L’impression 3D peut-elle mettre un terme à la pénurie mondiale de semi-conducteurs?

Après plus d’un an de pandémie, nous ne connaissons que trop bien les conséquences qu’elle peut avoir, et les chaînes d’approvisionnement subissent particulièrement ses effets. Si de nombreuses pénuries ont été constatées au niveau de divers produits de grande consommation (les produits à base de papier et produits de nettoyage en tête), les biens plus coûteux sont également concernés. L’un des effets secondaires inattendus de la pandémie a été une pénurie mondiale de semi-conducteurs, qui perturbe la production de toutes sortes de produits de consommation, des véhicules automobiles jusqu’aux appareils électroniques.

En décembre, Volkswagen a déclaré que les goulets d’étranglement liés à la pénurie de semi-conducteurs auraient pour conséquence la production de 100 000 véhicules de moins au premier trimestre 2021, compte tenu de l’incapacité des fabricants de pièces à garantir les approvisionnements. Nissan, Renault, Daimler et General Motors sont également confrontés à cette pénurie, qui pourrait entraîner une baisse de production allant jusqu’à 20 % par semaine.

De plus, la pandémie forçant la grande majorité de la population à travailler à distance et à rester à domicile, la demande en appareils électroniques grand public, comme les ordinateurs portables et les consoles de jeu, est montée en flèche. Le géant technologique japonais Sony a indiqué que c’est à cause de cette pénurie qu’il n’a pas été en mesure de produire suffisamment de consoles PlayStation 5 pour répondre à la demande. Les fabricants de ces appareils sont en concurrence avec l’industrie automobile pour les puces, car les véhicules modernes intègrent de plus en plus de technologies et d’ordinateurs évolués dans leur conception.

Si davantage de puces sont nécessaires, les fabricants ne peuvent-ils simplement augmenter leur capacité de production ? Sur le papier, cela paraît relativement simple, mais la capacité de production et la technologie nécessaires posent problème.

Pour que ces usines de fabrication de semi-conducteurs (appelées « fonderies ») puissent augmenter leur production, elles doivent installer de nouvelles chaînes de fabrication. Ces chaînes nécessitent de nouveaux équipements, et les fabricants de biens d’équipement innovent pour aider les fonderies à répondre à l’augmentation de la demande. Cependant, ces outils sont complexes et coûteux et leur cycle de développement est long ; dans certains cas, les délais sont de six à neuf mois. Il est donc difficile pour les fabricants de biens d’équipement de réorienter leurs chaînes de production, qui reposent sur des technologies de fabrication traditionnelles, pour s’adapter à une croissance inattendue de la demande comme celle que nous constatons aujourd’hui.

Accélérer l’innovation grâce à la fabrication additive 

Lorsqu’il est question d’accélérer la production, les workflows de fabrication traditionnels présentent différents types de limites. Si un fabricant de biens d’équipement a besoin de commander une pièce particulière en plus grand nombre, il peut avoir besoin de davantage de ressources que n’est en mesure d’offrir un seul fournisseur. Les coûts supplémentaires induits par l’établissement d’un partenariat avec un fournisseur supplémentaire sont prohibitifs. De plus, même si le but est de créer et de livrer des équipements plus productifs dans des délais plus courts, les workflows traditionnels de développement de produits sont longs et fastidieux pour la simple raison qu’ils nécessitent un outillage.

La fabrication additive (AM) – souvent appelée « impression 3D » – efface ces limites et autorise une liberté de conception et une transition transparente du prototypage jusqu’à la fabrication en petite série de pièces sur mesure. En intégrant la fabrication additive à leurs processus de fabrication traditionnels, les fabricants de biens d’équipement peuvent optimiser les rapports résistance/poids, intégrer des structures de refroidissement conforme et réduire le nombre de pièces du système ainsi que les besoins d’assemblage.

Les avantages obtenus sont nombreux : amélioration de la dynamique des fluides, réduction des défaillances des assemblages, cinématique plus performante et meilleure conformité aux états de fonctionnement théoriques. Des centaines de milliers de composants étant nécessaires pour créer un outil, les possibilités offertes par la fabrication additive pour améliorer ces applications semblent illimitées. Explorons-en trois en particulier, dont les avantages ont été démontrés.

Gestion thermique des tables de wafers

Une meilleure gestion thermique des composants critiques des équipements de semi-conducteurs, tels que les tables de wafers, permet d’améliorer la précision des équipements de semi-conducteurs de 1 à 2 nm tout en augmentant la vitesse et le débit. La vitesse et le temps de fonctionnement accrus de la machine permettent de traiter un plus grand nombre de wafers et d’augmenter la valeur globale du cycle de vie.

Lors de l’étape de lithographie, il est essentiel de maintenir les températures dans les plages du milliKelvin (mK), car toute perturbation du système a un impact à l’échelle du nanomètre. Grâce à la conception pour la fabrication additive (DfAM), il est possible d’optimiser les canaux de refroidissement internes et les modèles de surface, et d’améliorer ainsi considérablement les températures de surface et les gradients thermiques tout en réduisant les constantes de temps.

Avec des conceptions uniques que seule la fabrication additive permet d’obtenir, il est possible de dissiper efficacement la chaleur, et d’améliorer le débit et la précision du système ainsi que les performances globales. Un important fabricant de biens d’équipement de semi-conducteurs utilisant la fabrication additive pour produire ses tables de wafers a ainsi divisé par cinq le temps de stabilisation des wafers.

Dans le cadre de la production de table de wafers, la fabrication additive présente aussi l’avantage d’optimiser la structure et de réduire le nombre de pièces et d’assemblages. Avec les technologies traditionnelles, la production de pièces utilise le brasage pour assembler les pièces. Le brasage est un processus fastidieux à faible rendement ; le taux de rejet de 50 % le rend très inefficace lorsqu’une itération rapide est souhaitée. Le remplacement des assemblages de plusieurs pièces par des pièces monolithiques fabriquées de manière additive augmente la fiabilité, améliore le rendement de fabrication et réduit les frais de main-d’œuvre.

Optimisation du débit des fluides dans les collecteurs

L’utilisation de processus de fabrication traditionnels pour produire des collecteurs de fluides complexes entraîne la production de grandes pièces lourdes dont le débit des fluides n’est pas optimal en raison de transitions brusques entre les composants et de canaux aux arêtes vives qui génèrent des perturbations, des chutes de pression, des zones stagnantes et des fuites.

Lorsque la fabrication additive est utilisée pour produire ces mêmes collecteurs, les ingénieurs peuvent optimiser leurs conceptions de manière à réduire les chutes de pression, les perturbations mécaniques et les vibrations. Une réduction de 90 % des forces perturbatrices induites par les fluides permet de diminuer les vibrations du système et d’obtenir une amélioration de la précision de 1 à 2 nm.

Optimisation structurelle et flexions avancées

La fabrication additive permet aux concepteurs d’optimiser la topologie structurelle d’une pièce (c.-à-d. de l’alléger) grâce à une série d’alliages métalliques à haute résistance. Ces conceptions peuvent répondre plus précisément aux exigences de performance des biens d’équipement de semi-conducteurs, améliorer le rapport résistance/poids et accélérer la mise sur le marché.

L’allègement des composants semi-conducteurs et des mécanismes de mouvement avancés réduisent l’inertie et améliorent la lithographie, la vitesse et le temps de fonctionnement des machines de traitement des wafers, ce qui permet d’en traiter davantage. À titre d’exemple, un fabricant de biens d’équipement de semi-conducteurs a, grâce à la fabrication additive, obtenu un allègement des flexions de plus de 50 %, une fréquence de résonance 23 % supérieure et une réduction des vibrations du système.

Possibilités infinies

La fabrication additive appliquée aux semi-conducteurs étant rarement évoquée, il est à se demander si cette technologie a été adoptée à grande échelle dans le secteur de fabrication des puces et quels avantages elle pourrait y apporter. La fabrication additive – en particulier l’impression directe en métal – est une technologie reconnue et validée dans l’industrie des biens d’équipement de semi-conducteurs.

Les pressions exercées sur le marché, dues à l’augmentation de la demande et aux problèmes de production, appellent une transition rapide vers la fabrication additive pour obtenir l’optimisation nécessaire. Des équipements de traitement des wafers dotés de pièces obtenues par fabrication additive sont en cours de développement, voire d’expédition.

Dans le seul domaine de la lithographie, de nombreux équipements sont déjà utilisés pour produire des puces avec un procédé d’environ 14 nm. La fabrication additive peut avoir un impact sur cette base installée à condition que les OEM procèdent à des mises à niveau sur site pour améliorer différents aspects des équipements. Toutefois, l’effet sera moindre.

Un scénario plus probable est que la fabrication additive améliorera de manière significative les nouvelles machines qui seront expédiées à partir de maintenant et au cours des deux prochaines années.  Partant de cette idée, nous disposons de suffisamment de temps pour procéder à des remaniements au niveau des composants et des systèmes, et donc d’augmenter la productivité et la qualité. Les fabricants auront en outre toujours suffisamment de contrôle sur ces systèmes pour tester et prouver rigoureusement les gains de performance.

En dehors de la lithographie, la fabrication additive a des dizaines d’autres applications dans la chaîne des processus, comme le polissage, les sources de lumière et la gravure, le tri et même la métrologie. L’intensification du recours à la fabrication additive dans ce segment arrive à point nommé car les fabricants d’équipements vont rapidement être confrontés à des cas insolubles dans lesquels les lois de la physique entraîneront inévitablement des limites extrêmement difficiles à surmonter. Dans ce domaine, la fabrication additive aura plus de chances d’étendre le champ des possibles et d’aller encore plus loin dans les processus. Elle ne pourra pas éliminer les obstacles physiques ou empêcher les importants bouleversements subis par les processus.

Cependant, elle permettra aux fabricants d’équipements de semi-conducteurs de « voir venir » pendant encore plusieurs dizaines d’années, d’élargir leur vision de ce qu’il est possible de faire et de repousser leurs limites. Par conséquent, il est fort à parier que la fabrication additive s’imposera comme une technologie clé pour surmonter la pénurie de semi-conducteurs et pour renforcer une fois de plus les chaînes d’approvisionnement.