突破技术壁垒，增材制造与半导体行业实现互利共赢

当谈论半导体行业时，指的是遍布日常生活的电子芯片——从手机、平板电脑、数据中心、加速器到汽车、飞机和人造卫星。Veeco公司增材制造总监Ahmed El Desouky博士指出，虽然半导体行业是推动电子产业发展的核心动力，但供需失衡才是主导逐年发展态势的关键因素。值得关注的是，正是供应链各环节涌现的诸多挑战，为增材制造技术的应用创造了契机。

摩尔定律
Ahmed El Desouky博士指出，摩尔定律最能说明半导体设备制造商在探索增材制造应用方面看到的历史机遇。60年前，摩尔观察到每个集成电路的元件数量每两年将翻一番，这一定律至今仍然适用。今天可以明显观察到，全球原始设备制造商生产的装置日趋复杂，驱动这些装置的微芯片复杂性也同步提升。

Veeco公司增材制造总监Ahmed El Desouky博士

这种复杂性触发了一个循环——半导体企业面临着提供更高性能和更可靠设备的巨大压力。为实现这一目标，半导体设备制造商需要升级制造产线以满足高性能要求。突如其来的供应链问题可能拖慢生产周期，导致设备交付周期延长至12个月之久。

像Veeco公司这样的半导体设备制造商在维护摩尔定律方面发挥着关键作用，但这背后需要攻克重大技术难题。这也为采纳增料制造等新技术创造了契机。Ahmed El Desouky博士表示，持续快速开发新材料、新工艺和新架构的需求，与增材制造所带来的设计自由度和创新潜力高度契合。

增材制造在半导体行业的应用
目前，半导体设备制造商正采用增材制造技术为其现有设备生产零部件，或制造高度复杂的精密组件。

在Formnext 2024展会期间，通过对该垂直领域的持续观察，可以看到目前有以下可应用于半导体领域的增材制造工艺：激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion）、定向能量沉积（DED）、金属粘结剂喷射（MBJ）、绑定金属沉积（BMD）、光固化成型（SLA）、电流体动力喷墨打印（EHD）以及基于光刻技术的陶瓷制造。

Ahmed El Desouky博士强调：在所有这些技术中，激光粉末床熔融仍是目前最成熟的工艺。公司在去年引入了尼康SLM Solutions NXG XII 600系统，这正是当前为实现生产目标而最广泛使用的增材制造工艺。

Veeco公司增材制造工程师Eilis Taylor

Veeco公司增材制造工程师Eilis Taylor在介绍相关应用时指出：虽然半导体应用场景数以百计，但其对供应链的影响主要集中于通信网络、基础设施和终端设备三大领域。半导体制造是高度复杂的工艺流程，需要依赖多种资本设备执行差异化任务。这些任务涵盖气体混合、沉积、掩膜和切片等环节。

正如在热交换器晶格结构中观察到的，增材制造始终是制造复杂结构的理想生产工艺。目前该领域正加速发展三大应用方向：结构件优化、热管理优化以及流体流动优化。

Taylor特别指出：在Veeco公司，增材制造的关键应用主要体现在歧管气体喷射器和水冷式热交换器等领域。传统制造工艺因零件设计笨重往往效率低下。借助晶格结构和复杂流道的制造能力，增材制造为优化半导体资本设备的热交换器，提供了全新可能。

通过增材制造改进的热管理技术典型体现在晶圆台等部件上，该技术可帮助将精度提升1-2纳米，同时提高设备运行速度和正常工作时间。由于采用3D打印机制造零部件，得以让公司可以探索多种材料组合（金属、塑料、陶瓷等）。

Taylor接着指出：现实情况是，现存的大多数工艺组合最初都是为其他行业设计的。那些率先采用增材制造的行业开发了针对其特定应用的材料，而这正是尚处发展初期的半导体行业需要努力的方向。

Ahmed El Desouky博士补充道：在难熔金属和陶瓷等众多领域都存在拓展空间。我们不必拘泥于铸造和机械加工中一直使用的传统合金，可以寻求能够满足半导体特定应用需求的定制化合金设计方案。

挑战与未来展望
通过与Veeco公司两位专家的对话，可以看到，材料选择和认证是半导体设备制造商面临的主要挑战。要找到能满足半导体设备严苛性能要求的增材制造材料并非易事——这些材料必须同时具备电学、热学和机械特性，而这些特性正是释放增材制造在半导体领域潜力的关键所在。

尽管半导体行业不像航空航天业那样承受着沉重的监管压力，但该领域的制造商仍必须解决增材制造及相关工艺固有的“可重复性”难题。虽然我们未深入探讨这一点，但我认为在规模化应用增材制造时，"可重复性"约束可能会带来挑战——尤其是在保持设备性能一致性方面。

鉴于该领域仍处于采用增材制造的早期阶段，某些零部件的单位成本相较于传统制造工艺仍维持较高水平并不令人意外。但与其他行业的许多应用场景相同，该领域对增材制造的应用始终应该以“产品需求为导向”。