3D打印成為高端需求應用的重要生產(chǎn)(chǎn)工具

目前和未來(lái)的空間和航天領(lǐng)域的光學(xué)儀器因為技術(shù)和成本方面的需求，結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)(chǎn)方式。此外，隨著(zhù)性能要求的提高，光學(xué)系統(tǒng)將變得越來(lái)越強大，這就要求開(kāi)發(fā)(fā)新的制造工藝，以保證預期的性能。半導體工業(yè)(yè)是另一個(gè)對陶瓷材料要求很高且具有挑戰(zhàn)性的重要領(lǐng)域。

圖一3d打印陶瓷

這些產(chǎn)(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(shù)零件未來(lái)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(xué)儀器的主要技術(shù)特點(diǎn)是：

? 視線(xiàn)穩(wěn)定性

? 抗惡劣機械和熱環(huán)(huán)境的強度

? 作為任務(wù)組件的高光學(xué)性能

陶瓷材料可以滿(mǎn)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)(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)(yōu)化的大型光學(xué)儀器的需求越來(lái)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)(yōu)化這些新反射鏡的設計和生產(chǎn)(chǎn)。

為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的需求，3Dceram 開(kāi)發(fā)(fā)了C3600 Ultimate 3D打印機，其打印平臺為600 mm x 600 mm x 300 mm（長(cháng)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)(chǎn)光學(xué)零件具有許多優(yōu)(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)(chǎn)-通過(guò)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(guò)機械加工去除的，因此會(huì )產(chǎn)(chǎn)生過(guò)多的廢料，并且有很高的裂紋風(fēng)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：如內部通道、電氣軌道和饋線(xiàn)

? 打印大尺寸零件：如圖2

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

3DCERAM工藝能夠簡(jiǎn)化和減少制造過(guò)程。這為發(fā)(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(kāi)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(guò)CERAMAKER C3600打印機，現(xiàn)在可以生產(chǎn)(chǎn)“定制”的大型陶瓷光學(xué)基板，從而降低制造過(guò)程中的風(fēng)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構和集成界面的探索（圖2）。

3DCERAM工藝也為下一代儀器開(kāi)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(xué)功能集成在結構裝置中

3DCERAM C3600 Ultimate打印機現(xiàn)在能夠滿(mǎn)足航天工業(yè)(yè)中生產(chǎn)(chǎn)一系列適應最?lèi)毫迎h(huán)(huán)境的大型復雜光學(xué)基板或結構件。

電 子 應 用

近年來(lái)，半導體制造廠(chǎng)開(kāi)發(fā)(fā)了越來(lái)越復雜的工藝，需要特殊的設備來(lái)滿(mǎn)足他們的需求。此外，市場(chǎng)對微電路容量的需求日益增長(cháng)，導致越來(lái)越多使用直徑為1-12英寸（25-300毫米）的硅晶片，并開(kāi)發(fā)(fā)設備來(lái)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)(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(guò)切割由硅或砷化鎵制成的單晶柱來(lái)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構。

? 互連過(guò)程實(shí)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(cháng)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(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)(chǎn)這些高性能產(chǎn)(chǎn)品所需的完美條件。

在陶瓷材料中，需求最多的是：

? 常見(jiàn)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體行業(yè)(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(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(pán)、卡盤(pán)/吸盤(pán)（圖3）和機器臂

? 在熱擴散和化學(xué)氣相沉積過(guò)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(guò)程中，陶瓷被用于腔室、靜電卡盤(pán)、噴嘴和環(huán)(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)(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(guò)陶瓷3D打印取得了在半導體行業(yè)(yè)的巨大成功。該公司因開(kāi)發(fā)(fā)了一個(gè)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)(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)(huán)可以同時(shí)或按順序供應兩種氣體。PEALD是一種適用于半導體生產(chǎn)(chǎn)的創(chuàng )(chuàng)新工藝，顯示出技術(shù)的重要提升，具有巨大的經(jīng)(jīng)濟潛力。

總  結

增材制造為光學(xué)和半導體儀器的工業(yè)(yè)生產(chǎn)(chǎn)過(guò)程帶來(lái)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)(yōu)點(diǎn)：

? 創(chuàng )(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(jiǎn)化和優(yōu)(yōu)化設計流程

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(shí)現(xiàn)最優(yōu)(yōu)化的結果。為了提高其性能和壽命，未來(lái)半導體/光學(xué)器件的制造過(guò)程將變得更快，甚至更激進(jìn)。那么，特定陶瓷材料的結合和工業(yè)(yè)3D打印機的商業(yè)(yè)化是應對這些領(lǐng)域未來(lái)挑戰(zhàn)的不可或缺的資產(chǎn)(chǎn)。

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