3DCeram : l’impression 3D industrielle de nitrures pour des applications avancées dans les secteurs des semi-conducteurs et de l’aérospatiale

Un dossier récent sur la manière dont la fabrication additive (FA) et l’industrie des semi-conducteurs peuvent s’entraider révèle que le choix et la qualification des matériaux constituent un défi majeur pour les fabricants d’équipements pour semi-conducteurs (SCE). Il peut être difficile d’identifier les matériaux de FA capables de répondre aux exigences de performance strictes des dispositifs à semi-conducteurs, car ils doivent présenter des propriétés électriques, thermiques et mécaniques essentielles pour exploiter le potentiel de la FA dans les semi-conducteurs.

Conscients de ces obstacles, les fournisseurs de technologies de fabrication additive travaillent sans relâche pour les surmonter. L’expert en impression 3D céramique 3DCeram est le dernier en date à avoir franchi une étape importante en annonçant la compatibilité du nitrure d’aluminium (AlN) et du nitrure de silicium (Si₃N₄) avec son imprimante 3D SLA industrielle, la C1000 FLEXMATIC.

Même si ces deux matériaux présentent également un fort potentiel dans les domaines de l’aérospatiale et de l’optique, nous pensons qu’ils soulignent l’adéquation de l’impression 3D SLA comme candidat idéal pour la production dans le secteur des semi-conducteurs. L’article suivant explore cette question, en mettant particulièrement l’accent sur les capacités uniques de ces matériaux.

Dans un secteur où de nombreuses applications dans les secteurs des semi-conducteurs et de l’aérospatiale mettent souvent en avant les capacités de l’impression 3D métal, en particulier la LPBF, la possibilité de fabriquer des pièces en nitrure d’aluminium (AlN) et en nitrure de silicium (Si₃N₄) démontre le potentiel des céramiques techniques pour relever des défis que les métaux et les polymères ne peuvent pas relever.

Dans ce cas particulier, le nitrure d’aluminium (AlN) et le nitrure de silicium (Si₃N₄) vont encore plus loin, car ils peuvent résoudre des problèmes que même les céramiques plus courantes ne peuvent pas résoudre.

Comment ?

Tout est une question de propriétés. Dans les applications des semi-conducteurs, de l’aérospatiale et de l’optique, l’AlN et le Si₃N₄ peuvent surpasser les céramiques plus courantes grâce à leurs excellentes performances en matière de conductivité thermique, de dilatation thermique, de résistance mécanique et d’isolation électrique.

Comme nous connaissons les points forts de matériaux tels que l’alumine et la zircone dans d’autres applications, nous ne cherchons pas à comparer ces matériaux avec l’AlN et le Si₃N₄, mais plutôt à démontrer les avantages de l’AlN et du Si₃N₄ dans ces applications spécifiques.

Selon 3DCeram, l’ajout de nitrures à son portefeuille de matériaux est particulièrement significatif. Le nitrure d’aluminium et le nitrure de silicium sont déjà bien établis dans des applications à forte valeur ajoutée, mais leur plein potentiel a souvent été limité par des contraintes de fabrication.

• L‘AlN combine une conductivité thermique élevée, une isolation électrique et une faible dilatation thermique. Ces propriétés le rendent idéal pour la gestion thermique dans l’électronique, où les composants doivent dissiper la chaleur sans perdre leur stabilité dimensionnelle
• Le Si₃N₄ est apprécié pour sa résistance à la rupture, sa résistance aux chocs thermiques et sa longue durée de vie sous contrainte mécanique ou chimique. Sa robustesse en a fait une référence pour les pièces structurelles dans l’aérospatiale et la défense.

L’avantage de la fabrication additive est qu’elle permet de combiner ces propriétés intrinsèques avec une grande liberté de conception : géométries légères, canaux internes ou caractéristiques intégrées que les procédés traditionnels ont du mal à réaliser.

Pourquoi l’impression 3D SLA en particulier ?

L’utilisation de céramiques techniques avec l’impression 3D SLA reste, à mon avis, l’une des combinaisons technologiques les plus sous-estimées lorsqu’on considère les applications aérospatiales. Pourtant, la technologie SLA de 3DCeram continue de prouver sa valeur dans des environnements très exigeants.

Cela s’explique peut-être par le fait que la mise à l’échelle de la FA céramique a longtemps été entravée par deux défis : la dépendance à l’opérateur et la cohérence du processus. 3DCeram relève ces défis en intégrant l’automatisation et son logiciel CERIA alimenté par l’IA dans le flux de travail de fabrication de la C1000 FLEXMATIC.

Avec une zone de construction de 320 × 320 × 200 mm, l’imprimante 3D C1000 FLEXMATIC offre la flexibilité nécessaire pour fabriquer des pièces de différentes tailles tout en conservant le même niveau élevé de précision. Ses modules semi-automatisés simplifient le flux de travail et réduisent les temps d’arrêt.

En récupérant et en reconditionnant les boues inutilisées, l’unité de recyclage intégrée minimise également les déchets et permet une production continue. Ces caractéristiques rendent la machine plus adaptée à la fabrication en série que les imprimantes conventionnelles à l’échelle du laboratoire.

Dévoilé lors du salon Formnext l’année dernière, le moteur d’IA CERIA génère automatiquement des paramètres optimisés, permettant aux fabricants d’obtenir plus facilement une qualité reproductible.

Zoom sur les principales applications rendues possibles par l’AlN et le Si₃N₄ : Dissipateurs thermiques et structures de télescopes

Les dissipateurs thermiques sont essentiels dans les applications semi-conductrices et aérospatiales pour la gestion thermique, tandis que les structures de télescopes concernent principalement l’ingénierie aérospatiale.

Les dissipateurs thermiques sont essentiels dans les applications semi-conductrices et aérospatiales pour la gestion thermique, tandis que les structures de télescopes sont principalement une préoccupation dans l’ingénierie aérospatiale.

Dans les semi-conducteurs, les dissipateurs thermiques refroidissent les dispositifs de puissance pour éviter les pannes. Dans les équipements de traitement des semi-conducteurs, les dissipateurs thermiques sont placés sous la plaquette afin d’assurer une gestion thermique efficace pendant le dépôt ou la gravure. Pour fonctionner de manière fiable, ils doivent allier conductivité, stabilité mécanique et résistance aux environnements plasma.

Dans l’aérospatiale, ils sont utilisés dans les composants électroniques et pour des structures telles que les corps de télescopes afin de maintenir leurs performances dans des conditions de températures extrêmes.

La combinaison de l’AlN et de l’impression 3D SLA de 3DCeram permet d’obtenir des composants offrant une meilleure dissipation thermique et des géométries optimisées.

Selon 3DCeram, dans l’aérospatiale et l’optique, le Si₃N₄ a déjà été adopté pour les composants structurels des assemblages de télescopes. Par exemple, dans les télescopes Aliéna, les structures de support des miroirs doivent résister aux contraintes du lancement tout en préservant la stabilité optique en orbite.

Grâce à la fabrication additive, ces pièces peuvent être redessinées sous forme de géométries en cage ou en araignée, plus légères, plus rigides et plus faciles à intégrer. Là encore, la FA élargit les possibilités offertes par cette céramique haute performance.

Si vous me demandez si l’avantage de l’AlN et du Si₃N est suffisamment significatif, je répondrais OUI, sans aucun doute !

Dans les applications de gestion thermique, la combinaison de l’AlN et de l’AM ne vise pas seulement à exploiter la conductivité thermique intrinsèque élevée de l’AlN, mais aussi à multiplier son effet grâce à une géométrie qui ne pourrait être obtenue autrement.

Dans les applications optiques, il s’agit d’offrir une meilleure transparence et une meilleure stabilité thermique en associant l’AlN ou le Si₃N₄ à l’AM.

Dans l’ensemble, ces applications démontrent de plus en plus l’utilisation croissante de l’impression 3D SLA dans les applications de production :

« Le passage du prototypage à la production dans l’AM céramique est progressif, mais la direction est claire. Les fabricants demandent des machines qui offrent une répétabilité, des matériaux qui répondent à des spécifications exigeantes et des flux de travail qui s’alignent sur les pratiques industrielles.

En intégrant un contrôle des processus guidé par l’IA, une semi-automatisation et des nitrures avancés, la C1000 FLEXMATIC se positionne comme une plateforme pour cette transition. Elle démontre que la FA céramique n’est plus une curiosité de laboratoire, mais une technologie capable de produire des pièces réelles pour des industries réelles », déclare 3DCeram.

Perspectives d’avenir

Pour des secteurs tels que les semi-conducteurs et l’aérospatiale, où chaque composant doit trouver un équilibre entre performances et rentabilité, la disponibilité des nitrures grâce à la fabrication additive pourrait marquer une étape importante. La C1000 FLEXMATIC montre comment cet équilibre peut être atteint, en combinant la liberté de conception de la FA avec la fiabilité et l’évolutivité exigées par l’industrie.

Ce contenu a été créé en collaboration avec 3DCeram.