引言/introduction
在科技日新月异的时代中，3D打印作为先进制造技术的重要代表，正逐步改变着传统制造业的面貌。随着技术的不断成熟与成本降低，3D打印技术已经在航空航天、汽车制造、医疗器械、建筑设计等多个领域展现出广泛的应用前景，并促进这些行业的创新与发展。
值得关注的是，3D打印技术在半导体这一高科技领域的潜在影响正日益凸显。半导体作为发展信息技术的基石，其制造工艺的精度与效率影响电子产品的性能与成本。面对半导体行业高精度、高复杂性以及快速迭代的需求，3D打印技术以其独特的优势，为半导体制造带来了前所未有的机遇与挑战，并渐渐渗透到半导体产业链的各个环节，预示着半导体行业即将迎来一场深刻的变革。
因此，分析探讨3D打印技术在半导体行业中的未来应用，不仅有助于我们把握这一前沿技术的发展脉搏，更能为半导体行业的升级提供技术支持和参考。本文通过分析3D打印技术的最新进展及其在半导体行业的潜在应用，并展望该技术如何推动半导体制造行业。
3D打印又称增材制造技术，其原理是通过逐层堆积材料来构建三维实体，这种创新的生产方式颠覆了传统制造“减材”或“等材”的加工模式，可以无需模具辅助，“一体化”成型产品。3D打印技术种类繁多，每种技术都有各自的优势。
根据3D打印技术的成型原理主要有以下四种。
✔光固化技术，是基于紫外光聚合原理，通过紫外光对液态光敏材料进行固化，并逐层叠加，目前该技术可以成型陶瓷、金属、树脂，成型精度高，可以应用于医疗、艺术品、航空工业领域。
✔熔融沉积技术，通过计算机驱动打印头加热融化丝材，同时按特定形状的轨迹挤出，逐层累加成形，可成型塑料、陶瓷材料。
✔浆料直写技术，是以高黏度浆料作为墨水材料，存储于料筒中和挤出针头相连，安装于能够在计算机控制下完成三维运动的平台。通过机械压力或气动压力，推动墨水材料从喷头连续挤出在基底上成形，后依据材料特性进行相应的后处理(挥发溶剂、热固化、光固化、烧结等)得到最终的三维构件。目前该技术可以应用于生物陶瓷、食品加工领域。
✔粉末床融合技术，可以分为激光选区熔融技术（SLM）和激光选区烧结技术（SLS）。两种技术均以粉体材料为加工对象，其中SLM的激光能量较高，可以使粉体在短时间内发生熔融与凝固。SLS可以分为直接SLS和间接SLS，直接SLS的能量较高，可以直接将颗粒烧结或熔化形成颗粒间的粘接，因此直接SLS与SLM相近，粉体颗粒在短时间内发生快速的升温与降温，这使得成型块体内应力大、整体密度低、力学性能差；间接SLS的激光能量较低，通过激光束将粉体中的粘接剂熔化，并粘结颗粒，在成形结束后，通过热脱脂将内部粘接剂排除，最后进行烧结。粉末床融合技术，可以成型金属、陶瓷，目前应用于航空航天、汽车制造领域。
图表 1 (a)光固化技术;(b)熔融沉积技术;(c)浆料直写技术;(d)粉末床融合技术[1, 2]
随着3D打印技术的不断发展，从原型制作到最终产品，其优势也在不断展现。首先，从产品结构设计的自由度上，3D打印技术最显著的优势在于能够实现工件复杂结构的直接制造。接着，在成型对象的材料选择上，3D打印技术可以多种材料的打印，包括金属、陶瓷、高分子材料等。在制造流程上3D打印技术具有高度的灵活性，可以根据实际需求调整制造流程和参数。
半导体行业在现代科技和经济中扮演着至关重要的角色，其重要性体现在多个方面。半导体用于构建微型化的电路，这使得设备能够执行复杂的计算和数据处理任务。并且半导体产业作为全球经济的重要支柱，为许多国家提供了大量的就业机会和经济收益。它不仅直接推动了电子制造业的发展，还带动软件开发、硬件设计等行业的成长。此外，在军事和国防领域，半导体技术对于通信系统、雷达、卫星导航等关键设备至关重要，确保国家安全和军事优势。
图表 2 “十四五”规划（截选）[3]
因此，当前半导体行业已成为国家竞争力的重要标志，各国都在积极研发。我国的“十四五”规划提出重点支持半导体产业中的各个关键“卡脖子”环节，主要包括先进工艺、关键设备、第三代半导体等领域。
图表 3 半导体芯片加工过程[4]
半导体芯片的制造过程极其复杂，如图表 3所示，主要包括以下几个关键步骤：晶圆制备、光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入、封装测试。每个工序都需要严格的控制和精确的测量，任何一个环节的问题都可能导致芯片的损坏或性能下降。因此，半导体制造对设备、工艺和人员的要求都非常高。
虽然传统半导体制造已经取得了巨大的成功，但仍存在一些局限性：首先，半导体芯片具有高度集成化与微型化。随着摩尔定律的延续（图表 4），半导体芯片的集成度不断提高，元件尺寸持续缩小，且制造工艺需要保证极高的精度和稳定性。
此外，半导体制造过程中的复杂性与成本控制。半导体制造过程复杂并且依赖精密设备，每一个环节都需要准确控制。高昂的设备成本、材料成本以及研发成本，使半导体产品的制造成本居高不下。因此，还需要不断探索，在保证产品良率的前提下，降低成本。
同时，半导体制造业需要快速响应市场需求，随着市场需求的快速变化。传统制造模式存在周期长、灵活性差的问题，难以满足市场快速迭代产品。因此，更加高效、灵活的制造方式，也成为半导体行业的发展方向。
在半导体领域，3D打印技术也不断展现出其应用方面。
首先，3D打印技术对结构设计具有较高的自由度，可以实现“一体化”成型，这意味着可以设计出更加精细、复杂结构。图表 5(a)，3D System通过人工辅助设计优化内部散热结构，提高晶圆台热稳定性，减少晶圆热稳定时间，提高芯片生产的良率与效率。光刻机内部还有复杂管线，通过3D打印可以“一体化”成型复杂管道结构，减少软管的使用且优化管道中的气体流动，从而减少机械干扰、振动带来的负面影响，提高芯片加工过程稳定性。
在材料选择上，3D打印技术可以实现传统加工方式难成形的材料。碳化硅材料硬度高、熔点高，传统的加工方式成型困难，生产周期长，对复杂结构的成型需要模具辅助加工。升华三维开发独立双喷嘴3D打印机UPS-250，并制备了碳化硅晶舟，经过反应烧结后产品密度为2.95~3.02g/cm3。
图表 7 (a)3D共打印设备;(b)紫外光用于构建三维结构,激光用于产生银纳米颗粒;(c)3D共打印电子元件原理[8]
传统的电子产品流程复杂，从原料到成品，需要经历多个工艺步骤。Xiao等人[8]，通过采用3D共打印技术，选择性地在自由曲面上构建体结构或嵌入导电金属，从而制造出3D电子器件。在该技术中只涉及一种打印材料，该材料既可以通过紫外光固化用于聚合物结构的搭建，也可以通过激光扫描激活光敏树脂中的金属前驱体产生纳米金属颗粒，形成导电电路。并且，所得导电电路表现出优越电阻率低至约6.12µΩm。通过调整材料配方和加工参数，电阻率进一步可控在10-6至10Ωm之间。从中可以看出，3D共打印技术解决了传统制造中需要多材料沉积的挑战，为制造3D电子产品开辟了一条新途径。
芯片封装是半导体制造中的关键环节。传统封装技术还存在工艺过程复杂、热管理失效、材料间热膨胀系数不匹配产生应力引起封装失败等问题。3D打印技术可以通过直接打印封装结构，从而简化制造流程，降低成本。Feng等人[9]，制备了相变电子封装材料，并结合3D打印技术，对芯片和电路进行封装。Feng等人所制备的相变电子封装材料具有145.6 J/g的高潜热，在130℃的温度下也具有显著的热稳定性，与传统电子封装材料相比，其降温效果可达到13℃。
图表 8 采用3D打印技术用相变电子材料精确封装电路的原理图;(b)左侧的LED芯片已用相变电子封装材料封装，右侧的LED芯片未封装;(c)有和没有封装的LED芯片红外图像;(d)在相同功率，不同封装材料下的温度曲线;(e)复杂电路无LED芯片封装图;(f)相变电子封装材料的散热示意图[9]
虽然3D打印技术在半导体产业中展现出了巨大的潜力。然而，目前还存在诸多挑战。
在成型精度上，目前3D打印技术精度可达20μm，但依然难以满足半导体制造的高标准要求。在材料选择上，虽然3D打印技术可成形较多类型的材料，但某些特殊性能的材料（碳化硅、氮化硅等）其成型难度还较高。在生产成本上，3D打印在小批量定制生产方面表现出色，但在大规模生产方面其生产速度相对较慢，且设备成本较高，难以满足大规模生产需求。在技术上，尽管3D打印技术已经取得了一定的发展成果，但在某些领域仍属于新兴技术，需要进一步的研发和完善，提高其稳定性和可靠性。
总的来说，3D打印技术在其结构设计、材料选择以及制造流程方面展现出显著的先进性。3D打印技术的不断创新推动了其在半导体行业中的应用。通过增加成型精度、提升材料成形性、降低生产成本和提高生产可靠性等方面，拓展3D打印技术在半导体行业的应用范围。
在当前全球化的背景下，半导体产业已经成为衡量国际竞争力的关键指标。随着传统半导体制造的前进， 其中固有的局限性逐渐显现并引发业界的深思。同时，随着3D打印技术的不断优化，逐步表现出其在制造业中的显著优势。展望未来，3D打印技术有潜力彻底改变整个传统制造业的面貌。预计在不久的将来，当这项技术更加成熟时，半导体产业也将经历一场由3D打印驱动的变革。届时，半导体产品的生产变得更加高效，同时还可以根据具体需求进行个性化定制。
参考文献/reference
[1] Y. Mu, F. Liu, C. Zhang, Y. Lin, M. Wu, J. Cai, G. Han, Z. Fan, Fabrication of high-strength and anti-hydration water-soluble calcia-based ceramic core modified with nano-ZrO2 via direct ink writing method, Ceram. Int. 49(23) (2023) 38623-38634. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.09.195
[2] L. Zhou, J. Miller, J. Vezza, M. Mayster, M. Raffay, Q. Justice, Z. Al Tamimi, G. Hansotte, L.D. Sunkara, J. Bernat,Additive Manufacturing: A Comprehensive Review, Sensors 24(9) (2024) 2668. http://dx.doi.org/10.3390/s24092668
[3] 新华网.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[EB/OL]. (2021-03-13)[2024-07-12]. http://www.xinhuanet.com/2021-03/13/c_1127205564.htm
[4] RIKEN KEIKI Co., Ltd. Semiconductor manufacturing plant Front-end process[EB/OL]. [2024-07-12]. https://stg.product.rikenkeiki.co.jp/english/device/
[5] M. Mitchell Waldrop. The chips are down for Moore’s law[EB/OL]. (2016-02-09)[2024-07-12]. https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338
[6] 3D SYSTEM. Additive Manufacturing for Semiconductor Capital Equipment[EB/OL]. [2024-07-12]. https://www.3dsystems.com/semiconductor
[7] 华升三维市场部. 【应用开发】华升三维助力半导体制程RBSC碳化硅晶舟开发[EB/OL]. (2024-07-04)[2024-07-12]. https://www.uprise3d.cn/cn_news/details-125.html
[8] J. Xiao, D. Zhang, Q. Guo, J. Yang, 3D Co‐Printing of 3D Electronics with a Dual Light Source Technology, Advanced Materials Technologies 6(9) (2021). http://dx.doi.org/10.1002/admt.202100039
[9] C.-P. Feng, K.-Y. Sun, J.-C. Ji, L. Hou, G.-P. Cui, Z.-G. Zhao, H.-B. Lan, 3D Printable, form stable, flexible phase-change-based electronic packaging materials for thermal management, Additive Manufacturing 71 (2023) 103586. http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2023.103586
原文始发于微信公众号（六方半导体）：3D打印技术在半导体行业的探索性应用