Poiché le normative e i fattori ambientali convergono per creare una potente forza trainante, l'industria dei veicoli elettrici e i suoi vari segmenti della catena del valore stanno creando un fiorente campo di innovazione. Gli attuali pacchi batteria dei veicoli elettrici (EV) funzionano a tensioni sempre più elevate, a volte fino a 800 V. La tensione dei pacchi batteria sta aumentando, ma sta aumentando anche la tensione dei pacchi batteria.
I vantaggi di una tensione più elevata includono più cavalli, maggiore efficienza, maggiore autonomia e tempi di ricarica più brevi. All'interno del veicolo, l'elettronica di potenza converte l'alta tensione CC nelle diverse forme richieste da vari sistemi. Ad esempio, i motori di trazione richiedono alimentazione CA trifase. Allo stesso tempo, i caricabatterie dei veicoli regolano dinamicamente la corrente e la tensione.
Il silicio è attualmente ampiamente utilizzato in molti settori dell'elettronica di consumo e di potenza, ma è anche diventato un collo di bottiglia per il loro aggiornamento. L'elettronica di potenza basata su circuiti integrati (IC) in silicio convenzionali non può funzionare correttamente ad alte tensioni, alte temperature e alte frequenze di commutazione. Di conseguenza, i produttori devono rivolgersi a materiali semiconduttori alternativi per sfruttare appieno i pacchi batteria ad alta tensione per veicoli elettrici. Il semiconduttore alternativo più promettente è il carburo di silicio (SiC). Questo materiale possiede proprietà che lo rendono ideale per l'elettronica di potenza EV, quindi il SiC è fondamentale per migliorare le prestazioni e l'autonomia EV man mano che i EV diventano più popolari.
Tuttavia, la produzione di dispositivi SiC presenta sfide uniche. Le proprietà meccaniche, chimiche, elettroniche e ottiche del SiC differiscono significativamente da quelle del silicio in aree in cui predominano processi maturi e protocolli consolidati. Ad esempio, il SiC è uno dei materiali più duri conosciuti, paragonabile al diamante, il che rende difficile incidere wafer utilizzando metodi meccanici tradizionali come la segatura, ed è anche un materiale fragile che si rompe facilmente quando viene segato. Inoltre, il SiC consuma rapidamente le lame delle seghe, comprese quelle realizzate in diamante duro, richiedendo una frequente sostituzione di questo costoso materiale di consumo. La segatura stessa è un processo relativamente lento e il calore generato tende a influenzare negativamente le proprietà del materiale.
La combinazione di questi problemi crea una serie di ostacoli per i produttori di veicoli elettrici, poiché molti processi di produzione dei circuiti integrati consolidati sono diversi, o addirittura opposti, a quelli utilizzati per il SiC.
Il taglio a cubetti monocristallini, o wafer slicing, è un ottimo esempio; la segatura meccanica è il metodo principale per il taglio a cubetti monocristallini di wafer di silicio, ma non è universalmente efficace per il SiC e, sebbene il taglio a cubetti monocristallini laser sia promettente, sostituire il materiale significa almeno cambiare i parametri di processo. Gli utenti finali devono anche determinare la sorgente di luce ottimale per il taglio a cubetti monocristallini di SiC rispetto ai metodi tradizionali che utilizzano il silicio.
Immagine.
Un primo piano di un microscopio mostra che gli impulsi UV a picosecondi in modalità burst producono un'eccellente qualità del bordo senza scheggiature importanti. La segatura meccanica convenzionale non può ottenere tali risultati.
Ablazione di qualità con laser a picosecondi
I dispositivi SiC vengono realizzati nello stesso modo della microelettronica al silicio convenzionale: un gran numero di singoli circuiti integrati vengono realizzati su un singolo wafer, che viene poi monocristallizzato e tagliato in singoli chip, pronti per il confezionamento.
Quando si tagliano wafer SiC fragili, è importante ridurre o eliminare completamente la scheggiatura dei bordi dovuta alla segatura meccanica. La troncatura monocristallina dovrebbe anche ridurre al minimo i cambiamenti meccanici nel materiale. Dovrebbe essere data priorità anche alla riduzione al minimo della larghezza del kerf per limitare la dimensione dello "spazio" (vale a dire, l'area vuota tra circuiti adiacenti) per massimizzare il numero di chip su ogni wafer.
Gli ingegneri devono soppesare questi fattori rispetto alla velocità di taglio, alla produttività e ad altri fattori determinanti che incidono sui costi. Anche l'uso di materiali di consumo, come l'uso di refrigeranti e liquidi di pulizia durante il processo di taglio, deve essere preso in considerazione.
I laser a impulsi ultracorti nelle gamme di larghezza di impulso di picosecondi e femtosecondi possono essere utilizzati per il taglio e l'ablazione ad alta precisione di molti materiali diversi, inclusi materiali duri, trasparenti e/o fragili. I vantaggi dell'elaborazione con larghezze di impulso ultracorti includono un riscaldamento complessivo minimo del materiale e una zona termicamente alterata (HAZ) trascurabile. Queste sorgenti forniscono anche una migliore qualità dei bordi e una generazione di detriti ridotta rispetto ad altri tipi di laser.
L'output infrarosso della maggior parte dei laser a picosecondi può essere raddoppiato in frequenza per fornire luce verde visibile o ultravioletta, mentre la lunghezza d'onda ultravioletta è in genere utilizzata per applicazioni impegnative. Le sorgenti che operano in questa banda ottica possono spesso ottenere dimensioni di spot focali più piccole e una maggiore profondità di messa a fuoco o intervallo di Rayleigh per una data dimensione di spot.
Queste caratteristiche rendono i laser a picosecondi UV la scelta preferita per produrre caratteristiche con elevato aspect ratio e larghezze di taglio più sottili, grazie al controllo di profondità più preciso che può essere ottenuto. Inoltre, la maggiore profondità di messa a fuoco rende queste sorgenti più facili da applicare ai sistemi di scansione galvanometrica a campo ampio. La penetrazione limitata della luce UV riduce ulteriormente la zona termicamente alterata (HAZ).
Configurazione dettagliata dell'esperimento analizzato
Tuttavia, ottenere rese più elevate con larghezze di impulso brevi e lunghezze d'onda corte è difficile in qualsiasi ambiente. Per garantire risultati riproducibili di taglio a cubetti di monocristallo di SiC, è necessario testare diversi progetti e parametri di sistema. mks/Spectra-Physics ha condotto una serie di esperimenti di taglio a cubetti per valutare le prospettive di vantaggi dei laser a picosecondi UV, come dimensioni di spot focali più piccole e profondità focali maggiori. Queste prove hanno anche cercato di ottenere una maggiore facilità di elaborazione e una zona termicamente alterata (HAZ) più piccola. Infine, oltre a valutare la fattibilità tecnica ed economica del processo, le prove sono state progettate per indagare in che modo varie impostazioni di burst potrebbero influenzare i risultati.
Nel primo ciclo di test, un campione di wafer 4H-SiC spesso 340 µm è stato elaborato utilizzando un laser a picosecondi da 50 W e 355 nm. Il laser ha un'energia di impulso massima superiore a 60 µJ e fornisce una potenza media di 50 W a frequenze di ripetizione da 750 kHz a 1,25 MHz, con una frequenza operativa massima di 10 MHz. I test sono stati condotti a frequenze di ripetizione da 200 a 400 kHz per garantire che tutti i formati di output di impulso mantenessero livelli di energia di impulso e potenza media simili, consentendo un confronto diretto dei risultati.
Il laser a picosecondi è utilizzato con uno scanner galvanometrico a doppio asse e un obiettivo f-theta con lunghezza focale di 330 mm. La dimensione del punto focale sul piano di lavoro è di circa 30 µm (diametro 1/e2). Lo scanner funziona a velocità che vanno da 2 a 4 m/s, con più passaggi per scribe e velocità di taglio nette che vanno da 12,5 a 25 mm/s. Il laser utilizzato in questi test ha supportato un'ampia gamma di applicazioni.
I laser utilizzati in questi test supportano i treni di impulsi: il laser emette una serie di treni di sottoimpulsi ravvicinati, seguiti dal treno di impulsi successivo dopo un intervallo di tempo. È stato ampiamente documentato che i treni di impulsi possono aumentare i tassi di ablazione e ridurre la rugosità superficiale in molte situazioni di lavorazione dei materiali.
Inoltre, il laser utilizzato nel test supporta burst programmabili. Ciò significa che il numero di impulsi nel burst, così come l'ampiezza e l'intervallo di tempo di ogni impulso nel burst, sono controllabili. Inoltre, il jitter temporale del treno di impulsi è molto basso, consentendo il posizionamento diretto sulla superficie di lavoro con elevata precisione, anche a velocità di scansione molto elevate. Queste capacità di pulsazione flessibili ci consentono di esplorare un'ampia gamma di spazi di processo durante il test.
Analisi dei risultati
La figura 2 sottostante mostra i valori della profondità di incisione in funzione della potenza media del laser per varie configurazioni di stringhe di impulsi che vanno da un singolo impulso a 12 impulsi. In ogni test, sono stati eseguiti un totale di 80 tratti nella stessa posizione sul materiale. La posizione di ogni treno di impulsi sulla superficie di lavoro (sovrapposizione totale degli impulsi) è stata rigorosamente controllata. In questo caso, la sovrapposizione spaziale effettiva degli impulsi è stata di circa l'84%.
La figura 2 mostra la profondità di incisione in funzione della potenza attraverso quattro passaggi a 25 mm/s per un singolo impulso (a, pannello superiore) e varie configurazioni di stringhe di impulsi (bd, pannelli centrale e inferiore). I dati mostrano come la stringhe di impulsi migliori i tassi di ablazione.
Questi risultati mostrano che l'uso della stringa di impulsi ha aumentato notevolmente la velocità di ablazione. Questo risultato era previsto ed è coerente con i risultati ottenuti utilizzando l'elaborazione della stringa di impulsi laser a picosecondi in altri materiali. Di nuovo, la soglia di ablazione diminuisce (essenzialmente in modo logaritmico) con il numero di impulsi contenuti in ogni treno di impulsi. Ciò suggerisce che molti materiali tipicamente "si accumulano" sotto irradiazione multi-impulso.
Sia gli strumenti di topografia superficiale 3D che 2D vengono utilizzati per misurare con precisione la profondità di incisione e la qualità del bordo. Le immagini ottenute con un interferometro a luce bianca a scansione mostrano ulteriori dettagli dell'incisione (Figura 3). Poiché la superficie è liscia e priva di detriti, il laser UV a picosecondi ottiene anche un altro risultato desiderato: un taglio di alta qualità.
Figura 3. I risultati della tracciatura ottenuti mediante la scansione dell'interferometro a luce bianca confermano che il laser UV a picosecondi è in grado di effettuare tagli puliti e senza scheggiature.
Un'ulteriore valutazione qualitativa della tracciatura può essere osservata nella Figura 4 sottostante. Una singola immagine mostra una serie di scanalature profonde 25 µm che sono state generate in sequenza con 1, 4, 8 e 12 treni di impulsi. La potenza media è stata regolata come necessario per ottenere i migliori risultati in ciascun caso. Le quattro immagini nella riga superiore sono focalizzate sulla superficie superiore del wafer. Le quattro immagini nella riga inferiore sono focalizzate sulla superficie inferiore della traccia. Le Figure 4e-h mostrano un chiaro confronto e progressione della qualità del taglio in funzione del numero di impulsi in ciascun treno di impulsi.
Figura 4. Immagini ravvicinate della parte superiore (fondo, ad) e inferiore (eh) della tacca profonda 25-µm. Man mano che aumenta il numero di impulsi nel burst, i diversi valori delle tacche mostrano un miglioramento costante nella qualità del taglio.
La decolorazione attorno alla linea di incisione indica un cambiamento nella superficie o nel materiale del substrato, che scompare con l'aumentare del numero di impulsi. Maggiore è il numero di impulsi, più veloce è la velocità di avanzamento e migliori sono i risultati. Ciò suggerisce che il processo può essere utilizzato per garantire un throughput adeguato e una buona qualità allo stesso tempo.
La Figura 5 di seguito mostra una serie di viste ad alto ingrandimento delle superfici inferiori incise, tutte incise nelle stesse condizioni operative del laser a una potenza media di 16 W e una velocità di elaborazione netta di 25 mm/s. I risultati di questo processo sono mostrati nella Figura 5 di seguito. Le profondità di incisione per ciascuna condizione variano da 8 a 25 µm a diversi valori di impulso. Questa vista a risoluzione più elevata evidenzia il miglioramento della scorrevolezza all'aumentare del numero di impulsi. La regolazione dell'uscita dell'impulso aumenta la profondità di incisione di un fattore tre mantenendo costanti la potenza media e la velocità di elaborazione complessiva.
Figura 5. L'elaborazione con un laser UV a picosecondi produce un'eccellente qualità dei bordi/superfici, evidenziando i vantaggi di stringhe con un numero di impulsi più elevato (ad)
Perfezionare la tecnologia
Passando dalla teoria alla pratica, il potenziale di applicazione dei laser a picosecondi UV per incidere wafer SiC è dimostrato dalla capacità di utilizzare l'output di stringhe di impulsi per migliorare la qualità di elaborazione e aumentare la velocità di elaborazione. Sono necessarie ulteriori esplorazioni per misurare e valutare i parametri e i risultati del taglio completo di wafer da 340 µm.
Nel frattempo, stiamo studiando l'uso di seghe meccaniche, tradizionalmente impiegate per incidere wafer di silicio, per il SiC. I risultati pubblicati mostrano che questo metodo soffre ancora di velocità di avanzamento limitate e genera grandi quantità di detriti, ad esempio in trucioli più grandi di 10 µm.
Tuttavia, la segatura meccanica è ancora un metodo comunemente utilizzato nell'industria dei semiconduttori e qualsiasi tecnologia alternativa dovrebbe dimostrare vantaggi significativi in termini di produttività, resa e costi operativi per ottenere l'accettazione del settore. Sebbene i risultati ottenuti in picosecondi UV debbano essere ulteriormente migliorati in termini di taglio completo, sono possibili ulteriori miglioramenti sostenuti come tecnologia alternativa.
