Hekk kif ir-regolamenti u l-fatturi ambjentali jikkonverġu biex joħolqu forza ta 'sewqan qawwija, l-industrija tal-vetturi elettriċi u s-segmenti varji tagħha tal-katina tal-valur qed joħolqu qasam ta' innovazzjoni li jiffjorixxi. Il-pakketti tal-batteriji tal-vetturi elettriċi (EV) tal-lum qed jaħdmu b'vultaġġi dejjem aktar ogħla, xi kultant għoli daqs 800 V. Il-vultaġġ tal-pakketti tal-batteriji qed jiżdied, iżda l-vultaġġ tal-pakketti tal-batteriji qed jiżdied ukoll.
Il-benefiċċji ta 'vultaġġ ogħla jinkludu aktar horsepower, effiċjenza ogħla, medda itwal, u ħinijiet iqsar ta' ċċarġjar. Ġewwa l-vettura, l-elettronika tal-enerġija tikkonverti l-vultaġġ għoli DC fil-forom differenti meħtieġa minn diversi sistemi. Pereżempju, muturi ta 'trazzjoni jeħtieġu enerġija AC bi tliet fażijiet. Fl-istess ħin, iċ-chargers tal-vetturi jaġġustaw dinamikament il-kurrent u l-vultaġġ.
Is-silikon bħalissa huwa użat ħafna f'ħafna oqsma tal-elettronika tal-konsumatur u tal-enerġija, iżda sar ukoll ostakolu għall-aġġornament tagħhom. L-elettronika tal-qawwa bbażata fuq ċirkwiti integrati (ICs) tas-silikon konvenzjonali ma tistax topera sew f'vultaġġi għoljin, temperaturi għoljin u frekwenzi ta 'swiċċjar għoljin. Bħala riżultat, il-manifatturi għandhom jirrikorru għal materjali semikondutturi alternattivi biex jieħdu vantaġġ sħiħ minn pakketti ta 'batteriji ta' vultaġġ għoli għal vetturi elettriċi. L-aktar semikonduttur alternattiv promettenti huwa karbur tas-silikon (SiC). Dan il-materjal jippossjedi proprjetajiet li jagħmluha ideali għall-elettronika tal-enerġija tal-EV, sabiex is-SiC huwa essenzjali għat-titjib tal-prestazzjoni u l-firxa tal-EV hekk kif l-EVs isiru aktar popolari.
Madankollu, il-manifattura tal-apparat tas-SiC għandha l-isfidi uniċi tagħha stess. Il-proprjetajiet mekkaniċi, kimiċi, elettroniċi u ottiċi tas-SiC ivarjaw b'mod sinifikanti minn dawk tas-silikon f'żoni fejn jippredominaw proċessi maturi u protokolli stabbiliti. Pereżempju, SiC huwa wieħed mill-aktar materjali iebsa magħrufa, komparabbli mad-djamant, li jagħmilha diffiċli biex jitniżżlu wejfers bl-użu ta 'metodi mekkaniċi tradizzjonali bħalma huma s-serrar, u huwa wkoll materjal fraġli li jinkiser faċilment meta jiġi sserrat. Barra minn hekk, SiC malajr jilbes xfafar tas-serrieq, inklużi dawk magħmula minn djamant iebes, li jeħtieġu sostituzzjoni frekwenti ta 'dan konsumabbli għaljin. Is-serrar innifsu huwa proċess relattivament bil-mod, u s-sħana ġġenerata għandha tendenza li taffettwa b'mod negattiv il-proprjetajiet tal-materjal.
Il-kombinazzjoni ta 'dawn il-kwistjonijiet toħloq numru ta' ostakli għall-manifatturi tal-vetturi elettriċi, peress li ħafna proċessi ta 'manifattura IC stabbiliti huma differenti, jew saħansitra l-oppost, minn dawk użati għas-SiC.
It-tqattigħ tal-kristall wieħed, jew it-tqattigħ tal-wejfer, huwa eżempju ewlieni; is-serrar mekkaniku huwa l-metodu primarju għat-tqattigħ ta 'kristall wieħed ta' wejfers tas-silikon, iżda mhuwiex universalment effettiv għas-SiC, u filwaqt li d-dicing ta 'kristall wieħed bil-lejżer huwa promettenti, is-sostituzzjoni tal-materjal tfisser mill-inqas tbiddel il-parametri tal-proċess. L-utenti aħħarin għandhom ukoll jiddeterminaw is-sors tad-dawl ottimali għal dicing ta 'kristall wieħed SiC meta mqabbel ma' metodi tradizzjonali li jużaw is-silikon.
Immaġni.
Mill-qrib ta 'mikroskopju juri li l-polz ta' pikosekonda UV fil-modalità tat-tifqigħ jipproduċu kwalità eċċellenti tat-tarf mingħajr tixlif kbir. Serrar mekkaniku konvenzjonali ma jistax jikseb riżultati bħal dawn.
Ablazzjoni ta 'kwalità b'lejżers picosecond
L-apparati tas-SiC huma fabbrikati bl-istess mod bħall-mikroelettronika tas-silikon konvenzjonali: numru kbir ta 'ċirkwiti integrati individwali huma magħmula fuq wejfer wieħed, li mbagħad jiġi kristallizzat wieħed u maqtugħ f'ċipep individwali, li mbagħad ikunu lesti għall-ippakkjar.
Meta taqta 'wejfers SiC fraġli, huwa importanti li jitnaqqas jew jiġi eliminat kompletament it-tixlif tat-tarf mis-serrar mekkaniku. Dicing ta 'kristall wieħed għandu wkoll jimminimizza l-bidliet mekkaniċi fil-materjal. Għandha tingħata wkoll prijorità biex timminimizza l-wisa 'tal-kerf biex tillimita d-daqs tal-"spazju" (jiġifieri, iż-żona vojta bejn iċ-ċirkwiti adjaċenti) biex timmassimizza n-numru ta' ċipep fuq kull wejfer.
L-inġiniera għandhom jiżnu dawn il-fatturi kontra l-veloċità tat-tqattigħ, il-fluss, u determinanti oħra li jħallu impatt fuq l-ispejjeż. L-użu ta 'konsumabbli, bħall-użu ta' likwidu li jkessaħ u fluwidi tat-tindif matul il-proċess tat-tqattigħ, jeħtieġ ukoll li jiġi kkunsidrat.
Lejżers tal-polz ultrashort fil-meded tal-wisa 'tal-polz picosecond u femtosecond jistgħu jintużaw għal qtugħ u ablazzjoni ta' preċiżjoni għolja ta 'ħafna materjali differenti, inklużi materjali iebsin, trasparenti u/jew fraġli. Il-benefiċċji tal-ipproċessar b'wisgħat tal-polz ultrashort jinkludu tisħin ġenerali minimu tal-materjal u żona affettwata bis-sħana negliġibbli (HAZ). Dawn is-sorsi jipprovdu wkoll kwalità tat-tarf imtejba u ġenerazzjoni mnaqqsa ta 'debris meta mqabbla ma' tipi oħra ta 'lejżers.
L-output infra-aħmar tal-biċċa l-kbira tal-lejżers picosecond jista 'jiġi rduppjat bil-frekwenza biex jipprovdi dawl aħdar jew ultravjola viżibbli, filwaqt li l-wavelength ultravjola tipikament jintuża għal applikazzjonijiet eżiġenti. Is-sorsi li joperaw f'din il-faxxa ottika spiss jistgħu jiksbu daqsijiet iżgħar tal-post fokali u żieda fil-fond tal-fokus jew firxa Rayleigh għal daqs tal-post partikolari.
Dawn il-karatteristiċi jagħmlu lejżers picosecond UV l-għażla ppreferuta għall-produzzjoni ta 'karatteristiċi ta' proporzjon ta 'aspett għoli u wisa' tal-kerf irqaq minħabba l-kontroll tal-fond aktar preċiż li jista 'jinkiseb. Barra minn hekk, il-fond akbar ta 'fokus jagħmel dawn is-sorsi aktar faċli biex jiġu applikati għal sistemi ta' skannjar tal-galvanometru ta 'kamp wiesa'. Il-penetrazzjoni limitata tad-dawl UV tkompli tnaqqas iż-żona affettwata bis-sħana (HAZ).
Konfigurazzjoni dettaljata tal-esperiment analizzat
Madankollu, il-kisba ta 'rendimenti ogħla b'wisa' ta 'polz qosra u wavelengths qosra hija diffiċli fi kwalunkwe ambjent. Biex jiġu żgurati riżultati riproduċibbli ta 'dicing ta' kristall wieħed SiC, għandhom jiġu ttestjati disinji u parametri tas-sistema differenti. mks/Spectra-Physics mexxa serje ta 'esperimenti ta' dicing biex jevalwaw il-prospetti għall-vantaġġi tal-lejżers tal-picosecond UV, bħal daqsijiet iżgħar ta 'spot fokali u fond fokali akbar. Dawn il-provi fittxew ukoll li jiksbu faċilità ta 'proċessar akbar, u żona iżgħar affettwata bis-sħana (HAZ). Fl-aħħarnett, minbarra l-kejl tal-fattibilità teknika u ekonomika tal-proċess, il-provi kienu ddisinjati biex jinvestigaw kif diversi settings tal-fqigħ jistgħu jaffettwaw ir-riżultati.
Fl-ewwel rawnd ta’ testijiet, kampjun ta’ wejfer 4H-SiC ta’ ħxuna ta’ 340 µm ġie pproċessat bl-użu ta’ laser pikosecond ta’ 50 W, 355 nm. Il-laser għandu enerġija tal-polz massima akbar minn 60µJ u jagħti qawwa medja ta '50 W fi frekwenzi ta' ripetizzjoni minn 750 kHz sa 1.25 MHz, bi frekwenza operattiva massima ta '10 MHz. It-testijiet saru fi frekwenzi ta 'ripetizzjoni minn 200 sa 400 kHz biex jiġi żgurat li l-formati kollha tal-output tal-polz żammew enerġija tal-polz simili u livelli ta' qawwa medji, li jippermettu paragun dirett tar-riżultati.
Il-lejżer picosecond jintuża ma 'skaner galvanometru b'assi doppju u objettiv f-theta ta' tul fokali ta '330 mm. Id-daqs tal-post fokali fuq il-pjan tax-xogħol huwa bejn wieħed u ieħor 30 µm (dijametru 1/e2). L-iskaner jopera b'veloċitajiet li jvarjaw minn 2 sa 4 m/s, b'passes multipli għal kull scribe, u veloċitajiet ta 'qtugħ nett li jvarjaw minn 12.5 sa 25 mm/s. Il-lejżer użat f'dawn it-testijiet appoġġa firxa wiesgħa ta 'applikazzjonijiet.
Il-lejżers użati f'dawn it-testijiet jappoġġjaw ferroviji tal-polz: il-laser jarmi serje ta 'ferroviji sub-polz spazjati mill-qrib, segwiti mill-ferrovija tal-polz li jmiss wara intervall ta' ħin. Ġie dokumentat sew li l-ferroviji tal-polz jistgħu jżidu r-rati tal-ablazzjoni u jnaqqsu l-ħruxija tal-wiċċ f'ħafna sitwazzjonijiet ta 'proċessar tal-materjal.
Barra minn hekk, il-lejżer użat fit-test jappoġġja tfaqqiegħ programmabbli. Dan ifisser li n-numru ta 'impulsi fil-fqigħ, kif ukoll l-amplitudni u l-intervall tal-ħin ta' kull polz fil-fqigħ, huwa kontrollabbli. Barra minn hekk, il-jitter tal-ħin tal-ħin tal-ferrovija tal-polz huwa baxx ħafna, li jippermetti t-tqegħid dirett u l-ippożizzjonar fuq il-wiċċ tax-xogħol bi preċiżjoni għolja, anke b'veloċitajiet ta 'skanjar veloċi ħafna. Dawn il-kapaċitajiet ta 'pulsing flessibbli jippermettulna nesploraw firxa wiesgħa ta' spazju tal-proċess waqt l-ittestjar.
Analiżi tar-riżultati
Il-Figura 2 hawn taħt turi l-valuri tal-fond tal-iskribu bħala funzjoni tal-qawwa medja tal-lejżer għal diversi konfigurazzjonijiet ta 'sekwenza tal-polz li jvarjaw minn polz wieħed sa 12-il impuls. F'kull test, total ta' 80 puplesija saru fl-istess post fuq il-materjal. Il-pożizzjoni ta 'kull ferrovija tal-polz fuq il-wiċċ tax-xogħol (koinċidenza totali tal-polz) kienet ikkontrollata b'mod strett. F'dan il-każ, il-koinċidenza spazjali effettiva tal-impulsi kienet ta 'madwar 84%.
Figura 2. turi l-fond tal-iskring bħala funzjoni ta 'qawwa permezz ta' erba 'passes f'25 mm/s għal polz wieħed (a, pannell ta' fuq) u konfigurazzjonijiet varji ta 'sekwenza tal-polz (bd, pannelli tan-nofs u tal-qiegħ). Id-dejta turi kif is-sekwenza tal-polz ittejjeb ir-rati tal-ablazzjoni.
Dawn ir-riżultati juru li l-użu tal-istring tal-polz żied ħafna r-rata tal-ablazzjoni. Dan ir-riżultat kien mistenni u huwa konsistenti mar-riżultati miksuba bl-użu ta 'picosecond laser polz string ipproċessar f'materjali oħra. Għal darb'oħra, il-limitu tal-ablazzjoni jonqos (essenzjalment logaritmikament) bin-numru ta 'impulsi li jinsabu f'kull ferrovija tal-polz. Dan jissuġġerixxi li ħafna materjali tipikament "jakkumulaw" taħt irradjazzjoni b'ħafna impulsi.
Kemm għodod tat-topografija tal-wiċċ 3D kif ukoll 2D jintużaw biex ikejlu b'mod preċiż il-fond tal-iskriva u l-kwalità tat-tarf. Immaġini miksuba b'interferometru tad-dawl abjad tal-iskannjar juru aktar dettalji tal-iskrizzjoni (Figura 3). Minħabba li l-wiċċ huwa lixx u ħieles minn debris, il-lejżer UV picosecond jikseb ukoll riżultat mixtieq ieħor: qatgħa ta 'kwalità għolja.
Figura 3. Ir-riżultati tal-iskrizzjoni miksuba bl-iskannjar tal-interferometru tad-dawl abjad jikkonfermaw li l-lejżer UV picosecond huwa kapaċi jagħmel qatgħat nodfa u mingħajr ċippa.
Valutazzjoni kwalitattiva oħra tal-iskrizzjoni tista' tidher fil-Figura 4 hawn taħt. Immaġni waħda turi serje ta' skanalaturi fil-fond ta' 25 µm li ġew iġġenerati b'mod sekwenzjali b'1, 4, 8 u 12-il ferrovija tal-polz. Il-qawwa medja ġiet aġġustata kif meħtieġ biex jinkisbu l-aħjar riżultati f'kull każ. L-erba 'immaġini fir-ringiela ta' fuq huma ffukati fuq il-wiċċ ta 'fuq tal-wejfer. L-erba 'immaġini fir-ringiela ta' isfel huma ffokati fuq il-wiċċ ta 'isfel tal-iskriva. Figuri 4e-h juru paragun ċar u progressjoni tal-kwalità tal-qatgħa bħala funzjoni tan-numru ta 'impulsi f'kull ferrovija tal-polz.
Figura 4. Immaġini mill-qrib tan-naħa ta' fuq (qiegħ, ad) u t'isfel (eh) tal-talja profonda ta' 25-µm. Hekk kif in-numru ta 'impulsi fil-fqigħ jiżdied, il-valuri differenti ta' talji juru titjib kostanti fil-kwalità tal-qatgħa.
Il-kulur madwar il-linja tal-iskriva jindika bidla fil-materjal tal-wiċċ jew tas-sottostrat, li tisparixxi hekk kif in-numru ta 'impulsi jiżdied. Iktar ma jkun għoli n-numru ta 'impulsi, aktar mgħaġġla tkun ir-rata tal-għalf u aħjar ir-riżultati. Dan jissuġġerixxi li l-proċess jista 'jintuża biex jiżgura throughput adegwat u kwalità tajba fl-istess ħin.
Il-Figura 5 hawn taħt turi serje ta 'veduti ta' ingrandiment għoli tal-uċuħ tal-qiegħ skritti, kollha skritti taħt l-istess kundizzjonijiet operattivi tal-lejżer b'qawwa medja ta '16 W u veloċità netta ta' pproċessar ta '25 mm/s. Ir-riżultati ta 'dan il-proċess huma murija fil-Figura 5 hawn taħt. Il-fond ta' skrining għal kull kundizzjoni jvarjaw minn 8 sa 25 µm f'valuri ta' polz differenti. Din il-fehma ta 'riżoluzzjoni ogħla tenfasizza t-titjib fl-intoppi hekk kif in-numru ta' impulsi jiżdied. L-aġġustament tal-output tal-polz iżid il-fond tal-iskrizzjoni b'fattur ta 'tlieta filwaqt li jżomm il-qawwa medja u l-veloċità tal-ipproċessar ġenerali kostanti.
Figura 5. L-ipproċessar b'lejżer UV picosecond jirriżulta fi kwalità eċċellenti tat-tarf/tal-wiċċ, li jenfasizza l-vantaġġi ta 'kordi tal-għadd tal-polz ogħla (ad)
Jipperfezzjonaw it-teknoloġija
Fl-avvanz mit-teorija għall-prattika, il-potenzjal għall-applikazzjoni tal-lejżers tal-pikosekondi UV biex jitniżżlu l-wejfers tas-SiC huwa muri mill-abbiltà li tutilizza l-output tal-istring tal-polz biex ittejjeb il-kwalità tal-ipproċessar u żżid il-veloċità tal-ipproċessar. Hemm bżonn ta' aktar esplorazzjoni biex jitkejlu u jiġu evalwati l-parametri u r-riżultati tat-tqattigħ komplet ta' wejfers ta' 340 µm.
Sadanittant, qed ninvestigaw l-użu ta 'srieraq mekkaniċi, tradizzjonalment użati għall-iskrizzjoni ta' wejfers tas-silikon, għas-SiC. riżultati ppubblikati juru li dan il-metodu għadu jbati minn rati ta' għalf limitati u jiġġenera ammonti kbar ta' debris, pereżempju f'ċipep akbar minn 10 µm.
Madankollu, is-serrar mekkaniku għadu metodu użat b'mod komuni fl-industrija tas-semikondutturi, u kwalunkwe teknoloġija alternattiva jkollha bżonn turi vantaġġi sinifikanti f'termini ta 'throughput, rendiment, u spejjeż operattivi biex tikseb l-aċċettazzjoni tal-industrija. Għalkemm ir-riżultati tal-pikosekonda UV miksuba jeħtieġ li jittejbu aktar f'termini ta 'dicing komplet, aktar titjib sostnut huwa possibbli bħala teknoloġija alternattiva.
