Von Smartphones über autonomes Fahren, Kryptowährungen und Künstliche Intelligenz: die Nachfrage nach immer leistungsfähigeren Mikrochips boomt. Rohstoffknappheit, Handelskonflikte und die angespannte weltpolitische Lage setzen die Halbleiterindustrie gleichzeitig enorm unter Druck. Die dringliche Suche nach sicheren Produktionsstandorten hat oberste Priorität, viele Hersteller sind durch das Reshoring der Fabriken massiv unter Zeit- und Lieferdruck. Wie können all diese Herausforderungen bewältigt werden? Und wie kann 3D-gedruckte Hochleistungskeramik zur raschen Problemlösung beitragen?
In der Halbleiterindustrie gilt es, schnell, präzise und günstig zu produzieren, denn der Lieferdruck und die damit verbundenen Kosten sind ausgesprochen hoch, vor allem im Hinblick auf das politische Zeitgeschehen, welches zusätzliche Herausforderungen aufwirft. Das heißt, das Implementieren neuer Mittel muss nicht nur einen ausschlaggebenden Mehrwert bieten und die Effizienz in der Produktion wesentlich steigern, sondern auch geopolitische Entwicklungen adressieren. Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel. 3D-Drucker können schnell angeschafft und an neue Standorte verlagert werden, was die Produktion auf Abruf und die örtliche Flexibilität vereinfacht. Indem mehrere Maschinen in 3D-Druckfarmen zusammen verwendet werden, kann die schnelle Versorgung von Komponenten und Ersatzteilen garantiert werden. Darüber hinaus fallen durch die Fertigung on demand kaum Lagerflächen- und Kosten an. Insgesamt trägt der 3D-Druck so zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz und Stabilisierung der Produktion gegenüber akuten Herausforderungen bei.
Lithoz LCM 3D-Druckfarm.
Ein Unternehmen, das den Mehrwert der additiven Fertigung in der Halbleiterindustrie erkannt hat, ist Lithoz. Das österreichische Unternehmen hat sich auf den 3D-Druck technischer Keramik spezialisiert und in der Vergangenheit aufgezeigt, wie seine LCM-Technologie in der Medizin und der Raumfahrt eingesetzt werden kann. Damit ist es aber nicht getan, denn das LCM-Verfahren bietet auch in der Halbleiterindustrie zahlreiche Vorteile, z.B. bisher unerreichbar komplexe Designs mit glatten Oberflächen für kritische Details (beispielsweise für hochpräzise Kanäle in Komponenten zur Gasverteilung und Kühlung), Komponenten ohne Verbindungen und ohne erforderliche Montage. Durch die Integration mehrerer Funktionen in einem einzigen Bauteil und die Anwendung von DfAM lässt sich nicht nur Gewicht einsparen, sondern auch die Wirtschaftlichkeit steigern. Darüber hinaus ermöglicht das LCM-Verfahren dank seiner stabilen Prozessführung eine zuverlässige Serienfertigung.
Keramik in der Halbleiterindustrie
Bleibt die Frage bestehen, welche Vorteile Hochleistungskeramik in der Halbleiterindustrie bereit hält. In der Regel entstehen Halbleiter aus Wafern, welche wiederum aus Silizium gefertigt werden. Obwohl Silizium in großen Mengen vorhanden ist, weist es einige Schwachstellen auf. So verliert es bei hohen Temperaturen seine Halbleitereigenschaft und verfügt über eine schlechtere Schaltgeschwindigkeit hinsichtlich der Elektronenmobilität. Für die immer stärker nachgefragten Hochleistungshalbleiter ist Silizium daher suboptimal. Einige technische Keramiken hingegen werden diesen Ansprüchen sehr wohl gerecht.
Lithoz Ultra-Präzisions-Aluminiumnitrid-Wärmetauscher.
Zu nennen sind hier etwa Aluminiumnitrid, welches eine hohe mechanische und aber vor allem thermische Stabilität aufweist. Es verfügt über eine außerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit und thermische Ausdehnung – Eigenschaften, die es für Hochleistungsanwendungen besonders interessant und beliebt machen. Auch Aluminiumoxid erfreut sich sehr großer Beliebtheit in der Halbleiterindustrie, da es elektrisch isolierend und beständig gegenüber chemischer Korrosion ist. Dies bietet erhebliche Vorteile für Anwendungen in extremen oder ätzenden Umgebungen. Eine weitere Keramik für die Halbleiterindustrie ist Siliziumnitrid, welches sehr haltbar und beständig gegenüber Chemikalien und Temperaturen ist.
Lithoz bietet diese Keramiken für den 3D-Druck an und hat mit Vertretern der Halbleiterindustrie bereits Funktionsteile im LCM-Verfahren gefertigt, welche die keramischen Eigenschaften und die LCM-Ultrapräzision vereinen. Beispiele, die genannt werden dürfen, sind Gasausgleichsvorrichtungen, ein ALD-Ring, Heiz- und Kühlplatten und eine Gasverteilungsdüse. Werfen wir nun also einen genaueren Blick auf einen dieser Use Cases, um das Potential von keramischem 3D-Druck in der Halbleiterindustrie zu verdeutlichen.
Lithoz Gasverteiler und Gasdurchflussdüsen.
3D-gedruckter ALD-Ring für optimierte Gasströmungen
Alumina Systems und Plasway Technologies stützten sich auf die LCM-Technologie, um einen ALD-Ring zu entwerfen und fertigen. In der Atomlagenabscheidung (ALD) werden extrem dünne Schichten (nur ein Atom dick) präzise auf Halbleiter-Oberflächen aufgebracht. Dazu muss das Gas, welches die Schichten bildet, gleichmäßig verteilt sein. Ein ALD-Ring stellt genau dies sicher und sorgt für eine homogene Verteilung der Prozessgase über die gesamte Waferfläche. Integrierte Sensoren unterstützen dies, da sie Echtzeit-Feedback und fein abgestimmte Anpassungen ermöglichen.
Ziel der Unternehmen war es, die Effizienz des Ätz- und Beschichtungsprozesses für Halbleiterfertigungsanlagen signifikant zu steigern. Durch die LCM-Technologie konnte dies erreicht werden, wobei Alumina Systems den von Plasway Technologies entworfenen Ring fertigte. Auf einem Lithoz CeraFab S320 Drucker konnten bereits 20 Ringsegmente aus dem Aluminimumoxid-Material LithaLox pro Druckplattform gedruckt werden. Anschließend wurden jeweils sechs Segmente zu einem Ring mit 380 mm Durchmesser zusammengefügt. Pro Druckjob konnten so Bestandteile für mehr als drei Ringe gedruckt werden. Die 3D-gedruckten Keramik-Ringe verbesserten nicht nur die Gasströmung, sondern ermöglichten es den Unternehmen auch, ihre Produktivität zu verdreifachen, die Betriebszeit von einem auf neun Monate zu verlängern und dabei die Kosten der Herstellung zu senken.
Dies ist nur ein Fallbeispiel, wie die LCM-Technologie und Hochleistungskeramiken von Lithoz dazu beitragen, die vorherrschenden Herausforderungen im Halbleitersektor zu bewältigen. Weitere Use Cases und Informationen zu den Keramiken und 3D-Druckern von Lithoz finden Sie auf der Website HIER.
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*Titelbild: Lithoz ALD Ring, gefertigt von Alumina Systems und Plasway, Bildnachweise: Lithoz