陶瓷3D打印在航天及半導體行業(yè)大型零件的應用

3D打印成為高端需求應用的重要生產(chǎn)工具

目前和未來的空間和航天領域的光學儀器因為技術和成本方面的需求，結(jié)構將趨向于高度一體化。零部件的高復雜性使得增材制造(AM)成為一種顛覆性的生產(chǎn)方式。此外，隨著性能要求的提高，光學系統(tǒng)將變得越來越強大，這就要求開發(fā)新的制造工藝，以保證預期的性能。半導體工業(yè)是另一個對陶瓷材料要求很高且具有挑戰(zhàn)性的重要領域。

這些產(chǎn)品的整體制造工藝流程都非常有挑戰(zhàn)性，需要使用特殊的化學、熱和電子性能的材料，陶瓷材料成為了最好的選擇。此外，對靈活和復雜形狀的需求，使3D打印成為便捷地應對措施。因此，航天和電子應用很可能是3D打印陶瓷技術零件未來10年最重要的應用方向，預計到2030年底將達到約7.64億美元。

空間應用光學儀器的增材制造

空間應用光學儀器的主要技術特點是：
• 視線穩(wěn)定性
• 抗惡劣機械和熱環(huán)境的強度
• 作為任務組件的高光學性能

陶瓷材料可以滿足這些需求，是因為它們具有特殊的機械性能（剛度、強度、穩(wěn)定性）。但陶瓷產(chǎn)品往往受到傳統(tǒng)制造方法的限制，限制其使用在大型和小應力零件。然而，空間應用對優(yōu)化的大型光學儀器的需求越來越迫切，例如：衛(wèi)星反射鏡必須盡可能輕，只有增材制造才能優(yōu)化這些新反射鏡的設計和生產(chǎn)。

圖1：燒結(jié)后的衛(wèi)星鏡，在CERAMAKER C3600 Ultimate打印機上打印，僅需13小時即可

為了滿足日益增長的需求，3DCERAM 開發(fā)了C3600 Ultimate 3D打印機，其打印平臺為600 mm x 600 mm x 300 mm（長x寬x高），是其最大的立體光刻打印機。

使用C3600 Ultimate 3D打印機生產(chǎn)光學零件具有許多優(yōu)點，例如：
• 縮短交付周期：光學零件的傳統(tǒng)制造工藝由6個步驟組成（毛坯的生產(chǎn)-通過機械加工輕量化-研磨-拋光-涂層-表面集成）。3D打印可以避免機械加工和研磨步驟
• 節(jié)省陶瓷材料：通常90%的坯料重量都是通過機械加工去除的，因此會產(chǎn)生過多的廢料，并且有很高的裂紋風險
• 顛覆性設計：可以考慮更復雜的設計以及減重設計
• 功能集成：如內(nèi)部通道、電氣軌道和饋線
• 打印大尺寸零件：如圖2

圖2：直徑為500mm的衛(wèi)星鏡，采用封閉式結(jié)構，在C3600打印機上用不到1天的時間打印完成

3DCERAM工藝能夠簡化和減少制造過程。這為發(fā)展冷卻光學系統(tǒng)、有源光學系統(tǒng)或自由曲面光學系統(tǒng)開辟了一條新途徑。3D打印的成形功能也提高了集成/粘合工藝質(zhì)量，具有更高的精度。因此，通過CERAMAKER C3600打印機，現(xiàn)在可以生產(chǎn)“定制”的大型陶瓷光學基板，從而降低制造過程中的風險。不僅如此，新的反射鏡設計還包括可減輕重量的半封閉結(jié)構和集成界面的探索（圖2）。

3DCERAM工藝也為下一代儀器開辟了新的前景：
• 具有集成功能的緊湊型解決方案（隔熱器、冷卻通道等）
• 機械和熱界面的限制
• 將光學功能集成在結(jié)構裝置中

3DCERAM C3600 Ultimate打印機現(xiàn)在能夠滿足航天工業(yè)中生產(chǎn)一系列適應最惡劣環(huán)境的大型復雜光學基板或結(jié)構件。

電 子 應 用

近年來，半導體制造廠開發(fā)了越來越復雜的工藝，需要特殊的設備來滿足他們的需求。此外，市場對微電路容量的需求日益增長，導致越來越多使用直徑為1-12英寸（25-300毫米）的硅晶片，并開發(fā)設備來處理它們以獲得所需的沉積物。

為了更好地理解陶瓷材料在半導體行業(yè)中的作用，這里簡要介紹下集成電路芯片制造中所涉及的主要步驟：
• 晶片加工是通過切割由硅或砷化鎵制成的單晶柱來獲得圓形晶片
• 氧化工藝是在晶片表面形成保護膜的必要步驟。
• 光刻工藝用于在晶片上“打印”電路圖案。
• 蝕刻工藝去除多余的氧化膜，只留下半導體電路圖
• 薄膜沉積用于在晶片表面形成由交替導電和絕緣薄膜組成的多層結(jié)構。
• 互連過程實現(xiàn)電力和信號傳輸。
• 組裝、包裝和最終測試

所有這些步驟，都是為了延長設備壽命并降低運行成本。除了需要在極其清潔的條件下工作，使用的多種沉積技術，如CVD、PECVD、ALD；還需要具有特定性能的材料，以獲得并保持生產(chǎn)這些高性能產(chǎn)品所需的完美條件。

在陶瓷材料中，需求最多的是：
• 常見氧化物：如氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、堇青石，它們代表了市場的主要部分;但也有附加值較高的氧化物：如三氧化二釔
• 氮化物：氮化鋁和氮化硅
• 碳化物：碳化硅

以下是一些用于半導體行業(yè)的陶瓷零件的例子：

圖3：此大零件在CERAMAKER C3600打印機上的打印時間為21小時49分鐘

• 在晶圓清潔步驟中，陶瓷材料用于晶圓輸送托盤、卡盤/吸盤（圖3）和機器臂
• 在熱擴散和化學氣相沉積過程中，輻射管、晶圓船和氣體引入口等許多部件都是由陶瓷制成的
• 在等離子體蝕刻過程中，陶瓷被用于腔室、靜電卡盤、噴嘴和環(huán)。
• 陶瓷也可用作熱處理期間的加熱器

此外，3D打印工藝由于其靈活性和反應性以及打印復雜幾何圖形的可行性，似乎是生產(chǎn)這些高科技零件的一種具有光明前景的技術選擇。

2018年，Alumina Systems 有限公司通過陶瓷3D打印取得了在半導體行業(yè)的巨大成功。該公司因開發(fā)了一個380毫米直徑的PEALD（等離子體增強原子層沉積）工藝的陶瓷氣體分配環(huán)而獲得了慕尼黑/德國CERAMITEC的最佳組件獎。由于其巧妙的幾何形狀，該環(huán)可以同時或按順序供應兩種氣體。PEALD是一種適用于半導體生產(chǎn)的創(chuàng)新工藝，顯示出技術的重要提升，具有巨大的經(jīng)濟潛力。

圖4：Alumina Systems 首席執(zhí)行官 Holger Wampers博士拿著在CERAMAKER C3600打印機上打印的零件

最初，氧化鋁環(huán)是由許多用玻璃焊料連接的分離件制成的。但自Alumina Systems公司購得CERAMAKER C3600打印機后，它可以在一次運行中完全打印出來（圖4）。

3DMIX 漿 料

3DCERAM提供技術陶瓷的擴展端口，從氧化鋁、氧化鋯、堇青石等氧化物，再到氮化硅、氮化鋁等非氧化物，用于在CERAMAKER設備上打印。3DCERAM的專家會根據(jù)客戶使用CERAMAKER所要獲得的特性，確定適合于客戶需要的陶瓷配方和工藝參數(shù)。

用于光學和半導體應用的材料的選擇非常重要，在決定使用哪種陶瓷時需要考慮以下材料特性：
• 機械和熱性能
• 剛度和密度
• 熱膨脹系數(shù)（CTE）
• 耐化學/腐蝕性。

圖5：應對航天和半導體領域的3DMIX材料的性能

總  結(jié)

增材制造為光學和半導體儀器的工業(yè)生產(chǎn)過程帶來了新的可能性，除了節(jié)省時間和減少料損外，該技術還具有以下優(yōu)點：
• 創(chuàng)造突破性的設計
• 提高剛度與質(zhì)量比
• 集成冷卻通道或隔熱器等新功能
• 簡化和優(yōu)化設計流程

在所有增材制造工藝中，立體光刻技術已成為最適合這些應用的工藝，因為它可以在打印質(zhì)量、空間分辨率和材料特性方面實現(xiàn)最優(yōu)化的結(jié)果。為了提高其性能和壽命，未來半導體/光學器件的制造過程將變得更快，甚至更激進。那么，特定陶瓷材料的結(jié)合和工業(yè)3D打印機的商業(yè)化是應對這些領域未來挑戰(zhàn)的不可或缺的資產(chǎn)。

----本文節(jié)選自2022年10月《CERAMIC APPLICATIONS》