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3D打印成為高端需求應(yīng)用的重要生產(chǎn)工具
目前和未來的空間和航天領(lǐng)域的光學(xué)儀器因為技術(shù)和成本方面的需求，結(jié)構(gòu)將趨向于高度一體化。零部件的高復(fù)雜性使得增材制造(AM)成為一種顛覆性的生產(chǎn)方式。此外，隨著性能要求的提高，光學(xué)系統(tǒng)將變得越來越強(qiáng)大，這就要求開發(fā)新的制造工藝，以保證預(yù)期的性能。半導(dǎo)體工業(yè)是另一個對陶瓷材料要求很高且具有挑戰(zhàn)性的重要領(lǐng)域。
這些產(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(fù)雜形狀的需求，使3D打印成為便捷地應(yīng)對措施。因此，航天和電子應(yīng)用很可能是3D打印陶瓷技術(shù)零件未來10年最重要的應(yīng)用方向，預(yù)計到2030年底將達(dá)到約7.64億美元。
空間應(yīng)用光學(xué)儀器的增材制造
空間應(yīng)用光學(xué)儀器的主要技術(shù)特點是：
• 視線穩(wěn)定性
• 抗惡劣機(jī)械和熱環(huán)境的強(qiáng)度
• 作為任務(wù)組件的高光學(xué)性能
陶瓷材料可以滿足這些需求，是因為它們具有特殊的機(jī)械性能（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性）。但陶瓷產(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(yīng)力零件。然而，空間應(yīng)用對優(yōu)化的大型光學(xué)儀器的需求越來越迫切，例如：衛(wèi)星反射鏡必須盡可能輕，只有增材制造才能優(yōu)化這些新反射鏡的設(shè)計和生產(chǎn)。
圖1：燒結(jié)后的衛(wèi)星鏡，在CERAMAKER C3600 Ultimate打印機(jī)上打印，僅需13小時即可
為了滿足日益增長的需求，3DCERAM 開發(fā)了C3600 Ultimate 3D打印機(jī)，其打印平臺為600 mm x 600 mm x 300 mm（長x寬x高），是目前市場上最大的立體光刻打印機(jī)。
使用C3600 Ultimate 3D打印機(jī)生產(chǎn)光學(xué)零件具有許多優(yōu)點，例如：
• 縮短交付周期：光學(xué)零件的傳統(tǒng)制造工藝由6個步驟組成（毛坯的生產(chǎn)-通過機(jī)械加工輕量化-研磨-拋光-涂層-表面集成）。3D打印可以避免機(jī)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機(jī)械加工去除的，因此會產(chǎn)生過多的廢料，并且有很高的裂紋風(fēng)險
• 顛覆性設(shè)計：可以考慮更復(fù)雜的設(shè)計以及減重設(shè)計
• 功能集成：如內(nèi)部通道、電氣軌道和饋線
• 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(jié)構(gòu)，在C3600打印機(jī)上用不到1天的時間打印完成
3DCERAM工藝能夠簡化和減少制造過程。這為發(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CERAMAKER C3600打印機(jī)，現(xiàn)在可以生產(chǎn)“定制”的大型陶瓷光學(xué)基板，從而降低制造過程中的風(fēng)險。不僅如此，新的反射鏡設(shè)計還包括可減輕重量的半封閉結(jié)構(gòu)和集成界面的探索（圖2）。
3DCERAM工藝也為下一代儀器開辟了新的前景：
• 具有集成功能的緊湊型解決方案（隔熱器、冷卻通道等）
• 機(jī)械和熱界面的限制
• 將光學(xué)功能集成在結(jié)構(gòu)裝置中
3DCERAM C3600 Ultimate打印機(jī)現(xiàn)在能夠滿足航天工業(yè)中生產(chǎn)一系列適應(yīng)最惡劣環(huán)境的大型復(fù)雜光學(xué)基板或結(jié)構(gòu)件。
電 子 應(yīng) 用
近年來，半導(dǎo)體制造廠開發(fā)了越來越復(fù)雜的工藝，需要特殊的設(shè)備來滿足他們的需求。此外，市場對微電路容量的需求日益增長，導(dǎo)致越來越多使用直徑為1-12英寸（25-300毫米）的硅晶片，并開發(fā)設(shè)備來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(dǎo)體行業(yè)中的作用，這里簡要介紹下集成電路芯片制造中所涉及的主要步驟：
• 晶片加工是通過切割由硅或砷化鎵制成的單晶柱來獲得圓形晶片
• 氧化工藝是在晶片表面形成保護(hù)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(dǎo)體電路圖
• 薄膜沉積用于在晶片表面形成由交替導(dǎo)電和絕緣薄膜組成的多層結(jié)構(gòu)。
• 互連過程實現(xiàn)電力和信號傳輸。
• 組裝、包裝和最終測試
所有這些步驟，都是為了延長設(shè)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)這些高性能產(chǎn)品所需的完美條件。
在陶瓷材料中，需求最多的是：
• 常見氧化物：如氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、堇青石，它們代表了市場的主要部分;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(dǎo)體行業(yè)的陶瓷零件的例子：
圖3：此大零件在CERAMAKER C3600打印機(jī)上的打印時間為21小時49分鐘
• 在晶圓清潔步驟中，陶瓷材料用于晶圓輸送托盤、卡盤/吸盤（圖3）和機(jī)器臂
• 在熱擴(kuò)散和化學(xué)氣相沉積過程中，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
• 在等離子體蝕刻過程中，陶瓷被用于腔室、靜電卡盤、噴嘴和環(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(yīng)性以及打印復(fù)雜幾何圖形的可行性，似乎是生產(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 有限公司通過陶瓷3D打印取得了在半導(dǎo)體行業(yè)的巨大成功。該公司因開發(fā)了一個380毫米直徑的PEALD（等離子體增強(qiáng)原子層沉積）工藝的陶瓷氣體分配環(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)可以同時或按順序供應(yīng)兩種氣體。PEALD是一種適用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的創(chuàng)新工藝，顯示出技術(shù)的重要提升，具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。
圖4：Alumina Systems 首席執(zhí)行官 Holger Wampers博士拿著在CERAMAKER C3600打印機(jī)上打印的零件
最初，氧化鋁環(huán)是由許多用玻璃焊料連接的分離件制成的。但自Alumina Systems公司購得CERAMAKER C3600打印機(jī)后，它可以在一次運行中完全打印出來（圖4）。
3DMIX 漿 料
3DCERAM提供技術(shù)陶瓷的擴(kuò)展端口，從氧化鋁、氧化鋯、堇青石等氧化物，再到氮化硅、氮化鋁等非氧化物，用于在CERAMAKER設(shè)備上打印。3DCERAM的專家會根據(jù)客戶使用CERAMAKER所要獲得的特性，確定適合于客戶需要的陶瓷配方和工藝參數(shù)。
用于光學(xué)和半導(dǎo)體應(yīng)用的材料的選擇非常重要，在決定使用哪種陶瓷時需要考慮以下材料特性：
• 機(jī)械和熱性能
• 剛度和密度
• 熱膨脹系數(shù)（CTE）
• 耐化學(xué)/腐蝕性。
圖5：應(yīng)對航天和半導(dǎo)體領(lǐng)域的3DMIX材料的性能
總結(jié)
增材制造為光學(xué)和半導(dǎo)體儀器的工業(yè)生產(chǎn)過程帶來了新的可能性，除了節(jié)省時間和減少料損外，該技術(shù)還具有以下優(yōu)點：
• 創(chuàng)造突破性的設(shè)計
• 提高剛度與質(zhì)量比
• 集成冷卻通道或隔熱器等新功能
• 簡化和優(yōu)化設(shè)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(yīng)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現(xiàn)最優(yōu)化的結(jié)果。為了提高其性能和壽命，未來半導(dǎo)體/光學(xué)器件的制造過程將變得更快，甚至更激進(jìn)。那么，特定陶瓷材料的結(jié)合和工業(yè)3D打印機(jī)的商業(yè)化是應(yīng)對這些領(lǐng)域未來挑戰(zhàn)的不可或缺的資產(chǎn)。
----本文節(jié)選自2022年10月《CERAMIC APPLICATIONS》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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