Þegar reglur og umhverfisþættir renna saman til að skapa öflugan drifkraft, skapa rafbílaiðnaðurinn og ýmsir hlutar hans í virðiskeðjunni blómstrandi nýsköpunarsvið. Rafhlöðupakkar nútímans ganga fyrir sífellt hærri spennu, stundum allt að 800 V. Spenna rafhlöðupakkana eykst, en spenna rafhlöðupakkana eykst einnig.
Ávinningurinn af hærri spennu felur í sér meiri hestöfl, meiri skilvirkni, lengri drægni og styttri hleðslutíma. Inni í ökutækinu umbreytir rafeindatækni háu DC spennunni í mismunandi form sem krafist er af ýmsum kerfum. Til dæmis þurfa togmótorar þriggja fasa straumafl. Á sama tíma stilla hleðslutæki ökutækja straum og spennu á kraftmikinn hátt.
Kísill er nú mikið notaður á mörgum sviðum neytenda- og rafeindatækni, en það hefur einnig orðið flöskuháls fyrir uppfærslu þeirra. Rafeindatækni sem byggir á hefðbundnum sílikon samþættum hringrásum (IC) getur ekki starfað sem skyldi við háspennu, háan hita og háa skiptitíðni. Þar af leiðandi verða framleiðendur að snúa sér að öðrum hálfleiðaraefnum til að nýta háspennu rafhlöðupakka fyrir rafbíla til fulls. Efnilegasti valhálfleiðarinn er kísilkarbíð (SiC). Þetta efni býr yfir eiginleikum sem gera það tilvalið fyrir rafeindatækni rafbíla, þannig að SiC er lykillinn að því að bæta rafbílafköst og drægni eftir því sem rafbílar verða vinsælli.
Hins vegar hefur framleiðslu á SiC tækjum sínar einstöku áskoranir. Vélrænir, efnafræðilegir, rafrænir og sjónrænir eiginleikar SiC eru verulega frábrugðnir kísilum á svæðum þar sem þroskaðir ferlar og staðfestar samskiptareglur eru ríkjandi. Sem dæmi má nefna að SiC er eitt af hörðustu efnum sem vitað er um, sambærilegt við demantur, sem gerir það að verkum að erfitt er að rita oblátur með hefðbundnum vélrænum aðferðum eins og saga, auk þess sem það er brothætt efni sem brotnar auðveldlega við sagað. Að auki slitnar SiC sagarblöð hratt, þar á meðal þau sem eru úr hörðum demanti, sem þarfnast þess að skipta oft um þessa dýru rekstrarvöru. Sagan sjálf er tiltölulega hægt ferli og hitinn sem myndast hefur tilhneigingu til að hafa neikvæð áhrif á efniseiginleika.
Samsetning þessara mála skapar ýmsar hindranir fyrir framleiðendur rafbíla, þar sem mörg rótgróin IC framleiðsluferli eru frábrugðin, eða jafnvel öfug, þeim sem notuð eru fyrir SiC.
Einkristalla teningur, eða oblátur sneið, er gott dæmi; Vélræn saging er aðalaðferðin til að skera í teninga á kísilskífum, en hún er ekki almennt áhrifarík fyrir SiC, og þó að leysir einkristalla teningur sé efnilegur, þýðir það að skipta um efni að minnsta kosti að breyta ferlibreytum. Endanotendur verða einnig að ákvarða ákjósanlegan ljósgjafa fyrir SiC einkristalla teninga samanborið við hefðbundnar aðferðir sem nota sílikon.
Mynd.
Nærmynd af smásjá sýnir að UV píkósekúndupúlsar í sprengiham framleiða framúrskarandi brúngæði án mikils flísar. Hefðbundin vélsög getur ekki náð slíkum árangri.
Gæða brottnám með píkósekúndu leysigeislum
SiC tæki eru framleidd á sama hátt og hefðbundin sílikon örrafeindatækni: Mikill fjöldi einstakra samþættra rafrása er smíðaður á einni skífu, sem síðan er einkristölluð og skorin í einstaka flís, sem síðan eru tilbúnir til umbúða.
Þegar skornar eru brothættar SiC-skífur er mikilvægt að draga úr eða algjörlega útrýma brúnflísum frá vélrænni sagun. Einkristalla teningur ætti einnig að lágmarka vélrænar breytingar á efninu. Einnig ætti að hafa forgang að því að lágmarka breidd kerfsins til að takmarka stærð „bilsins“ (þ.e. tómt svæði á milli aðliggjandi hringrása) til að hámarka fjölda flísa á hverri oblátu.
Verkfræðingar verða að vega þessa þætti á móti skurðhraða, afköstum og öðrum kostnaðaráhrifum. Einnig þarf að taka með í reikninginn notkun rekstrarvara eins og notkun kælivökva og hreinsivökva í teningaferlinu.
Hægt er að nota ofurstuttar púlsleysistæki á púlsbreiddarsviðinu pikósekúndu og femtósekúndu til að klippa og eyða mörgum mismunandi efnum með mikilli nákvæmni, þar á meðal hörðum, gagnsæjum og/eða brothættum efnum. Ávinningurinn af vinnslu með ofurstuttum púlsbreiddum eru meðal annars lágmarks heildarhitun efnisins og hverfandi hitaáhrifasvæði (HAZ). Þessar uppsprettur veita einnig bætt brún gæði og minni ruslmyndun samanborið við aðrar gerðir leysigeisla.
Innrauða framleiðsla flestra píkósekúndna leysira er hægt að tvöfalda tíðni til að veita sýnilegt grænt eða útfjólublát ljós, en útfjólubláa bylgjulengdin er venjulega notuð fyrir krefjandi forrit. Heimildir sem starfa á þessu sjónsviði geta oft náð smærri brennipunktastærðum og aukinni fókusdýpt eða Rayleigh-sviði fyrir tiltekna blettastærð.
Þessir eiginleikar gera útfjólubláa píkósekúndu leysira að ákjósanlegu vali til að búa til eiginleika í háum hlutföllum og þynnri skurðarbreiddum vegna nákvæmari dýptarstýringar sem hægt er að ná. Að auki gerir meiri fókusdýpt þessar heimildir auðveldari í notkun á breiðsviðs galvanometerskönnunarkerfi. Takmarkað skarpskyggni UV ljóss dregur enn frekar úr hitaáhrifasvæðinu (HAZ).
Nákvæm uppsetning greindu tilraunarinnar
Hins vegar er erfitt í hvaða umhverfi sem er að ná hærri afköstum með stuttum púlsbreiddum og stuttum bylgjulengdum. Til að tryggja að hægt sé að endurskapa SiC einkristalla teninga verður að prófa mismunandi kerfishönnun og færibreytur. mks/Spectra-Physics framkvæmdi röð af teningatilraunum til að meta möguleikana á kostum UV píkósekúndna leysigeisla, svo sem smærri brennisteinsstærð og stærri brennivídd. Þessar tilraunir reyndu einnig að ná meiri vinnslu vellíðan og minna hitaáhrifasvæði (HAZ). Að lokum, auk þess að meta tæknilega og efnahagslega hagkvæmni ferlisins, voru tilraunirnar hönnuð til að kanna hvernig ýmsar springastillingar gætu haft áhrif á niðurstöðurnar.
Í fyrstu lotu prófana var 340 µm þykkt 4H-SiC oblátasýni unnið með 50 W, 355 nm píkósekúndna leysi. Laserinn hefur hámarkspúlsorku sem er meiri en 60µJ og skilar 50 W meðalafli við endurtekningartíðni frá 750 kHz til 1,25 MHz, með hámarksnotkunartíðni 10 MHz. Prófanir voru gerðar við endurtekningartíðni frá 200 til 400 kHz til að tryggja að öll púlsúttakssnið héldu svipuðum púlsorku og meðalafli, sem gerir beinan samanburð á niðurstöðum kleift.
Píkósekúndu leysirinn er notaður með tvíása galvanometerskanni og 330 mm brennivídd f-theta hlutlægu. Brennipunktastærðin á vinnuplaninu er um það bil 30 µm (1/e2 þvermál). Skanninn virkar á hraða á bilinu 2 til 4 m/s, með mörgum umferðum á hvern ritara og nettóskurðarhraða á bilinu 12,5 til 25 mm/s. Laserinn sem notaður var í þessum prófum studdi fjölbreytt úrval af forritum.
Lasararnir sem notaðir eru í þessum prófum styðja púlslest: leysirinn gefur frá sér röð af undirpúlslestum sem eru þétt á milli, og næst kemur næstu púlslest eftir nokkurt tímabil. Það hefur verið vel skjalfest að púlslestir geta aukið brottnámshraða og dregið úr ójöfnu yfirborðs í mörgum efnisvinnsluaðstæðum.
Að auki styður leysirinn sem notaður er í prófuninni forritanlegum springum. Þetta þýðir að fjöldi púlsa í sprengingunni, sem og amplitude og tímabil hvers púls í burstinu, er stjórnanlegt. Að auki er tímatímakippur púlslestarinnar mjög lítill, sem gerir beinni staðsetningu og staðsetningu á vinnufletinum kleift með mikilli nákvæmni, jafnvel á mjög miklum skönnunarhraða. Þessi sveigjanlegi púlsmöguleiki gerir okkur kleift að kanna fjölbreytt vinnslurými meðan á prófun stendur.
Greining á niðurstöðum
Mynd 2 hér að neðan sýnir ritdýptargildin sem fall af meðalafli leysis fyrir ýmsar púlsstrengjastillingar, allt frá einum púls til 12 púlsa. Í hverju prófi voru samtals 80 högg á sama stað á efninu. Stöðu hverrar púlslestar á vinnusvæðinu (heildarpúlsskörun) var stranglega stjórnað. Í þessu tilviki var áhrifarík staðbundin skörun púlsanna um það bil 84%.
Mynd 2. sýnir dýpt ritunar sem fall af krafti í gegnum fjórar sendingar við 25 mm/s fyrir einn púls (a, efsta spjaldið) og ýmsar púlsstrengjastillingar (bd, mið- og neðra spjald). Gögnin sýna hvernig púlsstrengurinn bætir brottnámshraða.
Þessar niðurstöður sýna að notkun púlsstrengsins jók brottnámshraðann til muna. Búist var við þessari niðurstöðu og er í samræmi við niðurstöður sem fengust með því að nota picosecond leysir púlsstrengsvinnslu í öðrum efnum. Aftur lækkar brottnámsþröskuldurinn (í meginatriðum logaritmískt) með fjölda púlsa sem eru í hverri púlslest. Þetta bendir til þess að mörg efni "safnast" venjulega við fjölpúlsgeislun.
Bæði 3D og 2D yfirborðsmyndafræðiverkfæri eru notuð til að mæla nákvæmlega dýpt og brún gæði. Myndir sem teknar eru með skanna hvítt ljós interferometer sýna frekari upplýsingar um áletrunina (Mynd 3). Vegna þess að yfirborðið er slétt og laust við rusl, nær picosecond UV leysirinn einnig öðrum tilætluðum árangri: hágæða skurð.
Mynd 3. Niðurstöðurnar sem fást með því að skanna hvíta ljós interferometer staðfesta að picosecond UV leysirinn er fær um að gera hreinar, flísalausar skurðir.
Frekari eigindlegt mat á rituninni má sjá á mynd 4 hér að neðan. Ein mynd sýnir röð af 25 µm djúpum rifum sem voru mynduð í röð með 1, 4, 8 og 12 púlslestum. Meðalafl var stillt eftir þörfum til að ná sem bestum árangri í hverju tilviki. Myndirnar fjórar í efstu röðinni eru fókusaðar á efsta yfirborðið á oblátunni. Myndirnar fjórar í neðstu röðinni eru fókusaðar á neðsta yfirborð skrifarans. Myndir 4e-h sýna skýran samanburð og framvindu skurðgæða sem fall af fjölda púlsa í hverri púlslest.
Mynd 4. Nærmyndir af toppi (neðst, auglýsing) og neðst (eh) á 25-µm djúpu hakinu. Eftir því sem fjöldi púlsa í sprengingunni eykst sýna mismunandi gildi haksins stöðuga framför í gæðum skurðarinnar.
Litabreytingin í kringum ritslínuna gefur til kynna breytingu á yfirborði eða undirlagsefni, sem hverfur eftir því sem púlsunum fjölgar. Því hærri sem púlsfjöldinn er, því hraðari er fóðrunarhraði og því betri árangur. Þetta bendir til þess að hægt sé að nota ferlið til að tryggja fullnægjandi afköst og góð gæði á sama tíma.
Mynd 5 hér að neðan sýnir röð af myndum með mikilli stækkun af skreyttum botnflötum, allt ritað undir sömu leysirvinnsluskilyrðum við meðalafl 16 W og nettóvinnsluhraða 25 mm/s. Niðurstöður þessa ferlis eru sýndar á mynd 5 hér að neðan. Ritunardýpt fyrir hvert ástand er á bilinu 8 til 25 µm við mismunandi púlsgildi. Þessi sýn með hærri upplausn undirstrikar aukna sléttleika eftir því sem púlsunum fjölgar. Með því að stilla púlsúttakið eykst ritdýptin um þrennt á meðan meðalafli og heildarvinnsluhraði er haldið stöðugum.
Mynd 5. Vinnsla með picosecond UV leysir leiðir af sér framúrskarandi brún/yfirborðsgæði, sem undirstrikar kosti hærri púlsfjölda strengja (auglýsing)
Að fullkomna tæknina
Þegar farið er frá kenningu til iðkunar er möguleikinn á því að nota UV píkósekúndu leysir til að skrifa SiC oblátur sýndar með hæfileikanum til að nota púlsstrengsúttak til að bæta vinnslugæði og auka vinnsluhraða. Frekari könnunar er þörf til að mæla og meta færibreytur og niðurstöður fullkominnar sneiðingar á 340 µm oblátum.
Í millitíðinni erum við að kanna notkun vélrænna saga, sem venjulega eru notaðar til að rita kísilplötur, fyrir SiC. birtar niðurstöður sýna að þessi aðferð þjáist enn af takmörkuðum straumhraða og myndar mikið magn af rusli, til dæmis í flísum sem eru stærri en 10 µm.
Engu að síður er vélsögun enn algeng aðferð í hálfleiðaraiðnaðinum og öll önnur tækni þyrfti að sýna fram á umtalsverða kosti hvað varðar afköst, afrakstur og rekstrarkostnað til að fá viðurkenningu iðnaðarins. Þrátt fyrir að bæta þurfi enn frekar útfjólubláa picosecond niðurstöðurnar með tilliti til fullkominnar teninga, eru frekari viðvarandi umbætur mögulegar sem önnur tækni.
