Produkcja półprzewodników jest jednym z kluczowych obszarów przemysłu. Bazujące na nich układy scalone są podstawą większości urządzeń – sprzętu AGD i RTV, telefonów, samochodów i wreszcie: komputerów i smartfonów. Branże wytwarzające te dobra wymagają zastosowania półprzewodników i bazujących na nich układów scalonych. Chociaż produkcja tych komponentów kojarzy się ze skalą mikro (nie na darmo mówi się o „mikrokomputerach”), to bez sterowania numerycznego (kojarzonego ze skalą „makro”) nie byłaby ona możliwa. Również w skali makro tradycyjna obróbka skrawaniem pozostaje niezastąpioną technologią, która pozwala na skuteczne wytwarzanie dużych ilości powtarzalnych elementów, bez których chipy byłyby bezużyteczne. Żeby lepiej zrozumieć te zależności, warto zrozumieć rozwój samej branży krzemowej.
Nie tylko w skali nano: rodzaje obróbki CNC wspierające przemysł półprzewodników
Mówiąc o przemyśle półprzewodników większośc osób myśli o skali mikro i nano, co odpowiada architekturze stosowanej we współczesnych układach scalonych.
Jednak ta branża wymaga o wiele więcej komponentów, których wyprodukowanie bez technologii CNC byłoby ogromnym wyzwaniem.
Wśród najważniejszych zastosowań bardziej „tradycyjnych rozmiarów” obróbki skrawaniem CNC, bez których branża półprzewodników nie mogłaby się obyć, warto wymienić:
1. Niemal każdy układ scalony potrzebuje jakiejś formy „płytki”, która powinna być docięta z wysoką precyzją (ze względu na kompatybilność montażu) – odpowiednio skalibrowane obrabiarki CNC zapewniają wysoką jakość i powtarzalność wymiarów.
2. Park maszynowy służący do wytwarzania układów scalonych również musi zostać wyprodukowany z zachowaniem odpowiednich tolerancji – czy to dla zapewnienia efektywności pracy, czy to łatwości wymiany. W tych zastosowaniach obróbka CNC jest niezastąpiona (widać to w szczególności na przykładzie usług dla sektora robotyki).
3. Większe komponenty obudów, również wykonane z tworzyw sztucznych jak i materiałów nieprzewodzących (lub pozbawionych przewodnictwa, jak anodowane aluminium). Ich produkcja przy pomocy urządzeń sterowanych numerycznie (pras hydraulicznych, frezarek czy tokarek CNC) jest szybka i możliwa do zrealizowania nawet on demand (na żądanie).Jest to tylko kilka przykładów obszarów, w których bardziej „tradycyjne” usługi skrawania numerycznego wspierają zarówno rozwój, jak i bieżącą produkcję branży półprzewodników.
Czym jest przemysł półprzewodników
Przemysł półprzewodników to szeroki zbiór przedsiębiorstw i podwykonawców skupionych na rozwoju oraz produkcji elementów półprzewodnikowych (najczęściej bazujących na krzemie).
Szacuje się, że jest to jeden z największych przemysłów na świecie – estymowana łączna wartość produkcji firm powiązanych pośrednio i bezpośrednio z tą branżą oscyluje wokół pół triliona dolarów rocznie (ok. 601 mld $ w 2022 roku) za estymowaną liczbę 1,15 triliona obwodów (dane za 2021 rok).
Produkcja półprzewodników jest podstawą do wytwarzania szerokiej gamy urządzeń zawierających układy scalone – dla uproszczenia można stwierdzić, że poza stricte „analogowymi” przedmiotami, mniejsze i większe obwody elektroniczne są w praktyce w każdym urządzeniu.
Branża ta skrystalizowała się na przełomie lat 50 i 60. XX wieku, kiedy zapotrzebowanie na kompaktowe urządzenia liczące wzrosło, a technologia umożliwiła ich precyzyjne wytworzenie.
Od tamtej pory elementy wykorzystywane w niemal każdym większym lub mniejszym urządzeniu.
Podstawowym surowcem dla tej branży pozostaje krzem – jest to doskonale znany półmetal, wykorzystywany w postaci krystalicznej do produkcji półprzewodników.
Warto dodać, że ta branża korzysta między innymi z krzemu w najwyższej czystości, pozyskiwanego w procesie topienia strefowego.
To właśnie od tego półmetalu wzięła się nazwa Doliny Krzemowej, regionu w amerykańskim stanie Kalifornia, w którym siedzibę miały pierwsze firmy z sektora high tech, bazujące swoje produkty na półprzewodnikach.
Według wielu osób to kolebka elektroniki jaką znamy dzisiaj.
Produkcja półprzewodników: CNC i NC
Pierwsze komputery bazowały na zestawach lamp i kondensatorów, które były możliwe do wytworzenia przy pomocy znanych w latach 50. i 60. XX wieku rozwiązań oraz narzędzi.
Mimo ogromnego skoku technologicznego, ich produkcja bazowała na znanych od dekad rozwiązaniach.
Frezarki czy tokarki automatyczne (sterowane ręcznie) zapewniały stosunkowo wysoką szybkość pracy oraz wystarczającą precyzję.
Jednak prace koncepcyjne nad pierwszymi komputerami podniosły wymagania dotyczące precyzji wytwarzania komponentów.
W latach 50. XX wieku – poniekąd równolegle – rozwijana była technologia sterowania numerycznego (NC), powstała na potrzeby produkcji precyzyjnych komponentów do amerykańskich samolotów wojskowych.
Dosyć szybko znalazła zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu – również w branży półprzewodników.
Pierwsze maszyny sterowane numerycznie wykorzystywały – powszechnie stosowanie – karty perforowane do zapisu oraz realizacji poleceń podczas zautomatyzowanego frezowania czy toczenia.
Precyzja zapewniana przez takie obrabiarki szybko zadomowiła się w przemyśle półprzewodników, który potrzebował do rozwoju kluczowych zalet technologii NC:
- wysokiej precyzji, w szczególności w skali mikro,
- powtarzalności produkcji,
- niskich odrzutów na etapie kontroli jakości,
- wysokiego tempa pracy i maksymalnej automatyzacji procesów produkcyjnych,
- zmniejszenia szans na zanieczyszczenie obszaru roboczego przez minimalizację niezbędnej kontroli ludzkiej,
- możliwego zminimalizowania kosztów wytworzenia jednego obwodu, układu scalonego lub mikroprocesora.
Co ważne, rozwój półprzewodników sprawił, że do „NC” dodane zostało „C” oznaczające „skomputeryzowane” (od angielskiego computerized numerical control).
Dzięki rozwojowi mikrokomputerów (czyli dużo mniejszych urządzeń o rosnącej mocy obliczeniowej), możliwe było precyzyjne wykonanie jeszcze bardziej skomplikowanych mikroprocesorów, które z kolei pozwalały na… jeszcze precyzyjniejsze wykonywanie zadanego programu komputerowego przez maszyny CNC.
Podobnie jak w przypadku druku 3D czy sztucznej inteligencji w obróbce numerycznej, rozwój sterowania komputerowego odbywał się (i wciąż odbywa) niemal równolegle z innymi branżami.
Obecnie producenci półprzewodników nie mogliby się obyć bez technologii sterowania numerycznego – urządzenia umożliwiające wytworzenie dużej liczby (celowo: forma niepoliczalna) podzespołów o architekturze mierzonej w nanometrach.
Rozwiązania stosowane w parkach maszynowych firm produkujących mikroprocesory czy kości RAM przenikają się z tymi, które na co dzień używane w przedsiębiorstwach zajmujących się obróbką skrawaniem CNC.
