3D打印集成电路：现在和未来有什么可能？

半导体行业备受关注--这是有充分理由的。集成电路使技术成为可能，而这些设备是建立在半导体的基础上的。自从1959年罗伯特·诺伊斯发明集成电路以来，半导体制造工艺已经取得了长足的进步。随着Industries 4.0的兴起和各种附加制造工艺的出现，人们自然会怀疑电子行业是否会全面发展到3D打印集成电路。

在这场讨论中，问题自然出现了：为什么要使用附加制造工艺来生产集成电路？3D打印已经被用来生产具有独特几何结构、互连架构和不同级别元件嵌入的全功能PCB。将集成电路和其他半导体器件直接3D打印到PCB中的能力允许低批量制造具有独特外形和功能的高度专业化的器件。

硅、III-V和II-VI半导体制造工艺非常先进，用于生产栅极尺寸小于10 nm的集成电路。目前，最先进的3D打印工艺提供了接近微米级的分辨率和多种材料的共沉积。

共沉积对于3D打印集成电路至关重要，因为导体和半导体材料必须同时打印。在VLSI成为可能之前，最先进的3D打印系统的分辨率仍然必须提高。除了提高器件性能外，小型化还将为开关逻辑门提供低得多的功耗。

作为目前3D打印集成电路可能性的一个例子，空军研究实验室和美国半导体公司的研究人员最近从柔性硅衬底上的聚合物中提取了3D打印微控制器SoC。与当时的其他灵活集成电路相比，这些微控制器单元提供了7000X的内存。一些设想的应用包括环境或应变传感，以及弹药库存监测。

目前，薄膜晶体管(TFT)、二极管、LED可以通过商用和实验系统由有机聚合物进行3D打印。3D打印的TFT可以具有各种触点/栅极配置，并且可以容易地水平和垂直缩放。聚合物可以很容易地掺杂和功能化，允许它们的电子和光学性能进行调整，以满足不同器件的需求。

在半导体晶圆上使用聚合物是追求3D打印集成电路的自然途径。已经可以通过掩模(即热蒸发、PVD或CVD)以添加的方式沉积电触点，然后使用3D打印机沉积半导体聚合物和更大的导电轨道。它们对低温工艺的适应性也使其成为直接在标准半导体晶圆上进行3D打印集成电路的理想选择。

其他研究人员正在研究先进的添加剂制造工艺和材料，以实现3D打印集成电路。例如，汉堡和德国大学Elektronen-Synchrotron开发了一种3D打印工艺，可以制造集成电路。该工艺使用约20 nm的银纳米线网状物作为导电元件，使用聚合物薄膜作为绝缘体或半导体材料。这一过程仍处于研究阶段，但它说明了如何利用独特的纳米结构来制造与硅集成电路相匹敌的半导体器件。

在任何制造过程中，制造过程中涉及的成本结构都是成品设备价格的重要驱动因素。集成电路的成败取决于晶片上芯片的成本-当更多的芯片可以放在单个晶片上时，每个器件的成本就会降低。集成电路制造的成本结构导致了高度专业化、小批量集成电路的高成本。一个很好的例子可以在国防工业找到，一个复杂系统的单个FPGA的成本可以达到数万美元。

3D打印设备独特的成本结构改变了这种经济动态。3D打印集成电路不需要在晶片上生产，甚至可以单独制造。由于3D打印设备可以在可预测的制造时间内生产，并且成本结构与复杂性无关，因此3D打印电子产品所涉及的成本取决于所用材料的重量。与采用标准工艺在半导体晶片上生产的器件相比，这使得3D打印集成电路在小批量生产方面具有极强的成本竞争力。

商用打印机正变得越来越先进，可用于这些系统的材料范围也在不断扩大。尽管如此，3D打印集成电路在与单片电路上的集成电路具有相同水平的性能方面仍然存在一些挑战。这些挑战包括寻找能够适应标准3D打印工艺的刚性半导体材料，针对不同的频段优化这些材料，以及将打印分辨率提高到更接近纳米的水平。

光刻工艺可以帮助制造分辨率低于1微米的3D打印集成电路。

在特定频段的各种聚合物中可以优化损耗和寄生的事实使得这些材料能够与GaN竞争，GaN是目前制造射频集成电路和SoC的最佳选择。GaN目前用于高频雷达模块的最佳SoC，以及微波和毫米波信号链的功率放大器。聚合物已经被用于制造柔性和非平面PCB的3D打印基板，因此将这些材料扩展到集成电路和其他半导体器件是很自然的。

为了提高印刷分辨率，添加剂制造业可能需要设计一种全新的印刷工艺。目前，喷墨3D打印为3D打印PCB提供了分辨率最高的特征之一，但这一工艺能否改进到分辨率低于1微米还有待观察。3D打印集成电路的未来可能会采用光刻工艺或功能自组装工艺来生产具有竞争力的集成电路。

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齐夫·科恩(Ziv Cohen)拥有本古里安大学(Ben Gurion University)的MBA和物理与工程学士学位，并在研发领域拥有20多年的越来越负责任的工作经验。在他的最新职位上，他是螳螂视觉团队的一员-为3D平台提供先进的3D内容捕获和共享技术。他带来的经验丰富，涉及卫星、3D、电子工程和蜂窝通信等领域。作为我们的应用经理，他将确保我们客户的目标，并创造新技术来原型和制造您的PCB。