Caso di studio: tavolo per wafer stampato in 3D di nuova generazione

Per soddisfare la crescente domanda di tecnologie avanzate nel settore dei semiconduttori, si prevede che la crescita del mercato delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori proseguirà, raggiungendo nuovi record pari a 121 miliardi di dollari nel 2025 e 139 miliardi di dollari nel 2026, sostenuta sia dal segmento front-end che da quello back-end. Si prevede che le vendite nel segmento delle apparecchiature per la produzione di wafer (WFE) registrino una crescita del 6,8% nel 2025 e del 14% nel 2026, raggiungendo i 123 miliardi di dollari grazie all’aumento della domanda di applicazioni con requisiti di logica e memoria avanzati.

La precisione e l’affidabilità dei tavoli per wafer, che incidono direttamente sull’efficienza e sulla resa dei processi di produzione dei semiconduttori, sono fondamentali nelle apparecchiature per la produzione di semiconduttori, in particolare nei macchinari per litografia, ispezione dei wafer, posizionamento dello stampo, incisione e deposizione.

La stampa 3D può svolgere un ruolo fondamentale, consentendo un cambiamento significativo nella progettazione dell’architettura, impossibile da realizzare con i metodi di produzione tradizionali, determinando così un cambiamento radicale in termini di precisione, velocità e tempi di funzionamento delle attrezzature per la produzione di semiconduttori. Consente inoltre di realizzare modelli di tavoli per wafer dal design unico, a seconda dell’applicazione a cui sono destinati.

La sfida

Per migliorare la resa e la precisione dei tavoli per wafer e soddisfare le esigenze di continua miniaturizzazione, i processi di produzione dei semiconduttori si trovano ad affrontare cinque sfide principali:

1. mantenimento di una precisione sub-nanometrica su aree estese
2. riduzione degli effetti dell’espansione termica causati dal calore di processo
3. controllo delle vibrazioni e dei disturbi ambientali
4. interruzioni della catena di approvvigionamento e tempi di consegna
5. Limitazioni dei processi tradizionali:
   • richiede saldature e/o assemblaggi per ottenere forme lisce, con il conseguente notevole aumento dei tempi di produzione e del rischio di perdite
   • le pareti rimangono relativamente spesse a causa dei vincoli della produzione
   • la realizzazione di progetti producibili richiede compromessi significativi
   • l’aggiornamento dei progetti richiede spesso nuove attrezzature costose e tempi di consegna lunghi
   • la produzione di piccoli volumi spesso richiede utensili e macchine differenti rispetto alla produzione di volumi elevati

La soluzione

Grazie alle nostre innovative soluzioni di stampa 3D in metallo che includono le nostre competenze applicative, 3D Systems ha sviluppato un prototipo di tavolo per wafer di silicio di nuova generazione. Abbiamo implementato diverse tecniche di progettazione innovative per soddisfare i requisiti di una soluzione di raffreddamento ideale. 

Per qualsiasi soluzione con piastra di raffreddamento, il metodo di raffreddamento ottimale richiede:

1. rapida dissipazione del calore
2. applicazione uniforme del fluido di raffreddamento
3. gradiente uniforme della temperatura superficiale
4. Gestione dell’entropia del sistema

1. Il calore dovrebbe essere allontanato dalla fonte di calore il più rapidamente possibile
   In genere, il fluido di raffreddamento scorre attraverso tubi a serpentina, attraversando l’area in cui la temperatura più bassa (T0) si trova all’ingresso del tubo e quella più alta all’uscita dello stesso. I vincoli di progettazione richiedono in genere che queste due posizioni (di ingresso e di uscita) siano collocate nella stessa posizione, il che aggiunge un’ulteriore disomogeneità.

• Il ritorno del fluido di raffreddamento riscaldato verso il fluido T0 nel punto di ingresso favorisce un ulteriore trasferimento di calore al fluido T0, riducendo l’efficienza complessiva già dal punto di partenza.
• Questa architettura progettuale è inefficiente e richiede un compromesso funzionale: il flusso planare non è seriale. Consente il flusso su quasi tutta la superficie, trattandola come una cavità dotata di alette direzionali. 
• Un forte flusso centrale verso il bordo con un collettore di ritorno sul bordo a cascata rappresenta un concetto progettuale innovativo, che di per sé produce un gradiente polare di temperatura prevedibile. 

2. Idealmente, il fluido di raffreddamento dovrebbe essere distribuito in modo uniforme su tutta l’area di raffreddamento, in modo che alla superficie raffreddante sia sempre applicata la temperatura più bassa possibile.
   Nel punto precedente, presentiamo un metodo per controllare il profilo di raffreddamento e modellarlo in un gradiente polare. Grazie all’utilizzo di un iniettore di tipo “a soffione”, ampiamente utilizzato nel settore, iniettiamo in modo uniforme il fluido di raffreddamento nella serie di alette.

• Ciò risolve il problema dell’aumento di temperatura verificatosi con il precedente metodo di progettazione, che prevedeva un flusso dal centro verso il bordo.
• Iniettando il fluido T0 in modo uniforme su tutta l’area, attenuiamo il gradiente polare e regolarizziamo la temperatura su tutta la superficie senza compromettere le caratteristiche di flusso.

3. L’intera superficie di contatto dovrebbe mantenere una temperatura il più possibile uniforme
   • Utilizzando una rete di alette di diffusione del flusso progettata in modo generativo all’interno dello spazio di raffreddamento che abbiamo illustrato in precedenza, proponiamo una soluzione dalla geometria semplice ed efficiente per la diffusione del fluido di raffreddamento nella camera di raffreddamento. 
   • Se a ciò aggiungiamo i due elementi di progettazione precedenti, otteniamo un metodo per gestire il flusso e il gradiente di temperatura. 
4. Nel corso del tempo, l’entropia dell’intero sistema influirà sulla temperatura media totale transitoria. Per contrastare questo fenomeno, dovrebbero esserci dei metodi per contrastare la deriva totale della temperatura media
   Implementando un serbatoio per il “pozzetto di raffreddamento” a monte del soffione, consentiamo a un volume di refrigerante di rimanere allo stato T0 e di fornire un ulteriore potenziale dissipatore di energia. Questo approccio ha un duplice scopo: 
   • il pozzetto di raffreddamento funge da dissipatore termico T0 continuo per l’intero sistema, agendo come un blocco di ghiaccio al suo centro e rendendo molto più difficile che qualsiasi flusso termico o variazione temporanea possa influenzare in modo significativo le caratteristiche termiche del sistema. 
   • Inoltre, il pozzetto di raffreddamento funge da serbatoio tampone tra il volume di raffreddamento e il ritorno. Impedisce al fluido di ritorno di esercitare un effetto significativo sulla superficie di raffreddamento attiva. 

3D Systems offre un ecosistema completo che integra hardware, software e servizi, con:

• consulenza Application Innovation Group (AIG) - Insieme ai nostri clienti, identifichiamo le loro esigenze, collaborando con loro per ottimizzare i progetti, realizzare prototipi, effettuare verifiche e definire un flusso di lavoro di produzione.
• In questo progetto relativo a un tavolo per wafer, abbiamo utilizzato la nostra più recente e avanzata soluzione di stampa 3D in metallo: stampante 3D DMP Flex 350 Triple, lega A6061-RAM2 ad alta conducibilità termica e software 3DXpert® di Oqton.
• Aiutiamo OEM e fornitori di semiconduttori a definire capacità additive in metallo proprie, che riducono costi e tempi di stampa. Il nostro team dedicato collabora con il cliente in ogni fase, dalla pre-produzione alla produzione su larga scala.

Vantaggi/Risultati

Maggiore efficienza - Ottimizzazione del design, iterazioni rapide e produzione di piastre di raffreddamento con modelli di flussi di fluido complessi, progettati in modo parametrico o generativo, che accelerano il percorso del fluido in modo uniforme per aumentare l’efficienza di raffreddamento, migliorando così la resa di chip semiconduttori di alta qualità all’interno di ciascun wafer.

• 500x - maggiore superficie di raffreddamento
• 4-6 % - maggiore uniformità della temperatura
• 10x - aumento della capacità di contenimento dei liquidi

Affidabilità – La piastra di raffreddamento monoblocco impedisce le perdite rispetto alle piastre di raffreddamento tradizionali composte da due o tre elementi. Con un design monolitico è possibile ottenere l’iniezione ottimale del fluido di raffreddamento e l’estrazione più efficiente del calore.

Riduzione dei tempi di consegna  e minimizzazione delle difficoltà nella catena di approvvigionamento

• I tempi di consegna per un singolo componente dopo lo sviluppo possono ridursi fino a una sola settimana, rispetto all’equivalente prodotto con metodi tradizionali che richiederebbe la produzione di quasi una dozzina di parti meccaniche, oltre a rischiose operazioni di saldatura per brasatura di più pezzi, per un totale di almeno 12 settimane.
• Un ulteriore vantaggio e valore aggiunto della produzione additiva è la possibilità di apportare modifiche progettuali sulla base delle prove pratiche effettuate sui primi esemplari, al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni, nonché la capacità di riprendere la produzione con gli stessi tempi di consegna. 
• Il costo di produzione rimane invariato, indipendentemente dal percorso di raffreddamento.

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