3D-Druck für Halbleiter

Kühl- und Heizplatten sind in einer Vielzahl von halbleitergestützten Anwendungen unverzichtbar: von Automobil- und Telekommunikationsgeräten bis hin zu medizinischen und industriellen Geräten, bei denen eine präzise Temperaturregelung die Zuverlässigkeit und Leistung der Geräte gewährleistet. Herkömmliche Metall- oder Keramikplatten verfügen oft nicht über die thermische Effizienz und Designflexibilität, die moderne Systeme erfordern.

3D-gedruckte Aluminiumnitridplatten (AlN) überwinden diese Einschränkungen, indem sie vollständig dreidimensionale Innenstrukturen wie Gyroide oder Gitter ermöglichen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht hergestellt werden können. Dadurch sind eine hocheffiziente Wärmeübertragung, kompakte Formfaktoren und eine gezielte Wärmeregulierung realisierbar.

AlN kombiniert eine hohe Wärmeleitfähigkeit (150–260 W/m·K) mit ausgezeichneter elektrischer Isolierung, thermischer Stabilität und Beständigkeit gegen chemische Korrosion, wodurch es sich ideal für anspruchsvolle Einsatzumgebungen eignet. Diese Platten bieten langfristige Haltbarkeit, präzise Leistung und Designanpassungen für die Kühlung der nächsten Generation in anspruchsvollen halbleiterbasierten Technologien.

Der von Bosch Advanced Ceramics entwickelte keramische Gasinjektor, additiv gefertigt mit der Lithoz-LCM-3D-Drucktechnologie, ist für Ätzprozesse in der Halbleiterindustrie ausgelegt. Gefertigt aus hochreinem Aluminiumoxid (99,8 %, Lithalox 350) bietet er außergewöhnliche chemische Beständigkeit, thermische Stabilität und einen partikelfreien Betrieb. Das Bauteil vereint das ursprünglich zweiteilige Design des Kunden in einem einzigen Injektor mit 3 internen 6-mm-Kanälen, 62 feinen Öffnungen mit 0,2-mm-Wandstärke und einer strömungsoptimierten Wabenstruktur. Diese Integration verbessert die Gasflusspräzision, reduziert die Montagekomplexität und erhöht die Prozesszuverlässigkeit. Bosch produziert jährlich 2.000 Einheiten (sechs pro Druckjob) und unterstützt damit eine effiziente, kontaminationsfreie Waferfertigung mit langer Lebensdauer und vereinfachter Wartung.

Dieser Gasverteilerring aus Alumina mit einem Durchmesser von 15 Zoll wurde von Plasway Technologies entworfen und von Alumina Systems mit Lithoz LCM Technologie hergestellt. Alumina Keramik wird verwendet, um konstanten Gasfluss und Druck zu gewährleisten, selbst wenn reaktive Gase verwendet werden. Die Lithoz-LCM-Technologie setzt dabei die Design-Flexibilität des 3D Drucks perfekt um und ermöglicht dank ihrer Präzision ein hochkomplexes Design mit derart leichten und dünnwandigen Strukturen, wie sie in konventioneller Herstellung nicht erzielbar sind. Die Herstellkosten des Gasverteilerrings sind signifikant reduziert, durch die digitale Lagerhaltung on demand werden dazu Lagerkosten eingespart und die Risiken in der Logistik dieses kritischen Bauteils praktisch eliminiert.

In der Halbleiterfertigung ist eine präzise Gasführung entscheidend für eine gleichbleibende Schichtqualität und eine exakte Strukturierung. Gasausgleicher und Gasinjektionsdüsen übernehmen dabei unterschiedliche Aufgaben bei der Steuerung des Gasflusses, um Wiederholbarkeit sicherzustellen und die Prozessleistung zu maximieren.

Eine Gasverteilerdüse aus Yttria (Yttriumoxid, Y₂O₃) ist ein Hochleistungskomponent, der in der Halbleiterfertigung eingesetzt wird, insbesondere bei der Plasmaätzung, der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und der Atomlagenabscheidung (ALD). Diese Düsen gewährleisten eine gleichmäßige Gasverteilung über den Halbleiterwafern während kritischer Prozessschritte.

Unser High-End-Gasausgleicher aus 3D-gedrucktem Alumina bietet eine revolutionäre Lösung für die präzise Gasverteilung in der Halbleiterindustrie. Durch die einzigartige Kombination der hervorragenden chemischen und thermischen Beständigkeit von Aluminiumoxid mit der flexiblen Designfreiheit und Genauigkeit des 3D-Drucks ermöglicht dieses Bauteil eine gleichmäßige und stabile Gaszufuhr – selbst unter anspruchsvollen Prozessbedingungen. Speziell entwickelt für moderne Fertigungslinien, unterstützt der Gasausgleicher eine maximale Prozessstabilität und eine verlängerte Lebensdauer, insbesondere in Anwendungen wie Plasmaätzen, CVD und ALD. Dank seiner innovativen Konstruktion, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht realisierbar wäre, sorgt er für eine verbesserte Effizienz und Qualität in der Halbleiterproduktion und verschafft Herstellern einen klaren Wettbewerbsvorteil.

Mit der kontinuierlich steigenden Nachfrage nach keramischem 3D-Druck im industriellen Maßstab quer durch alle Branchen wird der Erfolg der Lithoz-Partner und -Technologie in der Serienproduktion immer deutlicher sichtbar. Die Kombination aus Lithoz Technologie, dem weltweiten Netzwerk erfahrener Auftragsfertiger und der CeraControl Software, die bis zu 100 CeraFab S65 Drucker an unterschiedlichen Standorten koppelt, bildet das Fundament „Ceramic 3D Factory“.  Bei konstant reproduzierbarer Präzision eröffnet Lithoz die Ära der global vernetzten keramischen Druckerfarmen von der Halbleiterproduktion über die Luft- und Raumfahrt bis hin zur Medizintechnologie.

Diese Hochdruckdüse mit engstmöglichem Auslass ist mit LithaLox 360 gedruckt und wurde von der Steinbach AG für einen Kunden aus der Automobilindustrie gefertigt. Die ursprüngliche Anwendung bestand aus mehreren metallischen Einzelteilen, was zu einem deutlich höheren Gewicht und einem massiven Querschnitt von 50 mm führte.

Die Steinbach AG konstruierte das gesamte Bauteil neu und optimierte es dahingehend, das volle Potenzial der LCM-Technologie in Bezug auf Präzision und Materialstärke auszuschöpfen. Durch deutlich filigranere Innenstrukturen, einen extrem engen Auslass und deutlich glattere Oberflächen in einem einzigen 3D-gedruckten Teil konnte die gesamte Konstruktion um 60 % verkleinert werden. Dank der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit wies das Aluminiumoxidteil auch einen wesentlich geringeren Verschleiß auf als das vorherige Metallteil.

LithaLox 360 ist dank einer modifizierten Binderformulierung und einem Reinheitsgrad von 99,8 % speziell für die Gestaltung hochauflösender Merkmale optimiert. Mit diesem Aluminiumoxid lassen sich selbst dünnste Kanäle, engste Gitterstrukturen und feinste Löcher in miniaturisierten Bauteilen realisieren. So lassen sich beispielsweise Röhren mit einem Durchmesser von weniger als 200 μm und Stege unter 100 μm Dicke herstellen. Bauteile aus Alumina sind elektrisch isolierend und durchstoßfest und eignen sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen, etwa in der Halbleiterindustrie oder für Düsen in der Medizin.

Diese von Bosch Advanced Ceramics 3D-gedruckte Mischdüse wird in Rotoren für Minipumpen verwendet. Die Korrosionsbeständigkeit des keramischen Werkstoffs Alumina macht ihn zum idealen Material für den Einsatz in chemischen Anwendungen. Die komplexen Leitschaufeln und die kleinen Löcher konnten dank der geometrischen Freiheit des 3D-Drucks problemlos realisiert werden, wobei der Durchmesser der Löcher lediglich 0,2 mm beträgt, was eine signifikant größere Anzahl an Löchern und somit eine entsprechend optimierte Mischleistung ermöglicht.

Dieses Funktionsteil wurde von der Steinbach AG aus dem flexiblen Alumina-Material LithaLox 360 entworfen und 3D-gedruckt. Es war Teil eines gemeinsamen Entwicklungsprojekts zur Optimierung der Reinigung der hochkomplexen Strukturen, die mit diesem neu entwickelten Alumina-Schlicker erreicht werden können, der in der Lage ist, dünnste Kanäle, engste Gitterstrukturen und feinste Löcher in miniaturisierten Bauteilen zu erzielen.

Charakteristisch für den Wärmetauscher sind die eng formierten Kühlrippen von nur 0,45 mm Kantenbreite bei einer Tiefe von 3,5 mm, gemessen von den Rippenkanten bis zur Rohrstruktur. Der Durchmesser des achsbildenden Innenrohrs beträgt bloß 2 mm, die angeschlossenen Mittelstreben haben eine Dicke von lediglich 0,45 mm.