Fertigung 3D-Druck im Einsatz gegen Halbleiterknappheit

Autor / Redakteur: Scott Green * / Johann Wiesböck

Direktmetalldruck ist eine bewährte Technologie in der Anlagen­produktion für den Halbleiterbereich. Konsequent eingesetzt könnte der 3D-Druck zur Lösung der Halbleiterknappheit beitragen.

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Bild 1: Wenn 3D-Druck zur Herstellung komplexer Flüssigkeitsverteiler eingesetzt wird, können Ingenieure das Design optimieren, um Druckverluste, mechanische Störungen und Vibrationen zu reduzieren.
Bild 1: Wenn 3D-Druck zur Herstellung komplexer Flüssigkeitsverteiler eingesetzt wird, können Ingenieure das Design optimieren, um Druckverluste, mechanische Störungen und Vibrationen zu reduzieren.
(Bild: 3D Systems)

Eine der unerwarteten Auswirkungen der Pandemie ist ein globaler Mangel an Halbleitern, der aktuell vor allem die Autoindustrie massiv beeinträchtigt. Im Dezember teilte Volkswagen mit, dass aufgrund von Halbleiterengpässen im ersten Quartal 2021 etwa 100.000 Autos weniger produziert werden, da die Zulieferer nicht in der Lage waren, die Versorgung sicherzustellen. Auch Nissan, Renault, Daimler und General Motors haben mit dem Engpass zu kämpfen, der die Produktion um bis zu 20 Prozent verringert. Und ganz aktuell kommen die Autobänder wieder zum Stillstand.

Gleichzeitig ist die Nachfrage nach Unterhaltungselektronik wie Laptops und Spielekonsolen in die Höhe geschnellt. Selbst der Technikgigant Sony gab den Mangel als Grund dafür an, dass nicht genügend PlayStation 5 produziert werden konnten. Die Technik in modernen Fahrzeugen überschneidet sich zunehmend mit Unterhaltungselektronik und dadurch konkurrieren Autohersteller bei den Mikrochips inzwischen auch mit Herstellern von Unterhaltungselektronik.

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Wenn wir mehr Mikrochips benötigen, können die Chiphersteller dann nicht einfach die Produktionskapazität erhöhen? In der Theorie klingt das gut. Die Produktionskapazität und die Technologie machen diese Lösung jedoch schwierig.

Damit diese Halbleiterfabriken (sog. Fabs oder Foundries) ihre Produktion erhöhen können, müssen sie neue Fertigungslinien einrichten. Diese Linien erfordern neue Anlagen. Die Anlagenhersteller arbeiten zwar an Innovationen, die den Fabs helfen, die erhöhte Nachfrage zu befriedigen. Die entsprechenden Tools sind jedoch komplex und teuer und haben einen langen Produktentwicklungszyklus.

In einigen Fällen betragen die Vorlaufzeiten sechs bis neun Monate. Daher ist es für Anlagenhersteller schwierig, ihre Produktionslinien, die auf konventionellen Fertigungstechnologien basieren, umzustellen und zu skalieren, um eine unerwartete Nachfragesteigerung zu erfüllen.

Mehr Innovation dank additiver Fertigung

Ein schnelles Hochfahren der Produktion ist bei konventionellen Fertigungsabläufen aufgrund mehrerer Einschränkungen schwer umzusetzen. Muss ein Anlagenhersteller ein bestimmtes Teil kurzfristig bestellen, kann dies mehr Ressourcen erfordern, als ein einzelner Zulieferer bewältigen kann. Gleichzeitig ist der Aufwand für die Einbindung eines zusätzlichen Zulieferers häufig zu hoch. Die Arbeitsabläufe in der herkömmlichen Produktentwicklung sind aufgrund des erforderlichen Einsatzes von Werkzeugen zu langwierig und umständlich, um Anlagen schnell zu entwickeln und zu liefern.

Bei der additiven Fertigung – oft auch als 3D-Druck bezeichnet – gibt es derartige Beschränkungen nicht. Sie ermöglicht mehr Designfreiheit und einen nahtlosen Übergang von der Prototypenerstellung bis hin zur Kleinserienfertigung von individuellen Teilen. Wenn Anlagenhersteller die additive Fertigung in ihre konventionellen Fertigungsabläufe integrieren, ist es möglich, das Verhältnis von Stabilität und Gewicht zu optimieren, konforme Kühlstrukturen zu integrieren und die Anzahl der Systemteile und den Bedarf an Montageteilen zu reduzieren.

Dies führt zu einer verbesserten Strömungsdynamik, weniger Montagefehlern, einer besseren Kinematik und einer genaueren Einhaltung der theoretischen Betriebsbedingungen. Es gibt hunderttausende Komponenten, die für die Erstellung von Werkzeugen benötigt werden. Die Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung sind vielfältig. Hier sind drei konkrete Anwendungen, die nachweislich Vorteile bieten.

Thermomanagement von Wafer-Systemen

Ein besseres Thermomanagement von kritischen Komponenten in der Halbleiterfertigung, wie z. B. Wafer-Systemen, kann die Präzision von Halbleiteranlagen um 1 nm bis 2 nm verbessern und gleichzeitig die Geschwindigkeit und den Durchsatz erhöhen. Die erhöhte Anlagengeschwindigkeit und Betriebszeit führen zu mehr verarbeiteten Wafern und einem höheren Gesamtlebenszykluswert.

Während der Lithografie ist es entscheidend, die Temperaturen im Millikelvin-Bereich (mK) zu halten, da sich jede Systemstörung im Nanometerbereich auswirkt. Durch Design for Additive Manufacturing (DfAM) ist es möglich, interne Kühlkanäle und Oberflächenmuster zu optimieren und so die Oberflächentemperaturen und Temperaturgradienten drastisch zu verbessern und gleichzeitig die Zeitkonstanten zu reduzieren. Damit ist es möglich, die Wärme effizient abzuleiten, den Systemdurchsatz und die Präzision zu erhöhen und die Gesamtleistung zu verbessern.

Ein großer Hersteller von Halbleiteranlagen, der die additive Fertigung zur Herstellung seiner Wafer-Systeme nutzt, konnte die Differenztemperatur (ΔT) um 83 Prozent von 13,8 mK auf 2,3 mK verringern. Die Zeit bis zur Stabilisierung des Wafers wurde auf ein Fünftel reduziert.

Ein weiterer Vorteil beim Einsatz der additiven Fertigung zur Produktion von Wafer-Systemen ist die strukturelle Optimierung der Systeme sowie die Reduzierung der Anzahl von Teilen und Baugruppen. Die Herstellung von Teilen mittels konventioneller Technologien beruht auf dem Verbinden von Teilen durch Hartlöten.

Das Hartlöten ist ein langwieriger, fehleranfälliger Prozess mit einer Ausschussrate von 50 Prozent. Dies macht ihn bei einer schnellen Iteration sehr ineffizient.

Das Ersetzen von mehrteiligen Baugruppen durch einteilige, additiv gefertigte Teile erhöht die Zuverlässigkeit, verbessert die Produktionsausbeute und reduziert die Arbeitskosten.

Strömungsoptimierung bei Verteilern

Der Einsatz konventioneller Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Flüssigkeitsverteiler führt zu großen, schweren Teilen, die aufgrund abrupter Übergänge zwischen den Komponenten und Kanälen mit scharfen Winkeln eine suboptimale Strömung aufweisen, was zu Störungen, Druckabfällen, Stagnationszonen und Undichtigkeiten führt.

Bei der Produktion dieser Verteiler mittels additiver Fertigung können Ingenieure ihre Designs optimieren und so Druckverluste, mechanische Störungen und Vibrationen reduzieren. Eine Reduzierung der strömungsbedingten Störkräfte um 90 Prozent verringert die Systemvibrationen und führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit um ca. 1 nm bis 2 nm.

Beispiel Strukturelle Optimierung und verbesserte Biegefestigkeit: Die additive Fertigung bietet Designern die Flexibilität, die strukturelle Topologie Ihres Teils (z. B. im Bereich der Leichtbauweise) über verschiedene hochbelastbare Metalllegierungen zu optimieren. Diese Designs können die Leistungsanforderungen von Halbleiteranlagen besser umsetzen, das Verhältnis von Stabilität zu Gewicht verbessern und eine kürzere Markteinführungszeit ermöglichen.

Die Gewichtsreduzierung von Halbleiterkomponenten und fortschrittlichen Bewegungsmechanismen reduziert die Trägheit und verbessert die Geschwindigkeit und Betriebszeit von Lithografie- und Wafer-Bearbeitungsanlagen, was zu mehr bearbeiteten Wafern führt.

In einem konkreten Beispiel konnte ein Hersteller von Anlagen für die Halbleiterbranche durch den Einsatz der additiven Fertigung bei den Verbindungselementen eine Gewichtsreduzierung von mehr als 50 Prozent, eine um 23 Prozent höhere Resonanzfrequenz und eine Verringerung der Systemvibrationen erreichen.

Die additive Fertigung – insbesondere der Direktmetalldruck – ist in der Anlagenproduktion für den Halbleiterbereich eine anerkannte, bewährte Technologie. Der Wettbewerbsdruck innerhalb des Marktes, die Nachfrage nach mehr Anlagen und die Produktionsbarrieren erfordern einen schnellen Wechsel zur additiven Fertigung.

Vielfältige Möglichkeiten additiver Fertigung

Betrachtet man nur die Lithografie, so gibt es derzeit eine große Menge an Anlagen, die bereits bei der Fertigung von Microchips mit einem 14-nm-Prozess eingesetzt werden. Die additive Fertigung kann sich auf diese bestehende Installationsbasis auswirken, indem OEMs Upgrades erstellen, um Aspekte dieser Systeme zu verbessern. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dies einen signifikanten Effekt haben wird.

Ein wahrscheinlicheres Szenario ist, dass die additive Fertigung neuere Anlagen, die entweder heute oder in den nächsten ein bis zwei Jahren auf den Markt kommen, signifikant verbessern wird. Mit dieser Vorlaufzeit bleibt genügend Zeit für ein Redesign auf Komponenten- und Systemebene, was die Produktivität und Qualität erhöhen wird. Außerdem haben die Hersteller noch genügend Kontrolle über diese Systeme und können Leistungssteigerungen gründlich testen und belegen.

Neben der Lithografie gibt es Dutzende weiterer Anwendungen in der Prozesskette – wie z. B. das Polieren, die Belichtung und das Ätzen, das Sortieren und sogar die Messtechnik. Der erweiterte Einsatz der additiven Fertigung in diesem Segment kommt zu einem perfekten Zeitpunkt. Denn die Anlagenhersteller stoßen auf einige harte Barrieren, bei denen die Physik unausweichlich Grenzen setzen wird, die nur schwer zu überwinden sind.

In diesem Bereich wird die additive Fertigung wahrscheinlich eher neue Prozesse ermöglichen und erschließen. Sie kann physische Beschränkungen und die mögliche Notwendigkeit von massiven Prozessveränderungen nicht eliminieren. Sie verlagert diese Herausforderungen jedoch um Jahrzehnte in die Zukunft und ermöglicht es den Anlagenherstellern für den Halbleiterbereich, die Grenzen des Möglichen neu zu überdenken und zu verschieben. Somit besteht für die additive Fertigung die große Chance, eine wichtige Technologie zur Überwindung der Halbleiterknappheit zu werden und die Lieferketten zu stärken.

* Scott Green ... arbeitet als Principal Solutions Leader für Halbleiter bei 3D Systems.

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