Kako se propisi i okolišni faktori spajaju kako bi stvorili moćnu pokretačku snagu, industrija električnih vozila i njeni različiti segmenti lanca vrijednosti stvaraju procvatno polje inovacija. Današnji akumulatori za električna vozila (EV) rade na sve višim naponima, ponekad čak i do 800 V. Napon baterija raste, ali se povećava i napon baterija.
Prednosti većeg napona uključuju više konjskih snaga, veću efikasnost, veći domet i kraće vrijeme punjenja. Unutar vozila, energetska elektronika pretvara visoki DC napon u različite oblike koje zahtijevaju različiti sistemi. Na primjer, vučni motori zahtijevaju trofazno napajanje izmjeničnom strujom. Istovremeno, punjači za vozila dinamički prilagođavaju struju i napon.
Silicijum se trenutno široko koristi u mnogim oblastima potrošačke i energetske elektronike, ali je takođe postao usko grlo za njihovu nadogradnju. Energetska elektronika zasnovana na konvencionalnim silikonskim integrisanim kolima (IC) ne može ispravno da radi na visokim naponima, visokim temperaturama i visokim frekvencijama prebacivanja. Kao rezultat toga, proizvođači se moraju okrenuti alternativnim poluvodičkim materijalima kako bi u potpunosti iskoristili prednosti visokonaponskih baterija za električna vozila. Alternativni poluvodič koji najviše obećava je silicijum karbid (SiC). Ovaj materijal posjeduje svojstva koja ga čine idealnim za energetsku elektroniku EV, tako da je SiC ključ za poboljšanje performansi i dometa EV kako EV postaju sve popularnija.
Međutim, proizvodnja SiC uređaja ima svoje jedinstvene izazove. Mehanička, hemijska, elektronska i optička svojstva SiC-a značajno se razlikuju od onih silicijuma u oblastima u kojima dominiraju zreli procesi i uspostavljeni protokoli. Na primjer, SiC je jedan od najtvrđih poznatih materijala, uporediv s dijamantom, što otežava ispisivanje pločica tradicionalnim mehaničkim metodama kao što je piljenje, a također je krhki materijal koji se lako lomi prilikom piljenja. Osim toga, SiC brzo istroši listove pile, uključujući i one napravljene od tvrdog dijamanta, što zahtijeva čestu zamjenu ovog skupog potrošnog materijala. Samo piljenje je relativno spor proces, a stvorena toplota ima tendenciju da negativno utiče na svojstva materijala.
Kombinacija ovih problema stvara brojne prepreke za proizvođače električnih vozila, jer su mnogi uspostavljeni proizvodni procesi IC-a drugačiji, ili čak suprotni, od onih koji se koriste za SiC.
Rezanje na kockice od jednog kristala, ili rezanje vafla, je odličan primjer; mehaničko piljenje je primarna metoda za rezanje monokristalnih pločica silikona, ali nije univerzalno djelotvorno za SiC, a iako je lasersko rezanje monokristalnih kockica obećavajuće, zamjena materijala znači barem promjenu parametara procesa. Krajnji korisnici također moraju odrediti optimalni izvor svjetlosti za kockice SiC monokristala u usporedbi s tradicionalnim metodama koje koriste silicijum.
Slika.
Krupni plan mikroskopa pokazuje da UV pikosekundni impulsi u burst modu daju odličnu kvalitetu rubova bez većeg lomljenja. Konvencionalno mehaničko testerisanje ne može postići takve rezultate.
Kvalitetna ablacija pikosekundnim laserima
SiC uređaji se proizvode na isti način kao i konvencionalna silicijumska mikroelektronika: veliki broj pojedinačnih integrisanih kola se pravi na jednoj pločici, koja se zatim monokristalizira i reže u pojedinačne čipove, koji su potom spremni za pakovanje.
Prilikom rezanja lomljivih SiC pločica, važno je smanjiti ili potpuno eliminirati lomljenje rubova od mehaničkog piljenja. Isecanje monokristalnih kockica takođe treba da minimizira mehaničke promene u materijalu. Prioritet također treba dati minimiziranju širine ureza kako bi se ograničila veličina "prostora" (tj. praznog područja između susjednih kola) kako bi se maksimizirao broj čipova na svakoj pločici.
Inženjeri moraju odvagati ove faktore u odnosu na brzinu rezanja, propusnost i druge determinante koje utiču na troškove. Upotreba potrošnog materijala, kao što je upotreba rashladnih tečnosti i tečnosti za čišćenje tokom procesa rezanja, takođe treba da se uzme u obzir.
Ultrakratki pulsni laseri u rasponima širine pikosekunde i femtosekunde mogu se koristiti za visoko precizno rezanje i ablaciju mnogih različitih materijala, uključujući tvrde, prozirne i/ili krhke materijale. Prednosti obrade s ultra kratkim širinama impulsa uključuju minimalno ukupno zagrijavanje materijala i zanemarljivu zonu pod utjecajem topline (HAZ). Ovi izvori također pružaju poboljšani kvalitet rubova i smanjeno stvaranje krhotina u odnosu na druge vrste lasera.
Infracrveni izlaz većine pikosekundnih lasera može se udvostručiti frekvencijom kako bi se dobilo vidljivo zeleno ili ultraljubičasto svjetlo, dok se ultraljubičasta talasna dužina obično koristi za zahtjevne aplikacije. Izvori koji rade u ovom optičkom opsegu često mogu postići manje veličine žarišne tačke i povećanu dubinu fokusa ili Rayleighov opseg za datu veličinu tačke.
Ove karakteristike čine UV pikosekundne lasere poželjnim izborom za proizvodnju karakteristika visokog omjera širine i širine reza zbog preciznije kontrole dubine koja se može postići. Osim toga, veća dubina fokusa čini ove izvore lakšim za primjenu na sisteme za skeniranje galvanometara širokog polja. Ograničeni prodor UV svjetlosti dodatno smanjuje zonu zahvaćenu toplinom (HAZ).
Detaljna konfiguracija analiziranog eksperimenta
Međutim, postizanje većih prinosa sa kratkim širinama impulsa i kratkim talasnim dužinama je teško u svakom okruženju. Da bi se osigurali ponovljivi rezultati rezanja monokristala SiC, moraju se testirati različiti dizajni i parametri sistema. mks/Spectra-Physics je izveo seriju eksperimenata sa kockicama kako bi procijenio izglede za prednosti UV pikosekundnih lasera, kao što su manje veličine žarišne tačke i veće fokalne dubine. Ova ispitivanja su također nastojala postići veću lakoću obrade i manju zonu pod utjecajem topline (HAZ). Konačno, pored mjerenja tehničke i ekonomske izvodljivosti procesa, pokusi su osmišljeni da istraže kako različite postavke rafala mogu utjecati na rezultate.
U prvom krugu ispitivanja, uzorak 4H-SiC vafla debljine 340 µm obrađen je pomoću pikosekundnog lasera od 50 W, 355 nm. Laser ima maksimalnu energiju impulsa veću od 60µJ i isporučuje prosječnu snagu od 50 W na frekvencijama ponavljanja od 750 kHz do 1,25 MHz, sa maksimalnom radnom frekvencijom od 10 MHz. Testovi su sprovedeni na frekvencijama ponavljanja od 200 do 400 kHz kako bi se osiguralo da svi izlazni formati impulsa održavaju sličnu energiju impulsa i prosječne nivoe snage, omogućavajući direktno poređenje rezultata.
Pikosekundni laser se koristi sa dvoosnim galvanometarskim skenerom i f-theta objektivom od 330 mm žižne daljine. Veličina žarišne tačke na radnoj ravni je približno 30 µm (prečnik 1/e2). Skener radi pri brzinama u rasponu od 2 do 4 m/s, sa više prolaza po pisaču, i neto brzinama sečenja u rasponu od 12,5 do 25 mm/s. Laser korišten u ovim testovima podržava širok spektar primjena.
Laseri koji se koriste u ovim testovima podržavaju nizove impulsa: laser emituje niz blisko raspoređenih nizova podpulsa, nakon čega slijedi sljedeći niz impulsa nakon vremenskog intervala. Dobro je dokumentirano da nizovi impulsa mogu povećati stope ablacije i smanjiti hrapavost površine u mnogim situacijama obrade materijala.
Osim toga, laser korišten u testu podržava programabilne rafale. To znači da se broj impulsa u burstu, kao i amplituda i vremenski interval svakog impulsa u burstu, može kontrolisati. Osim toga, vremenski treperenje impulsnog niza je vrlo malo, što omogućava direktno postavljanje i pozicioniranje na radnu površinu sa velikom preciznošću, čak i pri vrlo velikim brzinama skeniranja. Ove fleksibilne mogućnosti pulsiranja omogućavaju nam da istražimo širok spektar procesa tokom testiranja.
Analiza rezultata
Slika 2 ispod prikazuje vrijednosti dubine pisača kao funkciju prosječne snage lasera za različite konfiguracije nizova impulsa u rasponu od jednog impulsa do 12 impulsa. U svakom testu napravljeno je ukupno 80 poteza na istoj lokaciji na materijalu. Položaj svakog niza impulsa na radnoj površini (ukupno preklapanje impulsa) bio je strogo kontroliran. U ovom slučaju efektivno prostorno preklapanje impulsa bilo je približno 84%.
Slika 2. prikazuje dubinu scribinga kao funkciju snage kroz četiri prolaza pri 25 mm/s za jedan impuls (a, gornji panel) i različite konfiguracije nizova impulsa (bd, srednji i donji paneli). Podaci pokazuju kako pulsni niz poboljšava stope ablacije.
Ovi rezultati pokazuju da je upotreba pulsnog niza uvelike povećala brzinu ablacije. Ovaj rezultat je očekivan i konzistentan je s rezultatima dobivenim primjenom pikosekundne obrade laserskih impulsnih nizova u drugim materijalima. Opet, prag ablacije se smanjuje (u suštini logaritamski) sa brojem impulsa sadržanim u svakom nizu impulsa. Ovo sugerira da se mnogi materijali obično "akumuliraju" pod višeimpulsnim zračenjem.
I 3D i 2D alati za topografiju površine koriste se za precizno mjerenje dubine pisača i kvaliteta rubova. Slike dobijene skenirajućim interferometrom bele svetlosti pokazuju dalje detalje urezivanja (slika 3). Budući da je površina glatka i bez ostataka, pikosekundni UV laser također postiže još jedan željeni rezultat: visokokvalitetan rez.
Slika 3. Rezultati scribinga dobijeni skeniranjem interferometra bijelog svjetla potvrđuju da je pikosekundni UV laser sposoban da napravi čiste rezove bez strugotina.
Dalja kvalitativna procjena pisanja može se vidjeti na slici 4 ispod. Jedna slika prikazuje seriju žljebova dubokih 25 µm koji su generirani uzastopno sa nizovima od 1, 4, 8 i 12 impulsa. Prosječna snaga je prilagođena prema potrebi kako bi se dobili najbolji rezultati u svakom slučaju. Četiri slike u gornjem redu fokusirane su na gornju površinu vafla. Četiri slike u donjem redu fokusirane su na donju površinu pisca. Slike 4e-h pokazuju jasno poređenje i napredovanje kvaliteta rezanja u funkciji broja impulsa u svakom nizu impulsa.
Slika 4. Slike u krupnom planu vrha (dno, oglas) i dna (eh) 25-µm dubokog zareza. Kako se broj impulsa u rafalu povećava, različite vrijednosti zareza pokazuju stalno poboljšanje kvaliteta rezanja.
Promjena boje oko linije pisača ukazuje na promjenu površine ili materijala podloge, koja nestaje kako se broj impulsa povećava. Što je veći broj impulsa, to je brži protok i bolji rezultati. Ovo sugerira da se proces može koristiti kako bi se osigurala adekvatna propusnost i dobar kvalitet u isto vrijeme.
Slika 5 ispod prikazuje seriju prikaza sa velikim uvećanjem ispisanih donjih površina, sve ispisanih pod istim uslovima rada lasera pri prosječnoj snazi od 16 W i neto brzini obrade od 25 mm/s. Rezultati ovog procesa prikazani su na slici 5 ispod. Dubina urezivanja za svako stanje se kreće od 8 do 25 µm pri različitim vrijednostima impulsa. Ovaj prikaz veće rezolucije naglašava poboljšanje glatkoće kako se broj impulsa povećava. Podešavanje impulsnog izlaza povećava dubinu scribinga za faktor tri dok održava prosječnu snagu i ukupnu brzinu obrade konstantnom.
Slika 5. Obrada pikosekundnim UV laserom rezultira odličnim kvalitetom rubova/površine, naglašavajući prednosti nizova većeg broja impulsa (ad)
Usavršavanje tehnologije
U napredovanju od teorije do prakse, potencijal za primjenu UV pikosekundnih lasera na scribe SiC pločice demonstriran je sposobnošću da se koristi izlaz impulsnog niza za poboljšanje kvaliteta obrade i povećanje brzine obrade. Dalja istraživanja su potrebna za mjerenje i procjenu parametara i rezultata kompletnog isjecanja 340 µm pločica.
U međuvremenu istražujemo upotrebu mehaničkih pila, koje se tradicionalno koriste za piskanje silikonskih pločica, za SiC. objavljeni rezultati pokazuju da ova metoda još uvijek pati od ograničenih brzina uvlačenja i stvara velike količine otpada, na primjer u čipovima većim od 10 µm.
Bez obzira na to, mehaničko testerisanje je i dalje uobičajena metoda u industriji poluprovodnika, a svaka alternativna tehnologija bi morala pokazati značajne prednosti u smislu propusnosti, prinosa i operativnih troškova kako bi bila prihvaćena u industriji. Iako dobijene UV pikosekundne rezultate treba dodatno poboljšati u smislu potpunog kockanja, moguća su daljnja trajna poboljšanja kao alternativna tehnologija.
