3D-Metalldruck Mit 3D-Druck die Produktion in der Halbleiterbranche neu denken

Autor / Redakteur: Rik Jacobs / Stefan Guggenberger

Mit additiver Fertigung überwinden Hersteller die aktuellen Lieferschwierigkeiten bei Halbleitern. Zudem ist es mit AM möglich, Genauigkeit, Qualität und Produktivität in der Fertigung zu verbessern.

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In der Praxis hat sich bereits gezeigt, dass AM bei der Halbleiterfertigung die Störkräfte, das Gewicht und die Fehlerpunkte in Bauteilen reduzieren kann.
In der Praxis hat sich bereits gezeigt, dass AM bei der Halbleiterfertigung die Störkräfte, das Gewicht und die Fehlerpunkte in Bauteilen reduzieren kann.
(Bild: 3D Systems)

Seit Beginn der Pandemie hat die additive Fertigung entscheidend dazu beigetragen, eine verteilte Fertigung zu ermöglichen. Das war ein kritischer Faktor, um die Auswirkungen auf die Lieferketten durch die abrupte Schließung der Landesgrenzen gering zu halten. Eine Gefahr, die durch mutierte Viren immer noch präsent ist. Wie wichtig eine verteilte Fertigung sein kann, haben zudem die Lieferverzögerungen durch die Blockade des Suez-Kanals gezeigt.

Aktuell wird die additive Fertigung vermehrt eingesetzt, um die Auswirkungen von Lieferkettenunterbrechungen auf die Halbleiterindustrie zu minimieren und gleichzeitig die Genauigkeit, Qualität und Produktivität zu verbessern. Halbleiterhersteller können ihre Produktivität durch die Einbindung der additiven Fertigung in ihre Produktentwicklungsprozesse weiter verbessern. Dadurch können sie die Entwicklungen ihrer Anwender unterstützen, während sie gleichzeitig die Leistung auf dem neuesten Stand der Technik halten und die Maschinengeschwindigkeit und den Wafer-Durchsatz verbessern.

Wafer in der Halbleiterfertigung

Als Wafer werden in der Halbleiterfertigung die Scheiben bezeichnet, auf denen die integrierten Schaltkreise, die Mikrochips, hergestellt werden. Meist bestehen die Wafer aus Silicium, daneben gibt es Scheiben aus Germanium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid, Saphir, Glas und andere. Die Waferoberfläche bezeichnet man als Substrat, diese darf in der Produktion eine Oberflächenunebenheit von nur wenigen Nanometern besitzen.

Quelle: Halbleiter.org

Additive Metallfertigung für effizientere Teile

Hier ist eine Übersicht an Vorteilen, die sich für Anwendungen in der Halbleiterindustrie ergeben, wie zum Beispiel Verteiler, Wafer-Tische, Wafer-Handling-Systeme, Flexuren und Halterungen:

  • Gestaltungsfreiheit stellt die Funktion über die Form: Die additive Fertigung ermöglicht ein optimales Design, eine schnelle Iteration und die Herstellung leichter, leistungsoptimierter Teile für Produktionsanlagen in der Halbleiterindustrie. Durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) können interne Kühlkanäle und Oberflächenmuster optimiert werden, sodass die Oberflächentemperatur und Wärmegradienten besser gesteuert und Zeitkonstanten so reduziert werden, dass Produktivitätsverluste minimiert werden. Das führt zu einer effizienten Wärmeableitung und -steuerung, wodurch ein höherer Systemdurchsatz, eine höhere Genauigkeit und eine höhere Gesamtleistung ermöglicht werden.
  • Hohe Qualität und Genauigkeit für Reinraumumgebungen: Additive Metallfertigungslösungen sorgen für eine hohe Werkstoffqualität und Teilegenauigkeit. Die Teile werden in einer Schutzgasatmosphäre mit einem konstanten, extrem niedrigen Sauerstoffniveau erzeugt. Daran gekoppelt sind Prozesse, die für eine optimale Partikelreinheit sorgen. Es entstehen Metallteile, die den Reinraumanforderungen entsprechen und für den Einsatz in Halbleitergeräten geeignet sind.
  • Leistung und Produktivität: Durch die additive Fertigung von Teilen für Produktionsanlagen ist es möglich, die Wafer-Ausbeute zu erhöhen, indem die Genauigkeit, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und der Durchsatz von Halbleiteranlagen verbessert werden. Leistungsvorteile können auch bei kritischen Teilen und Subsystemen realisiert werden, darunter Wärmemanagement, optimale Flüssigkeitsströmung, Leichtbau und Teilekonsolidierung.

Vielfältige Einsatzgebiete für die additive Fertigung

Verteiler, die für die additive Fertigung entwickelt wurden, optimieren den Flüssigkeits- und Gasfluss, um Druckverluste zu reduzieren und mechanische Störungen sowie Vibrationen zu minimieren.
Verteiler, die für die additive Fertigung entwickelt wurden, optimieren den Flüssigkeits- und Gasfluss, um Druckverluste zu reduzieren und mechanische Störungen sowie Vibrationen zu minimieren.
(Bild: 3D Systems)

Für die Herstellung von Produktionsanlagen in der Halbleiterindustrie werden Hunderttausende von Komponenten benötigt, was eine Vielzahl von Möglichkeiten für die additive Fertigung bietet. Um nur ein Beispiel zu nennen: Stellt man Verteiler mit herkömmlichen Methoden her, führt das oft zu Teilen, die größer und schwerer sind und einen stagnierenden oder turbulenten Fluss sowie unzuverlässige Verbindungen verursachen, die sich negativ auf die Systemleistung und/oder Zuverlässigkeit auswirken.

Im Gegensatz dazu optimieren Verteiler, die für die additive Fertigung entwickelt werden, den Flüssigkeits- und Gasfluss, um Druckverluste zu reduzieren und mechanische Störungen und Vibrationen zu minimieren. Außerdem ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung von monolithischen Teilen im Gegensatz zu mehrteiligen Baugruppen. Das Ergebnis sind strukturell optimierte Verteiler mit reduzierten Arbeitskosten und verbesserter Fertigungsausbeute für eine effizientere Lieferkette. Ein großer Hersteller von Halbleiter-Produktionsanlagen, der eine additive Metallfertigungslösung in seinen Arbeitsablauf zur Herstellung von Verteilern integriert hat, konnte die folgenden Vorteile realisieren:

  • Reduzierung strömungsinduzierter Störkräfte um bis zu 90 Prozent
  • Reduzierung des Gewichts um 50 Prozent und optimierter Platzbedarf
  • Höhere Zuverlässigkeit durch ein einziges, monolithisches Teil mit deutlich weniger Fehlerpunkten im Vergleich zu einer auf konventionellem Wege gefertigten Verteilerbaugruppe, die üblicherweise aus mehr als 20 Teilen besteht.

Potential für schnellere Innovationen

Mit AM können interne Kühlkanäle und Oberflächenmuster für eine effiziente Wärmeableitung und thermische Kontrolle optimiert werden. So sind eine Erhöhung des Systemdurchsatzes und der Genauigkeit möglich.
Mit AM können interne Kühlkanäle und Oberflächenmuster für eine effiziente Wärmeableitung und thermische Kontrolle optimiert werden. So sind eine Erhöhung des Systemdurchsatzes und der Genauigkeit möglich.
(Bild: 3D Systems)

Durch die additive Fertigung ändert sich die Art und Weise, wie branchenführende Hersteller von Halbleiter-Produktionsanlagen neue Entwicklungen vorantreiben. Als anerkannte, validierte Lösung für die Herstellung von Halbleiterlithografie- und Wafer-Bearbeitungsanlagen können Erstausrüster mit der additiven Metallfertigung die Anforderungen an Genauigkeit, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Produktivität der immer komplexer werdenden Mikrochip-Produktion erfüllen. Mit den fortschrittlichen Möglichkeiten, die die additive Fertigung bietet, sind diese Hersteller nun in der Lage, ihre Produktentwicklungsprozesse neu zu gestalten und eine Vielzahl von einzigartigen Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

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