Circuite integrate de imprimare 3D: ce este posibil acum și în viitor?

Industria semiconductoarelor primește multă atenție – și din motive întemeiate. Circuitele integrate fac posibilă tehnologia, iar aceste dispozitive sunt construite pe spatele semiconductorilor. Procesele de fabricație a semiconductoarelor au parcurs un drum lung de când Robert Noyce a inventat circuitul integrat în 1959. Odată cu creșterea Industriei 4.0 și gama largă de procese de fabricație aditivă, ne întrebăm în mod natural dacă industria electronică va avansa la circuitele integrate de imprimare 3D la scară completă. .

În această discuție, apare în mod firesc întrebarea: De ce să folosiți procese de fabricație aditivă pentru a produce circuite integrate? Imprimarea 3D este deja folosită pentru a produce PCB-uri complet funcționale, cu geometrie unică, arhitectură de interconectare și diferite niveluri de încorporare a componentelor. Capacitatea de a imprima 3D circuite integrate și alte dispozitive semiconductoare direct într-un PCB permite fabricarea în volum redus a dispozitivelor foarte specializate, cu factor de formă și capabilități unice.

Starea actuală a circuitelor integrate de imprimare 3D

Procesele de fabricare a semiconductorilor de siliciu, III-V și II-VI sunt foarte avansate și sunt utilizate pentru a produce circuite integrate cu dimensiuni de poartă mai mici de 10 nm. În prezent, cele mai avansate procese de imprimare 3D oferă rezoluție aproape de microni și co-depunere a mai multor materiale.

Co-depunerea este esențială pentru circuitele integrate de imprimare 3D, deoarece conductorii și materialele semiconductoare trebuie imprimate simultan. Rezoluția celor mai avansate sisteme de imprimare 3D trebuie încă să se îmbunătățească înainte ca VLSI să fie posibil. Pe lângă îmbunătățirea performanței dispozitivului, miniaturizarea va oferi un consum mult mai mic de energie pentru comutarea porților logice.

Ca exemplu a ceea ce este posibil în prezent cu circuitele integrate de imprimare 3D, cercetătorii de la Air Force Research Laboratory și American Semiconductor au imprimat recent microcontroller SoC-uri 3D din polimeri pe un substrat flexibil de siliciu. Aceste unități de microcontroler oferă memorie de 7000x în comparație cu alte circuite integrate flexibile la momentul respectiv. Unele aplicații preconizate includ senzorul de mediu sau de deformare, precum și monitorizarea inventarului de muniție.

Un circuit integrat de microcontroler flexibil. Acest circuit a fost fabricat folosind polimeri pe siliciu.

În prezent, tranzistoarele cu peliculă subțire (TFT), diodele, LED-urile pot fi imprimate 3D din polimeri organici cu sisteme disponibile comercial și experimentale. TFT-urile imprimate 3D pot avea diverse configurații de contact/poartă și pot fi scalate cu ușurință orizontal și vertical. Polimerii pot fi ușor dopați și funcționalizați, permițând ca proprietățile lor electronice și optice să fie reglate pentru a satisface cerințele diferitelor dispozitive.

Utilizarea polimerilor pe o placă semiconductoare este o cale naturală de a urmări circuite integrate de imprimare 3D. Contactele electrice pot fi deja depuse într-o manieră aditivă printr-o mască (adică, evaporare termică, PVD sau CVD), urmată de depunerea polimerilor semiconductori și a pistelor conductoare mai mari cu o imprimantă 3D. Adaptabilitatea lor la procese la temperatură scăzută le face, de asemenea, ideale pentru imprimarea 3D a circuitelor integrate direct pe plăci cu semiconductor standard.

Alți cercetători lucrează la avansarea proceselor și materialelor de fabricație aditivă pentru a permite circuitele integrate de imprimare 3D. De exemplu, Universitatea din Hamburg și Deutsches Elektronen-Synchrotron au dezvoltat un proces de imprimare 3D care poate permite fabricarea de circuite integrate. Acest proces folosește o plasă de ~20 nm nanofire de argint ca elemente conductoare și o peliculă subțire de polimer ca material izolator sau semiconductor. Acest proces este încă în faza de cercetare, dar ilustrează modul în care nanostructurile unice pot fi folosite pentru a fabrica dispozitive semiconductoare care rivalizează cu circuitele integrate de siliciu.

Economia circuitelor integrate de imprimare 3D

În orice proces de producție, structura costurilor implicată în producție este un factor important al prețului unui dispozitiv finit. Circuitele integrate reușesc sau eșuează în funcție de costul matriței de pe plachetă – atunci când mai multe matrițe pot fi plasate pe o singură placă, costurile pe dispozitiv scad. Structura costurilor de fabricație a circuitelor integrate este responsabilă pentru costurile ridicate ale circuitelor integrate înalt specializate, de volum redus. Un exemplu excelent poate fi găsit în industria de apărare, unde costul unui singur FPGA pentru un sistem complex poate ajunge la zeci de mii de dolari.

Structura unică de cost a dispozitivelor imprimate 3D schimbă această dinamică economică. Circuitele integrate imprimate 3D nu trebuie să fie produse pe o napolitană și pot fi chiar fabricate individual. Deoarece dispozitivele imprimate 3D pot fi produse cu un timp de fabricație previzibil, iar structura costurilor este independentă de complexitate, costurile implicate în electronicele de imprimare 3D depind de greutatea materialelor utilizate. Acest lucru face ca circuitele integrate imprimate 3D să fie extrem de competitive din punct de vedere al costurilor pentru producția de volum redus, în comparație cu dispozitivele produse pe wafer-uri semiconductoare cu procese standard.

Provocări în circuitele integrate de imprimare 3D

Imprimantele disponibile comercial devin din ce în ce mai avansate, iar gama de materiale utile cu aceste sisteme se extinde. Acestea fiind spuse, există încă unele provocări în circuitele integrate de imprimare 3D cu același nivel de performanță ca și circuitele integrate pe circuite monolitice. Aceste provocări implică găsirea de materiale semiconductoare rigide care pot fi adaptate la un proces standard de imprimare 3D, optimizarea acestor materiale pentru diferite benzi de frecvență și aducerea rezoluției de imprimare mai aproape de nivelul nanometric.

A lithographic process may aid in 3D printing integrated circuits with less than one-micron resolution.

Faptul că pierderile și paraziții pot fi optimizate într-o varietate de polimeri pentru benzi de frecvență specifice le permite acestor materiale să concureze cu GaN, care este în prezent cea mai bună opțiune pentru fabricarea de circuite integrate RF și SoC. GaN este utilizat în prezent în cele mai bune SoC-uri pentru module radar de înaltă frecvență, precum și în amplificatoare de putere pentru lanțuri de semnal cu microunde și mmWave. Polimerii sunt deja folosiți pentru imprimarea 3D a substraturilor pentru construirea de PCB-uri flexibile și neplanare, așa că este firesc să extindem aceste materiale la circuite integrate și alte dispozitive semiconductoare.

Pentru a crește rezoluția de imprimare, industria de fabricație aditivă poate avea nevoie să conceapă un proces de imprimare complet nou. În prezent, imprimarea 3D cu jet de cerneală oferă printre cele mai înalte caracteristici de rezoluție pentru PCB-urile de imprimare 3D, dar rămâne de văzut dacă acest proces poate fi îmbunătățit pentru a oferi o rezoluție mai mică de 1 micron. Viitorul circuitelor integrate de imprimare 3D va adapta probabil un proces de fotolitografie sau proces funcțional de auto-asamblare pentru a produce circuite integrate cu rezoluție competitivă.

Companiile inovatoare care sunt interesate de circuite integrate de imprimare 3D și PCB-uri complet funcționale au nevoie de un sistem de fabricație aditivă proiectat pentru producția la scară largă de electronice complexe. Sistemul DragonFly LDM de la Nano Dimension este ideal pentru fabricarea internă de PCB la scară completă a electronicelor complexe cu o arhitectură plană sau non-plană. Designerii pot încorpora componente standard și pot experimenta cu circuite integrate imprimate 3D. Citiți un studiu de caz sau contactați-ne astăzi pentru a afla mai multe despre sistemul DragonFly LDM.