Všetci dobre vieme, aký dosah môže mať pandémia. Jedným z neočakávaných úderov pandémie bol a stále je celosvetový nedostatok polovodičov. To narúša výrobu mnohých spotrebných produktov, od áut až po elektroniku, kde je dopyt po mikročipoch väčší ako kedykoľvek predtým.
Automobilová spoločnosť Volkswagen niekoľkokrát v priebehu pandémie uviedla, že nedostatok polovodičov bude mať za následok zníženie počtu vyrobených vozidiel. Nissan, Renault, Daimler a General Motors tiež čelili nedostatku, ktorý zaznamenal pokles produkcie až o 20 % týždenne.
Okrem toho, s pandémiou, ktorá nútila časť populácie pracovať z domu, dopyt po spotrebnej elektronike, ako sú notebooky a herné konzoly, prudko vzrástol. Japonský technologický gigant Sony naznačil, že práve pre tento nedostatok nedokázal vyrobiť dostatok konzol PlayStation 5 na uspokojenie dopytu. Výrobcovia týchto zariadení súperia s automobilovým priemyslom o čipy, pretože moderné vozidlá čoraz viac začleňujú do svojich modelov pokročilé technológie.
Ak je potrebných viac čipov, nemôžu výrobcovia jednoducho zvýšiť svoju výrobnú kapacitu? Teoreticky to znie jednoducho, ale výrobné kapacity a potrebné technológie tento zámer spochybňujú. Aby podniky zvýšili výrobu, musia nainštalovať nové výrobné linky. Výrobcovia technologických zariadení sa síce snažia neustále inovovať výrobné linky, ktoré by pomohli polovodičovému priemyslu uspokojiť rastúci dopyt, avšak ich vývojový cyklus je dlhý, nákladný a tiež zložitý.
Urýchlenie inovácií s aditívnou výrobou
Aditívna výroba, často označovaná ako 3D tlač, umožňuje slobodu dizajnu a bezproblémový prechod od prvotných prototypov k malosériovej výrobe dielov na mieru. Integráciou aditívnej výroby do tradičných výrobných procesov polovodičov možno optimalizovať pomer pevnosti a hmotnosti, integrovať kompatibilné chladiace štruktúry, znížiť počet potrebných častí systému a zjednodušiť požiadavky na montáž.
So stovkami komponentov potrebných na vytvorenie konečného produktu sa možnosti, ktoré aditívna výroba ponúka na zlepšenie výroby, zdajú neobmedzené. Preskúmajme najmä tri, ktorých výhody preukázala spoločnosť 3D Systems.
Riadenie odvodu tepla na polovodičovom plátku
Lepšie riadenie odvodu tepla (lepší tepelný manažment) kritických polovodičových súčiastok, ako sú kremíkové doštičky, môže zlepšiť presnosť zariadení na výrobu polovodičov o 1 – 2 nm a zároveň zvýšiť rýchlosť a priepustnosť. Vyššia rýchlosť aj prevádzkyschopnosť stroja znamenajú produkciu väčšieho počtu kremíkových doštičiek a celkové predĺženie životného cyklu.
Kritickým aspektom je, že teplota plátku musí byť prísne kontrolovaná počas litografie a to sa vykonáva pomocou chladiacich kanálov zabudovaných do „stola“ plátku, ktorý ho drží pri litografii. Aditívna výroba umožňuje optimalizovať vnútorné chladiace kanály a povrchové štruktúry s cieľom čo najrovnomernejšieho a najefektívnejšieho chladenia. Jedinečné typy konštrukcií, ktoré možno dosiahnuť s aditívnou výrobou, dokážu účinne rozptýliť teplo, zvýšiť priepustnosť a presnosť systému, ako aj celkový výkon.
Optimalizácia prietoku tekutín v potrubí
Použitie tradičných výrobných procesov na výrobu zložitých kvapalinových potrubí vedie k veľkým, ťažkým dielom, ktoré majú neoptimálny prietok kvapaliny v dôsledku náhlych prechodov v spojoch s ostrými hranami, ktoré môžu zapríčiniť pokles tlaku a viesť k netesnostiam. Použitím aditívnej výroby na zhotovenie potrubí možno optimalizovať ich štruktúru, znížiť vibrácie a zlepšiť pevnosť konštrukcie. Výsledkom sú tak zlepšené prietokové cesty, znížená hmotnosť a znížený celkový objem potrubia.
Flexibilita a štrukturálna optimalizácia
Aditívna výroba umožňuje optimalizovať štruktúru dielu, t. j. odľahčiť ho pomocou pevných vrstiev kovových zliatin. Tieto návrhy môžu presnejšie spĺňať výkonnostné požiadavky polovodičových zariadení, zlepšiť pevnosť zariadenia, znížiť hmotnosť a urýchliť uvedenie na trh. Odľahčené polovodičové komponenty a pokročilé pohybové mechanizmy znižujú zotrvačnosť a vylepšujú litografiu, rýchlosť a prevádzkyschopnosť strojov na spracovanie plátkov, čo prirodzene vedie k väčšiemu počtu spracovaných plátkov. Navyše spojením niekoľkých častí do jednej možno dosiahnuť vyššiu spoľahlivosť a znížiť náklady na prácu. Jeden výrobca polovodičov uviedol, že použitím aditívnej výroby dosiahol zníženie hmotnosti v záhyboch o 50 % a o 23 % vyššiu rezonančnú frekvenciu a dokázal zmierniť vibrácie systému.
Nekonečné možnosti
Keďže aditívna výroba aplikovaná na polovodiče je len zriedka diskutovaná, je otázne, či sa táto technológia široko udomácni v odvetví výroby čipov a aké výhody by tam mohla priniesť. Tlaky vyvíjané na trh spôsobené rastúcim dopytom a výrobnými bariérami vyžadujú rýchly prechod na aditívnu výrobu, aby sa dosiahla potrebná optimalizácia. V súčasnosti sa vyvíjajú a dokonca dodávajú zariadenia na spracovanie plátkov, ktoré zahŕňajú diely vyrobené aditívnou výrobou.
Nástroje aditívnej výroby možno síce aplikovať už do existujúcich výrobných procesov, ale ich účinok nemusí naplniť očakávania. Pravdepodobnejší scenár je, že aditívna výroba výrazne zdokonalí nové stroje a výrobné linky, ktoré sa budú dodávať v priebehu nasledujúcich rokov.
Rozšírenie aditívnej výroby do polovodičového priemyslu, ktorý čelí aktuálne neriešiteľným problém a ešte väčšiemu dosahu na ostatné oblasti priemyslu, prichádza v ideálnom čase. Aditívna výroba otvára nové možnosti a ukazuje, kam sa procesy môžu posunúť. Aj keď nedokáže úplne nahradiť konvenčný spôsob výroby polovodičových zariadení a odstrániť dosah nedostatku čipov mávnutím prútika, umožňuje výrobcom polovodičových zariadení pozrieť sa do budúcnosti a prehodnotiť výrobné postupy a posúvať hranice. Príležitosť tu je, otázne je, ako ju dokážu zainteresované strany aplikovať do existujúcich procesov.
Zdroje
[1] Flexure and Structural Optimization. 3D Systems. [online]. Citované 17. 2. 2022.
[2] Wafer Table Thermal Management. 3D Systems. [online]. Citované 17. 2. 2022.
[3] Manifold Fluid Flow Optimization. 3D Systems. [online]. Citované 17. 2. 2022.
[4] Vinoski, J.: Can 3D Printing Help Solve Our Chip Shortage? Forbes. [online]. Publikované 15. 6. 2021. Citované 17. 2. 2022.
