W miarę jak regulacje i czynniki środowiskowe zbiegają się, aby stworzyć potężną siłę napędową, przemysł pojazdów elektrycznych i jego różne segmenty łańcucha wartości tworzą kwitnące pole innowacji. Dzisiejsze akumulatory pojazdów elektrycznych (EV) działają przy coraz wyższych napięciach, czasami nawet 800 V. Napięcie akumulatorów wzrasta, ale napięcie akumulatorów również wzrasta.
Zalety wyższego napięcia obejmują większą moc, wyższą wydajność, większy zasięg i krótsze czasy ładowania. Wewnątrz pojazdu elektronika mocy przekształca wysokie napięcie DC na różne formy wymagane przez różne systemy. Na przykład silniki trakcyjne wymagają trójfazowego zasilania AC. Jednocześnie ładowarki samochodowe dynamicznie dostosowują prąd i napięcie.
Krzem jest obecnie szeroko stosowany w wielu obszarach elektroniki użytkowej i energetycznej, ale stał się również wąskim gardłem dla ich modernizacji. Elektronika energetyczna oparta na konwencjonalnych krzemowych układach scalonych (IC) nie może działać prawidłowo przy wysokich napięciach, wysokich temperaturach i wysokich częstotliwościach przełączania. W rezultacie producenci muszą zwrócić się w stronę alternatywnych materiałów półprzewodnikowych, aby w pełni wykorzystać zalety akumulatorów wysokonapięciowych w pojazdach elektrycznych. Najbardziej obiecującym alternatywnym półprzewodnikiem jest węglik krzemu (SiC). Materiał ten posiada właściwości, które czynią go idealnym do elektroniki energetycznej pojazdów elektrycznych, więc SiC jest kluczem do poprawy wydajności i zasięgu pojazdów elektrycznych w miarę ich wzrostu popularności.
Jednak produkcja urządzeń SiC ma swoje własne, wyjątkowe wyzwania. Właściwości mechaniczne, chemiczne, elektroniczne i optyczne SiC różnią się znacząco od właściwości krzemu w obszarach, w których dominują dojrzałe procesy i ustalone protokoły. Na przykład SiC jest jednym z najtwardszych znanych materiałów, porównywalnym do diamentu, co utrudnia cięcie płytek za pomocą tradycyjnych metod mechanicznych, takich jak piłowanie, a także jest kruchym materiałem, który łatwo pęka podczas cięcia. Ponadto SiC szybko zużywa ostrza pił, w tym te wykonane z twardego diamentu, co wymaga częstej wymiany tego drogiego materiału eksploatacyjnego. Samo cięcie jest stosunkowo powolnym procesem, a wytwarzane ciepło ma tendencję do negatywnego wpływu na właściwości materiału.
Połączenie tych problemów stwarza producentom pojazdów elektrycznych szereg przeszkód, ponieważ wiele stosowanych procesów produkcji układów scalonych różni się od procesów stosowanych w przypadku układów SiC, a nawet jest odwrotnością tych stosowanych w przypadku układów scalonych SiC.
Cięcie monokryształów, czyli wafli, jest doskonałym przykładem; cięcie mechaniczne jest podstawową metodą cięcia monokryształów wafli krzemowych, ale nie jest uniwersalnie skuteczne w przypadku SiC, a podczas gdy cięcie monokryształów laserem jest obiecujące, wymiana materiału oznacza przynajmniej zmianę parametrów procesu. Użytkownicy końcowi muszą również określić optymalne źródło światła do cięcia monokryształów SiC w porównaniu z tradycyjnymi metodami wykorzystującymi krzem.
Obraz.
Zbliżenie mikroskopu pokazuje, że pikosekundowe impulsy UV w trybie burst dają doskonałą jakość krawędzi bez większych odprysków. Konwencjonalne piłowanie mechaniczne nie jest w stanie osiągnąć takich rezultatów.
Jakościowa ablacja za pomocą laserów pikosekundowych
Urządzenia SiC są wytwarzane w taki sam sposób, jak tradycyjne układy mikroelektroniczne z krzemu: na pojedynczym waflu powstaje duża liczba pojedynczych układów scalonych, które są następnie poddawane pojedynczo krystalizacji i cięte na pojedyncze chipy gotowe do pakowania.
Podczas cięcia kruchych płytek SiC ważne jest ograniczenie lub całkowite wyeliminowanie odprysków krawędziowych spowodowanych piłowaniem mechanicznym. Cięcie monokryształów powinno również minimalizować zmiany mechaniczne w materiale. Priorytetem powinno być również zminimalizowanie szerokości szczeliny, aby ograniczyć rozmiar „przestrzeni” (tj. pustego obszaru między sąsiednimi obwodami), aby zmaksymalizować liczbę chipów na każdej płytce.
Inżynierowie muszą rozważyć te czynniki w kontekście szybkości krojenia, przepustowości i innych czynników wpływających na koszty. Należy również uwzględnić użycie materiałów eksploatacyjnych, takich jak chłodziwa i płyny czyszczące podczas procesu krojenia.
Ultrakrótkie lasery impulsowe o szerokości impulsu pikosekundowego i femtosekundowego mogą być używane do precyzyjnego cięcia i ablacji wielu różnych materiałów, w tym twardych, przezroczystych i/lub kruchych. Korzyści z przetwarzania za pomocą ultrakrótkich szerokości impulsu obejmują minimalne ogólne nagrzewanie materiału i pomijalną strefę wpływu ciepła (HAZ). Źródła te zapewniają również lepszą jakość krawędzi i zmniejszoną generację zanieczyszczeń w porównaniu z innymi typami laserów.
Wyjście podczerwieni większości laserów pikosekundowych może być podwojone częstotliwościowo, aby zapewnić widzialne zielone lub ultrafioletowe światło, podczas gdy długość fali ultrafioletowej jest zwykle używana do wymagających zastosowań. Źródła działające w tym paśmie optycznym mogą często osiągać mniejsze rozmiary ogniska i zwiększoną głębię ostrości lub zakres Rayleigha dla danego rozmiaru plamki.
Te cechy sprawiają, że lasery pikosekundowe UV są preferowanym wyborem do produkcji cech o wysokim współczynniku kształtu i cieńszych szerokościach szczeliny ze względu na bardziej precyzyjną kontrolę głębokości, jaką można osiągnąć. Ponadto większa głębia ostrości sprawia, że źródła te są łatwiejsze do zastosowania w szerokopasmowych systemach skanowania galwanometrów. Ograniczona penetracja światła UV dodatkowo zmniejsza strefę wpływu ciepła (HAZ).
Szczegółowa konfiguracja analizowanego eksperymentu
Jednak osiągnięcie wyższych wydajności przy krótkich szerokościach impulsów i krótkich długościach fal jest trudne w każdym środowisku. Aby zapewnić powtarzalne wyniki cięcia pojedynczych kryształów SiC, należy przetestować różne projekty i parametry systemu. mks/Spectra-Physics przeprowadził serię eksperymentów cięcia, aby ocenić perspektywy zalet laserów pikosekundowych UV, takich jak mniejsze rozmiary ognisk i większe głębokości ognisk. Próby te miały również na celu osiągnięcie większej łatwości przetwarzania i mniejszej strefy wpływu ciepła (HAZ). Na koniec, oprócz oceny technicznej i ekonomicznej wykonalności procesu, próby zostały zaprojektowane w celu zbadania, w jaki sposób różne ustawienia serii mogą wpływać na wyniki.
W pierwszej rundzie testów próbka płytki 4H-SiC o grubości 340 µm została przetworzona przy użyciu lasera pikosekundowego o mocy 50 W i długości fali 355 nm. Laser ma maksymalną energię impulsu większą niż 60 µJ i dostarcza średnią moc 50 W przy częstotliwościach powtarzania od 750 kHz do 1,25 MHz, przy maksymalnej częstotliwości roboczej 10 MHz. Testy przeprowadzono przy częstotliwościach powtarzania od 200 do 400 kHz, aby upewnić się, że wszystkie formaty wyjściowe impulsów utrzymują podobną energię impulsu i średnie poziomy mocy, umożliwiając bezpośrednie porównanie wyników.
Laser pikosekundowy jest używany z dwuosiowym skanerem galwanometru i obiektywem f-theta o ogniskowej 330 mm. Rozmiar ogniska na płaszczyźnie roboczej wynosi około 30 µm (średnica 1/e2). Skaner działa z prędkościami od 2 do 4 m/s, z wieloma przejściami na rysik i prędkościami cięcia netto od 12,5 do 25 mm/s. Laser używany w tych testach obsługiwał szeroki zakres zastosowań.
Lasery używane w tych testach obsługują ciągi impulsów: laser emituje serię blisko rozmieszczonych podciągów impulsów, po których następuje kolejny ciąg impulsów po pewnym czasie. Dobrze udokumentowano, że ciągi impulsów mogą zwiększać szybkość ablacji i zmniejszać chropowatość powierzchni w wielu sytuacjach obróbki materiałów.
Ponadto laser używany w teście obsługuje programowalne serie. Oznacza to, że liczba impulsów w serii, a także amplituda i odstęp czasu każdego impulsu w serii są kontrolowane. Ponadto drgania czasowe ciągu impulsów są bardzo niskie, co umożliwia bezpośrednie umieszczanie i pozycjonowanie na powierzchni roboczej z dużą dokładnością, nawet przy bardzo dużych prędkościach skanowania. Te elastyczne możliwości pulsowania pozwalają nam eksplorować szeroki zakres przestrzeni procesowej podczas testowania.
Analiza wyników
Rysunek 2 poniżej pokazuje wartości głębokości zapisu jako funkcję średniej mocy lasera dla różnych konfiguracji ciągu impulsów, od pojedynczego impulsu do 12 impulsów. W każdym teście wykonano łącznie 80 uderzeń w tym samym miejscu na materiale. Pozycja każdego ciągu impulsów na powierzchni roboczej (całkowite nakładanie się impulsów) była ściśle kontrolowana. W tym przypadku efektywne przestrzenne nakładanie się impulsów wynosiło około 84%.
Rysunek 2. przedstawia głębokość rytowania jako funkcję mocy przez cztery przejścia przy 25 mm/s dla pojedynczego impulsu (a, górny panel) i różne konfiguracje ciągu impulsów (bd, środkowy i dolny panel). Dane pokazują, jak ciąg impulsów poprawia szybkość ablacji.
Wyniki te pokazują, że użycie ciągu impulsów znacznie zwiększyło szybkość ablacji. Wynik ten był oczekiwany i jest zgodny z wynikami uzyskanymi przy użyciu pikosekundowego przetwarzania ciągu impulsów laserowych w innych materiałach. Ponownie, próg ablacji zmniejsza się (zasadniczo logarytmicznie) wraz z liczbą impulsów zawartych w każdym ciągu impulsów. Sugeruje to, że wiele materiałów typowo „akumuluje się” pod wpływem napromieniowania wieloma impulsami.
Zarówno narzędzia do topografii powierzchni 3D, jak i 2D służą do dokładnego pomiaru głębokości rylca i jakości krawędzi. Obrazy uzyskane za pomocą skanującego interferometru światła białego pokazują dalsze szczegóły rylca (rysunek 3). Ponieważ powierzchnia jest gładka i wolna od zanieczyszczeń, laser pikosekundowy UV osiąga również inny pożądany rezultat: wysokiej jakości cięcie.
Rysunek 3. Wyniki znakowania uzyskane poprzez skanowanie interferometru światła białego potwierdzają, że pikosekundowy laser UV jest w stanie wykonywać czyste cięcia bez odprysków.
Dalszą jakościową ocenę rytowania można zobaczyć na poniższym rysunku 4. Pojedynczy obraz pokazuje serię rowków o głębokości 25 µm, które zostały wygenerowane sekwencyjnie za pomocą 1, 4, 8 i 12 ciągów impulsów. Średnia moc została dostosowana w razie potrzeby, aby uzyskać najlepsze wyniki w każdym przypadku. Cztery obrazy w górnym rzędzie są skupione na górnej powierzchni wafla. Cztery obrazy w dolnym rzędzie są skupione na dolnej powierzchni rytownika. Rysunki 4e-h pokazują wyraźne porównanie i progresję jakości cięcia jako funkcji liczby impulsów w każdym ciągu impulsów.
Rysunek 4. Obrazy zbliżeniowe górnej (dolnej, ad) i dolnej (eh) części wcięcia o głębokości 25-µm. W miarę wzrostu liczby impulsów w serii, różne wartości wcięć pokazują stałą poprawę jakości cięcia.
Odbarwienie wokół linii rysowania wskazuje na zmianę powierzchni lub materiału podłoża, która znika wraz ze wzrostem liczby impulsów. Im większa liczba impulsów, tym szybsza prędkość podawania i lepsze wyniki. Sugeruje to, że proces ten może być stosowany w celu zapewnienia odpowiedniej przepustowości i dobrej jakości w tym samym czasie.
Rysunek 5 poniżej przedstawia serię widoków o dużym powiększeniu wyrytych dolnych powierzchni, wszystkie wyryte w tych samych warunkach pracy lasera przy średniej mocy 16 W i prędkości przetwarzania netto 25 mm/s. Wyniki tego procesu pokazano na rysunku 5 poniżej. Głębokości wyrycia dla każdego stanu wahają się od 8 do 25 µm przy różnych wartościach impulsów. Ten widok o wyższej rozdzielczości podkreśla poprawę gładkości wraz ze wzrostem liczby impulsów. Dostosowanie wyjścia impulsowego zwiększa głębokość wyrycia o współczynnik trzykrotności, przy zachowaniu stałej średniej mocy i ogólnej prędkości przetwarzania.
Rysunek 5. Przetwarzanie za pomocą pikosekundowego lasera UV zapewnia doskonałą jakość krawędzi/powierzchni, co podkreśla zalety ciągów o większej liczbie impulsów (ad)
Udoskonalanie technologii
Przechodząc od teorii do praktyki, potencjał zastosowania laserów pikosekundowych UV do grawerowania płytek SiC jest demonstrowany przez możliwość wykorzystania wyjścia ciągu impulsów w celu poprawy jakości przetwarzania i zwiększenia szybkości przetwarzania. Potrzebne są dalsze badania w celu zmierzenia i oceny parametrów i wyników całkowitego cięcia płytek 340 µm.
W międzyczasie badamy możliwość wykorzystania pił mechanicznych, tradycyjnie używanych do rytowania płytek krzemowych, do obróbki SiC. Opublikowane wyniki pokazują, że ta metoda nadal ma ograniczoną prędkość posuwu i generuje duże ilości zanieczyszczeń, na przykład w przypadku wiórów o średnicy większej niż 10 µm.
Niemniej jednak piłowanie mechaniczne jest nadal powszechnie stosowaną metodą w przemyśle półprzewodnikowym, a każda alternatywna technologia musiałaby wykazać znaczące zalety pod względem przepustowości, wydajności i kosztów operacyjnych, aby uzyskać akceptację przemysłu. Chociaż uzyskane wyniki pikosekundowe UV muszą zostać jeszcze bardziej ulepszone pod względem całkowitego cięcia, możliwe są dalsze trwałe ulepszenia jako alternatywna technologia.
