Derzeit tritt die globale Branche der künstlichen Intelligenz in eine kritische Phase der groß angelegten Implementierung und koordinierten Entwicklung entlang der gesamten Wertschöpfungskette ein. Von der iterativen Entwicklung generativer KI-Großmodelle bis hin zur intelligenten Transformation von Branchen in allen Sektoren ist KI zu einer neuen Form der Produktivkraft geworden, die die tiefe Integration der digitalen Wirtschaft und der Realwirtschaft vorantreibt. In dieser technologischen Revolution dienen KI-Chips als zentrale Träger der Rechenleistung, und die Vollständigkeit und Ausgereiftheit ihrer Lieferkette bestimmen maßgeblich die Obergrenzen der Branchenentwicklung. Als grundlegendes Rückgrat der Halbleiterfertigung spielen leistungsstarke neue Materialien eine unverzichtbare Rolle in den Präzisionsproduktionsprozessen von Chips.
I. Was sind KI-Chips?
KI-Chips sind Recheneinheiten zur Verarbeitung von KI-Operationen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Allzweck-CPUs liegen ihre Hauptvorteile in ihren starken parallelen Rechenfähigkeiten, effizienten Matrixoperationen und einem geringen Stromverbrauch. Sie sind in der Lage, kritische KI-Aufgaben wie maschinelles Lernen, Deep Learning, Dateninferenz und Bilderkennung effizient auszuführen. Als primäre Hardwareplattform zur Bereitstellung von Rechenleistung und zur Ermöglichung von KI-Funktionalität sind KI-Chips ein Schlüsselfaktor im Wettbewerb innerhalb der KI-Branche.
II. Struktur der KI-Industriekette
Die KI-Industriekette ist ein umfassendes Ökosystem, das technologische Forschung und Entwicklung, Fertigung und Anwendungsszenarien umfasst. Es ist grob in drei Hauptsegmente unterteilt: die Upstream-Grundschicht, die Midstream-Fertigungsschicht und die Downstream-Anwendungsschicht.
(1) Upstream: Grundlegende Unterstützung
Die vorgelagerte Grundschicht dient als Grundlage der KI-Industrie und stellt technologische Forschung und Entwicklung sowie wichtige Rohstoffe bereit. Es lässt sich grob in zwei Segmente unterteilen: erstens die Hardware-Infrastruktur, zu der Lithografiemaschinen, Siliziumwafer und Hochleistungsrechnerserver gehören; Zweitens Datendienste – wie Datenerfassung und -filterung – die als „Treibstoff“ für nachfolgende groß angelegte Modelle dienen.
(2) Midstream: Technologie und Fertigung
Die Midstream-Fertigungsschicht ist das Produktionszentrum der KI-Industriekette und dient als wichtige Verbindung zwischen den vor- und nachgelagerten Sektoren. Es kann in zwei Hauptsegmente unterteilt werden: Algorithmen und Modelle sowie Chipdesign und -herstellung.
1. Algorithmen und Modelle
Dieses Feld deckt ein breites Themenspektrum ab, darunter visuelle Algorithmen, Sprachverarbeitungsalgorithmen und Methoden des maschinellen Lernens. Ziel ist es, der KI einen methodischen Rahmen für die Datenverarbeitung zu geben. Modelle hingegen sind die spezifischen Ergebnisse, die erhalten werden, wenn Algorithmen aus bestimmten Datensätzen lernen. Der aktuelle Haupttrend besteht darin, sich auf großmaßstäbliche Modelle zu konzentrieren und diese mit der Fähigkeit auszustatten, Werkzeuge zu planen, sich zu merken und zu verwenden, damit sie komplexe Aufgaben autonom erledigen können.
2. Chipdesign und -herstellung
Das Design zielt darauf ab, sicherzustellen, dass Chips die drei Schlüsselbereiche Architekturdefinition, Hardware-Implementierung und Software-Koordination effektiv integrieren und gleichzeitig ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Stromverbrauch und Kosten erreichen.
Die Herstellung kann weiter in zwei Phasen unterteilt werden: Waferherstellung sowie Verpackung und Prüfung:
(1) Wafer-Herstellung: Hierbei handelt es sich um den Prozess der Umwandlung von hochreinen Siliziumwafern in blanke Wafer mit kompletten Schaltkreisstrukturen durch Dutzende von Präzisionsprozessen im Nanomaßstab, darunter Fotolithographie, Ätzen, Dünnschichtabscheidung, Ionenimplantation, Reinigung und Polieren. KI-Chips erfordern extrem hohe Herstellungsstandards. Mainstream-High-End-Produkte nutzen fortschrittliche Prozesse von 7 nm und darunter, während Produkte der nächsten Generation schrittweise in Richtung 3 nm und 2 nm vordringen. Dies stellt strenge Anforderungen an die Produktionsumgebung, Prozesspräzision und Materialkompatibilität: Produktionsanlagen müssen Reinraumstandards der Klassen 10 bis 100 erfüllen, um eine Kontamination der Wafer durch mikroskopisch kleinen Staub und Verunreinigungen zu verhindern; Prozesstoleranzen müssen auf atomarer Ebene kontrolliert werden, um Schaltkreisdefekte zu verhindern; Gleichzeitig herrschen im Produktionsprozess hohe Temperaturen, hohe Drücke und stark korrosive Bedingungen, was höchste Anforderungen an die Witterungsbeständigkeit und Sauberkeit von Hilfsträgern, Schutzmaterialien und Produktionsanlagen stellt.
(2) Verpackung und Prüfung: Der Verpackungsprozess umfasst in erster Linie das Würfeln, Dünnen, Bonden, Formen und Bleilöten von Wafern, um nackte Chips mit einem Schutzgehäuse zu versehen, das drei Schlüsselfunktionen erfüllt: physischen Schutz, Schaltkreiskonnektivität und effiziente Wärmeableitung. Die Testphase umfasst den gesamten Prozess – von der Herstellung des Wafers über die Verpackung bis hin zum Post-Packaging – und umfasst Wafer-Sondentests, Chip-Leistungstests, Zuverlässigkeitstests und Stromverbrauchstests. Mit professioneller Ausrüstung werden nicht konforme Produkte aussortiert und sichergestellt, dass Chips versendet werden, die den Qualitätsstandards entsprechen. Der Testprozess für KI-Chips ist komplexer und erfordert eine höhere Präzision; Die Verschleißfestigkeit, die Isolationseigenschaften und die Genauigkeit von Prüfvorrichtungen und Trägerkomponenten wirken sich direkt auf die Prüfeffizienz und die Genauigkeit der Ergebnisse aus.
3.Downstream: Anwendungsbereitstellung
Die nachgelagerte Anwendungsschicht dient als „Wertschöpfungskette“ der KI-Branche und umfasst eine ganze Reihe von Szenarien wie intelligente Rechenzentren, industrielle Intelligenz, autonomes Fahren, Smart Cities, Smart Healthcare und Fintech. Durch die Integration von KI-Chips treibt es die intelligente Transformation verschiedener Branchen voran. Vom Training großer Modelle in der Cloud bis hin zur Inferenz auf Edge-Geräten wächst der Bedarf an Rechenleistung exponentiell, was die Kapazitätserweiterung und technologische Modernisierung in den Segmenten Midstream-Waferherstellung sowie Verpackung und Test weiter vorantreibt.
III. Anwendungen von Kunststoff- und Kohlefaserprodukten in der KI-Chip-Herstellung
Die extrem rauen Betriebsbedingungen bei der Herstellung und Verpackung/Prüfung von Wafern erfordern unterstützende Hilfsmaterialien, die wichtige Kriterien wie Hochtemperaturbeständigkeit, hohe Isolierung, Korrosionsbeständigkeit, geringe Verformung, hohe Reinheit, keine Auswaschung von Verunreinigungen und Dimensionsstabilität erfüllen. Herkömmliche Materialien werden diesen Anforderungen oft nicht gerecht; Taisheng bietet Hochleistungskunststoffe und Kohlefaserprodukte an, die für diese Produktionsstandards geeignet sind.
1. Kunststoffprodukte
(1) Reinräume: Während des gesamten Produktionsprozesses – von der monokristallinen Siliziumproduktion bis zur Herstellung integrierter Schaltkreise und der Verpackung – werden alle Vorgänge in einer sauberen Umgebung durchgeführt. Für Reinraumpaneele werden typischerweise flammhemmende Materialien und Materialien verwendet, die nicht so leicht statische Elektrizität erzeugen, während Fenstermaterialien auch transparent sein müssen. Zu den geeigneten Materialien gehören: antistatisches PVC/PP;
(2) CMP-Halteringe: Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) ist ein kritischer Prozess bei der Waferherstellung. Bei den CMP-Sicherungsringen zur Sicherung von Siliziumwafern handelt es sich um besonders wichtige Bauteile, die eine hervorragende Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen, um Schäden an den Wafern zu verhindern. Zu den geeigneten Materialien gehören PPS, PEEK und andere;
(3) Wafer-Träger: Zu den gängigen Wafer-Trägern gehören Wafer-Boote und Transportboxen. Die Stabilität der Umgebung während des Wafertransports und der Waferlagerung hat erhebliche Auswirkungen auf die Waferqualität. Daher müssen Waferträger Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, antistatische Eigenschaften und geringe Ausgasung aufweisen. Zu den geeigneten Materialien gehören PP, PEEK, PC, PEI usw.;
(4) Komponenten wie Lager und Führungsschienen: Komponenten von Halbleiterverarbeitungsanlagen wie Lager und Führungsschienen müssen über einen weiten Temperaturbereich (von niedrigen bis hohen Temperaturen) kontinuierlich betrieben werden können, einen geringen Verschleiß und eine geringe Reibung aufweisen und ihre Dimensionsstabilität beibehalten. Zu den häufig verwendeten Materialien gehören Polyimid (PI) usw.
2. Kohlefaser
Während des Waferherstellungsprozesses müssen Wafer zwischen verschiedenen Arbeitsstationen transportiert werden, was den Einsatz von Wafergabeln erforderlich macht. Kohlefaser ist eine ausgezeichnete Materialwahl für diese Gabeln. Carbon Fiber verwendet einen Imprägnier- und Pressprozess, der zu einer stabileren Leistung führt. Es bietet eine Zugfestigkeit von bis zu 6.000 MPa, einen Materialmodul von über 780 GPa, eine Vibrationsdämpfung, die innerhalb von 4 Sekunden kontrolliert werden kann, und eine hervorragende Wetterbeständigkeit.
Die qualitativ hochwertige Entwicklung der Branche der künstlichen Intelligenz beruht auf koordinierten Anstrengungen in der gesamten Industriekette, und die Segmente Midstream-Wafer-Herstellung sowie Verpackung und Prüfung gehören zu den Schlüsselbereichen für die groß angelegte Umsetzung der Branche. HONY PLASTIC konzentriert sich auf Hochleistungskunststoff- und Kohlefaserprodukte und versorgt die Halbleiterindustrie mit geeigneten Komponenten, die ihren sich entwickelnden Anforderungen gerecht werden.
Die 5 wichtigsten Anwendungen von Kunststoffen im Wafer-Produktionszyklus
Wenn es um Halbleiter geht, kommt immer wieder das Thema Wafer – die Grundlage für die Herstellung verschiedener Computerchips – zur Sprache. Während sich die Halbleitertechnologie immer weiter in Richtung kleinerer Linienbreiten, höherer Integration und komplexerer Strukturen weiterentwickelt, steigen die Qualitätsanforderungen an Wafer – die „Grundlage“ des Prozesses – ständig. Vor diesem Hintergrund sind Kunststoffmaterialien mit ihren hervorragenden Verpackungs- und Transportfähigkeiten unverzichtbar geworden, um verschiedene Prozessschritte zu verbinden, Kontaminationen und mechanische Schäden zu reduzieren, die Sauberkeit zu verbessern und die Gesamtausbeute zu steigern. Werfen wir einen Blick auf einige häufige Anwendungen von Kunststoffen in der Halbleiterfertigung.
1. CMP-Sicherungsringe
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) ist ein entscheidender Prozess bei der Waferherstellung, der zur Erzielung einer globalen Planarisierung der Waferoberfläche eingesetzt wird. Während dieses Vorgangs muss der Siliziumwafer durch einen Haltering sicher an Ort und Stelle gehalten werden, um eine gleichmäßige Politur zu gewährleisten und ein Verschieben zu verhindern, wodurch Kratzer oder Verunreinigungen auf der Waferoberfläche vermieden werden. Daher muss das für dieses Bauteil ausgewählte Material Verschleißfestigkeit, hohe Dimensionsstabilität, gute chemische Beständigkeit und Bearbeitbarkeit aufweisen.
Früher wurde zur Herstellung von Spannringen häufig Polyphenylensulfid (PPS) verwendet; Polyetheretherketon (PEEK) und chloriertes Polyvinylchlorid (CPVC) werden jedoch aufgrund ihrer höheren mechanischen Festigkeit, hervorragenden Dimensionsstabilität und überlegenen Chemikalien- und Verschleißbeständigkeit zunehmend von Herstellern eingesetzt.
2. Waferträger
Waferträger werden zum Halten, Lagern und Transportieren von Wafern während des Herstellungsprozesses verwendet. Zu den gängigen Typen gehören Waferträger mit Frontöffnung (FOUPs), Wafertransportboxen (FOSBs) und Waferboote. Die Lagerung macht einen erheblichen Teil des Wafer-Produktionszyklus aus. Daher ist die Materialauswahl von entscheidender Bedeutung, da die Sauberkeit und die antistatischen Eigenschaften der Träger direkten Einfluss auf die Qualität der fertigen Wafer haben.
Materialien für Waferträger müssen Anforderungen wie Hochtemperaturbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, antistatische Eigenschaften, geringe Ausgasung und geringe Auslaugung erfüllen. Polyetheretherketon (PEEK), Perfluoralkoxyharz (PFA), Polypropylen (PP), Polyethersulfon (PES), Polycarbonat (PC) und Polyetherimid (PEI) sind gängige Materialien, die diese Anforderungen erfüllen.
3. Fotomaskenkassetten
Eine Fotomaske dient als Mustervorlage im Fotolithographieprozess und besteht typischerweise aus einem Quarzglassubstrat mit einem verchromten Muster, um Licht zu blockieren. Eventuelle Partikel oder Kratzer auf der Oberfläche können zu Defekten im fotolithografischen Muster führen. Um das Schaltkreismuster präzise von der Fotomaske auf einen mit Fotolack beschichteten Wafer zu übertragen, ist die Aufrechterhaltung der Sauberkeit der Fotomaske von entscheidender Bedeutung.
Als Lager- und Transportbehälter muss eine Fotomaskenbox Eigenschaften wie antistatische Eigenschaften, geringe Ausgasung, hohe Steifigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen. Polyetheretherketon (PEEK) ist aufgrund seiner hohen Härte, geringen Partikelbildung, hohen Sauberkeit und antistatischen Eigenschaften eine ausgezeichnete Wahl für Fotomaskenboxen. Es verhindert wirksam Schäden an der Fotomaske, die durch Beschlagen, Reibung oder Vibration während der Lagerung und des Transports verursacht werden, und sorgt gleichzeitig für eine saubere Umgebung mit geringer Ausgasung und geringer ionischer Kontamination. Es wird auch antistatisches Polycarbonat (PC) verwendet, dessen Gesamtleistung jedoch etwas schlechter ist als die von PEEK.
4. Wafer-Handhabungswerkzeuge
Beim Herstellungsprozess von Wafern oder Siliziumwafern werden Werkzeuge wie Waferhalter und Chucks zum Greifen oder Bewegen der Wafer verwendet. Da diese Werkzeuge in direkten Kontakt mit der Waferoberfläche kommen, ist es wichtig, die Bildung von Kratzern oder Rückständen zu verhindern, da diese die Leistung und Ausbeute des Geräts beeinträchtigen können.
Polyetheretherketon (PEEK), Perfluoralkoxyharz (PFA) und Polypropylen (PP) werden aufgrund ihrer hohen Hitzebeständigkeit, hervorragenden Verschleißfestigkeit, guten Dimensionsstabilität, geringen Ausgasungsrate und extrem geringen Feuchtigkeitsaufnahme häufig bei der Herstellung von Wafer-Handhabungswerkzeugen verwendet. Diese Materialien minimieren die Oberflächenreibung und Partikelrückstände und verbessern so die Sauberkeit und Integrität der Waferoberfläche erheblich.
5. IC-Gehäuseprüfsockel
Testsockel verbinden Chips mit Testgeräten und werden zur Überprüfung der Funktionalität integrierter Schaltkreise verwendet. Verschiedene Arten integrierter Schaltkreise erfordern Prüfsockel mit entsprechenden Spezifikationen. Zu den Materialanforderungen gehören eine hohe Dimensionsstabilität, eine gute mechanische Festigkeit, eine geringe Gratbildung, eine lange Lebensdauer, ein großer Temperaturtoleranzbereich und eine gute Verarbeitbarkeit.
Technische Kunststoffe wie PEEK, PPS, Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI) und Polyetherimid (PEI) werden in diesem Bereich häufig verwendet.