У міру того, як нормативні акти та чинники навколишнього середовища об’єднуються, створюючи потужну рушійну силу, індустрія електромобілів та її різні сегменти ланцюжка створення вартості створюють квітуче поле інновацій. Сучасні акумуляторні батареї для електромобілів (EV) працюють при все більш високій напрузі, іноді до 800 В. Напруга акумуляторних блоків зростає, але напруга акумуляторних блоків також зростає.
Переваги вищої напруги включають більшу потужність, вищу ефективність, довший радіус дії та коротший час заряджання. Всередині автомобіля силова електроніка перетворює високу напругу постійного струму в різні форми, необхідні для різних систем. Наприклад, тягові двигуни вимагають трифазного змінного струму. У той же час автомобільні зарядні пристрої динамічно регулюють струм і напругу.
Кремній в даний час широко використовується в багатьох областях споживчої та силової електроніки, але він також став вузьким місцем для їх модернізації. Силова електроніка на основі звичайних кремнієвих інтегральних схем (ІС) не може належним чином працювати при високих напругах, високих температурах і високих частотах перемикання. У результаті виробники повинні звернутися до альтернативних напівпровідникових матеріалів, щоб повною мірою скористатися перевагами високовольтних акумуляторних блоків для електромобілів. Найперспективнішим альтернативним напівпровідником є карбід кремнію (SiC). Цей матеріал має властивості, які роблять його ідеальним для силової електроніки електромобілів, тому SiC є ключовим фактором для покращення продуктивності та запасу ходу електромобілів, оскільки електромобілі стають все більш популярними.
Однак виробництво пристроїв із SiC має свої унікальні проблеми. Механічні, хімічні, електронні та оптичні властивості SiC значно відрізняються від властивостей кремнію в областях, де переважають зрілі процеси та встановлені протоколи. Наприклад, SiC є одним із найтвердіших відомих матеріалів, який можна порівняти з алмазом, що ускладнює різання пластин за допомогою традиційних механічних методів, таких як пиляння, а також це крихкий матеріал, який легко ламається під час розпилювання. Крім того, SiC швидко зношує пильні диски, в тому числі виготовлені з твердого алмазу, що вимагає частої заміни цього дорогого витратного матеріалу. Розпилювання саме по собі є відносно повільним процесом, і виділене тепло має тенденцію негативно впливати на властивості матеріалу.
Поєднання цих проблем створює низку перешкод для виробників електромобілів, оскільки багато встановлених процесів виробництва мікросхем відрізняються або навіть протилежні тим, що використовуються для SiC.
Яскравим прикладом є монокристалічна нарізка, або нарізка пластин; механічне розпилювання є основним методом для монокристалічного різання кремнієвих пластин, але воно не є універсальним для SiC, і хоча лазерне різання монокристалів є перспективним, заміна матеріалу означає принаймні зміну параметрів процесу. Кінцеві користувачі також повинні визначити оптимальне джерело світла для нарізання монокристалів SiC порівняно з традиційними методами з використанням кремнію.
Зображення.
Розгляд мікроскопа великим планом показує, що пікосекундні УФ-імпульси в режимі серії забезпечують чудову якість краю без значних сколів. Звичайне механічне пиляння не може досягти таких результатів.
Якісна абляція пікосекундними лазерами
Пристрої з SiC виготовляються так само, як і звичайна кремнієва мікроелектроніка: велика кількість окремих інтегральних схем виготовляється на одній пластині, яка потім монокристалізується та розрізається на окремі мікросхеми, які потім готуються для упаковки.
Під час різання крихких пластин SiC важливо зменшити або повністю усунути відколи країв від механічного розпилювання. Нарізка монокристалів також повинна мінімізувати механічні зміни в матеріалі. Пріоритет також слід надавати мінімізації ширини пропилу, щоб обмежити розмір «простору» (тобто порожньої області між суміжними контурами), щоб максимізувати кількість мікросхем на кожній пластині.
Інженери повинні порівняти ці фактори зі швидкістю нарізання, пропускною спроможністю та іншими факторами, що впливають на вартість. Також слід враховувати використання витратних матеріалів, таких як використання охолоджувальних рідин і очисних рідин під час процесу нарізання.
Лазери з ультракороткими імпульсами в пікосекундному та фемтосекундному діапазонах імпульсів можна використовувати для високоточного різання та абляції багатьох різних матеріалів, включаючи тверді, прозорі та/або крихкі матеріали. Переваги обробки з ультракороткими імпульсами включають мінімальний загальний нагрів матеріалу та незначну зону теплового впливу (HAZ). Ці джерела також забезпечують покращену якість країв і зменшують утворення сміття порівняно з іншими типами лазерів.
Інфрачервоний вихід більшості пікосекундних лазерів можна подвоїти для забезпечення видимого зеленого або ультрафіолетового світла, тоді як ультрафіолетова довжина хвилі зазвичай використовується для вимогливих додатків. Джерела, що працюють у цьому оптичному діапазоні, часто можуть досягати менших розмірів фокусної плями та збільшеної глибини фокусу або діапазону Релея для певного розміру плями.
Ці характеристики роблять УФ-пікосекундні лазери кращим вибором для створення елементів із високим співвідношенням сторін і меншою шириною пропилу завдяки більш точному контролю глибини, якого можна досягти. Крім того, більша глибина фокусу робить ці джерела легшими для застосування в широкопольних гальванометричних системах сканування. Обмежене проникнення ультрафіолетового світла додатково зменшує зону теплового впливу (HAZ).
Детальна конфігурація аналізованого експерименту
Однак досягти вищої продуктивності з короткою шириною імпульсу та короткою довжиною хвилі важко в будь-якому середовищі. Для забезпечення відтворюваних результатів нарізання монокристалів SiC необхідно протестувати різні конструкції та параметри системи. Компанія mks/Spectra-Physics провела серію експериментів із кубиками, щоб оцінити перспективи переваг УФ-пікосекундних лазерів, таких як менші розміри фокусної плями та більша глибина фокусу. Ці випробування також мали на меті досягти більшої легкості обробки та меншої зони теплового впливу (HAZ). Нарешті, окрім вимірювання технічної та економічної здійсненності процесу, випробування були розроблені, щоб дослідити, як різні параметри вибуху можуть вплинути на результати.
У першому раунді випробувань зразок пластини 4H-SiC товщиною 340 мкм був оброблений за допомогою пікосекундного лазера потужністю 50 Вт і 355 нм. Лазер має максимальну імпульсну енергію понад 60 мкДж і забезпечує середню потужність 50 Вт на частотах повторення від 750 кГц до 1,25 МГц з максимальною робочою частотою 10 МГц. Випробування проводилися на частотах повторення від 200 до 400 кГц, щоб переконатися, що всі вихідні формати імпульсів зберігають однакову енергію імпульсу та середні рівні потужності, що дозволяє пряме порівняння результатів.
Пікосекундний лазер використовується з двовісним гальванометричним сканером і f-тета-об’єктивом із фокусною відстанню 330 мм. Розмір фокусної плями на робочій площині становить приблизно 30 мкм (діаметр 1/e2). Сканер працює на швидкостях від 2 до 4 м/с, з кількома проходами на один писець і чистою швидкістю різання в діапазоні від 12,5 до 25 мм/с. Лазер, який використовувався в цих тестах, підтримував широкий спектр застосувань.
Лазери, які використовуються в цих випробуваннях, підтримують серію імпульсів: лазер випромінює серію близько розташованих субімпульсів, за якими слідує наступна серія імпульсів через певний інтервал часу. Добре задокументовано, що серії імпульсів можуть збільшити швидкість абляції та зменшити шорсткість поверхні в багатьох ситуаціях обробки матеріалів.
Крім того, лазер, який використовується в тесті, підтримує програмовані сплески. Це означає, що кількість імпульсів у пакеті, а також амплітуда та часовий інтервал кожного імпульсу в пакеті можна контролювати. Крім того, тремтіння ланцюга імпульсів у часі є дуже низьким, що забезпечує пряме розміщення та позиціонування на робочій поверхні з високою точністю, навіть за дуже високих швидкостей сканування. Ці гнучкі можливості пульсації дозволяють нам досліджувати широкий діапазон процесу під час тестування.
Аналіз результатів
На рисунку 2 нижче показані значення глибини скрайбера як функція середньої потужності лазера для різних конфігурацій рядків імпульсів від одного до 12 імпульсів. У кожному тесті було зроблено в цілому 80 штрихів в тому самому місці матеріалу. Положення кожної серії імпульсів на робочій поверхні (загальне перекриття імпульсів) суворо контролювали. У цьому випадку ефективне просторове перекриття імпульсів становило приблизно 84%.
На малюнку 2 показано глибину скрайбінгу як функцію потужності через чотири проходи зі швидкістю 25 мм/с для одного імпульсу (a, верхня панель) і різних конфігурацій рядка імпульсів (bd, середня та нижня панелі). Дані показують, як ланцюжок імпульсів покращує швидкість абляції.
Ці результати показують, що використання імпульсної струни значно збільшило швидкість абляції. Цей результат був очікуваним і узгоджується з результатами, отриманими за допомогою обробки рядка пікосекундних лазерних імпульсів в інших матеріалах. Знову ж таки, поріг абляції зменшується (по суті логарифмічно) з кількістю імпульсів, що містяться в кожній серії імпульсів. Це свідчить про те, що багато матеріалів зазвичай «накопичуються» під час багатоімпульсного опромінення.
Інструменти для 3D- та 2D-топографії поверхні використовуються для точного вимірювання глибини різьблення та якості країв. Зображення, отримані скануючим інтерферометром білого світла, демонструють додаткові деталі скрайбінгу (рис. 3). Оскільки поверхня гладка та вільна від сміття, пікосекундний УФ-лазер також забезпечує ще один бажаний результат: високоякісний розріз.
Рисунок 3. Результати скрайбінгу, отримані під час сканування інтерферометра білого світла, підтверджують, що пікосекундний УФ-лазер здатний робити чисті розрізи без сколів.
Подальшу якісну оцінку скрайбінгу можна побачити на малюнку 4 нижче. На одному зображенні показано серію канавок глибиною 25 мкм, які були згенеровані послідовно за допомогою 1, 4, 8 і 12 серії імпульсів. Середню потужність регулювали за необхідності для отримання найкращих результатів у кожному випадку. Чотири зображення у верхньому рядку зосереджені на верхній поверхні пластини. Чотири зображення в нижньому рядку зосереджені на нижній поверхні писця. На рисунках 4e-h показано чітке порівняння та прогресування якості різання як функції кількості імпульсів у кожній серії імпульсів.
Малюнок 4. Збільшене зображення верхньої (нижньої частини, ad) і нижньої (eh) виїмки глибиною 25- мкм. У міру збільшення кількості імпульсів у пакеті різні значення надрізів демонструють постійне покращення якості різання.
Знебарвлення навколо лінії вказує на зміну матеріалу поверхні або підкладки, яке зникає зі збільшенням кількості імпульсів. Чим більше число імпульсів, тим швидше швидкість подачі і кращі результати. Це свідчить про те, що цей процес можна використовувати для забезпечення достатньої пропускної здатності та гарної якості одночасно.
На малюнку 5 нижче показана серія зображень із великим збільшенням нижніх поверхонь, на яких нанесено різьблення, усі нанесені в однакових умовах роботи лазера при середній потужності 16 Вт і чистій швидкості обробки 25 мм/с. Результати цього процесу показано на малюнку 5 нижче. Глибина скрайбування для кожної умови коливається від 8 до 25 мкм при різних значеннях імпульсу. Це зображення з вищою роздільною здатністю підкреслює покращення плавності зі збільшенням кількості імпульсів. Регулювання вихідного імпульсу збільшує глибину скрайбування в три рази, зберігаючи середню потужність і загальну швидкість обробки постійними.
Малюнок 5. Обробка за допомогою пікосекундного УФ-лазера забезпечує відмінну якість краю/поверхні, що підкреслює переваги рядків з більшою кількістю імпульсів (ad)
Удосконалення технології
Переходячи від теорії до практики, потенціал застосування УФ-пікосекундних лазерів для скрайбування SiC-пластинок демонструється здатністю використовувати імпульсний вихід для покращення якості обробки та збільшення швидкості обробки. Необхідні подальші дослідження для вимірювання та оцінки параметрів і результатів повного нарізання пластин 340 мкм.
Тим часом ми досліджуємо використання механічних пилок, які традиційно використовуються для скрайбування кремнієвих пластин, для SiC. опубліковані результати показують, що цей метод все ще страждає від обмеженої швидкості подачі та створює велику кількість сміття, наприклад, у стружці розміром більше 10 мкм.
Тим не менш, механічне пиляння все ще є широко використовуваним методом у напівпровідниковій промисловості, і будь-яка альтернативна технологія повинна продемонструвати значні переваги з точки зору пропускної здатності, продуктивності та експлуатаційних витрат, щоб отримати визнання в галузі. Хоча отримані УФ-пікосекундні результати потребують подальшого вдосконалення з точки зору повного нарізання кубиками, подальші стійкі покращення можливі як альтернативна технологія.
