Säännösten ja ympäristötekijöiden yhtyessä muodostaen vahvan liikkeellepaneva voiman, sähköajoneuvoteollisuus ja sen arvoketjun eri osa-alueet ovat luomassa kukoistavan innovaatiokentän. Nykypäivän sähköautojen (EV) akut käyvät yhä korkeammilla jännitteillä, joskus jopa 800 V:lla. Akkupakkausten jännite kasvaa, mutta myös akkupakkausten jännite kasvaa.
Korkeamman jännitteen etuja ovat enemmän hevosvoimaa, suurempi hyötysuhde, pidempi kantama ja lyhyemmät latausajat. Ajoneuvon sisällä tehoelektroniikka muuntaa korkean tasajännitteen eri järjestelmien vaatimiin eri muotoihin. Esimerkiksi ajomoottorit vaativat kolmivaiheista vaihtovirtaa. Samalla ajoneuvolaturit säätävät dynaamisesti virtaa ja jännitettä.
Piitä käytetään tällä hetkellä laajalti monilla kulutus- ja tehoelektroniikan alueilla, mutta siitä on tullut myös niiden päivitysten pullonkaula. Perinteisiin piiintegroituihin piireihin (IC) perustuva tehoelektroniikka ei voi toimia kunnolla korkeilla jännitteillä, korkeissa lämpötiloissa ja korkeilla kytkentätaajuuksilla. Tämän seurauksena valmistajien on valittava vaihtoehtoisia puolijohdemateriaaleja voidakseen hyödyntää täysimääräisesti sähköajoneuvojen suurjänniteakkuja. Lupaavin vaihtoehtoinen puolijohde on piikarbidi (SiC). Tällä materiaalilla on ominaisuuksia, jotka tekevät siitä ihanteellisen sähköajoneuvojen tehoelektroniikkaan, joten piikarbidi on avainasemassa sähköautojen suorituskyvyn ja kantaman parantamisessa sähköautojen yleistyessä.
SiC-laitteiden valmistuksessa on kuitenkin omat ainutlaatuiset haasteensa. Piikarbidin mekaaniset, kemialliset, elektroniset ja optiset ominaisuudet eroavat merkittävästi piin ominaisuuksista alueilla, joilla kypsät prosessit ja vakiintuneet protokollat ovat vallitsevia. Esimerkiksi piikarbidi on yksi kovimmista tunnetuista materiaaleista, verrattavissa timanttiin, mikä vaikeuttaa kiekkojen piirtämistä perinteisillä mekaanisilla menetelmillä, kuten sahaamalla, ja se on myös hauras materiaali, joka rikkoutuu helposti sahattaessa. Lisäksi piikarbidi kuluttaa nopeasti sahanteriä, mukaan lukien kovasta timantista valmistetut sahanterät, mikä vaatii tämän kalliin kulutusosan vaihtamista usein. Itse sahaus on suhteellisen hidas prosessi, ja syntyvä lämpö vaikuttaa negatiivisesti materiaalin ominaisuuksiin.
Näiden ongelmien yhdistelmä luo useita esteitä sähköajoneuvojen valmistajille, koska monet vakiintuneet IC-valmistusprosessit ovat erilaisia tai jopa päinvastaisia kuin piikarbidissa käytetyt.
Yksikiteinen paloittelu tai kiekkojen viipalointi on hyvä esimerkki; mekaaninen sahaus on ensisijainen menetelmä piikiekkojen yksikiteiseen kuutioimiseen, mutta se ei ole yleisesti tehokas piikarbidille, ja vaikka laseryksikidepalaminen on lupaavaa, materiaalin vaihtaminen tarkoittaa ainakin prosessiparametrien muuttamista. Loppukäyttäjien on myös määritettävä optimaalinen valonlähde piikarbidin yksikiteiselle paloittelulle verrattuna perinteisiin piitä käyttäviin menetelmiin.
Kuva.
Lähikuva mikroskoopista osoittaa, että UV-pikosekunnin pulssit pursketilassa tuottavat erinomaisen reunalaadun ilman suurta halkeilua. Perinteisellä mekaanisella sahauksella ei saavuteta tällaisia tuloksia.
Laadukas ablaatio pikosekundisillä lasereilla
SiC-laitteet valmistetaan samalla tavalla kuin perinteinen piimikroelektroniikka: suuri määrä yksittäisiä integroituja piirejä valmistetaan yhdelle kiekolle, joka sitten kiteytetään ja leikataan yksittäisiksi siruiksi, jotka ovat sitten valmiita pakattavaksi.
Hauraita SiC-kiekkoja leikattaessa on tärkeää vähentää tai poistaa kokonaan mekaanisen sahauksen aiheuttamaa reunahalkeilua. Yksikiteisen kuutioimisen tulisi myös minimoida materiaalin mekaaniset muutokset. Etusijalle tulisi myös antaa uurteiden leveyden minimoiminen "tilan" koon (eli vierekkäisten piirien välisen tyhjän alueen) koon rajoittamiseksi kunkin kiekon sirujen määrän maksimoimiseksi.
Insinöörien on punnittava näitä tekijöitä kuutioiden nopeuteen, suorituskykyyn ja muihin kustannuksiin vaikuttaviin tekijöihin nähden. Myös kulutustarvikkeiden, kuten jäähdytys- ja puhdistusnesteiden käyttö kuutioimisen aikana, on otettava huomioon.
Ultralyhyitä pulssilasereita, joiden pulssinleveysalue on piko- ja femtosekunti, voidaan käyttää monien eri materiaalien, mukaan lukien kovien, läpinäkyvien ja/tai hauraiden materiaalien, erittäin tarkkaan leikkaamiseen ja ablaatioon. Prosessoinnin etuja ultralyhyillä pulssileveyksillä ovat materiaalin minimaalinen kokonaislämpö ja vähäinen lämpövaikutusalue (HAZ). Nämä lähteet tarjoavat myös paremman reunalaadun ja vähemmän roskien muodostumista verrattuna muuntyyppisiin lasereihin.
Useimpien pikosekuntilaserien infrapunateho voidaan kaksinkertaistaa näkyvän vihreän tai ultraviolettivalon aikaansaamiseksi, kun taas ultraviolettiaallonpituutta käytetään tyypillisesti vaativiin sovelluksiin. Tällä optisella kaistalla toimivat lähteet voivat usein saavuttaa pienempiä polttopistekokoja ja suurentaa tarkennussyvyyttä tai Rayleigh-aluetta tietyllä pistekoolla.
Nämä ominaisuudet tekevät UV-pikosekuntilasereista suositellun vaihtoehdon korkean kuvasuhteen ja ohuemman uurreleveyden tuottamiseen, koska syvyyttä voidaan säätää tarkemmalla tavalla. Lisäksi suurempi tarkennussyvyys tekee näistä lähteistä helpompi käyttää laajakentän galvanometriskannausjärjestelmiä. UV-valon rajallinen tunkeutuminen vähentää entisestään lämpövaikutusaluetta (HAZ).
Analysoidun kokeen yksityiskohtainen konfiguraatio
Suurempien tuottojen saavuttaminen lyhyillä pulssileveyksillä ja lyhyillä aallonpituuksilla on kuitenkin vaikeaa missä tahansa ympäristössä. Toistettavien SiC-yksikidepalautustulosten varmistamiseksi on testattava erilaisia järjestelmämalleja ja -parametreja. mks/Spectra-Physics suoritti sarjan paloittelukokeita arvioidakseen UV-pikosekuntilaserien etuja, kuten pienempiä polttopistekokoja ja suurempia polttosyvyksiä. Näillä kokeilla pyrittiin myös saavuttamaan suurempi käsittelyn helppous ja pienempi lämpövaikutusalue (HAZ). Lopuksi, prosessin teknisen ja taloudellisen toteutettavuuden mittaamisen lisäksi kokeet suunniteltiin tutkimaan, kuinka erilaiset purskeasetukset voivat vaikuttaa tuloksiin.
Ensimmäisellä testikierroksella käsiteltiin 340 µm paksu 4H-SiC-kiekkonäyte 50 W:n, 355 nm:n pikosekundin laserilla. Laserin maksimipulssienergia on yli 60 µJ ja se tuottaa 50 W:n keskitehon toistotaajuuksilla 750 kHz - 1,25 MHz, maksimitoimintataajuudella 10 MHz. Testit suoritettiin toistotaajuuksilla 200–400 kHz sen varmistamiseksi, että kaikki pulssilähtömuodot säilyttivät samanlaisen pulssienergian ja keskimääräisen tehon, mikä mahdollistaa tulosten suoran vertailun.
Pikosekundaarista laseria käytetään kaksiakselisen galvanometriskannerin ja 330 mm:n polttovälin f-theta-objektiivin kanssa. Polttopisteen koko koneistustasolla on noin 30 µm (halkaisija 1/e2). Skanneri toimii nopeuksilla, jotka vaihtelevat 2–4 m/s, useita kulkuja per piirtäjä, ja verkkoleikkausnopeudet vaihtelevat 12,5–25 mm/s. Näissä testeissä käytetty laser tuki monenlaisia sovelluksia.
Näissä testeissä käytetyt laserit tukevat pulssijonoja: laser lähettää sarjan lähekkäin olevia osapulssijonoja, joita seuraa seuraava pulssijono tietyn ajan kuluttua. On hyvin dokumentoitu, että pulssijonot voivat lisätä ablaationopeuksia ja vähentää pinnan karheutta monissa materiaalinkäsittelytilanteissa.
Lisäksi testissä käytetty laser tukee ohjelmoitavia purskeita. Tämä tarkoittaa, että purskeen pulssien lukumäärä sekä kunkin purskeen pulssin amplitudi ja aikaväli ovat säädettävissä. Lisäksi pulssijonon ajoitusajan jitteri on erittäin alhainen, mikä mahdollistaa suoran sijoittamisen ja sijoittamisen työpinnalle suurella tarkkuudella jopa erittäin suurilla skannausnopeuksilla. Nämä joustavat pulssiominaisuudet antavat meille mahdollisuuden tutkia laajaa prosessitilaa testauksen aikana.
Tulosten analyysi
Alla olevassa kuvassa 2 esitetään piirrossyvyysarvot keskimääräisen lasertehon funktiona erilaisille pulssijonokonfiguraatioille, jotka vaihtelevat yhdestä pulssista 12 pulssiin. Jokaisessa testissä tehtiin yhteensä 80 vetoa samaan kohtaan materiaalille. Jokaisen pulssijonon asentoa työpinnalla (koko pulssin päällekkäisyys) valvottiin tiukasti. Tässä tapauksessa pulssien tehokas spatiaalinen päällekkäisyys oli noin 84 %.
Kuva 2. esittää kirjoituksen syvyyden tehon funktiona neljällä nopeudella 25 mm/s yhdellä pulssilla (a, yläpaneeli) ja erilaisilla pulssijonokonfiguraatioilla (bd, keski- ja alapaneeli). Tiedot osoittavat, kuinka pulssijono parantaa ablaationopeuksia.
Nämä tulokset osoittavat, että pulssijonon käyttö lisäsi suuresti ablaationopeutta. Tämä tulos oli odotettu ja on yhdenmukainen tulosten kanssa, jotka on saatu käyttämällä pikosekuntia laserpulssijonokäsittelyä muissa materiaaleissa. Jälleen ablaatiokynnys pienenee (olennaisesti logaritmisesti) kunkin pulssijonon sisältämien pulssien lukumäärän mukaan. Tämä viittaa siihen, että monet materiaalit tyypillisesti "kertyvät" monipulssisäteilytyksen alaisena.
Sekä 3D- että 2D-pinnan topografiatyökaluja käytetään mittaamaan tarkasti viiran syvyyttä ja reunan laatua. Pyyhkäisevällä valkoisen valon interferometrillä saadut kuvat näyttävät tarkemmat tiedot kirjoituksesta (kuva 3). Koska pinta on sileä ja roskaton, pikosekundin UV-laser saavuttaa myös toisen halutun tuloksen: korkealaatuisen leikkauksen.
Kuva 3. Valkoisen valon interferometriä skannaamalla saadut kirjoitustulokset vahvistavat, että pikosekundin UV-laser pystyy tekemään puhtaita, lastuttomia leikkauksia.
Lisälaadullinen arvio kirjoituksesta on nähtävissä alla olevassa kuvassa 4. Yhdessä kuvassa näkyy sarja 25 µm syviä uria, jotka luotiin peräkkäin 1, 4, 8 ja 12 pulssijonolla. Keskimääräistä tehoa säädettiin tarpeen mukaan parhaan tuloksen saavuttamiseksi kussakin tapauksessa. Ylärivin neljä kuvaa on kohdistettu kiekon yläpintaan. Alarivin neljä kuvaa on kohdistettu kirjurin alapinnalle. Kuvat 4e-h esittävät selkeän vertailun ja leikkauslaadun etenemisen kunkin pulssijonon pulssien lukumäärän funktiona.
Kuva 4. Lähikuvat 25-µm syvän loven yläosasta (alaosa, mainos) ja alaosa (eh). Purskeen pulssien määrän kasvaessa lovien eri arvot osoittavat tasaista parannusta leikkauksen laadussa.
Värinmuutos viivan ympärillä osoittaa pinnan tai substraattimateriaalin muutosta, joka häviää pulssien määrän kasvaessa. Mitä suurempi pulssien lukumäärä, sitä nopeampi syöttönopeus ja sitä parempia tuloksia. Tämä viittaa siihen, että prosessilla voidaan varmistaa riittävä läpimeno ja hyvä laatu samanaikaisesti.
Alla oleva kuva 5 esittää sarjan suurennoksia piirretyistä pohjapinnoista, jotka kaikki on piirretty samoissa laserkäyttöolosuhteissa keskimääräisellä 16 W teholla ja nettokäsittelynopeudella 25 mm/s. Tämän prosessin tulokset on esitetty alla olevassa kuvassa 5. Jokaisen tilan kirjoitussyvyydet vaihtelevat 8 - 25 µm eri pulssiarvoilla. Tämä korkeamman resoluution näkymä korostaa tasaisuuden paranemista pulssien määrän kasvaessa. Pulssilähdön säätäminen lisää piirustuksen syvyyttä kolminkertaiseksi ja pitää keskimääräisen tehon ja kokonaisprosessointinopeuden vakiona.
Kuva 5. Prosessointi pikosekunnin UV-laserilla tuottaa erinomaisen reunan/pinnan laadun, mikä korostaa korkeamman pulssimäärän merkkijonojen etuja (mainos)
Täydellistää tekniikkaa
Teoriasta käytäntöön edetessä mahdollisuudet soveltaa UV-pikosekuntilasereita SiC-kiekkojen piirtämiseen on osoitettu kyvyllä hyödyntää pulssijonolähtöä prosessoinnin laadun parantamiseksi ja käsittelynopeuden lisäämiseksi. Lisätutkimusta tarvitaan 340 µm:n kiekkojen täydellisen paloittelun parametrien ja tulosten mittaamiseksi ja arvioimiseksi.
Sillä välin tutkimme perinteisesti piikiekkojen piirtämiseen käytettyjen mekaanisten sahojen käyttöä piikarbidille. julkaistut tulokset osoittavat, että tämä menetelmä kärsii edelleen rajoitetuista syöttönopeuksista ja tuottaa suuria määriä roskia, esimerkiksi yli 10 µm:n lastuissa.
Siitä huolimatta mekaaninen sahaus on edelleen yleisesti käytetty menetelmä puolijohdeteollisuudessa, ja minkä tahansa vaihtoehtoisen tekniikan olisi osoitettava merkittäviä etuja suorituskyvyn, tuoton ja käyttökustannusten suhteen, jotta se saa teollisuuden hyväksynnän. Vaikka saatuja UV-pikosekuntituloksia on parannettava edelleen täydellisen kuutioimisen kannalta, jatkuvat parannukset ovat mahdollisia vaihtoehtoisena teknologiana.
