Apabila peraturan dan faktor persekitaran bersatu untuk mewujudkan daya penggerak yang kuat, industri kenderaan elektrik dan pelbagai segmen rantaian nilainya sedang mencipta bidang inovasi yang berkembang pesat. Pek bateri kenderaan elektrik (EV) hari ini berjalan pada voltan yang semakin tinggi, kadangkala setinggi 800 V. Voltan pek bateri semakin meningkat, tetapi voltan pek bateri juga semakin meningkat.
Faedah voltan yang lebih tinggi termasuk lebih banyak kuasa kuda, kecekapan yang lebih tinggi, julat yang lebih panjang dan masa pengecasan yang lebih pendek. Di dalam kenderaan, elektronik kuasa menukar voltan DC tinggi ke dalam bentuk berbeza yang diperlukan oleh pelbagai sistem. Sebagai contoh, motor daya tarikan memerlukan kuasa AC tiga fasa. Pada masa yang sama, pengecas kenderaan melaraskan arus dan voltan secara dinamik.
Silikon pada masa ini digunakan secara meluas dalam banyak bidang elektronik pengguna dan kuasa, tetapi ia juga telah menjadi hambatan untuk peningkatan mereka. Elektronik kuasa berdasarkan litar bersepadu (IC) silikon konvensional tidak boleh beroperasi dengan betul pada voltan tinggi, suhu tinggi dan frekuensi pensuisan tinggi. Akibatnya, pengeluar mesti beralih kepada bahan semikonduktor alternatif untuk memanfaatkan sepenuhnya pek bateri voltan tinggi untuk kenderaan elektrik. Semikonduktor alternatif yang paling menjanjikan ialah silikon karbida (SiC). Bahan ini mempunyai sifat yang menjadikannya sesuai untuk elektronik kuasa EV, supaya SiC adalah kunci untuk meningkatkan prestasi dan julat EV apabila EV menjadi lebih popular.
Walau bagaimanapun, pembuatan peranti SiC mempunyai cabaran uniknya sendiri. Sifat mekanikal, kimia, elektronik dan optik SiC berbeza dengan ketara daripada silikon di kawasan di mana proses matang dan protokol yang ditetapkan mendominasi. Sebagai contoh, SiC adalah salah satu bahan yang paling sukar diketahui, setanding dengan berlian, menjadikannya sukar untuk melukis wafer menggunakan kaedah mekanikal tradisional seperti menggergaji, dan ia juga merupakan bahan rapuh yang mudah pecah apabila digergaji. Di samping itu, SiC cepat haus mata gergaji, termasuk yang diperbuat daripada berlian keras, memerlukan penggantian kerap bahan habis pakai yang mahal ini. Menggergaji itu sendiri adalah proses yang agak perlahan, dan haba yang dihasilkan cenderung menjejaskan sifat bahan secara negatif.
Gabungan isu-isu ini mewujudkan beberapa halangan untuk pengeluar kenderaan elektrik, kerana banyak proses pembuatan IC yang telah ditetapkan adalah berbeza, malah sebaliknya, daripada yang digunakan untuk SiC.
Pemisahan hablur tunggal, atau penghirisan wafer, adalah contoh utama; menggergaji mekanikal adalah kaedah utama untuk pemotongan kristal tunggal wafer silikon, tetapi ia tidak berkesan secara universal untuk SiC, dan sementara pemotongan kristal tunggal laser menjanjikan, menggantikan bahan bermakna sekurang-kurangnya mengubah parameter proses. Pengguna akhir juga mesti menentukan sumber cahaya optimum untuk dadu kristal tunggal SiC berbanding kaedah tradisional menggunakan silikon.
Imej.
Gambar jarak dekat mikroskop menunjukkan bahawa denyutan picosecond UV dalam mod pecah menghasilkan kualiti kelebihan yang sangat baik tanpa serpihan besar. Penggergajian mekanikal konvensional tidak dapat mencapai hasil sedemikian.
Ablasi berkualiti dengan laser picosecond
Peranti SiC direka dengan cara yang sama seperti mikroelektronik silikon konvensional: sebilangan besar litar bersepadu individu dibuat pada wafer tunggal, yang kemudiannya dihablur tunggal dan dipotong menjadi cip individu, yang kemudiannya sedia untuk pembungkusan.
Apabila memotong wafer SiC yang rapuh, adalah penting untuk mengurangkan atau menghapuskan sepenuhnya serpihan tepi daripada menggergaji mekanikal. Potongan kristal tunggal juga harus meminimumkan perubahan mekanikal dalam bahan. Keutamaan juga harus diberikan untuk meminimumkan lebar kerf untuk mengehadkan saiz "ruang" (iaitu, kawasan kosong antara litar bersebelahan) untuk memaksimumkan bilangan cip pada setiap wafer.
Jurutera mesti mempertimbangkan faktor-faktor ini terhadap kelajuan dadu, daya pemprosesan dan penentu lain yang memberi kesan kos. Penggunaan bahan habis pakai, seperti penggunaan bahan penyejuk dan cecair pembersih semasa proses memotong dadu, juga perlu diambil kira.
Laser nadi ultrashort dalam julat lebar nadi picosecond dan femtosecond boleh digunakan untuk pemotongan ketepatan tinggi dan ablasi pelbagai bahan, termasuk bahan keras, lutsinar dan/atau rapuh. Faedah pemprosesan dengan lebar nadi ultrashort termasuk pemanasan keseluruhan minimum bahan dan zon terjejas haba yang boleh diabaikan (HAZ). Sumber ini juga memberikan kualiti kelebihan yang lebih baik dan penjanaan serpihan yang berkurangan berbanding jenis laser lain.
Output inframerah kebanyakan laser picosecond boleh digandakan frekuensi untuk memberikan cahaya hijau atau ultraviolet yang boleh dilihat, manakala panjang gelombang ultraviolet biasanya digunakan untuk aplikasi yang menuntut. Sumber yang beroperasi dalam jalur optik ini selalunya boleh mencapai saiz titik fokus yang lebih kecil dan meningkatkan kedalaman fokus atau julat Rayleigh untuk saiz titik tertentu.
Ciri-ciri ini menjadikan laser picosecond UV sebagai pilihan utama untuk menghasilkan ciri nisbah aspek yang tinggi dan lebar kerf yang lebih nipis kerana kawalan kedalaman yang lebih tepat yang boleh dicapai. Selain itu, kedalaman fokus yang lebih besar menjadikan sumber ini lebih mudah digunakan pada sistem pengimbasan galvanometer medan lebar. Penembusan cahaya UV yang terhad mengurangkan lagi zon terjejas haba (HAZ).
Konfigurasi terperinci bagi eksperimen yang dianalisis
Walau bagaimanapun, untuk mencapai hasil yang lebih tinggi dengan lebar nadi yang pendek dan panjang gelombang yang pendek adalah sukar dalam mana-mana persekitaran. Untuk memastikan hasil dadu kristal tunggal SiC yang boleh dihasilkan semula, reka bentuk dan parameter sistem yang berbeza mesti diuji. mks/Spectra-Physics menjalankan satu siri eksperimen dadu untuk menilai prospek kelebihan laser picosecond UV, seperti saiz titik fokus yang lebih kecil dan kedalaman fokus yang lebih besar. Percubaan ini juga berusaha untuk mencapai kemudahan pemprosesan yang lebih besar, dan zon terjejas haba yang lebih kecil (HAZ). Akhir sekali, selain mengukur kebolehlaksanaan teknikal dan ekonomi proses itu, ujian telah direka untuk menyiasat bagaimana pelbagai tetapan pecah mungkin mempengaruhi keputusan.
Dalam ujian pusingan pertama, sampel wafer 4H-SiC setebal 340 µm telah diproses menggunakan laser picosecond 50 W, 355 nm. Laser mempunyai tenaga nadi maksimum lebih besar daripada 60µJ dan menyampaikan kuasa purata 50 W pada frekuensi pengulangan dari 750 kHz hingga 1.25 MHz, dengan frekuensi operasi maksimum 10 MHz. Ujian telah dijalankan pada frekuensi pengulangan dari 200 hingga 400 kHz untuk memastikan semua format output nadi mengekalkan tenaga nadi dan tahap kuasa purata yang sama, membolehkan perbandingan langsung keputusan.
Laser picosecond digunakan dengan pengimbas galvanometer dwi paksi dan objektif f-theta panjang fokus 330 mm. Saiz titik fokus pada satah kerja adalah lebih kurang 30 µm (diameter 1/e2). Pengimbas beroperasi pada kelajuan antara 2 hingga 4 m/s, dengan berbilang hantaran setiap pentulis, dan kelajuan pemotongan bersih antara 12.5 hingga 25 mm/s. Laser yang digunakan dalam ujian ini menyokong pelbagai aplikasi.
Laser yang digunakan dalam ujian ini menyokong kereta api nadi: laser memancarkan satu siri kereta api sub-nadi jarak rapat, diikuti dengan kereta api nadi seterusnya selepas selang masa. Telah didokumentasikan dengan baik bahawa kereta api nadi boleh meningkatkan kadar ablasi dan mengurangkan kekasaran permukaan dalam banyak situasi pemprosesan bahan.
Selain itu, laser yang digunakan dalam ujian menyokong letupan boleh atur cara. Ini bermakna bilangan denyutan dalam letusan, serta amplitud dan selang masa setiap nadi dalam letusan, boleh dikawal. Di samping itu, jitter masa pemasaan kereta nadi adalah sangat rendah, membolehkan penempatan terus dan kedudukan pada permukaan kerja dengan ketepatan yang tinggi, walaupun pada kelajuan pengimbasan yang sangat pantas. Keupayaan berdenyut fleksibel ini membolehkan kami meneroka pelbagai ruang proses semasa ujian.
Analisis keputusan
Rajah 2 di bawah menunjukkan nilai kedalaman scribe sebagai fungsi purata kuasa laser untuk pelbagai konfigurasi rentetan nadi antara nadi tunggal hingga 12 nadi. Dalam setiap ujian, sejumlah 80 pukulan dibuat di lokasi yang sama pada bahan. Kedudukan setiap kereta api nadi pada permukaan kerja (jumlah pertindihan nadi) dikawal ketat. Dalam kes ini, pertindihan spatial berkesan bagi denyutan adalah kira-kira 84%.
Rajah 2. menunjukkan kedalaman scribing sebagai fungsi kuasa melalui empat pas pada 25 mm/s untuk satu nadi (a, panel atas) dan pelbagai konfigurasi rentetan nadi (panel bd, tengah dan bawah). Data menunjukkan bagaimana rentetan nadi meningkatkan kadar ablasi.
Keputusan ini menunjukkan bahawa penggunaan rentetan nadi telah meningkatkan kadar ablasi. Keputusan ini dijangka dan konsisten dengan keputusan yang diperoleh menggunakan pemprosesan rentetan nadi laser picosecond dalam bahan lain. Sekali lagi, ambang ablasi berkurangan (pada asasnya secara logaritma) dengan bilangan denyutan yang terkandung dalam setiap kereta api nadi. Ini menunjukkan bahawa banyak bahan biasanya "terkumpul" di bawah penyinaran pelbagai nadi.
Kedua-dua alat topografi permukaan 3D dan 2D digunakan untuk mengukur kedalaman dan kualiti tepi dengan tepat. Imej yang diperolehi dengan interferometer cahaya putih mengimbas menunjukkan butiran lanjut tentang scribing (Rajah 3). Kerana permukaannya licin dan bebas daripada serpihan, laser UV picosecond juga mencapai hasil lain yang diingini: potongan berkualiti tinggi.
Rajah 3. Keputusan scribing yang diperolehi dengan mengimbas interferometer cahaya putih mengesahkan bahawa laser UV picosecond mampu membuat potongan yang bersih dan bebas cip.
Penilaian kualitatif selanjutnya tentang scribing boleh dilihat dalam Rajah 4 di bawah. Satu imej menunjukkan satu siri alur dalam 25 µm yang dijana secara berurutan dengan 1, 4, 8 dan 12 kereta api nadi. Kuasa purata telah dilaraskan mengikut keperluan untuk mendapatkan hasil terbaik dalam setiap kes. Empat imej dalam baris atas difokuskan pada permukaan atas wafer. Empat imej di baris bawah tertumpu pada permukaan bawah juru tulis. Rajah 4e-h menunjukkan perbandingan yang jelas dan perkembangan kualiti potong sebagai fungsi bilangan denyutan dalam setiap kereta api nadi.
Rajah 4. Imej dekat bahagian atas (bawah, iklan) dan bawah (eh) takuk dalam 25-µm. Apabila bilangan denyutan dalam letusan meningkat, nilai takik yang berbeza menunjukkan peningkatan yang mantap dalam kualiti potongan.
Perubahan warna di sekeliling garisan tulis menunjukkan perubahan pada permukaan atau bahan substrat, yang hilang apabila bilangan denyutan meningkat. Lebih tinggi bilangan denyutan, lebih cepat kadar suapan dan lebih baik hasilnya. Ini menunjukkan bahawa proses itu boleh digunakan untuk memastikan daya pengeluaran yang mencukupi dan kualiti yang baik pada masa yang sama.
Rajah 5 di bawah menunjukkan satu siri pandangan pembesaran tinggi bagi permukaan bawah yang dicoret, semuanya dicoret di bawah keadaan operasi laser yang sama pada kuasa purata 16 W dan kelajuan pemprosesan bersih 25 mm/s. Keputusan proses ini ditunjukkan dalam Rajah 5 di bawah. Kedalaman scribing untuk setiap keadaan berjulat antara 8 hingga 25 µm pada nilai nadi yang berbeza. Paparan resolusi yang lebih tinggi ini menyerlahkan peningkatan dalam kelancaran apabila bilangan denyutan meningkat. Melaraskan output nadi meningkatkan kedalaman scribing dengan faktor tiga sambil mengekalkan kuasa purata dan kelajuan pemprosesan keseluruhan malar.
Rajah 5. Pemprosesan dengan laser UV picosaat menghasilkan kualiti tepi/permukaan yang sangat baik, menonjolkan kelebihan rentetan kiraan nadi yang lebih tinggi (iklan)
Menyempurnakan teknologi
Dalam memajukan daripada teori kepada amalan, potensi untuk menggunakan laser picosecond UV untuk menulis wafer SiC ditunjukkan dengan keupayaan untuk menggunakan output rentetan nadi untuk meningkatkan kualiti pemprosesan dan meningkatkan kelajuan pemprosesan. Penerokaan lanjut diperlukan untuk mengukur dan menilai parameter dan keputusan dadu lengkap wafer 340 µm.
Sementara itu, kami sedang menyiasat penggunaan gergaji mekanikal, yang digunakan secara tradisional untuk mencoret wafer silikon, untuk SiC. keputusan yang diterbitkan menunjukkan bahawa kaedah ini masih mengalami kadar suapan yang terhad dan menghasilkan sejumlah besar serpihan, contohnya dalam cip yang lebih besar daripada 10 µm.
Walau bagaimanapun, menggergaji mekanikal masih merupakan kaedah yang biasa digunakan dalam industri semikonduktor, dan mana-mana teknologi alternatif perlu menunjukkan kelebihan yang ketara dari segi pemprosesan, hasil dan kos operasi untuk mendapatkan penerimaan industri. Walaupun keputusan picosecond UV yang diperolehi perlu dipertingkatkan lagi dari segi dicing lengkap, penambahbaikan berterusan boleh dilakukan sebagai teknologi alternatif.
