Additive Fertigung

3D-Druck: Der Joker im Kampf gegen den Halbleitermangel?

Direktmetalldruck ist eine erprobte Technologie der Anlagenproduktion für den Halbleiterbereich. Richtig eingesetzt, könnte der 3D-Druck dabei helfen, die Halbleiterknappheit besser zu überstehen.

Wenn 3D-Druck zur Herstellung komplexer Flüssigkeitsverteiler eingesetzt wird, kann das Design optimiert werden, um Druckverluste, mechanische Störungen und Vibrationen zu reduzieren.

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 oft zu hoch. Die Arbeitsabläufe in der herkömmlichen Produktentwicklung sind aufgrund des erforderlichen Einsatzes von Werkzeugen zu langwierig, um Anlagen schnell zu entwickeln und zu liefern.

Bei der additiven Fertigung 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. Vorteile bieten diese drei Anwendungen.

Thermomanagement von Wafer-Systemen

Ein besseres Thermomanagement von kritischen Komponenten in der Halbleiterfertigung, wie beispielsweise 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.

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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 zu verbessern und gleichzeitig die Zeitkonstanten zu reduzieren. Damit gelingt es, die Wärme effizient abzuleiten, den Systemdurchsatz und die Präzision zu erhöhen und die Gesamtleistung zu verbessern. 

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 fehleranfälliger Prozess mit einer Ausschussrate von ineffizienten 50 Prozent. 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.

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 allerdings unwahrscheinlich, dass dies einen signifikanten Effekt haben wird. 

Ein wahrscheinlicheres Szenario scheint, 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. 

Die additive Fertigung 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.

Wann endet die Halbleiterknappheit?

Seit Monaten leidet eine Vielzahl an Unternehmen am weltweiten Mangel an Halbleitern. Nun melden sogar Autovermietungen, dass sich die Lieferschwierigkeiten bei neuen Fahrzeigen auf die Preise für Mietwagen auswirken. Die Autobauer haben damit zu kämpfen, dass die Lieferanten seit Beginn der Coronakrise vorrangig Computerhersteller und Anbieter von Unterhaltungselektronik mit Chips bedienen. In der Branche gehen viele davon aus, dass die Lieferung von Bauteilen erst im nächsten Jahr wieder reibungslos läuft. Die Produktionskapazitäten zu erhöhen, gelingt nicht so, wie man sich das erhoffen würde.

Damit Halbleiterfabriken ihre Produktion erhöhen können, müssen sie neue Fertigungslinien einrichten. Diese Linien erfordern neue Anlagen. Die Anlagenhersteller arbeiten zwar an Innovationen, die dabei 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 bis zu neun Monate.