3D打印之集成电路作用的调研报告.docx
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3D打印之集成电路作用的调研报告
研究生调研报告
3D打印技术在集成电路中的应用
的调研报告
课程名称现代制造技术
组别第8组
组员邢大伟李双岳蓬
潘荣杰谭秉劼赵泽阳
调研报告提交时间:
2015年01月07日
目录
1、3D打印技术的起源与发展2
1.13D打印的概念和分类2
1.23D打印的材料和设备3
1.33D打印目前存在的主要问题4
2、3D打印的应用领域5
2.13D打印的应用5
2.23D打印前沿应用14
2.2.13D打印在材料方面的应用14
2.2.23D打印在汽车制造方面的应用15
2.2.33D打印在艺术设计方面的应用16
2.2.43D打印在建筑物方面的应用17
3、3D打印的发展趋势18
3.1技术潜伏期18
3.2转折点初现18
4、中国集成电路的产业现状19
4.1传统集成电路的制造工艺20
4.1.1印制电路板的生产过程20
4.1.2典型的印制电路板生产工艺流程21
4.2传统集成电路制造工艺的缺点22
5、3D打印技术在集成电路研制中的应用展望24
5.13D打印技术在集成电路研制中的发展24
5.23D打印技术在集成电路研制中的挑战25
5.3中科院研制出3D打印电路板25
5.4新方法将显著扩展3D打印的应用范围27
6、总结28
7.参考文献29
3D打印技术在集成电路中的应用调研报告
13D打印技术的起源与发展
3D打印技术的核心制造思想最早起源于美国。
早在1892J.E.Blanther在其专利中曾建议用分层制造法构成地形图。
1902年,CarloBaese的专利提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理。
1904年,Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线,然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。
20世纪50年代之后,出现了上百个有关3D打印的专利。
20世纪80年代后期,3D打印技术有了根本性的发展,出现的专利更多,仅在1986-1998年间注册的美国专利就有24个。
1988年,美国的3DSystems公司根据Hull的专利,生产出了第一台现代3D打印设备——LA-25(0光固化成型机),开创了3D打印技术发展的新纪元。
1.13D打印的概念和分类
概念:
根据美国材料与试验协会(ASTM)2009年成立的3D打印技术委员会(F42委员会)公布的定义:
3D打印是一种与传统的材料加工方法截然相反,基于三维CAD模型数据,通过增加材料逐层制造的方式。
其采用直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。
3D打印技术内容涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”(rapidprototyping)和全生产周期的“快速制造”(rapidmanufacturing)相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。
3D打印涉及的技术包括CAD建模、测量、接口软件、数控、精密机械、激光、材料等多种学科的集成。
种类有以下几种:
1.数字制造:
借助CAD等软件将产品结构数字化,驱动机器设备加工制造成器件;数字化文件还可借助网络进行传递,实现异地分散化制造的生产模式。
2.降维制造(分层制造):
即把三维结构的物体先分解成二维层状结构,逐层累加形成三维物品。
因此,原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构,而且制造过程更柔性化。
3.堆积制造:
“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。
4.直接制造:
任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来,不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。
5.快速制造:
3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造,因此,制造更快速、更高效。
1.23D打印的材料和设备
3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等。
按照美国材料与试验协会(ASTM)3D打印技术委员会(F42委员会)的标准,目前七类3D打印工艺与所用材料如表1所示。
目前,已实现商品化的3D打印机共涵盖了七类工艺,其中以光固化打印(SLA)、选择性激光烧结打印(SLS)、熔融沉积打印FDM和3D打印等为主。
3D打印是采用类似喷墨打印机喷头的工作方式,这种工艺与选择性激光烧结十分类似,只是将激光烧结过程改为喷头粘结,光栅扫描器改为粘结剂喷射头。
其优点是打印速度快、价格低;缺点是打印出来的产品机械强度不高。
表1
1.33D打印目前存在的主要问题
1.3D打印的耗材。
耗材是目前制约3D打印技术广泛应用的关键因素。
目前已研发的材料主要有塑料、树脂和金属等,然而3D打印技术要实现更多领域的应用,就需要开发出更多的可打印材料,根据材料特点深入研究加工、结构与材料之间的关系,开发质量测试程序和方法,建立材料性能数据的规范性标准等。
目前可用原料不多。
2.3D打印机本身。
由于3D打印工艺发展还不完善,快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求,只能做原型使用。
3.3D打印的价格。
目前,3D打印不具备规模经济的优势,价格方面的优势尚不明显。
4.知识产权的保护。
3D打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式,而且也在于它能改变知识产权的规则。
5.3D打印机的操作技能。
3D打印技术需要依靠数字模型来进行生产,但是对普通用户来说学会使用计算机辅助设计工具(CAD)还是有一定难度。
6.政策方面。
3D技术的研发需要大量的政府投入或产业界的资金支撑。
如在医疗领域,可能会因缺少食品和药品监管部门的许可,造成许多临床医疗产品应用的滞缓等。
23D打印的应用领域
2.13D打印的应用
3D打印应用涉及各个行业,包括消费品及电子、汽车、医疗牙科、航空航天。
3D打印目前已经广泛应用于产品原型制造,大幅提升产品开发速度。
9月份以来随着各种3D打印消息发布,搅动了整个3D打印板块。
3D打印影响的范围极其广泛,在3D打印领域活跃的除了专业3D打印厂商之外,还包括了各行各业的优秀企业,其中包括了零售、传统制造、汽车、航空、金融、建筑、电子等众多社会支柱行业企业和高管。
此外,像Formlabs、CreoPop、Shapeways和Sculpteo这样的纯3D打印初创企业的表现也很抢眼。
Appinions的报告列出了在3D打印领域“十大最具影响力企业”,它们的排名是1、Autodesk;2、亚马逊;3、Stratasys;4、3DSystems;5、Intel;6、GE;7、家得宝(HomeDepot);8、Makerbot(去年被Stratasys公司收购);9、LocalMotors;10、BAESystems。
这其中除了Stratasys、3DSystems、Makerbot是专业的3D打印公司之外,其它绝大部分都是全球商业界的领军企业。
图1
1、Autodesk
图2
欧特克有限公司(“欧特克”或“Autodesk”)是全球最大的二维、三维设计和工程软件公司,为制造业、工程建设行业、基础设施业以及传媒娱乐业提供卓越的数字化设计和工程软件服务和解决方案。
始建于1982年,Autodesk提供设计软件、Internet门户服务、无线开发平台及定点应用,帮助遍及150多个国家的四百万用户推动业务,保持竞争力。
目前,Autodesk推出开源3D打印机及软件平台,努力成为3D打印行业的谷歌。
2、亚马逊
图3
亚马逊公司(Amazon,简称亚马逊),是美国最大的一家网络电子商务公司,位于华盛顿州的西雅图。
是网络上最早开始经营电子商务的公司之一,亚马逊成立于1995年,一开始只经营网络的书籍销售业务,现在则扩及了范围相当广的其他产品,已成为全球商品品种最多的网上零售商和全球第二大互联网公司。
目前,亚马逊已经通过建立新店的方式进入3D打印领域。
3、Stratasys
Stratasys是一家专业制造3D打印设备以及可直接根据数字数据创建实物的材料的3D打印公司。
Stratasys公司已在全球安装了大量的原型和直接数字化生产系统,其数量之多没有其他任何一家公司能及。
公司通过为原型创造性地推出产品级材料,引导RealPartsTM的直接数字化生产,从而成为技术革新的佼佼者。
Stratasys公司目前占有41%的市场份额,已经连续5年在市场上领跑。
图4
4、3DSystems
3DSystems公司成立于1986年,率先发明了立体平版印刷快速建模系统,是一家提供高级固体成像解决方案的跨国企业,业务遍及全世界各大主要市场。
现在的3DSystems是固体成像产品的顶级供应商,其产品可帮助客户降低产品设计环节所需的时间和成本,并对生产环节起到直接或间接的辅助作用。
通过帮助客户实现改进,其固体成像解决方案能够帮助客户建立并保持竞争优势。
其主要经营领域包括立体打印机、3D打印机以及快速成型机等。
图5
5、Intel
英特尔公司(IntelCorporation),是世界上最大的半导体公司,也是第一家推出x86架构处理器的公司,总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。
由罗伯特·诺伊斯、高登·摩尔、安迪·葛洛夫,以“集成电子”(IntegratedElectronics)之名在1968年7月18日共同创办公司,将高级芯片设计能力与领导业界的制造能力结合在一起。
目前,英特尔已经与微软和3D打印机厂商3DSystems签署了协议,共同开发以自然直观使用3DRealsense摄像头的技术。
另据Re/code报道,Intel将于今年年底推出3D打印机器人套件,任何人都可以在网站上下载打印零部件,组装机器人。
图6
6、GE
美国通用电气公司,(GeneralElectricCompany),是世界上最大的提供技术和服务业务的跨国公司。
GE是在公司多元化发展当中,较为出色的跨国公司,从飞机发动机、发电设备到金融服务,从医疗造影、电视节目到塑料,GE公司致力于通过多项技术和服务创造更美好的生活。
目前,公司业务遍及世界100多个国家。
11月20日,GE航空买下3D打印公司莫利斯技术(MorrisTechnologies),将通过莫利斯技术为飞机引擎打印零部件。
图7
7、家得宝(HomeDepot)
美国家得宝公司。
为全球领先的家居建材用品零售商,美国第二大零售商,家得宝遍布美国、加拿大、墨西哥和中国等地区,连锁商店数量达2234家。
家得宝连续9年被美国《财富》杂志评为“最受欢迎的专业零售商”。
目前,家得宝已宣布与MakerBot合作,在其门店卖场销售MakerBotReplicatorDesktop3d打印机。
从2014年7月14日起消费者可在家得宝的官网以及美国加州、伊利诺伊州和纽约市的12家门店购买MakerBot系列3D打印机。
图8
8、Makerbot(去年被Stratasys公司收购)
MakerBot成立于2009年,是3D打印领域著名的创业公司,公司位于纽约市布鲁克林区,是它颠覆了印刷和制造产业,将低价的桌面打印架引入市场,让普通人也可以在家里过一把创客瘾。
2013年6月,MakerBot被成立25年之久的3D打印企业Stratasys以6亿美元的价格收购,但公司将会继续自主运营,不受Stratasys的影响。
相比Stratasys,MakerBot的产品相对低端些。
Stratasys售价最低的3D打印机为1万美元,而MakerBot售价最低的设备仅为2200美元。
两者之间存在较大的差异。
在收购了MakerBot之后,Stratasys能够丰富他们的产品线。
图9
9、LocalMotors
LocalMotors(本地汽车)是一家位于亚利桑那州的汽车公司,与通用、福特等汽车巨头相比,“LocalMotors”实在是微不足道,连CEO在内只有10名正式员工,组装车间就叫“微型工厂”(Micro-Factory),尽管没有庞大的研发中心、组装车间和营销团队,但企业却有着宏大的愿景:
“引领下一代汽车的设计与制造,以颠覆性的产品、前所未有的服务彻底变革整个行业。
”
LocalMotors在芝加哥2014年国际制造技术展览会(IMTS)现场,采用3D打印技术直接将设计比赛的冠军车型作品Strati打印了出来。
Strati,是由意大利汽车设计师MicheleAnoè设计的一款概念车。
图10
10、BAESystems
BAE系统公司是1999年11月由英国航空航天公司(BAe)和马可尼电子系统公司(MarconiElectronicSystems)合并而成的。
2000年,在世界100家最大军品公司中居第三位。
其业务主要有9个领域:
飞机、军用和民用固定翼飞机、军用电子、反潜武器(ASW)、C3Ⅰ系统、导弹、军械系统、空间系统以及系统集成。
BAESYSTEM公司成功研发出可搭载在飞机上的3D打印设备技术,一种专门用来打印无人机(UAV)或类似飞行器的3D打印机,其中一项关键的技术就是打印金属。
2013年年末,在英格兰西北部的BAE机场,A型旋风式战斗机3D打印金属部件试飞成功。
图11
可以看出,以上企业中除了Stratasys、3DSystems、Makerbot是专业的3D打印公司之外,其它绝大部分都是全球商业界的领军企业,由此可见3D打印市场的火热场面。
2.23D打印前沿应用
2.2.13D打印在材料方面的应用
3D打印不同于传统的纸面打印,它事实上是一种快速成形技术。
这种技术运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的叠加多层粘合方式来构造物件。
据3DPrint报道,首款以碳纤维为材料的3D打印机已经发布,名称为“MarkOne”,生产方为MarkForged,这家公司的老版Mark还开了另一家叫Aeromotios的公司,后者主要生产碳纤维机翼和扰流板。
MarkOne打印机采用的技术有两种,其一是熔融长丝制造,同常见的ABS打印机类似,其二是复合纤维制备,主要用于碳纤维打印。
除了碳纤维,MarkOne还能打印玻璃纤维、尼龙和聚乳酸3种材料不过1次只能打1种。
分辨率上,采用传统熔融长丝制造可以达到0.1mm,但是使用复合纤维制备技术只有0.2mm了。
据MarkFogerd的雇员称,用MarkOne打印出来的复合纤维产品,强度比数控机床加工的铝合金还高,很适于用作假肢行业。
2014年2月MarkOne开始接受预定,价格5000美元,预计下半年发货。
图12
图13
2.2.23D打印在汽车制造方面的应用
2012年底,007系列电影的最新一集SkyFall在全球陆续上映,除了以3D表现的火爆场面,007的诸多装备同样吸引了众多眼球,而这其中最耀眼的当属邦德座驾在这部新片中亮相的1960年款阿斯顿马丁DB5汽车与以往任何一部道具车都不同,它是由体积8立方米的VX40003D打印机按照1:
3的比例打印出的DB5汽车模型,全车共由1匆个部件组装而成,组装完成后再由专业技工进行电镀、上漆,一番涂装之后,电影中的豪车就此诞生它完全实现了像真实车辆那样打开车门、后备箱以及引擎盖等细节功能。
看来为了能够让007电影道具更加逼真,3D打印显然是个功臣.它完全避免半个多世纪前的古董车亲自上阵被意外损伤而有效地控制了拍摄的风险这部由3D打印制作的DB5更是在影片杀青后拍卖出一了10万美元的价格电影因其相对大额的资金投人,所以更愿意尝试新技术去引领潮流,如影片Aratar就曾引发3D电影的投拍热潮,与此同时,新技术为电影带来的往往是更有效率的制作周期,这对电影的成本控制来说至关重要,另外3D打印制作出的电影道具因具有可复制的特性而使道具的大量复制成为可能,各种“原版”道具作为限量周边产品出售将会成为一种新的收藏趋势与可能。
图14
2.2.33D打印在艺术设计方面的应用
不光是电影公司的大成本制作,通过3D打印进行创业的公司也已经开始涌现,第一家3D打印照相馆近日就在日本开张迎客,他们可以为顾客制作一个自己样貌的小雕塑,首先由摄影棚工作人员用3D扫描机为顾客作全身扫描,15分钟之后将扫描结果输入3D打印机中选择输出尺寸,依照最终模型尺寸大小,单人的小雕塑价格在21000日元到42000日元之间。
打印出的小雕塑经过涂装的成品惟妙惟肖,成为了近期在日本热议的话题除了商用以外,3D打印作为一项前景可人的新技术也引起了众多艺术家的关注比如艺术家MatthewPlummer就在他的“数了原生代”系列作品中,用3D打印机技术制作了一系列日常用品,复杂多层次的结构和色彩都让人叹为观止。
对于艺术家或设计师来说,3D打印技术可以使作品原型呈现更加迅速,而无需受限于工厂生产线与生产排期,3D打印技术还可以在制造过程中控制所用材料,精度可达分子和原子级别,最重要的是,这项技术降低了制造门槛,从创意到造物的时间大大缩短。
创作成本的降低,使得各种新鲜出炉的创意将更快涌向市场,也许连艺术品销售的模式都会发生转变。
随着目前对未来可行的3D打印机的研究不断完善,我们有理由期待在未来几年会有无数令人兴奋和向往的新作出现在我们面前,人们接近艺术品的方式也会更加多元。
2.2.43D打印在建筑物方面的应用
3D打印技术可以用来造物,那是否可以用于建筑领域呢?
对于这一设想,DesignLabWorkshop创始人,荷兰设计师BrianPeters就已经行动起来,他研究并实践3D打印技术已经有几年时间,他着重解决的问题是如何对3D打印机的打印头进行改造,从而达到可以打印建材的程度,并最终使3D打印机可以用在建筑材料制造领域,实现大规模生产。
也许到那个时候,3D打印机将成为一间便携式砖厂几台打印机在建筑现场同时工作,就地取材,制造出具有地域特色的建材,为建筑生态的多样化和本地化助力。
目前Peters实验用的3D打印机打印一块砖需要15分钟,虽然还远达不到量产,但它却可以打印出各种复杂结构的个性化砖块,这是传统建材生产所无法做到的。
目前人们只能使用同一种结构的砖块施工,而在未来通过3D打印则可以让每块砖都独一无二,共同构造出个性化结构。
虽然3D打印的大规模商用还未成型,但可以肯定的是,2013年是3D打印技术爆发的一年,各种新的创作机会和方法正在蠢蠢欲动,相关商机也正在起跑线上整装待发,打印出一个世界绝对不再是幻想或空谈。
2013年12月,著名互联网调研公司Juniper发布了2014年十大科技技术趋势,3D打印位列其中。
另外,在之前的2013GartnerSymposiumItxpo全球大会上,知名IT研究与咨询公司Gartner对2014年具有战略意义的十大技术与趋势进行了总结,预计在2014年与2015年,3D打印机的销量将增加200%。
33D打印的发展趋势
3.1技术潜伏期
3D打印技术之所以30年来一直没有发展起来,一是3D打印技术对传统制造技术的替代作用不是很强,不像互联网技术那样可以渗透到人们生产生活的方方面面,带来非常直接的变化和感受;二是这个行业长期“小而散”,没有团结起来,不能形成一种合力,相互之间各自为政,既不利于行业本身发展,也不利于外界对这项技术本身的深入了解;三是用户企业对3D打印技术缺乏足够的信心,市场需求始终没有起来,部分观点认为3D打印不能制造或是批量制造电子元件,无法成为电子产品量产,不具有商业价值,但随着一系列的技术进步,这一情况大为改观。
3.2转折点初现
3D打印并非是通过其本身而演化的,伴随科技的进程,多种技术融合更加深入,尤其是计算机和3D打印模型设计软件的发展,成为了3D打印技术崛起的重要驱动力。
随着计算机的价格不断降低,设计软件飞速发展,人们逐渐能造出细致入微的3D模型图,并将其打印出来,硬件成本锐减,零部件的体积越来越小。
以前,3D打印机只有大公司才买得起,现在小企业甚至家庭用户也有能力购买。
随着众多公司以不同的技术介入3D打印领域,市场规模也将持续放大,WohlersAssociates的数据显示,2012年,全球3D打印产业的销售收入规模已达22.04亿美元,比前年增长28.6%。
如果从1993年算起,年均复合增速为17.7%,最近两年同比增速升至25%的平台。
预估至2016年的市场规模将可望成长至44.5亿美元,年复合成长率为22.4%。
同时,3D打印机在中国的应用正迅速扩大,航空、汽车、医疗等各个行业都在积极引进。
按照总部位于北京的中国3D打印技术产业联盟的预测,中国3D打印机的市场规模到2016年将扩大到100亿人民币,达到2012年(10亿人民币)的10倍,从而使中国超越美国成为全球最大的市场,应用爆发的拐点似已出现。
打印电子元件是3D打印应用中非常值得关注的领域,这不仅是打印单个元件,更包括实现逻辑功能的器件甚至电路模块。
4中国集成电路的产业现状
集成电路(integratedcircuit)是一种微型电子器件或部件。
采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。
它在电路中用字母“IC”表示。
集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。
当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。
近几年,中国集成电路产业取得了飞速发展。
中国集成电路产业已经成为全球半导体产业关注的焦点,即使在全球半导体产业陷入有史以来程度最严重的低迷阶段时,中国集成电路市场仍保持了两位数的年增长率,凭借巨大的市场需求、较低的生产成本、丰富的人力资源,以及经济的稳定发展和宽松的政策环境等众多优势条件,以京津唐地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区为代表的产业基地迅速发展壮大,制造业、设计业和封装业等集成电路产业各环节逐步完善。
2006年中国集成电路市场销售额为4862.5亿元,同比增长27.8%。
其中IC设计业年销售额为186.2亿元,比2005年增长49.8%。
2007年中国集成电路产业规模达到1251.3亿元,同比增长24.3%,集成电路市场销售额为5623.7亿元,同比增长18.6%。
而计算机类、消费类、网络通信类三大领域占中国集成电路市场的88.1%。
根据《集成电路产业“十二五”发展规划》,到2015年,中国芯片设计业的销售收入将达到1100亿元左右,2013-2015年芯片设计业销售收入年均复合增长率将达到24.2%。
4.1传统集成电路的制造工艺
4.1.1印制电路板的生产过程
印制电路板制造是在绝缘(环氧玻纤布或聚四氟乙烯玻钎布)覆铜基板上(CCL)经印刷或压模、曝光、显影的方式,形成图形的铜箔保护层,然后将板面上线路以外的铜箔腐蚀除去,再剥除覆盖在线路上的油膜阻剂或咸光性干膜阻剂,以形成电子电路,如图1所示,生产过程大体上可分为图形准备、基板备料、图形印刷、电镀刻蚀和后期处理5个阶段,主要工艺过程如表1.
4.1.2典型的印制电路板生产工艺流程
(1)双面印制电路板生产工艺流程
以通孔双面印制电路板为例,典型的通孔图形电镀-刻蚀法的工艺流程如下:
双面覆铜板-下料-钻孔-刷版-碱洗-水洗-浸酸-水洗-化学沉铜-水洗-全板镀铜-水洗-网印图形或贴膜-干燥-曝光-显影-修板-水洗-酸洗-水洗-微蚀粗化-酸洗-图形电镀铜-水洗-图案电镀锡铅-水洗-插脚镀镍-水洗-插脚镀金-水洗-退膜-水洗-刻蚀-水洗-退锡铅-水洗-网印标记字符-固化-热风整平-固化-网印阻焊图形-固化-冲切加工-测试-检验-包装-成品。
(2)多层印制电路板生产工艺流程
多层印制电路板是指三层以上的导电图形层,通过对半固化片和绝缘
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