Полупроводниковая промышленность и металлообрабатывающее оборудование

В огромном количестве бытовых предметов, начиная от светодиодных ламп и заканчивая суперкомпьютерами, используются полупроводники - крошечные помощники, которые можно разместить на кончике пальца.

Спрос на полупроводники обусловлен эволюцией смартфонов и других цифровых устройств, а также расширением возможностей баз данных  в ответ на увеличение трафика и пропускной способности. Кроме того, благодаря развитию технологий IoT широкий спектр товаров, таких как оборудование для транспорта, бытовые электроприборы и промышленные роботы, стали более функциональными, с возможностью подключения к Интернету. Все это способствовало увеличению спроса на полупроводники.

В функции полупроводников входят: вычисление, хранение, контроль и преобразование, необходимые для гибкого контроля широкого спектра промышленной продукции и систем инфраструктуры. В автомобильной промышленности, в которой отмечается процесс внедрения гибридных и электромобилей, полупроводники необходимы для управления двигателем, контроля батареи, работы систем безопасного вождения и для выполнения ряда других функций. Полупроводники также тесно связаны с установкой различных систем инфраструктуры, поскольку они используются в ходе эксплуатации систем общественного транспорта и в различных энергосистемах. Несмотря на то, что роль каждого полупроводника ограничена, несколько типов полупроводников, обладающие улучшенной скоростью и точностью, объединяются для осуществления различных функций смартфонов и других устройств. Они играют важную роль в функционировании всевозможных продуктов, как промышленных, так и потребительских.

Производство полупроводников

Десятки миллионов крошечных схем записаны на квадратный полупроводниковый чип размером 1 см x 1 см. Поскольку количество схем, которые могут быть записаны на чипе, практически достигло предельного значения, производители полупроводников работают над трехмерными (многослойными) чипами. Самое современное устройство хранения - 3D Флэш-память NAN размером менее 10 мкм содержит 64-слойную структуру, а в будущем будет возможно производить устройства с более чем 100 слоями.

Чтобы снизить затраты при массовом производстве таких ультратонких полупроводников, процесс производства сегментирован на 500 фаз, обработка на каждой фазе происходит на отдельной автоматизированной линии.

Производственный процесс состоит из пяти этапов, в следующем порядке: (1) Изготовление пластины (2) формирование схемы (3) нарезка чипов (4) электромонтаж (5) упаковка.

За один раз приблизительно 500 чипов режутся алмазным лезвием на поверхности пластины. Полученные таким образом чипы соединяются с проводами и запечатываются литьевым формованием для повышения срока службы, на этом этапе производство полупроводников завершается. Чтобы увеличить количество чипов, в процесс производственного цикла вводятся различные технические новшества, такие как увеличение диаметра пластины для повышения эффективности производства. Так называемый «кремниевый цикл», который является заглавным при производстве оборудования, в этой отрасли значительно короче подобного цикла в других отраслях.

Как показано на иллюстрации выше, кремниевый слиток нарезают на диски для производства чипов, а затем переносят схемы с помощью фотомаски, работающей по принципу фототравления.

1. Передовое производство полупроводников (чистая комната) с оборудованием
для их производства (фото любезно предоставлено Toshiba Memory Corporation)
2. Работа в перчаточной камере, которая не пропускает кислород и воду
3. Испытание кремниевой пластины
4. Схематичная диаграмма ячеек

Точность, необходимая для производства полупроводников

Чтобы снизить затраты при массовом производстве высококачественных полупроводников,  необходимо повышать производительность и эффективность производственного процесса.

В настоящее время средняя эффективность процесса производства полупроводников составляет от 80 до 90%, а улучшение данных показателей значительно влияет на конкурентоспособность среди  производителей в данной отрасли. В качестве фактора определяющего качество полупроводников, очень важна чистота воздуха в производственной среде. Поскольку полупроводник содержит очень мелкие и точные детали, даже крошечная частичка пыли на поверхности разрушит схему, что приведет к неисправности. Соответственно, идеальная производственная среда не должна содержать никаких загрязняющих веществ, как органических, так и неорганических. Трудно поддерживать такой высокий уровень чистоты воздуха, потому что   в производственную линию на этапе проверки вовлечен персонал, а весь процесс сопровождается непрерывной работой двигателей и других источников питания. В результате производственный процесс полупроводников ведется в  герметичных камерах. Камеры заполнены вакуумом, поэтому даже кислород и влага не могут отрицательно повлиять на качество полупроводников. Этот вакуумные камеры соединены в определённом порядке (можно сравнить с гроздью винограда), и в ходе производства кремниевые пластины проходят обязательный этап очистки с помощью этих камер. Воздух в камерах откачивается турбомолекулярными насосами, а другие вакуумные насосы и воздухонепроницаемые задвижки находятся в местах соединения камер. Считается, что более половины оборудования составляют именно камеры и воздухонепроницаемые задвижки. Такая вакуумная технология необходима для качественного производства.

Оборудование для производства полупроводников и металлообрабатывающие станки

Вакуумные устройства, используемые в оборудовании для производства полупроводников, должны иметь высокую прочность в дополнение к функциональности. Многие детали, используемые в таких устройствах, проходят механическую обработку, что позволяет широко применять станки Mazak в производственном процессе.

Внутренняя структура турбомолекулярного насоса состоит из множества лопастей, подобно реактивному двигателю, который должен выдерживать скорость вращения в десятки тысяч оборотов в минуту. Лопасти турбины имеют сложную форму, и их механическая обработка занимает много времени. Чтобы обработка проходила эффективнее, используются 5-осевые станки серии VARIAXIS и другие 5-осевые обрабатывающие центры. Вертикальная обработка на таких центрах, как SVC с высокоскоростным линейным двигателем по Оси X, используется для сокращения времени обработки. Станки Mazak также используются для обработки деталей устройства позиционирования чипов, рычагов перемещения и других узлов. В дополнение к металлорежущим станкам используется и гибридный многозадачный станок Mazak -  FJV-60/80 FSW для обработки панелей охлаждения, что способствует интеграции процесса.

Оборудование Mazak эффективно используется для улучшения не только качества обработки, но и для повышения эффективности производственного процесса в целом посредством перехода от обычного завода к умному производству iSmart Factory.

Кроме того, оборудование, оснащенное Mazak SMARTBOX ™ и Smooth Монитор AX, способствует улучшению безопасности, а также визуализации и анализу данных по работе станка.

Хотя полупроводники используются  во многих областях, эволюция их производственного процесса неотделимо связана с машиностроением и надежными технологиями Mazak, используемыми для постоянного повышения производительности.

 

Корпорация Yamazaki Mazak

Корпорация Yamazaki Mazak (Ямазаки Мазак) - основана в 1919 году в Японии и на протяжении нескольких десятилетий является признанным мировым лидером по производству металлообрабатывающего оборудования – многоцелевых станков, токарных центров с ЧПУ, вертикальных и горизонтальных обрабатывающих центров, станков лазерной резки, а также гибких производственных систем и программного обеспечения. Основной задачей компании является постоянная разработка новых станков, качество которых способно удовлетворять требования производителей по всему миру.