सेमीकंडक्टर उद्योग में 3डी प्रिंटिंग तकनीक का खोजपूर्ण अनुप्रयोग

तेजी से तकनीकी विकास के युग में, उन्नत विनिर्माण प्रौद्योगिकी के एक महत्वपूर्ण प्रतिनिधि के रूप में 3डी प्रिंटिंग, धीरे-धीरे पारंपरिक विनिर्माण का चेहरा बदल रही है। प्रौद्योगिकी की निरंतर परिपक्वता और लागत में कमी के साथ, 3डी प्रिंटिंग तकनीक ने एयरोस्पेस, ऑटोमोबाइल विनिर्माण, चिकित्सा उपकरण और वास्तुशिल्प डिजाइन जैसे कई क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं दिखाई हैं, और इन उद्योगों के नवाचार और विकास को बढ़ावा दिया है।

यह ध्यान देने योग्य है कि अर्धचालकों के उच्च तकनीक क्षेत्र में 3डी प्रिंटिंग तकनीक का संभावित प्रभाव तेजी से प्रमुख होता जा रहा है। सूचना प्रौद्योगिकी के विकास की आधारशिला के रूप में, सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाओं की सटीकता और दक्षता इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के प्रदर्शन और लागत को प्रभावित करती है। सेमीकंडक्टर उद्योग में उच्च परिशुद्धता, उच्च जटिलता और तेजी से पुनरावृत्ति की जरूरतों का सामना करते हुए, 3डी प्रिंटिंग तकनीक, अपने अद्वितीय लाभों के साथ, सेमीकंडक्टर निर्माण के लिए अभूतपूर्व अवसर और चुनौतियां लेकर आई है, और धीरे-धीरे सभी लिंक में प्रवेश कर गई है।अर्धचालक उद्योग श्रृंखला, यह दर्शाता है कि सेमीकंडक्टर उद्योग एक गहरा बदलाव लाने वाला है।

इसलिए, सेमीकंडक्टर उद्योग में 3डी प्रिंटिंग तकनीक के भविष्य के अनुप्रयोग का विश्लेषण और अन्वेषण न केवल हमें इस अत्याधुनिक तकनीक के विकास की नब्ज को समझने में मदद करेगा, बल्कि सेमीकंडक्टर उद्योग के उन्नयन के लिए तकनीकी सहायता और संदर्भ भी प्रदान करेगा। यह लेख 3डी प्रिंटिंग तकनीक की नवीनतम प्रगति और सेमीकंडक्टर उद्योग में इसके संभावित अनुप्रयोगों का विश्लेषण करता है, और यह देखता है कि यह तकनीक सेमीकंडक्टर विनिर्माण उद्योग को कैसे बढ़ावा दे सकती है।

3डी प्रिंटिंग तकनीक

3डी प्रिंटिंग को एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग टेक्नोलॉजी के रूप में भी जाना जाता है। इसका सिद्धांत सामग्री को परत दर परत जमा करके एक त्रि-आयामी इकाई का निर्माण करना है। यह नवोन्मेषी उत्पादन विधि पारंपरिक विनिर्माण "घटाव" या "समान सामग्री" प्रसंस्करण मोड को नष्ट कर देती है, और मोल्ड सहायता के बिना मोल्ड किए गए उत्पादों को "एकीकृत" कर सकती है। 3डी प्रिंटिंग तकनीकें कई प्रकार की होती हैं और प्रत्येक तकनीक के अपने फायदे होते हैं।

3डी प्रिंटिंग तकनीक के मोल्डिंग सिद्धांत के अनुसार, मुख्य रूप से चार प्रकार होते हैं।

✔ फोटोक्योरिंग तकनीक पराबैंगनी पोलीमराइजेशन के सिद्धांत पर आधारित है। तरल प्रकाश-संवेदनशील सामग्री को पराबैंगनी प्रकाश द्वारा ठीक किया जाता है और परत-दर-परत जमाया जाता है। वर्तमान में, यह तकनीक उच्च मोल्डिंग परिशुद्धता के साथ सिरेमिक, धातु और रेजिन बना सकती है। इसका उपयोग चिकित्सा, कला और विमानन उद्योग के क्षेत्र में किया जा सकता है।

✔ फ़्यूज़्ड डिपोज़िशन तकनीक, कंप्यूटर-चालित प्रिंट हेड के माध्यम से फिलामेंट को गर्म करने और पिघलाने के लिए, और इसे एक विशिष्ट आकार प्रक्षेपवक्र के अनुसार, परत दर परत बाहर निकालती है, और प्लास्टिक और सिरेमिक सामग्री बना सकती है।

✔ स्लरी डायरेक्ट राइटिंग तकनीक स्याही सामग्री के रूप में उच्च-चिपचिपाहट वाले घोल का उपयोग करती है, जिसे बैरल में संग्रहित किया जाता है और एक्सट्रूज़न सुई से जोड़ा जाता है, और एक प्लेटफ़ॉर्म पर स्थापित किया जाता है जो कंप्यूटर नियंत्रण के तहत त्रि-आयामी आंदोलन को पूरा कर सकता है। यांत्रिक दबाव या वायवीय दबाव के माध्यम से, स्याही सामग्री को सब्सट्रेट पर लगातार बाहर निकालने के लिए नोजल से बाहर धकेल दिया जाता है, और फिर संबंधित पोस्ट-प्रोसेसिंग (वाष्पशील विलायक, थर्मल इलाज, प्रकाश इलाज, सिंटरिंग, आदि) किया जाता है। अंतिम त्रि-आयामी घटक प्राप्त करने के लिए भौतिक गुणों के अनुसार। वर्तमान में, इस तकनीक को बायोसेरेमिक और खाद्य प्रसंस्करण के क्षेत्र में लागू किया जा सकता है।

✔पाउडर बेड फ्यूजन तकनीक को लेजर सेलेक्टिव मेल्टिंग टेक्नोलॉजी (एसएलएम) और लेजर सेलेक्टिव सिंटरिंग टेक्नोलॉजी (एसएलएस) में विभाजित किया जा सकता है। दोनों प्रौद्योगिकियां प्रसंस्करण वस्तुओं के रूप में पाउडर सामग्री का उपयोग करती हैं। इनमें एसएलएम की लेजर ऊर्जा अधिक होती है, जो कम समय में पाउडर को पिघलाकर ठोस बना सकती है। एसएलएस को प्रत्यक्ष एसएलएस और अप्रत्यक्ष एसएलएस में विभाजित किया जा सकता है। प्रत्यक्ष एसएलएस की ऊर्जा अधिक होती है, और कणों के बीच संबंध बनाने के लिए कणों को सीधे पाप किया जा सकता है या पिघलाया जा सकता है। इसलिए, प्रत्यक्ष एसएलएस एसएलएम के समान है। पाउडर के कण कम समय में तेजी से गर्म और ठंडे होते हैं, जिससे ढाले गए ब्लॉक में बड़ा आंतरिक तनाव, कम समग्र घनत्व और खराब यांत्रिक गुण होते हैं; अप्रत्यक्ष एसएलएस की लेजर ऊर्जा कम होती है, और पाउडर में बाइंडर लेजर बीम से पिघल जाता है और कण बंध जाते हैं। फॉर्मिंग पूरी होने के बाद, आंतरिक बाइंडर को थर्मल डीग्रीजिंग द्वारा हटा दिया जाता है, और अंत में सिंटरिंग की जाती है। पाउडर बेड फ़्यूज़न तकनीक से धातु और सिरेमिक का निर्माण किया जा सकता है और वर्तमान में इसका उपयोग एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव विनिर्माण क्षेत्रों में किया जाता है।

चित्र 1 (ए) फोटोक्योरिंग तकनीक; (बी) फ़्यूज्ड डिपोजिशन तकनीक; (सी) स्लरी डायरेक्ट राइटिंग तकनीक; (डी) पाउडर बेड फ़्यूज़न तकनीक [1, 2]

3डी प्रिंटिंग तकनीक के निरंतर विकास के साथ, प्रोटोटाइप से लेकर अंतिम उत्पाद तक इसके फायदे लगातार प्रदर्शित किए जा रहे हैं। सबसे पहले, उत्पाद संरचना डिजाइन की स्वतंत्रता के संदर्भ में, 3डी प्रिंटिंग तकनीक का सबसे महत्वपूर्ण लाभ यह है कि यह सीधे वर्कपीस की जटिल संरचनाओं का निर्माण कर सकता है। इसके बाद, मोल्डिंग ऑब्जेक्ट की सामग्री के चयन के संदर्भ में, 3डी प्रिंटिंग तकनीक धातु, सिरेमिक, पॉलिमर सामग्री आदि सहित विभिन्न सामग्रियों को प्रिंट कर सकती है। विनिर्माण प्रक्रिया के संदर्भ में, 3डी प्रिंटिंग तकनीक में उच्च स्तर का लचीलापन है और वास्तविक जरूरतों के अनुसार विनिर्माण प्रक्रिया और मापदंडों को समायोजित कर सकते हैं।

सेमीकंडक्टर उद्योग

सेमीकंडक्टर उद्योग आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी तथा अर्थव्यवस्था में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है और इसका महत्व कई पहलुओं में परिलक्षित होता है। अर्धचालकों का उपयोग लघु सर्किट बनाने के लिए किया जाता है, जो उपकरणों को जटिल कंप्यूटिंग और डेटा प्रोसेसिंग कार्य करने में सक्षम बनाता है। और वैश्विक अर्थव्यवस्था के एक महत्वपूर्ण स्तंभ के रूप में, सेमीकंडक्टर उद्योग कई देशों के लिए बड़ी संख्या में नौकरियां और आर्थिक लाभ प्रदान करता है। इसने न केवल इलेक्ट्रॉनिक्स विनिर्माण उद्योग के विकास को सीधे बढ़ावा दिया, बल्कि सॉफ्टवेयर विकास और हार्डवेयर डिजाइन जैसे उद्योगों के विकास को भी बढ़ावा दिया। इसके अलावा, सैन्य और रक्षा क्षेत्रों में,अर्धचालक प्रौद्योगिकीसंचार प्रणाली, रडार और उपग्रह नेविगेशन जैसे प्रमुख उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण है, जो राष्ट्रीय सुरक्षा और सैन्य लाभ सुनिश्चित करते हैं।

चार्ट 2 "14वीं पंचवर्षीय योजना" (अंश) [3]

इसलिए, वर्तमान सेमीकंडक्टर उद्योग राष्ट्रीय प्रतिस्पर्धात्मकता का एक महत्वपूर्ण प्रतीक बन गया है, और सभी देश इसे सक्रिय रूप से विकसित कर रहे हैं। मेरे देश की "14वीं पंचवर्षीय योजना" अर्धचालक उद्योग में विभिन्न प्रमुख "अड़चनों" कड़ियों का समर्थन करने पर ध्यान केंद्रित करने का प्रस्ताव करती है, जिसमें मुख्य रूप से उन्नत प्रक्रियाएं, प्रमुख उपकरण, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक और अन्य क्षेत्र शामिल हैं।

चार्ट 3 सेमीकंडक्टर चिप प्रसंस्करण प्रक्रिया [4]

सेमीकंडक्टर चिप्स की निर्माण प्रक्रिया बेहद जटिल है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, इसमें मुख्य रूप से निम्नलिखित प्रमुख चरण शामिल हैं:वेफर तैयारी, लिथोग्राफी,एचिंग, पतली फिल्म जमाव, आयन आरोपण, और पैकेजिंग परीक्षण। प्रत्येक प्रक्रिया के लिए सख्त नियंत्रण और सटीक माप की आवश्यकता होती है। किसी भी लिंक में समस्या के कारण चिप को नुकसान हो सकता है या प्रदर्शन में गिरावट आ सकती है। इसलिए, सेमीकंडक्टर निर्माण में उपकरण, प्रक्रियाओं और कर्मियों की बहुत अधिक आवश्यकताएं होती हैं।

हालाँकि पारंपरिक सेमीकंडक्टर विनिर्माण ने बड़ी सफलता हासिल की है, फिर भी कुछ सीमाएँ हैं: सबसे पहले, सेमीकंडक्टर चिप्स अत्यधिक एकीकृत और लघु होते हैं। मूर के नियम (चित्र 4) की निरंतरता के साथ, सेमीकंडक्टर चिप्स का एकीकरण बढ़ता जा रहा है, घटकों का आकार सिकुड़ता जा रहा है, और विनिर्माण प्रक्रिया को अत्यधिक उच्च परिशुद्धता और स्थिरता सुनिश्चित करने की आवश्यकता है।

चित्र 4 (ए) एक चिप में ट्रांजिस्टर की संख्या समय के साथ बढ़ती रहती है; (बी) चिप का आकार लगातार सिकुड़ रहा है [5]

इसके अलावा, सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रिया की जटिलता और लागत नियंत्रण। सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रिया जटिल है और सटीक उपकरणों पर निर्भर करती है, और प्रत्येक लिंक को सटीक रूप से नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है। उच्च उपकरण लागत, सामग्री लागत और अनुसंधान एवं विकास लागत अर्धचालक उत्पादों की विनिर्माण लागत को अधिक बनाती है। इसलिए, उत्पाद की उपज सुनिश्चित करते हुए लागत का पता लगाना और कम करना जारी रखना आवश्यक है।

साथ ही, सेमीकंडक्टर विनिर्माण उद्योग को बाजार की मांग पर तुरंत प्रतिक्रिया देने की जरूरत है। बाजार की मांग में तेजी से बदलाव के साथ। पारंपरिक विनिर्माण मॉडल में लंबे चक्र और खराब लचीलेपन की समस्याएं हैं, जिससे बाजार में उत्पादों की तीव्र पुनरावृत्ति को पूरा करना मुश्किल हो जाता है। इसलिए, एक अधिक कुशल और लचीली विनिर्माण पद्धति भी सेमीकंडक्टर उद्योग की विकास दिशा बन गई है।

का आवेदन3 डी प्रिंटिगअर्धचालक उद्योग में

सेमीकंडक्टर क्षेत्र में, 3डी प्रिंटिंग तकनीक ने भी लगातार अपने अनुप्रयोग का प्रदर्शन किया है।

सबसे पहले, 3डी प्रिंटिंग तकनीक में संरचनात्मक डिजाइन में उच्च स्तर की स्वतंत्रता है और यह "एकीकृत" मोल्डिंग प्राप्त कर सकती है, जिसका अर्थ है कि अधिक परिष्कृत और जटिल संरचनाएं डिजाइन की जा सकती हैं। चित्र 5 (ए), 3डी सिस्टम कृत्रिम सहायक डिजाइन के माध्यम से आंतरिक गर्मी अपव्यय संरचना को अनुकूलित करता है, वेफर चरण की थर्मल स्थिरता में सुधार करता है, वेफर के थर्मल स्थिरीकरण समय को कम करता है, और चिप उत्पादन की उपज और दक्षता में सुधार करता है। लिथोग्राफी मशीन के अंदर जटिल पाइपलाइनें भी होती हैं। 3डी प्रिंटिंग के माध्यम से, होसेस के उपयोग को कम करने और पाइपलाइन में गैस प्रवाह को अनुकूलित करने के लिए जटिल पाइपलाइन संरचनाओं को "एकीकृत" किया जा सकता है, जिससे यांत्रिक हस्तक्षेप और कंपन के नकारात्मक प्रभाव को कम किया जा सकता है और चिप प्रसंस्करण प्रक्रिया की स्थिरता में सुधार हो सकता है।

चित्र 5 3डी सिस्टम भागों को बनाने के लिए 3डी प्रिंटिंग का उपयोग करता है (ए) लिथोग्राफी मशीन वेफर चरण; (बी) मैनिफोल्ड पाइपलाइन [6]

सामग्री चयन के संदर्भ में, 3डी प्रिंटिंग तकनीक उन सामग्रियों का एहसास कर सकती है जिन्हें पारंपरिक प्रसंस्करण विधियों द्वारा बनाना मुश्किल है। सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री में उच्च कठोरता और उच्च गलनांक होता है। पारंपरिक प्रसंस्करण विधियों को बनाना कठिन होता है और इनका उत्पादन चक्र लंबा होता है। जटिल संरचनाओं के निर्माण के लिए मोल्ड-समर्थित प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। सब्लिमेशन 3डी ने एक स्वतंत्र डुअल-नोजल 3डी प्रिंटर यूपीएस-250 विकसित किया है और सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल नौकाएं तैयार की हैं। प्रतिक्रिया सिंटरिंग के बाद, उत्पाद घनत्व 2.95~3.02g/cm3 है।

चित्र 6सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल नाव[7]

चित्र 7 (ए) 3डी सह-मुद्रण उपकरण; (बी) यूवी प्रकाश का उपयोग त्रि-आयामी संरचनाओं के निर्माण के लिए किया जाता है, और लेजर का उपयोग चांदी के नैनोकणों को उत्पन्न करने के लिए किया जाता है; (सी) 3डी सह-मुद्रण इलेक्ट्रॉनिक घटकों का सिद्धांत[8]

पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक उत्पाद प्रक्रिया जटिल है, और कच्चे माल से तैयार उत्पादों तक कई प्रक्रिया चरणों की आवश्यकता होती है। जिओ एट अल.[8] 3डी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए चुनिंदा रूप से बॉडी संरचनाओं का निर्माण करने या फ्री-फॉर्म सतहों पर प्रवाहकीय धातुओं को एम्बेड करने के लिए 3डी सह-मुद्रण तकनीक का उपयोग किया जाता है। इस तकनीक में केवल एक मुद्रण सामग्री शामिल है, जिसका उपयोग यूवी इलाज के माध्यम से बहुलक संरचनाओं के निर्माण के लिए किया जा सकता है, या प्रवाहकीय सर्किट बनाने के लिए नैनो-धातु कणों का उत्पादन करने के लिए लेजर स्कैनिंग के माध्यम से प्रकाश संवेदनशील रेजिन में धातु अग्रदूतों को सक्रिय करने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, परिणामी प्रवाहकीय सर्किट लगभग 6.12µΩm जितनी कम उत्कृष्ट प्रतिरोधकता प्रदर्शित करता है। सामग्री सूत्र और प्रसंस्करण मापदंडों को समायोजित करके, प्रतिरोधकता को 10-6 और 10Ωm के बीच नियंत्रित किया जा सकता है। यह देखा जा सकता है कि 3डी सह-मुद्रण तकनीक पारंपरिक विनिर्माण में बहु-सामग्री जमाव की चुनौती को हल करती है और 3डी इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के निर्माण के लिए एक नया रास्ता खोलती है।

सेमीकंडक्टर निर्माण में चिप पैकेजिंग एक महत्वपूर्ण कड़ी है। पारंपरिक पैकेजिंग तकनीक में जटिल प्रक्रिया, थर्मल प्रबंधन की विफलता और सामग्रियों के बीच थर्मल विस्तार गुणांक के बेमेल के कारण तनाव जैसी समस्याएं भी हैं, जो पैकेजिंग विफलता का कारण बनती हैं। 3डी प्रिंटिंग तकनीक विनिर्माण प्रक्रिया को सरल बना सकती है और पैकेजिंग संरचना को सीधे प्रिंट करके लागत कम कर सकती है। फेंग एट अल. [9] चरण परिवर्तन इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री तैयार की और चिप्स और सर्किट को पैकेज करने के लिए उन्हें 3डी प्रिंटिंग तकनीक के साथ जोड़ा। चरण परिवर्तन इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री फेंग एट अल द्वारा तैयार की गई। इसकी उच्च गुप्त ऊष्मा 145.6 J/g है और 130°C के तापमान पर महत्वपूर्ण तापीय स्थिरता है। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री की तुलना में, इसका शीतलन प्रभाव 13 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकता है।

चित्र 8 चरण परिवर्तन इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों के साथ सर्किट को सटीक रूप से एनकैप्सुलेट करने के लिए 3डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करने का योजनाबद्ध आरेख; (बी) बाईं ओर एलईडी चिप को चरण परिवर्तन इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री के साथ एनकैप्सुलेट किया गया है, और दाईं ओर एलईडी चिप को एनकैप्सुलेट नहीं किया गया है; (सी) एनकैप्सुलेशन के साथ और बिना एलईडी चिप्स की इन्फ्रारेड छवियां; (डी) एक ही शक्ति और विभिन्न पैकेजिंग सामग्री के तहत तापमान घटता है; (ई) एलईडी चिप पैकेजिंग आरेख के बिना जटिल सर्किट; (एफ) चरण परिवर्तन इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग सामग्री के ताप अपव्यय का योजनाबद्ध आरेख [9]

सेमीकंडक्टर उद्योग में 3डी प्रिंटिंग तकनीक की चुनौतियाँ

हालाँकि 3डी प्रिंटिंग तकनीक ने काफी संभावनाएं दिखाई हैंसेमीकंडक्टर उद्योग. हालाँकि, अभी भी कई चुनौतियाँ हैं।

मोल्डिंग सटीकता के संदर्भ में, वर्तमान 3डी प्रिंटिंग तकनीक 20μm की सटीकता प्राप्त कर सकती है, लेकिन सेमीकंडक्टर निर्माण के उच्च मानकों को पूरा करना अभी भी मुश्किल है। सामग्री चयन के संदर्भ में, हालांकि 3डी प्रिंटिंग तकनीक विभिन्न प्रकार की सामग्री बना सकती है, विशेष गुणों (सिलिकॉन कार्बाइड, सिलिकॉन नाइट्राइड, आदि) वाली कुछ सामग्रियों की मोल्डिंग कठिनाई अभी भी अपेक्षाकृत अधिक है। उत्पादन लागत के संदर्भ में, 3डी प्रिंटिंग छोटे-बैच के अनुकूलित उत्पादन में अच्छा प्रदर्शन करती है, लेकिन बड़े पैमाने के उत्पादन में इसकी उत्पादन गति अपेक्षाकृत धीमी होती है, और उपकरण की लागत अधिक होती है, जिससे बड़े पैमाने के उत्पादन की जरूरतों को पूरा करना मुश्किल हो जाता है। . तकनीकी रूप से, हालांकि 3डी प्रिंटिंग तकनीक ने कुछ विकास परिणाम हासिल किए हैं, यह अभी भी कुछ क्षेत्रों में एक उभरती हुई तकनीक है और इसकी स्थिरता और विश्वसनीयता में सुधार के लिए और अधिक अनुसंधान और विकास और सुधार की आवश्यकता है।