Étude de cas sur les wafers imprimées en 3D de nouvelle génération

Face à la demande croissante en technologies avancées de semi-conducteurs, la croissance du marché des équipements de fabrication devrait se poursuivre, atteignant de nouveaux records, avec 121 milliards de dollars en 2025 et 139 milliards de dollars en 2026. Cette dynamique est soutenue à la fois par les segments front-end et back-end. Le segment des équipements de fabrication de wafers (wafer fab equipment ou WFE) devrait voir ses ventes progresser de 6,8 % en 2025 et de 14 % en 2026, pour atteindre 123 milliards de dollars, sous l'effet de la demande croissante en applications logiques et de mémoire de haut niveau.

La précision et la fiabilité des tables de wafers jouent un rôle essentiel dans les équipements de fabrication de semi-conducteurs. Elles influencent directement l’efficacité et le rendement des processus, en particulier dans les machines de lithographie, d’inspection des wafers, de placement des puces, de gravure et de dépôt.

L’impression 3D peut jouer un rôle clé en autorisant une évolution majeure de l’architecture de conception, impossible à obtenir avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Cette avancée se traduit par des gains significatifs en termes de précision, de rapidité et de disponibilité des équipements pour l’industrie des semi-conducteurs. Elle permet aussi de concevoir des tables de wafers aux caractéristiques uniques, adaptées à l’application à laquelle elles sont destinées.

Le défi

Pour améliorer la précision et la fiabilité des tables de wafers tout en satisfaisant les besoins constants de miniaturisation, les processus de fabrication des semi-conducteurs doivent relever cinq défis principaux :

1. Maintien d'une précision sub-nanométrique sur des surfaces de grande dimension
2. Limitation des effets de la dilatation thermique causée par la chaleur générée pendant la production
3. Contrôle des vibrations et des perturbations environnementales
4. Perturbations au niveau de la chaîne d’approvisionnement et délais de production
5. Limites des processus traditionnels :
   • Nécessitent des soudures et/ou des assemblages pour produire des formes lisses : il en découle un temps de production et des risques de fuite plus importants
   • Les parois restent relativement épaisses en raison des limites de production
   • Produire des modèles manufacturables exige de faire d’importants compromis au niveau des fonctionnalités
   • Les mises à jour de conception nécessitent souvent de fabriquer un nouvel outillage coûteux dont la production prend du temps
   • La production en petites séries requiert généralement des outils et des équipements différents de ceux utilisés pour la production à plus grande échelle.

La solution

Grâce à ses solutions d’impression 3D en métal innovantes, notamment à son expertise en matière d’applications, 3D Systems a développé un démonstrateur de table de wafers en silicone de nouvelle génération. L'entreprise a mis en œuvre plusieurs nouvelles techniques de conception afin de répondre aux exigences d’une solution de refroidissement optimale. 

Quelle que soit la solution de plaque de refroidissement, la méthode de refroidissement optimale doit répondre aux critères suivants :

1. Dissipation rapide de la chaleur
2. Application uniforme du fluide de refroidissement
3. Gradient de température de surface uniforme
4. Gestion de l’entropie du système

1. La chaleur doit être évacuée de la source de chaleur aussi rapidement que possible
   En général, le fluide de refroidissement circule dans des tubes sinueux, en traversant la zone où il atteint sa température la plus basse (T0) à l’entrée du tube et sa température la plus élevée à la sortie. Les contraintes de conception imposent généralement que l’entrée et la sortie soient situées au même endroit, ce qui accentue encore la non-uniformité.

• Le retour du fluide caloporteur chauffé vers le fluide à T0 au niveau du point d’entrée favorise davantage les échanges thermiques avec le fluide à T0, réduisant ainsi l’efficacité globale, y compris au point de départ.
• Cette architecture présente une efficacité limitée et impose un compromis fonctionnel, le concept d’écoulement planaire reposant sur une configuration non séquentielle. Cette configuration permet un écoulement couvrant la quasi-totalité de la surface, en la traitant comme une cavité équipée d’ailettes directionnelles. 
• Un flux marqué du centre vers les bords, associé à un collecteur de retour périphérique de type « cascade », constitue un principe de conception novateur qui permet, à lui seul, d’obtenir un gradient de température radial prévisible. 

2. Idéalement, le fluide de refroidissement devrait être distribué de manière uniforme sur l’ensemble de la zone de refroidissement, afin que la face de refroidissement soit en permanence exposée à la température la plus basse possible.
   Dans la section précédente, nous présentons une méthode qui permet de contrôler le profil de refroidissement et de lui donner la forme d’un gradient polaire. Grâce à un injecteur de type « pommeau de douche » (shower head), une solution reconnue dans le secteur, nous injectons le fluide de refroidissement de façon uniforme dans le réseau d’ailettes.

• Cette solution corrige le problème de captation thermique de la méthode de conception précédente en assurant un écoulement du centre vers les bords.
• En injectant le fluide T0 uniformément sur l’ensemble de la zone, nous réduisons le gradient polaire et homogénéisons la température en surface, tout en préservant les caractéristiques de l’écoulement.

3. La température doit rester aussi uniforme que possible sur l’ensemble de la surface de contact.
   • En utilisant un réseau d’ailettes de répartition du flux, conçu par conception générative, dans l’espace de refroidissement présenté précédemment, nous obtenons une géométrie à la fois simple et efficace permettant de répartir le fluide de refroidissement dans la chambre. 
   • Combinés, cet élément et les deux points de conception précédents constituent une méthode efficace pour maîtriser à la fois le flux et le gradient de température. 
4. Avec le temps, l’entropie de l’ensemble du système influencera la température moyenne globale en régime transitoire. Afin de limiter ce phénomène, il convient de mettre en œuvre des méthodes permettant de limiter la dérive de la température moyenne globale
   Intégrer un réservoir de fluide froid en amont du pommeau de douche maintient un volume de fluide de refroidissement à l’état T0, offrant ainsi une capacité supplémentaire d'absorption de l'énergie thermique. Cette solution répond à deux objectifs : 
   • Le réservoir de fluide froid fournit un puits thermique T0 continu pour l’ensemble du système. Il se comporte comme glaçon placé au cœur du système, rendant ainsi tout flux ou variation thermique transitoire beaucoup moins susceptible d’influencer de façon significative les caractéristiques thermiques du système. 
   • En outre, le réservoir de fluide froid joue le rôle de tampon entre le volume de refroidissement et le circuit de retour. Il isole le fluide de retour afin qu’il n’exerce aucune influence notable sur la surface active de refroidissement. 

3D Systems propose un écosystème complet intégrant matériel, logiciels et services, avec :

• Conseil de l’Application Innovation Group (AIG) – Nous travaillons en étroite collaboration avec nos clients pour cerner leurs besoins et les accompagner tout au long du processus : optimisation des conceptions, réalisation de prototypes, validation et définition des flux de production.
• Dans cette étude de cas sur les tables de wafers, nous avons utilisé notre dernière solution d’impression 3D en métal : l'imprimante 3D DMP Flex 350 Triple, l'alliage A6061-RAM2 offrant une conductivité thermique élevée, et le logiciel 3DXpert® d’Oqton.
• Transfert technologique aux fabricants sous contrat – Une fois la solution validée, nous aidons les fabricants OEM et les fournisseurs de semi-conducteurs à mettre en place leurs propres capacités de fabrication additive en métal pour réduire les coûts et les délais de montée en production. Notre équipe spécialisée travaille avec vous à chaque étape, de la préproduction à la production en série.

Avantages/Résultats

Efficacité accrue – Concevez de manière optimale, itérez rapidement et fabriquez des plaques de refroidissement dotées de réseaux d’écoulement complexes, conçus de manière paramétrique ou générative. Ce type de conception accélère et répartit uniformément le flux du fluide afin d’améliorer l’efficacité du refroidissement et, par conséquent, d’augmenter le rendement de production de puces semi-conductrices de haute qualité sur chaque wafer.

• Surface de refroidissement multipliée par 500
• Uniformité de température améliorée de 4 à 6 %
• Capacité de fluide multipliée par 10

Fiabilité – La plaque de refroidissement monobloc élimine les risques de fuites par rapport aux modèles traditionnels composés de deux ou trois pièces. Grâce à une conception monolithique, il est possible de déterminer le débit d’injection optimal du fluide de refroidissement ainsi que le mode d’extraction de chaleur le plus efficace.

Réduction des délais  et atténuation des perturbations de la chaîne d’approvisionnement

• Après la phase de développement, le délai de production d'un composant unique peut être réduit à une semaine, contre au moins 12 semaines pour un équivalent fabriqué traditionnellement, qui nécessiterait la fabrication de près d’une douzaine de pièces usinées ainsi que des opérations de brasage-soudage complexes et risquées.
• La fabrication additive offre également l’avantage de pouvoir modifier la conception en tenant compte des résultats des essais pratiques réalisés sur les premiers composants fabriqués. Ceci permet d’améliorer encore les performances, puis de relancer rapidement la production avec le même délai. 
• Le coût de production reste inchangé, quel que soit le circuit de refroidissement.

Bénéficiez de l'expertise d’experts en fabrication additive en métal, de l'optimisation de la conception jusqu'au transfert technologique vers un fabricant sous contrat, pour accélérer la mise sur le marché.

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