Düzenlemeler ve çevresel faktörler güçlü bir itici güç oluşturmak için bir araya geldikçe, elektrikli araç endüstrisi ve değer zincirinin çeşitli segmentleri gelişen bir inovasyon alanı yaratıyor. Günümüzün elektrikli araç (EV) pil paketleri, bazen 800 V kadar yüksek olan giderek daha yüksek voltajlarda çalışıyor. Pil paketlerinin voltajı artıyor, ancak pil paketlerinin voltajı da artıyor.
Daha yüksek voltajın faydaları arasında daha fazla beygir gücü, daha yüksek verimlilik, daha uzun menzil ve daha kısa şarj süreleri bulunur. Aracın içinde, güç elektroniği yüksek DC voltajını çeşitli sistemlerin gerektirdiği farklı formlara dönüştürür. Örneğin, çekiş motorları üç fazlı AC güce ihtiyaç duyar. Aynı zamanda, araç şarj cihazları akımı ve voltajı dinamik olarak ayarlar.
Silisyum şu anda tüketici ve güç elektroniğinin birçok alanında yaygın olarak kullanılıyor, ancak aynı zamanda bunların yükseltilmesi için bir darboğaz haline geldi. Geleneksel silikon entegre devrelere (IC'ler) dayalı güç elektroniği, yüksek voltajlarda, yüksek sıcaklıklarda ve yüksek anahtarlama frekanslarında düzgün çalışamaz. Sonuç olarak, üreticiler elektrikli araçlar için yüksek voltajlı pil paketlerinden tam olarak yararlanmak için alternatif yarı iletken malzemelere yönelmelidir. En umut verici alternatif yarı iletken silisyum karbürdür (SiC). Bu malzeme, onu EV güç elektroniği için ideal kılan özelliklere sahiptir, bu nedenle SiC, EV'ler daha popüler hale geldikçe EV performansını ve menzilini iyileştirmenin anahtarıdır.
Ancak, SiC cihazlarının üretiminin kendine özgü zorlukları vardır. SiC'nin mekanik, kimyasal, elektronik ve optik özellikleri, olgun süreçlerin ve yerleşik protokollerin baskın olduğu alanlarda silikonunkinden önemli ölçüde farklıdır. Örneğin, SiC elmasa benzer bilinen en sert malzemelerden biridir ve bu da testere gibi geleneksel mekanik yöntemler kullanılarak gofret çizmeyi zorlaştırır ve ayrıca testereyle kesildiğinde kolayca kırılan kırılgan bir malzemedir. Ek olarak, SiC sert elmastan yapılmış olanlar da dahil olmak üzere testere bıçaklarını hızla aşındırır ve bu pahalı sarf malzemesinin sık sık değiştirilmesini gerektirir. Testereleme işlemi nispeten yavaş bir işlemdir ve oluşan ısı malzeme özelliklerini olumsuz yönde etkileme eğilimindedir.
Bu sorunların birleşimi, elektrikli araç üreticileri için bir dizi engel yaratıyor; çünkü yerleşik birçok IC üretim süreci, SiC için kullanılanlardan farklı, hatta tam tersi.
Tek kristal kesme veya gofret dilimleme bunun başlıca örneğidir; mekanik kesme, silikon gofretlerin tek kristal kesmesi için birincil yöntemdir, ancak SiC için evrensel olarak etkili değildir ve lazer tek kristal kesme umut verici olsa da, malzemeyi değiştirmek en azından işlem parametrelerini değiştirmek anlamına gelir. Son kullanıcılar ayrıca, silikon kullanan geleneksel yöntemlere kıyasla SiC tek kristal kesme için optimum ışık kaynağını belirlemelidir.
Resim.
Bir mikroskobun yakın çekimi, patlama modundaki UV pikosaniye darbelerinin büyük bir çentiklenme olmadan mükemmel kenar kalitesi ürettiğini göstermektedir. Geleneksel mekanik kesme bu tür sonuçları elde edemez.
Pikosaniye lazerlerle kaliteli ablasyon
SiC aygıtları, geleneksel silikon mikroelektroniklerle aynı şekilde üretilir: tek bir yonga üzerine çok sayıda ayrı entegre devre üretilir, daha sonra bu yongalar tek kristalleştirilir ve ayrı yongalara kesilir, ardından paketlemeye hazır hale getirilir.
Kırılgan SiC yongaları kesilirken, mekanik kesmeden kaynaklanan kenar kırılmasını azaltmak veya tamamen ortadan kaldırmak önemlidir. Tek kristal kesme, malzemedeki mekanik değişiklikleri de en aza indirmelidir. Ayrıca, her yonga üzerindeki yonga sayısını en üst düzeye çıkarmak için "alan"ın (yani, bitişik devreler arasındaki boş alan) boyutunu sınırlamak için kerf genişliğini en aza indirmeye öncelik verilmelidir.
Mühendisler bu faktörleri kesme hızı, verim ve diğer maliyet etkili belirleyicilerle karşılaştırmalıdır. Kesme işlemi sırasında soğutucuların ve temizleme sıvılarının kullanımı gibi sarf malzemelerinin kullanımı da hesaba katılmalıdır.
Pikosaniye ve femtosaniye darbe genişliği aralıklarındaki ultra kısa darbeli lazerler, sert, şeffaf ve/veya kırılgan malzemeler dahil olmak üzere birçok farklı malzemenin yüksek hassasiyetli kesimi ve ablasyonu için kullanılabilir. Ultra kısa darbe genişlikleriyle işlemenin avantajları arasında malzemenin genel olarak minimum ısınması ve ihmal edilebilir ısıdan etkilenen bölgenin (HAZ) bulunması yer alır. Bu kaynaklar ayrıca diğer lazer türlerine kıyasla iyileştirilmiş kenar kalitesi ve azaltılmış döküntü oluşumu sağlar.
Çoğu pikosaniye lazerin kızılötesi çıkışı, görünür yeşil veya morötesi ışık sağlamak için frekans iki katına çıkarılabilirken, morötesi dalga boyu genellikle zorlu uygulamalar için kullanılır. Bu optik bantta çalışan kaynaklar genellikle daha küçük odak noktası boyutlarına ve belirli bir nokta boyutu için artırılmış odak derinliğine veya Rayleigh aralığına ulaşabilir.
Bu özellikler, daha hassas derinlik kontrolü elde edilebildiği için UV pikosaniye lazerleri yüksek en boy oranı özellikleri ve daha ince kerf genişlikleri üretmek için tercih edilen seçim haline getirir. Ayrıca, daha büyük odak derinliği bu kaynakların geniş alanlı galvanometre tarama sistemlerine uygulanmasını kolaylaştırır. UV ışığının sınırlı nüfuz etmesi, ısıdan etkilenen bölgeyi (HAZ) daha da azaltır.
Analiz edilen deneyin ayrıntılı yapılandırması
Ancak, kısa darbe genişlikleri ve kısa dalga boylarıyla daha yüksek verim elde etmek her ortamda zordur. Tekrarlanabilir SiC tek kristal kesme sonuçları sağlamak için farklı sistem tasarımları ve parametreleri test edilmelidir. mks/Spectra-Physics, daha küçük odak noktası boyutları ve daha büyük odak derinlikleri gibi UV pikosaniye lazerlerin avantajlarına ilişkin olasılıkları değerlendirmek için bir dizi kesme deneyi gerçekleştirdi. Bu denemeler ayrıca daha fazla işlem kolaylığı ve daha küçük bir ısıdan etkilenen bölge (HAZ) elde etmeyi amaçladı. Son olarak, sürecin teknik ve ekonomik uygulanabilirliğini ölçmenin yanı sıra, denemeler çeşitli patlama ayarlarının sonuçları nasıl etkileyebileceğini araştırmak için tasarlandı.
İlk test turunda, 340 µm kalınlığındaki 4H-SiC yonga örneği 50 W, 355 nm pikosaniye lazer kullanılarak işlendi. Lazerin maksimum darbe enerjisi 60µJ'den büyüktür ve 750 kHz ila 1,25 MHz arasındaki tekrarlama frekanslarında 50 W'lık ortalama bir güç sağlar ve maksimum çalışma frekansı 10 MHz'dir. Tüm darbe çıkış formatlarının benzer darbe enerjisi ve ortalama güç seviyelerini koruduğundan emin olmak için 200 ila 400 kHz arasındaki tekrarlama frekanslarında testler yürütüldü ve sonuçların doğrudan karşılaştırılmasına olanak sağlandı.
Pikosaniye lazer, çift eksenli bir galvanometre tarayıcı ve 330 mm odak uzaklığına sahip f-teta objektif ile kullanılır. Çalışma düzlemindeki odak noktası boyutu yaklaşık 30 µm'dir (1/e2 çap). Tarayıcı, 2 ila 4 m/s aralığında hızlarda, her çizgi için birden fazla geçişle ve 12,5 ila 25 mm/s aralığında net kesme hızlarıyla çalışır. Bu testlerde kullanılan lazer, çok çeşitli uygulamaları desteklemiştir.
Bu testlerde kullanılan lazerler darbe dizilerini destekler: lazer, bir dizi yakın aralıklı alt darbe dizisi yayar ve ardından bir zaman aralığından sonra bir sonraki darbe dizisi gelir. Darbe dizilerinin birçok malzeme işleme durumunda ablasyon oranlarını artırabileceği ve yüzey pürüzlülüğünü azaltabileceği iyi belgelenmiştir.
Ayrıca, testte kullanılan lazer programlanabilir patlamaları destekler. Bu, patlamadaki darbe sayısının yanı sıra patlamadaki her darbenin genliği ve zaman aralığının kontrol edilebilir olduğu anlamına gelir. Ayrıca, darbe dizisinin zamanlama-zaman titremesi çok düşüktür ve çok hızlı tarama hızlarında bile yüksek doğrulukla çalışma yüzeyine doğrudan yerleştirme ve konumlandırmayı mümkün kılar. Bu esnek darbe yetenekleri, test sırasında çok çeşitli işlem alanını keşfetmemizi sağlar.
Sonuçların analizi
Aşağıdaki Şekil 2, tek bir darbeden 12 darbeye kadar değişen çeşitli darbe dizisi yapılandırmaları için ortalama lazer gücünün bir fonksiyonu olarak yazma derinliği değerlerini gösterir. Her testte, malzeme üzerinde aynı konumda toplam 80 vuruş yapıldı. Her darbe dizisinin çalışma yüzeyindeki konumu (toplam darbe örtüşmesi) sıkı bir şekilde kontrol edildi. Bu durumda, darbelerin etkili mekansal örtüşmesi yaklaşık %84 idi.
Şekil 2, tek bir darbe (a, üst panel) ve çeşitli darbe dizisi yapılandırmaları (bd, orta ve alt paneller) için 25 mm/s'de dört geçişte güç fonksiyonu olarak çizme derinliğini gösterir. Veriler, darbe dizisinin ablasyon oranlarını nasıl iyileştirdiğini gösterir.
Bu sonuçlar, darbe dizisinin kullanımının ablasyon oranını büyük ölçüde artırdığını göstermektedir. Bu sonuç bekleniyordu ve diğer malzemelerde pikosaniye lazer darbe dizisi işleme kullanılarak elde edilen sonuçlarla tutarlıdır. Yine, ablasyon eşiği her darbe dizisinde bulunan darbe sayısıyla (esas olarak logaritmik olarak) azalır. Bu, birçok malzemenin tipik olarak çoklu darbe ışınlaması altında "biriktiğini" göstermektedir.
Hem 3B hem de 2B yüzey topografisi araçları, çizgi derinliğini ve kenar kalitesini doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır. Taramalı beyaz ışık interferometresi ile elde edilen görüntüler, çizginin daha fazla ayrıntısını gösterir (Şekil 3). Yüzey pürüzsüz ve döküntüden arınmış olduğundan, pikosaniye UV lazeri ayrıca başka bir istenen sonucu da elde eder: yüksek kaliteli bir kesim.
Şekil 3. Beyaz ışık interferometresinin taranmasıyla elde edilen kazıma sonuçları, pikosaniye UV lazerin temiz, talaşsız kesimler yapma kabiliyetine sahip olduğunu doğrulamaktadır.
Çizmenin daha ileri bir nitel değerlendirmesi aşağıdaki Şekil 4'te görülebilir. Tek bir görüntü, 1, 4, 8 ve 12 darbe treniyle ardışık olarak oluşturulan bir dizi 25 µm derinliğindeki olukları göstermektedir. Ortalama güç, her durumda en iyi sonuçları elde etmek için gerektiği şekilde ayarlanmıştır. Üst sıradaki dört görüntü, yonga plakasının üst yüzeyine odaklanmıştır. Alt sıradaki dört görüntü, çizicinin alt yüzeyine odaklanmıştır. Şekil 4e-h, her darbe trenindeki darbe sayısının bir fonksiyonu olarak kesim kalitesinin net bir karşılaştırmasını ve ilerlemesini göstermektedir.
Şekil 4. 25- µm derinliğindeki çentiğin üst (alt, ad) ve alt (eh) kısımlarının yakın çekim görüntüleri. Patlamadaki darbe sayısı arttıkça, çentiklerin farklı değerleri kesim kalitesinde istikrarlı bir iyileşme göstermektedir.
Çizici çizgisinin etrafındaki renk bozulması, darbe sayısı arttıkça kaybolan yüzey veya alt tabaka malzemesinde bir değişikliğe işaret eder. Darbe sayısı ne kadar yüksekse, besleme hızı o kadar hızlı olur ve sonuçlar o kadar iyi olur. Bu, sürecin yeterli verimi ve aynı zamanda iyi kaliteyi sağlamak için kullanılabileceğini gösterir.
Aşağıdaki Şekil 5, aynı lazer çalışma koşulları altında ortalama 16 W güç ve 25 mm/s net işleme hızıyla çizilen, çizilen alt yüzeylerin bir dizi yüksek büyütme görünümünü göstermektedir. Bu işlemin sonuçları aşağıdaki Şekil 5'te gösterilmiştir. Her koşul için çizme derinlikleri farklı darbe değerlerinde 8 ila 25 µm arasında değişmektedir. Bu daha yüksek çözünürlüklü görünüm, darbe sayısı arttıkça pürüzsüzlükteki gelişmeyi vurgular. Darbe çıkışını ayarlamak, ortalama gücü ve genel işleme hızını sabit tutarken çizme derinliğini üç katına çıkarır.
Şekil 5. Pikosaniye UV lazerle işleme, daha yüksek darbe sayımlı dizilerin avantajlarını vurgulayarak mükemmel kenar/yüzey kalitesiyle sonuçlanır (ad)
Teknolojiyi mükemmelleştirmek
Teoriden pratiğe geçerken, UV pikosaniye lazerlerini SiC yongalarını çizmek için uygulama potansiyeli, işleme kalitesini iyileştirmek ve işleme hızını artırmak için darbe dizisi çıktısını kullanma yeteneğiyle gösterilmiştir. 340 µm yongaların tam kesme parametrelerini ve sonuçlarını ölçmek ve değerlendirmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.
Bu arada, geleneksel olarak silikon yonga levhaları çizmek için kullanılan mekanik testerelerin SiC için kullanımını araştırıyoruz. Yayınlanan sonuçlar, bu yöntemin hala sınırlı besleme hızlarından muzdarip olduğunu ve örneğin 10 µm'den büyük talaşlarda büyük miktarda döküntü ürettiğini göstermektedir.
Bununla birlikte, mekanik kesme yarı iletken endüstrisinde hala yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir ve herhangi bir alternatif teknolojinin endüstri kabulü kazanmak için verim, verim ve işletme maliyetleri açısından önemli avantajlar göstermesi gerekir. Elde edilen UV pikosaniye sonuçlarının tam kesme açısından daha da iyileştirilmesi gerekse de, alternatif bir teknoloji olarak daha fazla sürdürülebilir iyileştirme mümkündür.
