Các công nghệ không nên bỏ qua như công nghệ quang khắc, gia công bằng tia laser và các công nghệ mới khác, vì chúng giúp sản xuất thiết bị điện tử hiệu quả và đáng tin cậy, đồng thời có thể áp dụng cho nhiều loại sản phẩm.

Ngành công nghiệp điện tử đang hướng tới sản xuất kích thước vi mô. Các thiết bị tiêu dùng ngày càng nhỏ gọn hơn và các ứng dụng y tế ngày càng phổ biến đòi hỏi các linh kiện với kích thước nhỏ. Để giải quyết những yêu cầu phát triển đó, các nhà sản xuất phải áp dụng các loại công nghệ vi gia công (microfabrication) hay còn gọi là công nghệ chế tạo vi mô.

Công nghệ vi gia công không hẳn là mới, nhưng nó đang phát triển. Các kỹ thuật sản xuất quy mô nhỏ này sẽ thay đổi và ứng dụng của chúng sẽ mở rộng hơn nữa khi vi điện tử thống trị nhiều ngành công nghiệp hơn. Các nhà sản xuất điện tử phải lưu ý đến xu hướng này để theo kịp phần còn lại của ngành.

Các công nghệ vi gia công
Các nhà sản xuất có thể đáp ứng nhu cầu vi điện tử ngày càng tăng theo nhiều cách. Sau đây là một số phương pháp chế tạo vi mô phổ biến:

1. Quang khắc: là kỹ thuật chế tạo vi mô phổ biến nhất hiện nay, phần lớn vì đây là một trong những kỹ thuật lâu đời nhất. Quá trình này bao gồm công đoạn phủ bề mặt (thường là một tấm bán dẫn) bằng một vật liệu nhạy sáng gọi là chất cản quang, sau đó chiếu tia cực tím lên bề mặt để khắc các vùng được phủ chất cản quang.

Một số kỹ thuật in thạch bản (1) có thể đạt được độ phân giải dưới 5 nanomet, khiến chúng có khả năng khắc vi mô. Sử dụng ánh sáng thay vì tiếp xúc vật lý giúp loại bỏ những ảnh hưởng do rung động hoặc ma sát, vốn là những vấn đề mà gia công thông thường gây ra. Do đó, phương pháp này an toàn hơn nhiều khi làm việc với các linh kiện mỏng, nhạy cảm.
(1) In thạch bản: còn được gọi là in litô, in đá. Là cách thức in được sử dụng trên một bề mặt nhẵn. Đây là một trong những công nghệ in ấn 3D xuất hiện đầu tiên trên thế giới và được thương mại hoá một cách rộng rãi.

2. Gia công vi mô bằng laser: Trong khi gia công vật lý có thể gây mài mòn phôi, tia laser giúp cung cấp một giải pháp thay thế có thể kiểm soát tốt hơn. Gia công vi mô bằng laser hoạt động gần như các phương pháp cắt, nhưng thay thế các công cụ cắt vật lý bằng tia laser có độ chính xác cao. Do đó, các nhà sản xuất có thể khắc, chạm khắc hoặc cắt các chi tiết mà không làm hỏng vật liệu.

Giống như quang khắc, gia công vi mô bằng tia laser giúp đạt độ chính xác đến một phần nhỏ của 1 micrômét. Ngoài ra, các nhà sản xuất có thể điều chỉnh công suất và tốc độ xung của tia laser để gia công các vật liệu khác nhau và nhiệt độ vẫn trong tầm kiểm soát.

3. In 3D: Cả quang khắc và gia công vi mô bằng laser đều là các kỹ thuật gia công cắt gọt. Một số nhà sản xuất đã bắt đầu lựa chọn các loại chế tạo vi mô bổ sung thay thế thông qua nhiều phương pháp in 3D khác nhau. Đây là sự phát triển mới nhất của ba kỹ thuật chính, vì các phương pháp in 3D không đủ chính xác để chế tạo vi mô cho đến thời gian gần đây.

Ưu điểm chính của in 3D là một quá trình chồng lớp, giúp giảm thiểu chất thải, do nó không tạo ra bất kỳ chất thải nào. Quá trình này cũng hiệu quả, đặc biệt là ở dạng vi mô, và thời gian đông cứng gần như tức thời. Do đó, các phương pháp in 3D mới có thể giúp tăng năng suất lên tới 60 lần trong một số trường hợp.

Kỹ thuật chế tạo vi mô mới
Mặc dù mỗi loại chế tạo vi mô đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng tất cả những cải tiến này đều mang lại những cải tiến so với các phương án thay thế thông thường. Những lợi ích này sẽ lan tỏa khắp ngành công nghiệp điện tử khi ngành vi gia công phát triển.

Độ chính xác cao hơn: Ưu điểm của kỹ thuật chế tạo vi mô là kết quả chính xác hơn so với gia công truyền thống. Chúng có thể cắt các chi tiết nhỏ hơn những gì mắt người có thể nhìn thấy. Độ chính xác này có hai ý nghĩa chính đối với sản xuất điện tử.

Đầu tiên, các vết cắt nhỏ hơn có nghĩa là các nhà sản xuất có thể sản xuất các thiết bị điện tử ở kích thước nhỏ hơn. Các linh kiện nhỏ gọn giúp tạo không gian rộng hơn cho hệ thống làm mát hoặc chức năng bổ sung bên trong thiết bị. Mặt khác, nó làm cho các thiết bị điện tử đeo được hoặc cấy ghép vào cơ thể trở nên thiết thực hơn. Nó cũng giảm thiểu lỗi, đảm bảo quy trình sản xuất hiệu quả hơn và ít lãng phí nguyên vật liệu hơn.

Cải thiện chức năng thiết bị: Sử dụng các kỹ thuật chế tạo vi mô cũng cho phép các nhà đầu tư sản xuất các thiết bị điện tử có chức năng cao hơn. Nhiều phương pháp sản xuất vi mô mang lại lợi ích về hiệu suất, ngay cả khi đó không phải là mục tiêu chính của chúng. Ví dụ, công nghệ flip chip (2) có độ dẫn nhiệt và khả năng chống ẩm tốt hơn ngoài kích thước nhỏ hơn so với công nghệ wire bond (3) liên kết bằng dây.
(2) Công nghệ Flip Chip: là phương pháp lắp ráp điện tử tiên tiến, cho phép chip điện tử được gắn trực tiếp lên bề mặt bo mạch in. Mang lại rất nhiều lợi ích trong các lĩnh vực với hiệu năng cao, tính linh hoạt, tuổi thọ cao và giá thành thấp hơn các phương pháp khác.
(3) Công nghệ Wire Bond: là phương pháp kết nối những sợi dây cực mảnh từ các mạch điện trên chip với dây dẫn trên đế chip.

Những lợi ích như thế này dễ nhận thấy nhất ở các bảng mạch in (PCBs – printed circuit boards). In 3D có thể tạo ra các vết mỏng hơn so với các phương pháp gia công cắt gọt. Các nhà sản xuất có thể sử dụng lợi thế đó để sản xuất các bảng mạch PCBs kích thước nhỏ hơn hoặc tăng mật độ linh kiện mà không gây ra nhiễu tín hiệu, vì vẫn có đủ khoảng cách giữa các vết liên kết.

Hiệu quả cao hơn: Nhiều kỹ thuật trong số này cũng hiệu quả hơn. Năng suất cao chủ yếu từ việc giảm lỗi, mặc dù các phương pháp chế tạo vi mô chính phần lớn đều được tự động hóa và yêu cầu xử lý hậu kỳ tối thiểu. Do đó, các nhà đầu tư có thể mở rộng quy mô sản xuất vi điện tử mà không cần nâng cấp cơ sở hạ tầng đáng kể.

Một số nhà sản xuất đã sản xuất tới 60.000 linh kiện trong vòng tám tiếng thông qua in 3D. Cải thiện hiệu suất cũng đến từ việc tiết kiệm năng lượng. Ngay cả khi không giảm đáng kể thời gian, chế tạo vi mô vẫn cần ít năng lượng hơn so với sản xuất quy mô lớn, do đó, việc sản xuất cùng một số lượng linh kiện sẽ sử dụng ít năng lượng hơn. Những khoản tiết kiệm này giúp giảm chi phí và lượng khí thải.

Sử dụng được đa dạng vật liệu hơn: Nhiều kỹ thuật chế tạo vi mô khác nhau cũng cho phép các nhà sản xuất sử dụng các vật liệu mới. Một số polyme hoặc vật liệu nano có thể quá nhạy cảm đối với gia công vật lý. Thay vào đó, sử dụng quang khắc hoặc laser làm cho các tùy chọn này trở nên khả thi.

Lựa chọn vật liệu đa dạng hơn giúp giảm chi phí hoặc cải thiện hiệu suất của thiết bị. Một số vật liệu cũng có những tính chất mới ở cấp độ vi mô. Ví dụ, graphene (4) mạnh hơn thép 200 lần và dẫn điện tốt hơn đồng. Chế tạo vi mô cho phép các nhà sản xuất tận dụng tiềm năng đó.
(4) Graphene: là một dạng của carbon, là một vật liệu mới cứng nhất thế giới, ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực cuộc sống.

Công nghệ vi gia công là tương lai
Công nghệ chế tạo vi mô đang phát triển nhanh như chính bản thân vi điện tử. Khi chúng phát triển, ngành sản xuất điện tử có thể trở nên hiệu quả hơn, đáng tin cậy hơn và bền vững hơn, đồng thời đáp ứng nhiều yêu cầu thích hợp hơn.

Lợi ích của chế tạo vi mô lớn đến mức không thể bỏ qua. Việc chú ý đến các phương pháp này và tác động của chúng là rất quan trọng để thành công lâu dài trong lĩnh vực điện tử.

Để xem các tin bài khác về “Vi gia công”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: American Machinist