PG电子官方网站金属增材创造很容易与航空航天、汽车和医疗保健等细分墟市相闭起来，但AM供应的价钱是奇特的，能够使用于任何一个细分墟市，该细分墟市特性是体例的功能和功效能够受益于功效优先的组件安排本领。
正在2021年，半导体创造装备必需具有尽恐怕高的坐褥率、牢靠性和工夫才智来减轻环球芯片欠缺的题目。正在没有庞大改动时，人们不会实验新的悉力，当有了最终刻日、压力或危机情景--更始竞赛就起头了。此刻，新型的AI创成安排软件和金属增材创造工夫相联结，正正在联合悉力擢升半导体装备的要紧功能，处置半导体供应链寻事。图1是一个拥有杂乱冷却构造的金属AM晶圆台，它是进步半导体创造功用的闭节。
图1 金属AM使坐褥拥有杂乱集成冷却构造的晶圆台成为恐怕，大猛进步了半导体的创造功用（由3D Systems 公司供应）
微芯片创造被以为是前辈创造中最高程度的显露。这个行业是由谋求更速、更高效的管理器和更高容量的内存芯片驱动的，针对前辈工全部例和根底步骤的大方投资谋求超高程度的细节保真度、区别率和精度。数十亿美元的坐褥线亿单元的坐褥运转中连续折旧以及大范围的接续优化需求，这些都是惊人的目标。当涉及到优化坐褥线上的硬件和器械时，工业增材创造处置计划的崭露为处于处置题目第一线的工程师和安排师供应了一个厉重的时机。
COVID-19大流通对供应链酿成了报复。这场大流通病的一个不料的副效力是环球半导体的欠缺，叨光了各类消费产物的坐褥（从汽车到电子产物都是如许）。2020年12月，民多汽车公司显露，半导体供应的欠缺迫使公司将正在2021年第一季度淘汰坐褥10万辆汽车，由于其零部件创造商无法包管供应。日产、雷诺、戴姆勒和通用汽车公司也正在与供应欠缺作斗争，这恐怕会导致每周的产量淘汰多达20%。
除此以表，因为民多半人长途管事和留正在家里，对消费类电子产物的需求（如手提电脑和文娱装备）飙升，这些装备的创造商正正在夺取芯片。此刻，因为汽车的安排中内置了越来越杂乱的工夫和策画，以是，微芯片的供应与汽车工业的繁荣亲近相干。
若是必要更多的芯片，莫非芯片创造商就不行扩张产能吗？表面上说，这应当很容易，但坐褥毕竟注明，才智和工夫是完成这些主意的妨碍。半导体创造厂为了进步产量，必要安置新的坐褥线，这些坐褥线必要新的装备，装备创造商也会举办更始，以餍足芯片创造厂连续扩张的需求。然而，这些装备和器械杂乱且腾贵，坐褥拓荒周期较长，正在某些情景下，交货时辰为6至9个月。以是，装备创造商很难仅仅依赖古板创造工夫的坐褥线来餍足预期表的需求增进。
正在硅片工装中，有很多杂乱的题目彼此效力，包含温度、惯性、湍流、振动、精度、磨损以及由污染零容忍计谋驱动的超高程度的卫生准绳。这些组成了庞大的寻事设计，同时也供应了很多优化的时机，这即是增材创造的效力所正在，AM能够使组件的功能和功用阶跃式进步。
用命古板安排和创造正派的通例零件，其功能老是因安排和创造限造而举办少少妥协。通过应用增材创造工夫，稀少是用命“面向增材创造的安排（DfAM）”和“针对功效的安排”的理念。处于处置题目第一线的公司也许以之前以为不恐怕的式样举办更始。AM正在半导体装备创造商中的迅速使用正正在进步质料、坐褥和工夫才智，并下降供应链危急。
正在半导体行业有多数趣味的寻事 ，它们能够归结为功效优先安排的三个闭节中央：
通常来说，造备像歧管这种杂乱的部件对照贫穷且耗时，必要多种创造工艺相联结（从金属板折叠到液压成型和管途折弯），况且零件必要进一步装置。最终的结果长远不会切近完备的处置计划，由于大方的创造工艺经过和装置经过充满了潜正在的打击点。当使用AM时，安排师能够浮现完备的管状体例，联结前辈的策画流体动力学（CFD）来评估影响。正在某些情景下，还能够自愿创修计划，并应承整合杂乱的挡板。
正在最大限造地进步滚动功用的同时，应承最幼化湍流的计谋。这种构造的好处是能够最大限造地淘汰与体例内湍流相干的振动和共振，如图2所示。
湍流和振动影响了输出的精度，正在纳米标准规模，这是很厉重的。应用3D Systems的DMP 350平台，工程师们也许完成由液体惹起的搅扰淘汰90%，以淘汰体例振动，完成1-2纳米的精度进步。
AM的另一个好处是它也许让安排者明显进步部件整合程度，这最终胀动了淘汰部件数方针安排规矩，从而将杂乱的流形显露为不必要拼装的全体组件。这种简化不单能够缩短供应链的盘算时辰，还能够使安排经过变得更容易。
正在少少案例中，咱们看到几个月的交货时辰形成了几个幼时，这是由于排除了器械、装置和相干的反省管事设计。正在少少杂乱的体例中，通过部件的整合，零件数目淘汰到正本的1/50。图3显示了一个相干案例，该案例应用金属AM将高度杂乱的光学组件造备为一个零件。
图3 正在3D Systems的DMP 350平台上动作简单集成部件造备的增材创造光学组件（由VDL供应）
向下选拔合金，应用更低贱的低密度质料，只是减轻重量的一个驱动力。DfAM时时通过更有用的安排来完成轻量化。正在半导体行业中，轻量化组件有很多便宜，包含：
• 较低的惯性导致有时机完成更速和更高精度的输送，以及更精准的休歇和启动，更精准的加快/减速弧线，同时淘汰机构的磨损；
• 下降质料/惯性，联结DfAM的鼎新，进步了高速往来机构中子部件的刚度，淘汰了体例内的振动。
正在硅片工装公司，工程师们也许完成50%的减重以淘汰惯性，也许完成23%的刚度擢升以进步共振频率，淘汰体例振动，全面这些都相当于进步了坐褥功用。
咱们看到AM出现的另一个才智是坐褥高效的晶圆台（如图4所示）。这些晶圆台正在坐褥经过顶用于支承和固定硅片。热改观会惹起质料膨胀的眇幼改观。跟着时辰的推移，这些热梯度和动摇会爆发云云一种情景：因为晶圆皮相的连续加工，其构造职位会爆发改动（平时称为角落就寝差错，或EPE）。为会意决这个题目，工程师们正转向AM来安排、拓荒和创造下一代硅片管事台架构。
硅片工装企业也许完成热功能的六倍革新和安宁性的五倍革新。通过调理环内的热弧线mK，正在一个反响更聪敏的体例中，时辰常数从7秒下降到1.5秒。
AM的功用、功能和反映才智如许之高，以致于工程师们能够斟酌将合金的选拔从腾贵的铜倒退到更低贱、更轻的铝--这是DfAM安排优化功效带来的一个意思不到的好处。不才面的案例商讨中，咱们将商酌一种完成最佳热功能的前辈本领。
咱们之前仍然商酌了AM正在组件或子体例层面上供应了哪些工夫价钱，但会意半导体公司的压力也很厉重，这使得诸如以下晶圆台功效优化案例商讨的使用成为价钱和长处统一的完备典范。
产量：因为半导体装备平时是大型和腾贵的，客户期待从一台机械中取得浩大的收益。
精度：摩尔定律期待晶体管的尺寸每两年缩幼一次。为了餍足这一期待，晶体管的密度正正在扩张，而诸如半导体中的EPE等气象却越来越难以驯服。
虽然咱们看到正在微芯片坐褥的全体经过中对AM组件的需求连续扩张，但光刻工夫无间处于金属AM使用的前沿。光刻工夫是微芯片坐褥经过中的一个闭节次序，是芯片上晶体管密度的厉重进献者。因为这是坐褥链中的一个早期次序，对具有高产量至闭厉重。晶圆台是半导体坐褥中的很多闭节部件之一，稀少是正在光刻工夫方面。
目前正正在从人为安排向策画机天生（即创成式安排）和人为辅帮安排（有关于策画机辅帮安排）过渡。
此刻，创成式安排和构造拓扑优化动作一种安排本领很容易清楚，然则这种优化本领仍有很多奇特的一面。奇特的是拓扑优化动作大范围并行迭代轮回的产物，其迭代经过包蕴了策画流体动力学模仿和DfAM。本文将周到先容一个半导体晶圆冷却台从观念安排到增材创造的完成经过。动作案例的逐一面，咱们将对照古板的冷却安排和创成式冷却安排，以及它奈何影响产物功能和安排管事。
与很多工程学科相似，古板冷却流道的安排流程以试错为主。安排师绘造一个冷却安排，通过CFD模仿或原型测试对安排举办评估。测试能够是粗略易行的，这取决于差此表使用场景。因为进度和本钱的影响，无缺的体例集成测试很难完成。
正在安排冷却形式时，初始安排平时是基于经历正派，直接反复应用或从头缩放早期的安排，有了足够的经历，能够使用胀动式安排正派来取得一个好的出发点。很少有第一次就告成的情景，正在衰落之后，安排者必需不断举办迭代，这种安排本领只稍好于盲目安排。
古板的参数化CAD具有很多安排选则框架，能够一面地完成自愿化。一个中等经历的安排师必要移用一个安排表格，界说一组参数，如通道宽度、圈数等，这种本领应承通过参数改观对杂乱的安排举办迅速迭代。然而，采用这种安排本领，最终安排的功能与初始安排的黑白直接相干。因为不行包管这个初始安排足够切近期待的结果，以是纵使采用了大方的参数优化，也不行包管能到达期待的结果。
比方，若是安排者从一个以平行冷却翅片为特性的安排起头，他们将长远无法正在少年少的改观中爆发除了该安排计谋的派生以表的任何东西（图5）。这种本领平时会导致多个冗长且腾贵的迭代，并对安排时辰引入明显的不确定性。
若是安排时辰很长，也恐怕对创造和坐褥爆发庞大影响；正在迭代、常识和经历之间恐怕会少有周或数月的时辰，从而连续消磨安排动力。其它，若是安排者没有斟酌到创造方面的节造且说明是通过模仿达成的，那么就会有很大的危急（虽然做出了各式悉力，但安排将无法创造）设计。然而，这些题目能够通过创成式安排和增材创造来处置。
图5 Voronoi构造参数化模子及其正在参数化改观中的节造 （3D Systems供应）
美国心境学会和美国国立卫生商讨院指出，人类只可同时斟酌约莫三到四个观念。自从有了零件，这种人类的天然节造性就无间是机器安排的动力。当安排功效至闭厉重的高科技零件时，对物理和功效节造以及可创造参数的斟酌对人来说仍然太多，全体团队的职员和专家必需参加个中，从而扩张了安排本钱和交货时辰。
创成式安排是一个自愿化的安排经过，必要起码的人为参加，以取得拥有理思功能的高度优化的安排计划。通过应用物理模子、大方策画资源和最前辈的优化工夫。正在人为智能工夫的帮帮下，创成式安排能够驯服古板CAD安排本领的节造性，只必要正在软件次第中设备限造条目等几个粗略次序，剩下的由创成式安排引擎达成。
创成式安排的起点不是一个最佳的开始计划，而是对安排主意的描画，对可用安排空间的解释以及一系列的安排节造（如创造节造）。当应用创成式安排软件时，工程师不再是一个委员会中的安排师，而是虚拟安排团队的拘束者。图6和图7显示了古板安排和创成式安排周期的对照以及人类参加的水准。
图6 上图：古板安排周期，从安排寻事随处置计划；下图：创成式安排周期，从安排寻事到最佳处置计划（Diabatix供应）
图7 人类工程师和虚拟工程师正在古板安排和创成式安排中的参加度对照（Diabatix供应）
开 始创修安排时，需搜罗创修安排所需的全面音讯。 起点是一组CAD模子，包含要紧部件的几何式样，冷却剂能够滚动的区域，以及可安排区域（图8）。 一朝有了几何音讯，就能够加载范围条目。 相同于古板的CFD模仿，必要诸如质料个性、冷却剂个性和通过/失效的热图过失等音讯。
最终，必要设定主意和限造。 这包含安排主意、体例限造和创造节造等音讯。 只消也许采用数学等效的主意和限造都能够被界说。 比方，本钱或创造时辰的淘汰能够与温度、重量和压力等哀求沿途完成。
图8 上图：实体一面；中图：流体区域；下图：安排区域 （Diabatix 供应）
安排是一个迭代经过，不必要人的参加。该经过从成千上万的程序奉行的CFD模仿中搜罗数据，正在每一步迭代经过中丈量安排改换。除了CFD模仿的物理输入，这个经过中的每一步都邑搜罗可创造性音讯。因为策画量大，该经过是通过贸易云供职奉行的，应用几百个CPU并行。正在这个经过中，冷却构造正在指定的安排空间内渐渐设置起来，该构造斟酌了质料和冷却剂的物理个性。
正在安排达成后，天生的安排被转换为通用CAD文献体例。由于模仿是创成式安排经过的一个构成一面，以是能够举办功能说明，这应承评估安排质料和揭示新的安排目标，如淘汰组件的包络。
本案例商讨的要紧主意是最大限造地进步晶圆台的热平均性，同时不惹起体例中的流体压力低落。前辈冷却计谋的一个格表好处是缩短热安宁时辰，进步坐褥功用。
• 铝（AL6061-RAM2），因为其精良的导热性和适度的强度，适合这种使用。
• 像铜云云的延展性质料是不适应的。虽然铜合金拥有很高的导热系数，但它们关于物理负载和高加快率来说太软了。
• 本钱低、产能高、易于添加创造。从这个角度来说，含硅的铝合金适合此类使用，但从使用的角度来看，含硅对很多使用来说是不行承受的，这是由于会存正在紧张的流体反响或对硅污染晶圆产物的顾忌。
• 为了确保安排也许被创造出来，咱们选拔了正在DMP机械进步行PBF-LB增材创造的创造原则：即最大悬垂角为45°，最幼壁厚为150µm。咱们将平整的大平面动作底部来举办打印（这正在大型圆盘构造的AM中平时是首选）。这种打印式样会带来格表的好处，那即是正在电火花线切割基板经过中会正在底部变成一个平整的职掌面。
通过应用安排中的周期性，咱们将圆盘按45°举办切分，每个一面有差此表冷却通道，以便当对照功能（图9）。咱们假设每个一面有一个入口和出口。正在本文中，咱们的说明仅限于两种古板安排和一种创成式安排。本案例商讨采用了前辈的Diabatix Cold-Stream®平台。这个平台是第一个供应滚动和热部件创成式安排的平台。全面的安排和说明都由Diabatix®达成。
一种常见的冷却安排计谋是“针状鳍片”，如图10所示。针状鳍片很容易安排，并具有较大的热调换面积。然而，从AM的角度来看，这种安排有两个缺陷。开始，正在金属AM中，鳍片之间的间隙不行高出4-5毫米，由于它们必要为冷却通道上方的关闭面供应足够的支柱。第二，因为没有应用第三个维度，安排又有鼎新空间。
正在说明鳍片阵列的功能时，咱们属意到22千帕的压下降于安排主意。温度峰值为21.24℃，温渡过失不正在0.1℃的限造规模内。冷却剂要紧沿着最低的阻力目标（即入口和出口之间的直接连合）滚动。以是，片面热门是难以避免的。能够联思这种安排的变种，它试图迫使流体正在入口处发散，正在出口处收敛。改动针状鳍片的密度能够帮帮淘汰热门的爆发，但也会扩张压降。结果总结。
图10 左图；针状鳍片安排示妄思，右图；针状鳍片计谋热图 （Diabatix供应）
线性蛇形通道。时时采用的另一种更常见的安排计谋是蛇形通道，如图11所示。正在AM元件中应用这品种型的通道，对通道的宽度有一个限造（与之前的针状鳍片安排相似，有最大桥接隔绝的节造）。以是必要一个相当长的通道来供应足够的皮相笼盖。其它，经历告诉咱们，锋利的往返式内部通道会使得正在使用中连结理思的压力带来寻事。更具寻事性的是这种计谋的粉末驱除题目。
古板通道安排的仿真结果说明：最高温度唯有21.18℃设计，而且0.09℃的温渡过失餍足了安排主意，然则，正如预期的那样，压降为420千帕，远远越过了可承受的规模，这是长通道的一个直接后果。
采用更杂乱的衍生计谋能够帮帮淘汰压降并连结高温扩散。个中一个计划是采用多个平行的蛇形通道，它们的每个通道的长度较短，而累积的通道面积与单通道相当，以至更长。这有恐怕是好的安排，但必要更长的初始安排时辰，并恐怕必要对进口分流和出口汇流计谋举办长时辰的迭代。结果总结如下：
图11 左图；蛇形构造安排 右图；蛇形构造计谋的热图（Diabatix供应）
如前所述，创成式安排（图12）也许以起码的输入限造条目完成高度优化的几何构造，为全部题目成立了优化的设计、奇特的处置计划。若是有足够的创成式安排经历，正在处置参数足够多的全部题目时，安排师有恐怕拓荒出一种胀动算法来处置构造安排题目。然则，正在拥有流体滚动和精度节造的热拘束案例中，正正在爆发一系列新的极其杂乱的处置计划，这些处置计划险些不恐怕采用人工创修的安排计谋（同时连结策画机天生的处置计划所供应的厉重工夫便宜）。
通过主动应用第三维度，一个杂乱的搜集流道将水流引向感意思的区域，同时这些构造是能够自支柱的，并按照所哀求的最幼和最大的特性尺寸。这些式样远远越过了人类的工程才智，正在这个本质的例子中， 咱们将索求这种新本领的功用和细节。
Diabatix ColdStream结果的功能所有落正在可承受的公差规模内，无论是压降仍然温度平均性。峰值温度为21.18℃，与翅片阵列比拟，进步了25%，是三种安排中最低的。其它，温渡过失为0.1℃。与蛇形通道卓殊近似，但该安排的压降为40千帕，是蛇形通道压降的1/10。这种功能是通过瓜代使器械有高传热和高压降的较幼通道，以及拥有较低传热和低压降的较大通道完成的。
通过应用Diabatix ColdStream平台，安排经过盘算和结果说明只必要几个幼时的人为时辰。动作回报，所爆发的安排很容易高出古板安排。其它，可创造性也能够取得包管。
云云做的缺陷是这个经过正在策画上是很腾贵的。正在写这篇著作的时期，纵使正在应用数百个CPU并行策画的情景下，这个题目也必要几个礼拜才略所有策画出来。然而，它不必要任何人为干与，也不必要过后的格表安排迭代。
这使得它成为缩短安排周期的一个卓殊有用的本领。与安排经过相似，创造经过也是正在没有任何职员正在场的情景下运转的，安排和创造能够彻夜、周末和节假日时期运转。结果总结：
图12 上图：创成式安排；中图：创成式安排特写；下图：创成式安排计谋的热图 （Diabatix供应）
正在这项商讨中，商讨了三种冷却计谋：针状鳍片阵列、蛇形通道和Diabatix创成式安排。创成式安排本领取得了最优化的三维处置计划，它餍足了全体温度平均性限造、压降限造和金属AM限造。创成式安排组件的一个意思不到的好处是组件到达安宁温度所需的时辰淘汰了29秒（图13）。这7%守候时辰的淘汰能够直接转化为坐褥功用的进步，从而每天赋产更多的晶圆产物。
正在安排阶段之后的一个范例的AM管事流程中，咱们起头进入到构修文献天生阶段。应用 3D Systems公司的3DXpert®归纳增材创造软件（图14），举办了以下次序。
无论采用哪种AM软件，管事流程通常是沟通的。然而，正在全部推行经过中有少少奇特的方面，必要举办少少解释。
正在3DXpert中，切片和旅途筹办是遵照选定的工夫装备文献自愿举办的。 关于准绳用户，软件为每种质料供应了少量的默认装备文献，采用这些默认装备文献也许包管所打印的零件具有较好的机器功能。同时，专家用户也能够选拔调节和创修他们自身的工夫档案，从而完成更高方针的优化，但这也会扩张打印衰落的危急。
正在用户界说的打印区域中也能够举办轻巧的界说。这些区域能够盘绕闭节特性（全三维）举办界说，并能够分派差此表打印装备文献。簇新的打印装备计谋应承用户将限造条目使用于零件上的各个特性，以是正在差别项方针奇特哀求下PG电子官方网站，都能完成速率、质料和切确性的最佳组合。
其它，无缺的打印仿真工夫是相当精准的，况且越来越强健的策画仿真器械能够正在无需打印零件的情景下模仿打印结果。这大大扩张了初次打印告成的恐怕性，淘汰了打印报废本钱。通过应用3DXpert的集成增材创造工夫，能够大幅淘汰试错本钱和时辰，迅速告成造备出零件。
正在金属AM中，激光束粉末床统一（PBF-LB）工艺平时只是坐褥经过的起头，零件还要始末多个后管理次序。时时看到的管理是：
平时采用高精度的数控加工装备，安排经过中合意的DfAM考量能够淘汰机加工本钱。
正在为金属AM坐褥的零件报价时，咱们属意到很多公司已经只遵照每个部件的原采购本钱来做出置备确定。虽然金属AM的代价正正在稳步低落，但迄今为止， 金属打印零件的代价已经对照腾贵。
金属AM的真正价钱正在于处置计划的总具有本钱（TCO）；这包含很多成分，关于半导体越发如许。能够通过安排优化完成更高的功能，咱们仍然看到很多案例，因为有了功能更高的体例，淘汰了餍足某个坐褥主意所需的体例数目，从而明显下降会意决计划的总本钱。
鼎新总具有本钱的另一个例子是组件的应用寿命。通过集成和优化组件安排，增材创造组件的应用寿命往往比古板创造的组件有明显进步。咱们仍然看到了少少案例，一个优化的金属AM零件的置备代价相较于古板零件高20%，但与古板的零件比拟，其应用寿命却扩张了两倍。这使得正在处置计划的性命周期内本钱明显下降，但这些收益正在作出置备确准时时时被轻忽。
这篇著作出现了冷却计谋优化晶圆台的转机。簇新的创成式安排本领（应用Diabatix的 ColdStream平台）自愿天生了最佳的自支柱冷却构造，下降了全体温差，将流体压力连结正在体例哀求的规模内，并使全体体例坐褥晶圆产物的周期缩短。3D Systems的使用更始幼组应用金属增材创造工夫将其创酿成了一个集成组件，与古板创造本领比拟，缩短了组件的创造时辰并进步了组件的牢靠性。
跟着半导体装备创造商竞相餍足对新装备的需求，通过相干软件器械推行功效优先的安排，崭露了进步产物德料和功能以及优化供应链的新时机，这些优化的安排都能够通过金属增材创造和墟市上的可用的质料来造备。无缺处置计划供应商通过使用其雄厚的实验经历，正在这个行业的闭节工夫，能够明显淘汰试错本钱，加快产物进入墟市的时辰。PG电子官方网站设计AI驱动的创成式计划和增材建造优化半导体建造中的热经管