Optomec 的 3D 打印半导体封装解决方案将 5G 信号增加多达 100%

根据3D科学谷的市场了解,5G带来巨大的市场机会,其中封装是半导体生产流程中的重要一环,也是半导体行业中,中国具备明显竞争优势的一环。封装产业的上下游供应链共分为四大方面:IC设计、晶圆制造、半导体材料以及半导体设备。中国作为最大的芯片消耗国家,本身拥有着巨大的封装市场空间。

5G技术逐步成熟,以手机为代表的智能电子设备对芯片的性能和功耗要求越来越高,推动半导体领域向先进制程、先进封装加速发展。如何实现芯片效能最大化、封装体积最小化,成了企业不懈的追求。

Optomec© Optomec

根据赛智时代,受到5G设备、5G基站建设等快速增长的影响,2020年我国半导体市场保持增长态势,市场规模为21933亿人民币,较2019年增长9%。半导体产业链包括上游支撑产业、中游制造产业以及下游应用产业。上游支撑产业主要有半导体材料和设备构成,中游制造产业核心为集成电路的制造,下游为半导体应用领域。

封装作为集成电路产业链当中比较靠后的环节,其利润比其他环节低。在利润和市场竞争的双重压力下,只有靠不断地提升核心能力才能获得更大的市场。

block 更好的连接

近日,Optomec 宣布其为快速增长的毫米波电子市场推出了一种新的高性能半导体封装解决方案,以响应其客户在 5G、自动驾驶汽车、国防和医疗领域的需求。

毫米波集成电路 (IC) 的使用正以 27% 的复合年增长率增长,但在许多应用中受到阻碍,因为用于将 IC 连接到电路的传统技术导致低无线范围和/或高功耗。通过低损耗的方式连接保持设备性能, Optomec 的 3D 打印互连解决方案解决了这一缺陷。

当今家庭或办公室中的典型无线网络以 5 GHz 运行,而下一代无线毫米波网络将以高达 53 GHz 的频率运行;汽车雷达、国防应用和医学成像传感器的工作频率甚至更高。连接 IC 的旧方法,例如使用细小的金线,随着频率的增加其工作效果反而越来越差。

毫米波频段包括 30 至 300 GHz,毫米范围内每个电路连接的传输信号功率增加了 100%。这意味着无线数据传输的点对点范围更长,能耗更低,而且由于低功率 IC 可以在较低温度下运行,因此 IC 寿命更长。Aerosol Jet® 打印 IC 连接的方法效率更高,其性能几乎与厚铜电路板蚀刻方法媲美。

根据Optomec,使用毫米波频段的许多行业都看到了3D打印互连代替标准导线或带状键合的好处。3D打印带来更短、更好的阻抗匹配转换,直接的好处是降低每个芯片到芯片或芯片到板转换的损耗,使得整体设备效率和性能提高。

根据3D科学谷的了解,Optomec 的Aerosol Jet® 工艺的工作原理是将极细的纳米粒子导电墨水液滴从最远 10 毫米的距离喷射到电路板和组件上,可以产生宽度为 10 微米的导电特征。Optomec 的新型 Aerosol Jet® HD2 打印机具有超高打印分辨率和集成的基于视觉的对齐方式。Optomec 进一步提供预认证的打印配方和应用程序库,以提供可用于生产的整体解决方案。

block 多材料3D打印加快发展

根据ACAM亚琛增材制造中心在2021年formnext深圳展会上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》的分享,3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面,当前的一大发展趋势包括多材料发展趋势,发挥3D打印实现复杂产品的优势(包括几何特征的复杂性,以及多材料结合的复杂性)是3D打印突破当前应用对经济性要求的限制,向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径。

Optomec 已向全球 200 多家大型客户交付了 500 多套专有的增材制造系统,用于电子、能源、生命科学和航空航天行业的生产应用。其用户包括通用电气、三星、雷神、西门子、洛克希德,以及美国空军、美国海军、美国陆军和 NASA等。

2021年9月Optomec还宣布其长期生产客户之一最近又购买了五 (5) 台 Aerosol Jet 3D 电子打印机,随着时间的推移,其总数量达到 15台设备。超过 100 万美元的订单是量产计划的一部分,该计划将在未来 12 个月内增长到超过 25 台设备采购。该客户是全球领先的电子系统和其他先进技术产品制造商,年销售额超过 200 亿美元。自 2018 年以来,他们一直在生产中使用 Optomec 获得专利的 Aerosol Jet 3D 打印电子解决方案,用于专有移动设备终端产品中的先进半导体封装应用。

Optomec 获得专利的 Aerosol Jet 3D 电子打印机是一种独特的增材电子解决方案,能够直接打印高分辨率导电电路,特征尺寸小至 10 微米。该工艺的进一步区别在于其能够打印到非平面基材和全三维终端部件上。生产应用包括 3D 天线、3D 传感器、医疗电子、半导体封装和显示器组装的直接打印。

半导体封装的一个主要高价值用例是打印 3D 互连,以将芯片连接到其他芯片、传统电路板,甚至直接集成到可穿戴设备等终端产品中。在这种情况下,该工艺取代了传统的丝焊,因为它具有更小的空间要求、更低的损耗(特别是在高频和毫米波中)和更高的机械可靠性。

Optomec微米级的气溶胶喷射技术是由该公司成熟的气溶胶喷射精细打印解决方案与一种可实现快速即时凝固的原位固化专有技术相结合而来的。与其他高分辨率3D打印技术的不同之处在于,其他3D打印技术是在进行全面的材料沉积之后再根据图案局部固化,而气溶胶喷射技术则是进行局部材料沉积和局部固化,这使得整个过程在材料的消耗方面更加经济,同时也是该技术实现高分辨的关键。

早期使用Optomec气溶胶喷射3D打印技术的客户已经将该技术应用到智能设备和微流控领域。使用该技术可以在无需添加支撑结构的情况下使用光聚合物等材料打印出微米级的高纵横比以及拥有不规则形状的3D结构。通过将这些3D结构直接喷印在天线、传感器、半导体芯片、医疗设备或工业零部件等结构上,在一台设备上即可制造出功能性3D电子组件。这种直接的数字方法优化了制造工艺,减少了生产步骤和材料用量,因此气溶胶喷射3D微结构打印技术也是一种经济的、绿色技术。

根据ACAM亚琛增材制造中心,增材制造在多功能材料方面的愿景为无限组合的材料与技术,而最终的目标是点击即生产。ACAM亚琛增材制造中心定义达到这个愿景的进阶过程包括5个梯度,当前的世界范围内的发展大多还处在Level 0的水平,Level 0为功能化增材制造过程,Level 1为可预测的增材制造过程,Level 2为自动化的增材制造过程,Level 3为全自动化的增材制造包括前处理与后处理,Level 4为集成化的全自动化不同制造工艺的组合。

3D打印在电子产品领域如何突破Level 0的水平,走向Level4集成化的全自动化不同制造工艺的组合,3D科学谷的《3D打印与电子产品白皮书》通过持续更新,紧握3D打印发展与应用端结合发展趋势的脉搏,敬请持续关注!

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Additive Manufacturing Conference增材制造国际会议 (ICAM) 是 ASTM AM CoE 的旗舰活动,每年举行一次。这是一个交流关于增材制造材料和组件的想法的论坛,重点是行业标准、设计原则以及资格和认证标准。ICAM国际会议设计有多个专题讨论会,吸引了来自增材制造所有适用领域的利益相关者。2021年ICAM召开在即-11月1-5日,(该活动可通过https://amcoe.org/ewd选择Additive Manufacturing Conference,或直接访问https://amcoe.org/icam2021,注册付费成功后在线播放。

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