當(dāng)談?wù)摪雽?dǎo)體行業(yè)時，指的是遍布日常生活的電子芯片——從手機、平板電腦、數(shù)據(jù)中心、加速器到汽車、飛機和人造衛(wèi)星。Veeco公司增材制造總監(jiān)Ahmed El Desouky博士指出，雖然半導(dǎo)體行業(yè)是推動電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動力，但供需失衡才是主導(dǎo)逐年發(fā)展態(tài)勢的關(guān)鍵因素。值得關(guān)注的是，正是供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)涌現(xiàn)的諸多挑戰(zhàn)，為增材制造技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了契機。

摩爾定律
Ahmed El Desouky博士指出，摩爾定律最能說明半導(dǎo)體設(shè)備制造商在探索增材制造應(yīng)用方面看到的歷史機遇。60年前，摩爾觀察到每個集成電路的元件數(shù)量每兩年將翻一番，這一定律至今仍然適用。今天可以明顯觀察到，全球原始設(shè)備制造商生產(chǎn)的裝置日趨復(fù)雜，驅(qū)動這些裝置的微芯片復(fù)雜性也同步提升。

Veeco公司增材制造總監(jiān)Ahmed El Desouky博士

這種復(fù)雜性觸發(fā)了一個循環(huán)——半導(dǎo)體企業(yè)面臨著提供更高性能和更可靠設(shè)備的巨大壓力。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，半導(dǎo)體設(shè)備制造商需要升級制造產(chǎn)線以滿足高性能要求。突如其來的供應(yīng)鏈問題可能拖慢生產(chǎn)周期，導(dǎo)致設(shè)備交付周期延長至12個月之久。

像Veeco公司這樣的半導(dǎo)體設(shè)備制造商在維護摩爾定律方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但這背后需要攻克重大技術(shù)難題。這也為采納增料制造等新技術(shù)創(chuàng)造了契機。Ahmed El Desouky博士表示，持續(xù)快速開發(fā)新材料、新工藝和新架構(gòu)的需求，與增材制造所帶來的設(shè)計自由度和創(chuàng)新潛力高度契合。

增材制造在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用
目前，半導(dǎo)體設(shè)備制造商正采用增材制造技術(shù)為其現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)零部件，或制造高度復(fù)雜的精密組件。

在Formnext 2024展會期間，通過對該垂直領(lǐng)域的持續(xù)觀察，可以看到目前有以下可應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的增材制造工藝：激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion）、定向能量沉積（DED）、金屬粘結(jié)劑噴射（MBJ）、綁定金屬沉積（BMD）、光固化成型（SLA）、電流體動力噴墨打印（EHD）以及基于光刻技術(shù)的陶瓷制造。

Ahmed El Desouky博士強調(diào)：在所有這些技術(shù)中，激光粉末床熔融仍是目前最成熟的工藝。公司在去年引入了尼康SLM Solutions NXG XII 600系統(tǒng)，這正是當(dāng)前為實現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)而最廣泛使用的增材制造工藝。

Veeco公司增材制造工程師Eilis Taylor

Veeco公司增材制造工程師Eilis Taylor在介紹相關(guān)應(yīng)用時指出：雖然半導(dǎo)體應(yīng)用場景數(shù)以百計，但其對供應(yīng)鏈的影響主要集中于通信網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備三大領(lǐng)域。半導(dǎo)體制造是高度復(fù)雜的工藝流程，需要依賴多種資本設(shè)備執(zhí)行差異化任務(wù)。這些任務(wù)涵蓋氣體混合、沉積、掩膜和切片等環(huán)節(jié)。

正如在熱交換器晶格結(jié)構(gòu)中觀察到的，增材制造始終是制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的理想生產(chǎn)工藝。目前該領(lǐng)域正加速發(fā)展三大應(yīng)用方向：結(jié)構(gòu)件優(yōu)化、熱管理優(yōu)化以及流體流動優(yōu)化。

Taylor特別指出：在Veeco公司，增材制造的關(guān)鍵應(yīng)用主要體現(xiàn)在歧管氣體噴射器和水冷式熱交換器等領(lǐng)域。傳統(tǒng)制造工藝因零件設(shè)計笨重往往效率低下。借助晶格結(jié)構(gòu)和復(fù)雜流道的制造能力，增材制造為優(yōu)化半導(dǎo)體資本設(shè)備的熱交換器，提供了全新可能。

通過增材制造改進的熱管理技術(shù)典型體現(xiàn)在晶圓臺等部件上，該技術(shù)可幫助將精度提升1-2納米，同時提高設(shè)備運行速度和正常工作時間。由于采用3D打印機制造零部件，得以讓公司可以探索多種材料組合（金屬、塑料、陶瓷等）。

Taylor接著指出：現(xiàn)實情況是，現(xiàn)存的大多數(shù)工藝組合最初都是為其他行業(yè)設(shè)計的。那些率先采用增材制造的行業(yè)開發(fā)了針對其特定應(yīng)用的材料，而這正是尚處發(fā)展初期的半導(dǎo)體行業(yè)需要努力的方向。

Ahmed El Desouky博士補充道：在難熔金屬和陶瓷等眾多領(lǐng)域都存在拓展空間。我們不必拘泥于鑄造和機械加工中一直使用的傳統(tǒng)合金，可以尋求能夠滿足半導(dǎo)體特定應(yīng)用需求的定制化合金設(shè)計方案。

挑戰(zhàn)與未來展望
通過與Veeco公司兩位專家的對話，可以看到，材料選擇和認證是半導(dǎo)體設(shè)備制造商面臨的主要挑戰(zhàn)。要找到能滿足半導(dǎo)體設(shè)備嚴苛性能要求的增材制造材料并非易事——這些材料必須同時具備電學(xué)、熱學(xué)和機械特性，而這些特性正是釋放增材制造在半導(dǎo)體領(lǐng)域潛力的關(guān)鍵所在。

盡管半導(dǎo)體行業(yè)不像航空航天業(yè)那樣承受著沉重的監(jiān)管壓力，但該領(lǐng)域的制造商仍必須解決增材制造及相關(guān)工藝固有的“可重復(fù)性”難題。雖然我們未深入探討這一點，但我認為在規(guī)?；瘧?yīng)用增材制造時，"可重復(fù)性"約束可能會帶來挑戰(zhàn)——尤其是在保持設(shè)備性能一致性方面。

鑒于該領(lǐng)域仍處于采用增材制造的早期階段，某些零部件的單位成本相較于傳統(tǒng)制造工藝仍維持較高水平并不令人意外。但與其他行業(yè)的許多應(yīng)用場景相同，該領(lǐng)域?qū)υ霾闹圃斓膽?yīng)用始終應(yīng)該以“產(chǎn)品需求為導(dǎo)向”。