Qoidalar va atrof-muhit omillari kuchli harakatlantiruvchi kuchni yaratish uchun birlashganda, elektr transport vositalari sanoati va uning qiymat zanjirining turli segmentlari gullab-yashnayotgan innovatsiyalar maydonini yaratmoqda. Bugungi elektr avtomobil (EV) akkumulyator paketlari tobora yuqori kuchlanishlarda, ba'zan esa 800 V gacha ishlaydi. Batareya paketlarining kuchlanishi ortib bormoqda, lekin batareya paketlarining kuchlanishi ham ortib bormoqda.
Yuqori kuchlanishning afzalliklari orasida ko'proq ot kuchi, yuqori samaradorlik, uzoqroq masofa va qisqaroq zaryadlash vaqtlari mavjud. Avtomobil ichida quvvat elektronikasi yuqori doimiy kuchlanishni turli tizimlar tomonidan talab qilinadigan turli shakllarga aylantiradi. Misol uchun, tortish motorlari uch fazali AC quvvatini talab qiladi. Shu bilan birga, avtomobil zaryadlovchi qurilmalari oqim va kuchlanishni dinamik ravishda sozlaydi.
Hozirgi vaqtda kremniy iste'molchi va energiya elektronikasining ko'plab sohalarida keng qo'llaniladi, ammo u ularni yangilash uchun qiyinchilikka aylandi. An'anaviy kremniy integral mikrosxemalar (IC) asosidagi quvvat elektroniği yuqori kuchlanish, yuqori harorat va yuqori kommutatsiya chastotalarida to'g'ri ishlay olmaydi. Natijada, ishlab chiqaruvchilar elektr transport vositalari uchun yuqori voltli batareya paketlaridan to'liq foydalanish uchun muqobil yarimo'tkazgichli materiallarga murojaat qilishlari kerak. Eng istiqbolli muqobil yarimo'tkazgich kremniy karbiddir (SiC). Ushbu material EV quvvat elektroniği uchun ideal bo'lgan xususiyatlarga ega, shuning uchun SiC EV unumdorligi va diapazonini yaxshilash uchun kalit bo'lib, EVlar tobora ommalashib bormoqda.
Biroq, SiC qurilmalarini ishlab chiqarish o'ziga xos qiyinchiliklarga ega. SiC ning mexanik, kimyoviy, elektron va optik xususiyatlari etuk jarayonlar va belgilangan protokollar ustunlik qiladigan joylarda kremniynikidan sezilarli darajada farq qiladi. Misol uchun, SiC ma'lum bo'lgan eng qattiq materiallardan biri bo'lib, olmos bilan taqqoslanadigan bo'lib, arralash kabi an'anaviy mexanik usullar yordamida gofretlarni yozishni qiyinlashtiradi, shuningdek, arralanganda osonlikcha sinadigan mo'rt materialdir. Bundan tashqari, SiC arra pichoqlarini, shu jumladan qattiq olmosdan yasalgan pichoqlarni tezda eskiradi va bu qimmat sarflanadigan materialni tez-tez almashtirishni talab qiladi. Arralashning o'zi nisbatan sekin jarayon bo'lib, hosil bo'lgan issiqlik materialning xususiyatlariga salbiy ta'sir qiladi.
Ushbu muammolarning kombinatsiyasi elektr transport vositalarini ishlab chiqaruvchilar uchun bir qator to'siqlarni keltirib chiqaradi, chunki ko'plab o'rnatilgan IC ishlab chiqarish jarayonlari SiC uchun ishlatiladiganlardan farq qiladi yoki hatto aksincha.
Yagona kristalli bo'laklarga bo'linish yoki gofret bilan kesish bunga misoldir; mexanik arralash kremniy gofretlarni bir kristalli kublashning asosiy usuli hisoblanadi, lekin u SiC uchun universal samarali emas va lazerli bitta kristalli kubikni kesish istiqbolli bo'lsa-da, materialni almashtirish hech bo'lmaganda jarayon parametrlarini o'zgartirishni anglatadi. Yakuniy foydalanuvchilar, shuningdek, kremniydan foydalangan holda an'anaviy usullar bilan solishtirganda, SiC monokristalli kublar uchun optimal yorug'lik manbasini aniqlashlari kerak.
Rasm.
Mikroskopning yaqindan ko'rinishi shuni ko'rsatadiki, portlash rejimida UV pikosoniyali impulslar katta parchalanishsiz mukammal chekka sifatini beradi. An'anaviy mexanik arralash bunday natijalarga erisha olmaydi.
Pikosoniyali lazerlar bilan sifatli ablasyon
SiC qurilmalari an'anaviy kremniy mikroelektronika bilan bir xil tarzda ishlab chiqariladi: ko'p sonli individual integral mikrosxemalar bitta gofretda tayyorlanadi, keyinchalik ular bir kristallanadi va alohida chiplarga kesiladi, keyinchalik ular qadoqlash uchun tayyor bo'ladi.
Mo'rt SiC gofretlarini kesishda mexanik arralash natijasida chekka parchalanishini kamaytirish yoki butunlay yo'q qilish muhimdir. Yagona kristalli kublarni kesish ham materialdagi mexanik o'zgarishlarni minimallashtirishi kerak. Har bir gofretdagi chiplar sonini maksimal darajada oshirish uchun "bo'shliq" (ya'ni, qo'shni sxemalar orasidagi bo'sh maydon) hajmini cheklash uchun kerf kengligini minimallashtirishga ham ustuvor ahamiyat berish kerak.
Muhandislar bu omillarni kesish tezligi, o'tkazish qobiliyati va boshqa xarajatlarga ta'sir qiluvchi omillarga nisbatan tortishlari kerak. To'g'rilash jarayonida sovutish suvi va tozalash suyuqliklaridan foydalanish kabi sarf materiallaridan foydalanish ham hisobga olinishi kerak.
Pikosoniya va femtosekundlik impuls kengligi diapazonidagi ultra qisqa puls lazerlari qattiq, shaffof va/yoki mo'rt materiallarni o'z ichiga olgan turli xil materiallarni yuqori aniqlikdagi kesish va ablasyon uchun ishlatilishi mumkin. Ultrashort puls kengliklari bilan ishlov berishning afzalliklari materialning minimal umumiy isishi va ahamiyatsiz issiqlik ta'sir zonasini (HAZ) o'z ichiga oladi. Bu manbalar shuningdek, boshqa lazer turlariga nisbatan yaxshilangan chekka sifati va qoldiq hosil bo'lishini kamaytiradi.
Ko'pgina pikosoniyali lazerlarning infraqizil chiqishi ko'rinadigan yashil yoki ultrabinafsha nurni ta'minlash uchun chastotani ikki baravar oshirish mumkin, ultrabinafsha to'lqin uzunligi odatda talab qilinadigan ilovalar uchun ishlatiladi. Ushbu optik diapazonda ishlaydigan manbalar ko'pincha kichikroq fokusli nuqta o'lchamlariga va ma'lum bir nuqta o'lchami uchun kattalashtirilgan fokus chuqurligiga yoki Rayleigh diapazoniga erishishi mumkin.
Bu xususiyatlar UV pikosoniyali lazerlarni yuqori nisbatli xususiyatlar va nozikroq chuqurlik kengliklarini ishlab chiqarish uchun afzal tanlov qiladi, chunki erishish mumkin bo'lgan chuqurlikni aniqroq boshqarish mumkin. Bundan tashqari, fokusning kattaroq chuqurligi ushbu manbalarni keng maydonli galvanometr skanerlash tizimlariga qo'llashni osonlashtiradi. UV nurining cheklangan kirishi issiqlik ta'sir zonasini (HAZ) yanada kamaytiradi.
Tahlil qilingan tajribaning batafsil konfiguratsiyasi
Biroq, qisqa puls kengliklari va qisqa to'lqin uzunliklari bilan yuqori rentabellikka erishish har qanday muhitda qiyin. Qayta tiklanadigan SiC yagona kristalli kublarni kesish natijalarini ta'minlash uchun turli tizim dizaynlari va parametrlari sinovdan o'tkazilishi kerak. mks/Spectra-Physics UV pikosoniyali lazerlarning kichikroq fokusli nuqta o'lchamlari va kattaroq fokus chuqurligi kabi afzalliklarini baholash uchun bir qator zar bo'yicha tajribalar o'tkazdi. Ushbu sinovlar, shuningdek, ishlov berish qulayligi va kichikroq issiqlik ta'sir zonasiga (HAZ) erishishga intildi. Va nihoyat, jarayonning texnik va iqtisodiy maqsadga muvofiqligini o'lchashdan tashqari, sinovlar turli xil portlash sozlamalari natijalarga qanday ta'sir qilishi mumkinligini tekshirish uchun mo'ljallangan.
Sinovlarning birinchi bosqichida qalinligi 340 mkm bo'lgan 4H-SiC gofret namunasi 50 Vt, 355 nm pikosoniyali lazer yordamida qayta ishlandi. Lazer maksimal impuls energiyasi 60µJ dan yuqori va 750 kHz dan 1,25 MGts gacha bo'lgan takroriy chastotalarda o'rtacha 50 Vt quvvatni beradi, maksimal ish chastotasi 10 MGts. Sinovlar 200 dan 400 kHz gacha bo'lgan takrorlash chastotalarida barcha impuls chiqishi formatlari o'xshash impuls energiyasi va o'rtacha quvvat darajasini saqlab qolish uchun natijalarni to'g'ridan-to'g'ri taqqoslash imkonini beradi.
Pikosoniyali lazer ikki o'qli galvanometrli skaner va 330 mm fokus uzunligi f-teta ob'ektiv bilan ishlatiladi. Ishchi tekislikdagi fokusli nuqta o'lchami taxminan 30 mkm (diametri 1/e2). Skaner 2 dan 4 m/s gacha tezlikda ishlaydi, har bir skript uchun bir nechta o'tish va aniq kesish tezligi 12,5 dan 25 mm / s gacha. Ushbu testlarda ishlatiladigan lazer keng ko'lamli ilovalarni qo'llab-quvvatladi.
Ushbu testlarda ishlatiladigan lazerlar impuls poezdlarini qo'llab-quvvatlaydi: lazer bir-biriga yaqin joylashgan pastki impulsli poezdlar seriyasini chiqaradi, keyin esa vaqt oralig'idan keyin keyingi impuls poezdi. Impuls poezdlari ko'plab materiallarni qayta ishlash holatlarida ablasyon tezligini oshirishi va sirt pürüzlülüğünü kamaytirishi mumkinligi yaxshi hujjatlashtirilgan.
Bundan tashqari, testda ishlatiladigan lazer dasturlashtiriladigan portlashlarni qo'llab-quvvatlaydi. Bu shuni anglatadiki, portlashdagi impulslar soni, shuningdek, portlashdagi har bir impulsning amplitudasi va vaqt oralig'i boshqarilishi mumkin. Bundan tashqari, impuls poezdining vaqt jitteri juda past bo'lib, hatto juda tez skanerlash tezligida ham yuqori aniqlik bilan ish yuzasida to'g'ridan-to'g'ri joylashtirish va joylashtirish imkonini beradi. Ushbu moslashuvchan pulsatsiya qobiliyatlari sinov paytida jarayonning keng doirasini o'rganishga imkon beradi.
Natijalarni tahlil qilish
Quyidagi 2-rasmda bitta impulsdan 12 ta impulsgacha bo'lgan turli xil impuls simlari konfiguratsiyasi uchun o'rtacha lazer quvvatining funktsiyasi sifatida yozuv chuqurligi qiymatlari ko'rsatilgan. Har bir sinovda materialning bir xil joyida jami 80 ta zarba qilingan. Har bir impuls poezdining ishchi yuzasidagi holati (jami impulsning bir-biriga mos kelishi) qat'iy nazorat qilindi. Bunday holda, impulslarning samarali fazoviy bir-biriga mos kelishi taxminan 84% ni tashkil etdi.
Shakl 2. bitta impuls (a, yuqori panel) va turli xil impuls torli konfiguratsiyalari (bd, o'rta va pastki panellar) uchun 25 mm / s tezlikda to'rtta o'tish orqali quvvat funktsiyasi sifatida chizish chuqurligini ko'rsatadi. Ma'lumotlar impuls chizig'i ablasyon tezligini qanday yaxshilashini ko'rsatadi.
Ushbu natijalar impuls chizig'idan foydalanish ablasyon tezligini sezilarli darajada oshirganligini ko'rsatadi. Bu natija kutilgan edi va boshqa materiallarda pikosoniyali lazerli impuls simini qayta ishlash yordamida olingan natijalarga mos keladi. Shunga qaramay, ablasyon chegarasi har bir impuls poezdidagi impulslar soni bilan kamayadi (asosan logarifmik). Bu shuni ko'rsatadiki, ko'plab materiallar odatda ko'p pulsli nurlanish ostida "to'planadi".
3D va 2D sirt topografiyasi asboblari chizma chuqurligi va chekka sifatini aniq o'lchash uchun ishlatiladi. Skanerlangan oq yorug'lik interferometri yordamida olingan tasvirlar chizishning batafsil ma'lumotlarini ko'rsatadi (3-rasm). Sirt silliq va qoldiqsiz bo'lgani uchun, pikosoniyali UV lazer ham boshqa istalgan natijaga erishadi: yuqori sifatli kesish.
Shakl 3. Oq yorug'lik interferometrini skanerlash natijasida olingan skriping natijalari pikosoniyali UV lazerining toza, chipsiz kesishga qodirligini tasdiqlaydi.
Yozuvning keyingi sifatli bahosini quyidagi 4-rasmda ko'rish mumkin. Bitta rasmda 1, 4, 8 va 12 impuls poezdlari bilan ketma-ket hosil qilingan 25 mkm chuqurlikdagi yivlar seriyasi ko'rsatilgan. Har bir holatda eng yaxshi natijalarga erishish uchun o'rtacha quvvat kerak bo'lganda sozlandi. Yuqori qatordagi to'rtta rasm gofretning yuqori yuzasiga qaratilgan. Pastki qatordagi to'rtta rasm yozuvchining pastki yuzasiga qaratilgan. 4e-h rasmlari har bir impuls poezdidagi impulslar soniga bog'liq holda kesish sifatining aniq taqqoslanishi va rivojlanishini ko'rsatadi.
4-rasm. 25-mkm chuqurlikdagi ustki (pastki, reklama) va pastki (eh)ning yaqindan suratlari. Portlashda impulslar soni ortib borayotganligi sababli, çentiklarning turli qiymatlari kesish sifatining barqaror yaxshilanishini ko'rsatadi.
Yozuvchi chiziq atrofidagi rang o'zgarishi sirt yoki substrat materialining o'zgarishini ko'rsatadi, bu impulslar soni ortishi bilan yo'qoladi. Impulslar soni qanchalik ko'p bo'lsa, ovqatlanish tezligi shunchalik tez va natijalar yaxshi bo'ladi. Bu jarayon bir vaqtning o'zida etarli o'tkazuvchanlik va yaxshi sifatni ta'minlash uchun ishlatilishi mumkinligini ko'rsatadi.
Quyidagi 5-rasmda o'rtacha 16 Vt quvvatda va 25 mm/s aniq ishlov berish tezligida bir xil lazer ish sharoitlarida chizilgan pastki yuzalarning yuqori kattalashtirish ko'rinishlari ko'rsatilgan. Ushbu jarayonning natijalari quyidagi 5-rasmda ko'rsatilgan. Har bir holat uchun yozish chuqurligi turli puls qiymatlarida 8 dan 25 mkm gacha. Bu yuqori aniqlikdagi ko'rinish impulslar soni ortishi bilan silliqlikning yaxshilanishini ta'kidlaydi. Impuls chiqishini sozlash o'rtacha quvvatni va umumiy ishlov berish tezligini doimiy ushlab turganda, chizish chuqurligini uch marta oshiradi.
5-rasm. Pikosoniyali UV lazer bilan ishlov berish yuqori impulslar sonining afzalliklarini ta'kidlab, mukammal chekka/sirt sifatiga olib keladi (reklama)
Texnologiyani mukammallashtirish
Nazariyadan amaliyotga o'tishda, SiC gofretlarini yozish uchun UV pikosoniyali lazerlarni qo'llash potentsiali qayta ishlash sifatini yaxshilash va ishlov berish tezligini oshirish uchun impuls chizig'idan foydalanish qobiliyati bilan namoyon bo'ladi. 340 mkm bo'lgan gofretlarni to'liq kesish parametrlari va natijalarini o'lchash va baholash uchun qo'shimcha tadqiqotlar talab etiladi.
Ayni paytda biz SiC uchun an'anaviy ravishda silikon plastinalarni yozish uchun ishlatiladigan mexanik arralardan foydalanishni o'rganmoqdamiz. nashr etilgan natijalar shuni ko'rsatadiki, bu usul hali ham cheklangan ozuqa stavkalaridan aziyat chekadi va katta miqdorda qoldiqlarni hosil qiladi, masalan, 10 mkm dan katta chiplarda.
Shunga qaramay, yarimo'tkazgich sanoatida mexanik arralash hali ham keng tarqalgan usul bo'lib qolmoqda va har qanday muqobil texnologiya sanoatni qabul qilish uchun o'tkazuvchanlik, rentabellik va operatsion xarajatlar nuqtai nazaridan muhim afzalliklarni namoyish qilishi kerak. Olingan ultrabinafsha pikosoniya natijalarini to'liq kesish nuqtai nazaridan yanada yaxshilash kerak bo'lsa-da, muqobil texnologiya sifatida yanada barqaror yaxshilanishlar mumkin.
