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3D打印集成电路的未来如何

汽车玩家 来源:传感器专家网 作者:Null 2020-04-04 18:11 次阅读

当前,一系列的新项目已经开始使用3D打印为复杂的应用生产出功能强大的硅基聚合芯片,但它们与标准芯片设计相比如何?

企业正在利用新的制造工艺——3D打印

集成电路IC)通常是通过传统的制造方法制造的,这种方法优先考虑生产刚性器件,因为这些刚性组件是以保护芯片的方式组装的。据专家介绍,刚性器件其实是一种障碍,它迫使半导体制造商要以较大的尺寸封装芯片,以防止意外损坏,而芯片的内部布局必须适应此硬件,因此半导体制造商的设计创意会受到影响。

近年来,半导体制造商一直在寻求现代可用的解决方案,在这一过程中,柔性集成电路引起了广泛关注,但其内存密度却阻碍了这项技术的发展。在2017年之后,柔性集成电路的内存密度问题开始迎来重大突破。

先前早些时候,美国空军研究实验室和美国半导体公司合作产生了一种芯片,这种芯片的存储容量是当前市场上任何柔性集成电路的7000多倍,他们创造了SoC来支持小型消费电子和商用电子的兴起。

随后,Berrigan和美国半导体公司将传统知识与3D打印相结合,从而创建了具有密集电路的半导体薄板,这些集成电路(IC)类似于正方形的胶片,打印过程使研究人员能够集成一个紧凑的内存控制器,从而释放芯片的出色性能。

再后来,汉堡大学和德国电子同步加速器进行了一次合作,通过银纳米线网格促进了3D打印,当结合到基底时形成了导电表面,每根电线都是“几十纳米厚,10到20微米长”。聚合物压缩有助于导电性,这些导电轨迹通过X射线分析进行检查,其目标是创造具有类似于传统集成电路结构的导电层。

从一般意义上讲,诸如此类的可延展技术具有巨大的潜力,3D打印使我们能够创建充当微控制器的灵活系统。那些具有集成内存的设备甚至可以存储传感器数据,使其适合可穿戴设备、IoT设备和监视应用程序。

美国空军和美国半导体公司开发的一种柔性硅聚合物芯片。图片由美国空军提供。

3D打印集成电路面临的困境

不过,3D打印的生存能力将在很大程度上取决于制造商的能力、规模或生产高收益的技术,半导体制造商就此将会卷入纳米竞赛,英特尔AMDARM的目标是通过增加晶体管密度来减小芯片尺寸。

这些更小的设计更有能力、更节能,这些特性对于小型电子产品来说是至关重要的,较小的尺寸有助于简化内部设计,那么半导体制造商可以通过3D打印来实现这些相同的改进吗?

首先,有证据表明,当前半导体制造商拥有不错的生产带宽,但按目前的制造标准,产量仍然很低;半导体制造商也可以将集成电路和系统组件直接打印到印刷电路板(PCB)上,但是这种做法仍然是相当专业且费时费力。因此3D打印本身虽是独特且强大的制作方式,但目前还没有广泛的吸引力,只能寄希望于未来。

同时,半导体工业目前在10nm或更低的波长下生产大量工艺,3D打印现在只能达到接近微米级的分辨率,印刷工艺也依赖于材料的共沉积,这是制造过程中的另一种困境。

最后,长期的芯片制造方法采用超大规模集成(VLSI),将数百万个晶体管封装到单个芯片中,这对于小型化至关重要。因为即使最好的3D打印机也具有相对较低的分辨率,因此无法实现这种晶体管密度,未来还需要进行改进。

未来仍旧充满希望

不过3D打印集成电路的未来仍然充满希望,3D打印涉及的聚合物和工艺具有独特的优势:如聚合物与半导体晶圆的结合良好;可以通过PVD、CVD或热蒸发法进行电触点的附加沉积;聚合物可以应对冷热温度波动;这些材料也较不易碎,3D打印SoC可能比其前任产品具有长期的耐用性和性能优势,尤其是在芯片尺寸赶上之后。

一旦这项技术成熟,3D打印可能会早日起飞。越来越多的公司可能会采用3D打印集成电路(IC)作为可靠、便宜的替代方案,这将有助于该技术获得可见性和动力。为了使3D打印进入对话,有必要对打印过程进行进一步的改进,一旦出现新的印刷技术,制造商将获得丰厚的回报。

同时需要注意的是,小批量生产对于3D集成电路是有利的,与传统的同类产品不同,它们不需要在晶圆上生产,这消除了成本密度问题,制造时间是一致的,因此,低容量的电子制造商可能会选择采用3D打印。但是如果要进行大批量制造,公司必须在新机器上进行投资,这些资本成本会迅速增加,半导体制造商还必须考虑生产后的质量控制成本,在制造过程还没有完全解决之前,制造商可能会选择抛弃3D打印集成电路的可能性。

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