكي أو الضغط الهوائي، يتم دفع مادة الحبر من الفوهة لتبث بشكل مستمر على الركيزة لتشكل، ثم يتم تنفيذ المعالجة اللاحقة المقابلة (المذيب المتطاير، المعالجة الحرارية، المعالجة الخفيفة، التلبيد، إلخ.) وفقا لخصائص المواد للحصول على المكون النهائي ثلاثي الأبعاد. وفي الوقت الحاضر، يمكن تطبيق هذه التكنولوجيا في مجالات السيراميك الحيوي وتجهيز الأغذية.

✔ يمكن تقسيم تقنية دمج طبقة المسحوق إلى تقنية الذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) وتقنية التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS). تستخدم كلتا التقنيتين مواد المسحوق ككائنات معالجة. من بينها، طاقة الليزر SLM أعلى، والتي يمكن أن تجعل المسحوق يذوب ويتصلب في وقت قصير. يمكن تقسيم SLS إلى SLS مباشر وSLS غير مباشر. طاقة SLS المباشرة أعلى، ويمكن تلبيد الجزيئات مباشرة أو صهرها لتكوين رابطة بين الجزيئات. لذلك، SLS المباشر يشبه SLM. تخضع جزيئات المسحوق للتسخين والتبريد السريع في وقت قصير، مما يجعل الكتلة المقولبة لديها ضغط داخلي كبير، وكثافة إجمالية منخفضة، وخواص ميكانيكية سيئة؛ تكون طاقة الليزر الخاصة بـ SLS غير المباشرة أقل، ويتم ذوبان الرابط الموجود في المسحوق بواسطة شعاع الليزر ويتم ربط الجزيئات. بعد اكتمال التشكيل، تتم إزالة الرابط الداخلي عن طريق إزالة الشحوم الحرارية، وأخيرًا يتم إجراء التلبيد. يمكن لتقنية دمج طبقة المسحوق أن تشكل المعادن والسيراميك وتستخدم حاليًا في مجالات صناعة الطيران والسيارات.

الشكل 1 (أ) تكنولوجيا المعالجة الضوئية؛ (ب) تكنولوجيا الترسيب المنصهر؛ (ج) تكنولوجيا الكتابة المباشرة بالملاط؛ (د) تكنولوجيا دمج طبقة المسحوق [1، 2]

مع التطوير المستمر لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد، يتم إظهار مزاياها باستمرار بدءًا من النماذج الأولية وحتى المنتجات النهائية. أولاً، فيما يتعلق بحرية تصميم هيكل المنتج، فإن الميزة الأكثر أهمية لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد هي أنها تستطيع تصنيع هياكل معقدة من قطع العمل مباشرة. بعد ذلك، فيما يتعلق باختيار المواد لجسم القالب، يمكن لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد طباعة مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك المعادن والسيراميك ومواد البوليمر، وما إلى ذلك. فيما يتعلق بعملية التصنيع، تتمتع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بدرجة عالية من المرونة و يمكن ضبط عملية التصنيع والمعلمات وفقًا للاحتياجات الفعلية.

صناعة أشباه الموصلات

تلعب صناعة أشباه الموصلات دورا حيويا في العلوم والتكنولوجيا والاقتصاد الحديث، وتنعكس أهميتها في جوانب عديدة. تُستخدم أشباه الموصلات لبناء دوائر مصغرة، والتي تمكن الأجهزة من أداء مهام الحوسبة ومعالجة البيانات المعقدة. وباعتبارها ركيزة مهمة للاقتصاد العالمي، توفر صناعة أشباه الموصلات عددًا كبيرًا من الوظائف والفوائد الاقتصادية للعديد من البلدان. فهو لم يعزز بشكل مباشر تطوير صناعة تصنيع الإلكترونيات فحسب، بل أدى أيضًا إلى نمو صناعات مثل تطوير البرمجيات وتصميم الأجهزة. بالإضافة إلى ذلك، في المجالين العسكري والدفاعي.تكنولوجيا أشباه الموصلاتوهو أمر بالغ الأهمية للمعدات الرئيسية مثل أنظمة الاتصالات والرادارات والملاحة عبر الأقمار الصناعية، مما يضمن الأمن القومي والمزايا العسكرية.

الرسم البياني 2 "الخطة الخمسية الرابعة عشرة" (مقتطف) [3]

ولذلك، أصبحت صناعة أشباه الموصلات الحالية رمزا هاما للقدرة التنافسية الوطنية، وتعمل جميع البلدان على تطويرها بنشاط. وتقترح "الخطة الخمسية الرابعة عشرة" لبلادي التركيز على دعم مختلف روابط "الاختناق" الرئيسية في صناعة أشباه الموصلات، بما في ذلك بشكل رئيسي العمليات المتقدمة والمعدات الرئيسية وأشباه الموصلات من الجيل الثالث وغيرها من المجالات.

الرسم البياني 3 عملية معالجة شرائح أشباه الموصلات [4]

عملية تصنيع رقائق أشباه الموصلات معقدة للغاية. وكما هو موضح في الشكل 3، فهو يتضمن بشكل أساسي الخطوات الرئيسية التالية:تحضير الويفرالطباعة الحجرية,النقشوترسيب الأغشية الرقيقة وزرع الأيونات واختبار التغليف. تتطلب كل عملية رقابة صارمة وقياسًا دقيقًا. قد تؤدي المشاكل في أي رابط إلى تلف الشريحة أو تدهور الأداء. ولذلك، فإن تصنيع أشباه الموصلات يتطلب متطلبات عالية للغاية من حيث المعدات والعمليات والأفراد.

على الرغم من أن تصنيع أشباه الموصلات التقليدية حقق نجاحًا كبيرًا، إلا أنه لا تزال هناك بعض القيود: أولاً، تتميز رقائق أشباه الموصلات بأنها متكاملة ومصغرة للغاية. مع استمرار قانون مور (الشكل 4)، يستمر تكامل رقائق أشباه الموصلات في الزيادة، ويستمر حجم المكونات في الانكماش، وتحتاج عملية التصنيع إلى ضمان دقة واستقرار عاليين للغاية.

الشكل 4 (أ) يستمر عدد الترانزستورات في الشريحة في الزيادة بمرور الوقت؛ (ب) يستمر حجم الرقاقة في التقلص [5]

بالإضافة إلى التعقيد والتحكم في تكلفة عملية تصنيع أشباه الموصلات. إن عملية تصنيع أشباه الموصلات معقدة وتعتمد على معدات دقيقة، ويجب التحكم بدقة في كل وصلة. إن التكلفة العالية للمعدات وتكلفة المواد وتكلفة البحث والتطوير تجعل تكلفة تصنيع منتجات أشباه الموصلات مرتفعة. لذلك، من الضروري الاستمرار في استكشاف التكاليف وخفضها مع ضمان عائد المنتج.

وفي الوقت نفسه، تحتاج صناعة تصنيع أشباه الموصلات إلى الاستجابة بسرعة لطلب السوق. مع التغيرات السريعة في الطلب في السوق. يعاني نموذج التصنيع التقليدي من مشاكل الدورة الطويلة وضعف المرونة، مما يجعل من الصعب تلبية التكرار السريع للمنتجات في السوق. لذلك، أصبحت طريقة التصنيع الأكثر كفاءة ومرونة أيضًا هي اتجاه تطوير صناعة أشباه الموصلات.

تطبيقالطباعة ثلاثية الأبعادفي صناعة أشباه الموصلات

وفي مجال أشباه الموصلات، أثبتت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا تطبيقها بشكل مستمر.

أولا، تتمتع تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد بدرجة عالية من الحرية في التصميم الهيكلي ويمكنها تحقيق قولبة "متكاملة"، مما يعني أنه يمكن تصميم هياكل أكثر تطورا وتعقيدا. الشكل 5 (أ)، يعمل النظام ثلاثي الأبعاد على تحسين هيكل تبديد الحرارة الداخلي من خلال التصميم المساعد الاصطناعي، ويحسن الاستقرار الحراري لمرحلة الرقاقة، ويقلل وقت التثبيت الحراري للرقاقة، ويحسن إنتاجية وكفاءة إنتاج الرقائق. توجد أيضًا خطوط أنابيب معقدة داخل آلة الطباعة الحجرية. من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن "دمج" هياكل خطوط الأنابيب المعقدة لتقليل استخدام الخراطيم وتحسين تدفق الغاز في خط الأنابيب، وبالتالي تقليل التأثير السلبي للتداخل الميكانيكي والاهتزاز وتحسين استقرار عملية معالجة الرقائق.

الشكل 5: يستخدم النظام ثلاثي الأبعاد الطباعة ثلاثية الأبعاد لتشكيل الأجزاء (أ) مرحلة رقاقة آلة الطباعة الحجرية؛ (ب) خط أنابيب متعدد [6]

فيما يتعلق باختيار المواد، يمكن لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد تحقيق المواد التي يصعب تشكيلها بطرق المعالجة التقليدية. تتميز مواد كربيد السيليكون بصلابة عالية ونقطة انصهار عالية. من الصعب تشكيل طرق المعالجة التقليدية ولها دورة إنتاج طويلة. يتطلب تكوين الهياكل المعقدة معالجة بمساعدة العفن. قامت شركة Sublimation 3D بتطوير طابعة ثلاثية الأبعاد مستقلة ذات فوهة مزدوجة UPS-250 وأعدت قوارب كريستال من كربيد السيليكون. بعد تلبيد التفاعل، تكون كثافة المنتج 2.95~3.02g/cm3.

الشكل 6قارب كريستال من كربيد السيليكون[7]

الشكل 7 (أ) معدات الطباعة المشتركة ثلاثية الأبعاد؛ (ب) يستخدم ضوء الأشعة فوق البنفسجية لبناء هياكل ثلاثية الأبعاد، ويستخدم الليزر لتوليد جسيمات الفضة النانوية؛ (ج) مبدأ المكونات الإلكترونية للطباعة المشتركة ثلاثية الأبعاد[8]

تعد عملية المنتج الإلكتروني التقليدي معقدة، وتتطلب خطوات عملية متعددة بدءًا من المواد الخام وحتى المنتجات النهائية. شياو وآخرون.[8] استخدم تقنية الطباعة المشتركة ثلاثية الأبعاد لبناء هياكل الجسم بشكل انتقائي أو تضمين معادن موصلة على الأسطح ذات الشكل الحر لتصنيع الأجهزة الإلكترونية ثلاثية الأبعاد. تتضمن هذه التقنية مادة طباعة واحدة فقط، والتي يمكن استخدامها لبناء هياكل البوليمر من خلال المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، أو لتنشيط السلائف المعدنية في الراتنجات الحساسة للضوء من خلال المسح بالليزر لإنتاج جزيئات معدنية نانوية لتشكيل دوائر موصلة. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر الدائرة الموصلة الناتجة مقاومة ممتازة تصل إلى حوالي 6.12 ميكروأوم. من خلال ضبط صيغة المادة ومعلمات المعالجة، يمكن التحكم في المقاومة بشكل أكبر بين 10-6 و10Ωm. يمكن ملاحظة أن تقنية الطباعة المشتركة ثلاثية الأبعاد تحل التحدي المتمثل في ترسيب المواد المتعددة في التصنيع التقليدي وتفتح مسارًا جديدًا لتصنيع المنتجات الإلكترونية ثلاثية الأبعاد.

تعد تعبئة الرقائق رابطًا رئيسيًا في تصنيع أشباه الموصلات. تواجه تكنولوجيا التعبئة والتغليف التقليدية أيضًا مشاكل مثل العمليات المعقدة، وفشل الإدارة الحرارية، والإجهاد الناجم عن عدم تطابق معاملات التمدد الحراري بين المواد، مما يؤدي إلى فشل التعبئة والتغليف. يمكن لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد تبسيط عملية التصنيع وخفض التكاليف عن طريق طباعة هيكل العبوة مباشرة. فنغ وآخرون. [9] تم إعداد مواد التعبئة الإلكترونية المتغيرة الطور ودمجها مع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتعبئة الرقائق والدوائر. مواد التغليف الإلكترونية المتغيرة الطور التي أعدها Feng et al. لديه حرارة كامنة عالية تبلغ 145.6 جول/جم وله ثبات حراري كبير عند درجة حرارة 130 درجة مئوية. بالمقارنة مع مواد التغليف الإلكترونية التقليدية، يمكن أن يصل تأثير التبريد إلى 13 درجة مئوية.

الشكل 8: رسم تخطيطي لاستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتغليف الدوائر بدقة بمواد إلكترونية متغيرة الطور؛ (ب) تم تغليف شريحة LED الموجودة على اليسار بمواد تغليف إلكترونية متغيرة الطور، ولم يتم تغليف شريحة LED الموجودة على اليمين؛ (ج) صور بالأشعة تحت الحمراء لرقائق LED مع أو بدون تغليف؛ (د) منحنيات درجة الحرارة تحت نفس القوة ومواد التعبئة والتغليف المختلفة؛ (هـ) دائرة معقدة بدون مخطط تغليف رقاقة LED؛ (و) رسم تخطيطي لتبديد الحرارة لمواد التغليف الإلكترونية المتغيرة الطور [9]

تحديات تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة أشباه الموصلات

على الرغم من أن تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد أظهرت إمكانات كبيرة فيصناعة أشباه الموصلات. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات.

من حيث دقة التشكيل، يمكن لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد الحالية تحقيق دقة تصل إلى 20 ميكرومتر، ولكن لا يزال من الصعب تلبية المعايير العالية لتصنيع أشباه الموصلات. فيما يتعلق باختيار المواد، على الرغم من أن تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تشكل مجموعة متنوعة من المواد، إلا أن صعوبة تشكيل بعض المواد ذات الخصائص الخاصة (كربيد السيليكون، ونيتريد السيليكون، وما إلى ذلك) لا تزال مرتفعة نسبيًا. من حيث تكلفة الإنتاج، تعمل الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل جيد في الإنتاج المخصص بكميات صغيرة، ولكن سرعة إنتاجها بطيئة نسبيًا في الإنتاج واسع النطاق، وتكلفة المعدات مرتفعة، مما يجعل من الصعب تلبية احتياجات الإنتاج على نطاق واسع . من الناحية الفنية، على الرغم من أن تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد قد حققت بعض نتائج التطوير، إلا أنها لا تزال تقنية ناشئة في بعض المجالات وتتطلب المزيد من البحث والتطوير والتحسين لتحسين استقرارها وموثوقيتها.