3D打印集成电路的未来如何

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物芯片，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、AMD和ARM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。