[Avis d’expert] ¿Puede la impresión 3D acabar con la escasez global de semiconductores?

Después de más de un año de la pandemia, sabemos muy bien las consecuencias que puede tener y las cadenas de suministro se ven particularmente afectadas por sus efectos. Si bien se han observado muchas escaseces en varios productos de consumo (productos a base de papel y productos de limpieza de cabezales), también se ven afectados los productos más caros. Uno de los efectos secundarios inesperados de la pandemia ha sido la escasez mundial de semiconductores, que está interrumpiendo la producción de todo tipo de productos de consumo, desde automóviles hasta electrónicos.

En diciembre, Volkswagen dijo que los cuellos de botella de la escasez de semiconductores resultarían en la producción de 100.000 vehículos menos en el primer trimestre de 2021, dada la incapacidad de los fabricantes de repuestos para asegurar los suministros. . Nissan, Renault, Daimler y General Motors también se enfrentan a la escasez, lo que podría provocar que la producción caiga hasta un 20% por semana.

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Además, con la pandemia que obliga a la gran mayoría de la población a trabajar de forma remota y quedarse en casa, la demanda de productos electrónicos de consumo, como computadoras portátiles y consolas de juegos, se ha disparado. El gigante tecnológico japonés Sony Indicó que es debido a esta escasez que no ha podido producir suficientes consolas PlayStation 5 para cubrir la demanda. Los fabricantes de estos dispositivos compiten con la industria automotriz por chips a medida que los vehículos modernos incorporan cada vez más tecnologías y computadoras avanzadas en sus diseños.

Herramientas complejas y costosas

Si se necesitan más chips, ¿no pueden los fabricantes simplemente aumentar su capacidad de producción? Sobre el papel, parece relativamente sencillo, pero la capacidad de producción y la tecnología necesarias son problemáticas.

Para que estas plantas de fabricación de semiconductores (llamadas “fundiciones”) aumenten la producción, deben instalar nuevas líneas de producción. Estas líneas requieren nuevos equipos y los fabricantes de bienes de capital están innovando para ayudar a las fundiciones a satisfacer la creciente demanda. Sin embargo, estas herramientas son complejas y costosas y su ciclo de desarrollo es largo; en algunos casos, los plazos son de seis a nueve meses. Esto dificulta que los fabricantes de bienes de capital reorienten sus cadenas de producción, que se basan en tecnologías de fabricación tradicionales, para adaptarse a un crecimiento inesperado de la demanda como el que estamos viendo hoy.

Acelere la innovación a través de la fabricación aditiva

Cuando se trata de acelerar la producción, los flujos de trabajo de fabricación tradicionales tienen diferentes tipos de limitaciones. Si un fabricante de bienes de equipo necesita pedir una pieza en particular en mayor número, puede requerir más recursos de los que puede proporcionar un solo proveedor. Los costos adicionales incurridos al establecer una asociación con un proveedor adicional son prohibitivos. Además, si bien el objetivo es crear y entregar equipos más productivos en períodos de tiempo más cortos, los flujos de trabajo de desarrollo de productos tradicionales son largos y tediosos por la sencilla razón de que requieren herramientas.

La fabricación aditiva (AM), a menudo denominada “impresión 3D”, borra estos límites y permite la libertad de diseño y una transición perfecta desde la creación de prototipos hasta la fabricación en lotes pequeños de piezas personalizadas. Al integrar la fabricación aditiva en sus procesos de fabricación tradicionales, los fabricantes de equipos de capital pueden optimizar las relaciones resistencia-peso, integrar estructuras de refrigeración compatibles y reducir las piezas del sistema y los requisitos de montaje. Las ventajas obtenidas son numerosas: mejora de la dinámica de fluidos, reducción de fallos de montaje, cinemática más eficiente y mejor cumplimiento de los estados operativos teóricos. Con cientos de miles de componentes necesarios para crear una herramienta, las posibilidades que ofrece la fabricación aditiva para mejorar estas aplicaciones parecen ilimitadas. Exploremos tres en particular, cuyos beneficios se han demostrado.

Gestión térmica de mesas de obleas

Una mejor gestión térmica de los componentes críticos de los equipos semiconductores, como las mesas de obleas, puede mejorar la precisión de los equipos semiconductores de 1 a 2 nm al tiempo que aumenta la velocidad y el rendimiento. El aumento de la velocidad y el tiempo de actividad de la máquina permite procesar más obleas y aumentar el valor del ciclo de vida general.
Durante el paso de la litografía, es esencial mantener las temperaturas dentro de los rangos de miliKelvin (mK), ya que cualquier perturbación en el sistema tiene un impacto en la escala nanométrica. Con Design for Additive Manufacturing (DfAM), los canales de refrigeración internos y los modelos de superficie se pueden optimizar, mejorando drásticamente las temperaturas de la superficie y los gradientes térmicos al tiempo que se reducen las constantes de tiempo. . Con diseños únicos que solo la fabricación aditiva puede lograr, es posible disipar el calor de manera eficiente, mejorando el rendimiento y la precisión del sistema, así como el rendimiento general. Un importante fabricante de equipos de capital de semiconductores que utiliza la fabricación aditiva para producir sus mesas de obleas ha reducido el tiempo de estabilización de las obleas en cinco.

En el contexto de la producción de mesas de obleas, la fabricación aditiva también tiene la ventaja de optimizar la estructura y reducir el número de piezas y conjuntos. Con las tecnologías tradicionales, la producción de piezas utiliza soldadura fuerte para unir las piezas. La soldadura fuerte es un proceso tedioso y de baja eficiencia; la tasa de rechazo del 50% lo hace muy ineficaz cuando se desea una iteración rápida. Reemplazar conjuntos de múltiples piezas con piezas monolíticas fabricadas de forma aditiva aumenta la confiabilidad, mejora la eficiencia de fabricación y reduce los costos de mano de obra.

Optimización del flujo de fluidos en los colectores

El uso de procesos de fabricación tradicionales para producir colectores de fluidos complejos da como resultado la producción de piezas grandes y pesadas cuyo flujo de fluido no es óptimo debido a transiciones abruptas entre componentes y canales con bordes afilados que generan perturbaciones, caídas de presión, áreas estancadas y fugas.

Cuando se utiliza la fabricación aditiva para producir estos mismos colectores, los ingenieros pueden optimizar sus diseños para reducir las caídas de presión, las perturbaciones mecánicas y las vibraciones. Una reducción del 90% de las fuerzas perturbadoras inducidas por los fluidos permite reducir las vibraciones del sistema y obtener una mejora en la precisión de 1 a 2 nm.

Optimización estructural y plegado avanzado

La fabricación aditiva permite a los diseñadores optimizar la topología estructural de una pieza (es decir, aligerarla) mediante una serie de aleaciones metálicas de alta resistencia. Estos diseños pueden cumplir con más precisión los requisitos de rendimiento de los bienes de capital semiconductores, mejorar la relación resistencia-peso y acelerar el tiempo de comercialización. Los componentes semiconductores ligeros y los mecanismos de movimiento avanzados reducen la inercia y mejoran la litografía, la velocidad y el tiempo de actividad de las máquinas de procesamiento de obleas, lo que permite procesar más. Por ejemplo, un fabricante de bienes de capital semiconductores, a través de la fabricación aditiva, logró un alivio de flexión de más del 50%, una frecuencia de resonancia un 23% más alta y una vibración del sistema reducida. .

Posibilidades infinitas

Dado que la fabricación aditiva aplicada a semiconductores rara vez se discute, es cuestionable si esta tecnología se ha adoptado a gran escala en el sector de fabricación de chips y qué ventajas podría aportar allí. La fabricación aditiva, especialmente la impresión directa de metales, es una tecnología reconocida y validada en la industria de bienes de capital de semiconductores. Las presiones que se ejercen en el mercado, por el aumento de la demanda y los problemas de producción, exigen una rápida transición a la fabricación aditiva para obtener la optimización necesaria. Actualmente se están desarrollando e incluso enviando equipos de procesamiento de obleas con piezas obtenidas mediante fabricación aditiva.

Solo en el campo de la litografía, ya se utilizan muchos equipos para producir chips con un proceso de alrededor de 14 nm. La fabricación aditiva puede afectar esta base instalada siempre que los OEM realicen actualizaciones in situ para mejorar varios aspectos del equipo. Sin embargo, el efecto será menor. Un escenario más probable es que la fabricación aditiva mejore significativamente las nuevas máquinas que se envían a partir de ahora y durante los próximos dos años. Con base en esta idea, tenemos tiempo suficiente para realizar rediseños de componentes y sistemas, aumentando así la productividad y la calidad. Los fabricantes también tendrán siempre suficiente control sobre estos sistemas para probar rigurosamente y demostrar las ganancias de rendimiento.

Además de la litografía, la fabricación aditiva tiene decenas de otras aplicaciones en la cadena de procesos, como el pulido, las fuentes de luz y el grabado, la clasificación e incluso la metrología. La intensificación del uso de la fabricación aditiva en este segmento es oportuna, ya que los fabricantes de equipos se enfrentarán rápidamente a casos insolubles en los que las leyes de la física inevitablemente traerán límites que son extremadamente difíciles de superar. En este ámbito, la fabricación aditiva tendrá más posibilidades de ampliar el abanico de posibilidades e ir aún más lejos en los procesos. No podrá eliminar las barreras físicas ni evitar grandes trastornos en los procesos. Sin embargo, permitirá a los fabricantes de equipos semiconductores “verlo venir” durante las próximas décadas, ampliar su visión de lo que es posible y superar sus límites. Por lo tanto, es una apuesta segura que la fabricación aditiva emergerá como una tecnología clave para superar la escasez de semiconductores y fortalecer una vez más las cadenas de suministro.

Par Scott Green, Responsable Solutions Principales, 3D Systems

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Source: UsineNouvelle – Actualités A la une by www.usinenouvelle.com.

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