陶瓷3D打印在航天及半導(dǎo)體行業(yè)大型零件的應(yīng)用

3D打印成為高端需求應(yīng)用的重要生產(chǎn)工具

目前和未來的空間和航天領(lǐng)域的光學(xué)儀器因?yàn)榧夹g(shù)和成本方面的需求，結(jié)構(gòu)將趨向于高度一體化,。零部件的高復(fù)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(xué)系統(tǒng)將變得越來越強(qiáng)大，這就要求開發(fā)新的制造工藝，以保證預(yù)期的性能,。半導(dǎo)體工業(yè)是另一個(gè)對(duì)陶瓷材料要求很高且具有挑戰(zhàn)性的重要領(lǐng)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(xué),、熱和電子性能的材料,，陶瓷材料成為了最好的選擇。此外,，對(duì)靈活和復(fù)雜形狀的需求,，使3D打印成為便捷地應(yīng)對(duì)措施。因此,，航天和電子應(yīng)用很可能是3D打印陶瓷技術(shù)零件未來10年最重要的應(yīng)用方向,，預(yù)計(jì)到2030年底將達(dá)到約7.64億美元。

空間應(yīng)用光學(xué)儀器的增材制造

空間應(yīng)用光學(xué)儀器的主要技術(shù)特點(diǎn)是：
• 視線穩(wěn)定性
• 抗惡劣機(jī)械和熱環(huán)境的強(qiáng)度
• 作為任務(wù)組件的高光學(xué)性能

陶瓷材料可以滿足這些需求,，是因?yàn)樗鼈兙哂刑厥獾臋C(jī)械性能（剛度,、強(qiáng)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(yīng)力零件。然而,，空間應(yīng)用對(duì)優(yōu)化的大型光學(xué)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(shè)計(jì)和生產(chǎn),。

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

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

使用C3600 Ultimate 3D打印機(jī)生產(chǎn)光學(xué)零件具有許多優(yōu)點(diǎn),，例如：
• 縮短交付周期：光學(xué)零件的傳統(tǒng)制造工藝由6個(gè)步驟組成（毛坯的生產(chǎn)-通過機(jī)械加工輕量化-研磨-拋光-涂層-表面集成）。3D打印可以避免機(jī)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(jī)械加工去除的,，因此會(huì)產(chǎn)生過多的廢料,，并且有很高的裂紋風(fēng)險(xiǎn)
• 顛覆性設(shè)計(jì)：可以考慮更復(fù)雜的設(shè)計(jì)以及減重設(shè)計(jì)
• 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(gòu),，在C3600打印機(jī)上用不到1天的時(shí)間打印完成

3DCERAM工藝能夠簡(jiǎn)化和減少制造過程。這為發(fā)展冷卻光學(xué)系統(tǒng),、有源光學(xué)系統(tǒng)或自由曲面光學(xué)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(jī),，現(xiàn)在可以生產(chǎn)“定制”的大型陶瓷光學(xué)基板，從而降低制造過程中的風(fēng)險(xiǎn),。不僅如此，新的反射鏡設(shè)計(jì)還包括可減輕重量的半封閉結(jié)構(gòu)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(jī)械和熱界面的限制
• 將光學(xué)功能集成在結(jié)構(gòu)裝置中

3DCERAM C3600 Ultimate打印機(jī)現(xiàn)在能夠滿足航天工業(yè)中生產(chǎn)一系列適應(yīng)最惡劣環(huán)境的大型復(fù)雜光學(xué)基板或結(jié)構(gòu)件。

電 子 應(yīng) 用

近年來,，半導(dǎo)體制造廠開發(fā)了越來越復(fù)雜的工藝,，需要特殊的設(shè)備來滿足他們的需求,。此外，市場(chǎng)對(duì)微電路容量的需求日益增長(zhǎng),，導(dǎo)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(shè)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(dǎo)體行業(yè)中的作用,，這里簡(jiǎn)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(hù)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(dǎo)體電路圖
• 薄膜沉積用于在晶片表面形成由交替導(dǎo)電和絕緣薄膜組成的多層結(jié)構(gòu),。
• 互連過程實(shí)現(xiàn)電力和信號(hào)傳輸。
• 組裝,、包裝和最終測(cè)試

所有這些步驟,，都是為了延長(zhǎng)設(shè)備壽命并降低運(yùn)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(shù),，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(chǎng)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(dǎo)體行業(yè)的陶瓷零件的例子：

圖3：此大零件在CERAMAKER C3600打印機(jī)上的打印時(shí)間為21小時(shí)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(jī)器臂
• 在熱擴(kuò)散和化學(xué)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(yīng)性以及打印復(fù)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(shù)選擇,。

2018年,，Alumina Systems 有限公司通過陶瓷3D打印取得了在半導(dǎo)體行業(yè)的巨大成功。該公司因開發(fā)了一個(gè)380毫米直徑的PEALD（等離子體增強(qiáng)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(guó)CERAMITEC的最佳組件獎(jiǎng),。由于其巧妙的幾何形狀,，該環(huán)可以同時(shí)或按順序供應(yīng)兩種氣體,。PEALD是一種適用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的創(chuàng)新工藝,，顯示出技術(shù)的重要提升,，具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力,。

圖4：Alumina Systems 首席執(zhí)行官 Holger Wampers博士拿著在CERAMAKER C3600打印機(jī)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(jī)后，它可以在一次運(yùn)行中完全打印出來（圖4）,。

3DMIX 漿 料

3DCERAM提供技術(shù)陶瓷的擴(kuò)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(shè)備上打印,。3DCERAM的專家會(huì)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(xué)和半導(dǎo)體應(yīng)用的材料的選擇非常重要，在決定使用哪種陶瓷時(shí)需要考慮以下材料特性：
• 機(jī)械和熱性能
• 剛度和密度
• 熱膨脹系數(shù)（CTE）
• 耐化學(xué)/腐蝕性,。

圖5：應(yīng)對(duì)航天和半導(dǎo)體領(lǐng)域的3DMIX材料的性能

總  結(jié)

增材制造為光學(xué)和半導(dǎo)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(shí)間和減少料損外，該技術(shù)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
• 創(chuàng)造突破性的設(shè)計(jì)
• 提高剛度與質(zhì)量比
• 集成冷卻通道或隔熱器等新功能
• 簡(jiǎn)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在所有增材制造工藝中,，立體光刻技術(shù)已成為最適合這些應(yīng)用的工藝,，因?yàn)樗�可以在打印質(zhì)量、空間分辨率和材料特性方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的結(jié)果,。為了提高其性能和壽命,，未來半導(dǎo)體/光學(xué)器件的制造過程將變得更快，甚至更激進(jìn),。那么,，特定陶瓷材料的結(jié)合和工業(yè)3D打印機(jī)的商業(yè)化是應(yīng)對(duì)這些領(lǐng)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》