A medida que las regulaciones y los factores ambientales convergen para crear una poderosa fuerza impulsora, la industria de vehículos eléctricos y sus diversos segmentos de la cadena de valor están creando un floreciente campo de innovación. Los paquetes de baterías de los vehículos eléctricos (VE) actuales funcionan a voltajes cada vez más altos, a veces tan altos como 800 V. El voltaje de los paquetes de baterías está aumentando, pero el voltaje de los paquetes de baterías también está aumentando.
Los beneficios de un voltaje más alto incluyen más caballos de fuerza, mayor eficiencia, mayor alcance y tiempos de carga más cortos. Dentro del vehículo, la electrónica de potencia convierte el alto voltaje de CC en las diferentes formas requeridas por varios sistemas. Por ejemplo, los motores de tracción requieren energía de CA trifásica. Al mismo tiempo, los cargadores de vehículos ajustan dinámicamente la corriente y el voltaje.
El silicio se utiliza actualmente de forma generalizada en muchas áreas de la electrónica de potencia y de consumo, pero también se ha convertido en un obstáculo para su actualización. La electrónica de potencia basada en circuitos integrados (CI) de silicio convencionales no puede funcionar correctamente a altos voltajes, altas temperaturas y altas frecuencias de conmutación. Como resultado, los fabricantes deben recurrir a materiales semiconductores alternativos para aprovechar al máximo los paquetes de baterías de alto voltaje para vehículos eléctricos. El semiconductor alternativo más prometedor es el carburo de silicio (SiC). Este material posee propiedades que lo hacen ideal para la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, por lo que el SiC es clave para mejorar el rendimiento y la autonomía de los vehículos eléctricos a medida que estos se vuelven más populares.
Sin embargo, la fabricación de dispositivos de SiC presenta sus propios desafíos. Las propiedades mecánicas, químicas, electrónicas y ópticas del SiC difieren significativamente de las del silicio en áreas donde predominan los procesos maduros y los protocolos establecidos. Por ejemplo, el SiC es uno de los materiales más duros que se conocen, comparable al diamante, lo que dificulta el trazado de obleas mediante métodos mecánicos tradicionales como el aserrado, y también es un material frágil que se rompe fácilmente al serrucharlo. Además, el SiC desgasta rápidamente las hojas de sierra, incluidas las fabricadas con diamante duro, lo que requiere el reemplazo frecuente de este costoso consumible. El aserrado en sí es un proceso relativamente lento y el calor generado tiende a afectar negativamente las propiedades del material.
La combinación de estos problemas crea una serie de obstáculos para los fabricantes de vehículos eléctricos, ya que muchos procesos de fabricación de circuitos integrados establecidos son diferentes, o incluso opuestos, a los utilizados para el SiC.
El troceado de obleas monocristalinas es un buen ejemplo: el corte mecánico es el método principal para trocear obleas monocristalinas de silicio, pero no es universalmente eficaz para el SiC, y si bien el troceado de obleas monocristalinas con láser es prometedor, reemplazar el material significa al menos cambiar los parámetros del proceso. Los usuarios finales también deben determinar la fuente de luz óptima para el troceado de obleas monocristalinas de SiC en comparación con los métodos tradicionales que utilizan silicio.
Imagen.
Un primer plano de un microscopio muestra que los pulsos de picosegundos UV en modo ráfaga producen una excelente calidad de borde sin astillado importante. El aserrado mecánico convencional no puede lograr tales resultados.
Ablación de calidad con láseres de picosegundos
Los dispositivos de SiC se fabrican del mismo modo que la microelectrónica de silicio convencional: se crea una gran cantidad de circuitos integrados individuales en una única oblea, que luego se monocristaliza y se corta en chips individuales, que luego están listos para su empaquetado.
Al cortar obleas de SiC frágiles, es importante reducir o eliminar por completo el astillado de los bordes causado por el aserrado mecánico. El corte en cubitos de un solo cristal también debe minimizar los cambios mecánicos en el material. También se debe dar prioridad a minimizar el ancho de corte para limitar el tamaño del "espacio" (es decir, el área vacía entre circuitos adyacentes) para maximizar la cantidad de chips en cada oblea.
Los ingenieros deben sopesar estos factores frente a la velocidad de corte, el rendimiento y otros determinantes que afectan los costos. También se debe tener en cuenta el uso de consumibles, como refrigerantes y líquidos de limpieza durante el proceso de corte.
Los láseres de pulsos ultracortos en los rangos de ancho de pulso de picosegundos y femtosegundos se pueden utilizar para el corte y la ablación de alta precisión de muchos materiales diferentes, incluidos materiales duros, transparentes y/o frágiles. Los beneficios del procesamiento con anchos de pulso ultracortos incluyen un calentamiento general mínimo del material y una zona afectada por el calor (ZAT) insignificante. Estas fuentes también proporcionan una mejor calidad de los bordes y una menor generación de residuos en comparación con otros tipos de láseres.
La salida infrarroja de la mayoría de los láseres de picosegundos se puede duplicar en frecuencia para proporcionar luz verde visible o ultravioleta, mientras que la longitud de onda ultravioleta se utiliza normalmente para aplicaciones exigentes. Las fuentes que funcionan en esta banda óptica a menudo pueden lograr tamaños de punto focal más pequeños y una mayor profundidad de enfoque o rango de Rayleigh para un tamaño de punto determinado.
Estas características hacen que los láseres de picosegundos UV sean la opción preferida para producir características con una alta relación de aspecto y anchos de corte más delgados debido al control de profundidad más preciso que se puede lograr. Además, la mayor profundidad de enfoque hace que estas fuentes sean más fáciles de aplicar a los sistemas de escaneo galvanométrico de campo amplio. La penetración limitada de la luz UV reduce aún más la zona afectada por el calor (HAZ).
Configuración detallada del experimento analizado
Sin embargo, lograr mayores rendimientos con anchos de pulso cortos y longitudes de onda cortas es difícil en cualquier entorno. Para garantizar resultados reproducibles de corte de monocristales de SiC, se deben probar diferentes diseños de sistemas y parámetros. mks/Spectra-Physics realizó una serie de experimentos de corte para evaluar las perspectivas de ventajas de los láseres de picosegundos UV, como tamaños de punto focal más pequeños y profundidades focales más grandes. Estos ensayos también buscaron lograr una mayor facilidad de procesamiento y una zona afectada por el calor (ZAT) más pequeña. Finalmente, además de medir la viabilidad técnica y económica del proceso, los ensayos fueron diseñados para investigar cómo varias configuraciones de ráfaga podrían afectar los resultados.
En la primera ronda de pruebas, se procesó una muestra de oblea de 4H-SiC de 340 µm de espesor utilizando un láser de picosegundos de 50 W y 355 nm. El láser tiene una energía de pulso máxima superior a 60 µJ y ofrece una potencia media de 50 W a frecuencias de repetición de 750 kHz a 1,25 MHz, con una frecuencia de funcionamiento máxima de 10 MHz. Se realizaron pruebas a frecuencias de repetición de 200 a 400 kHz para garantizar que todos los formatos de salida de pulso mantuvieran niveles de energía de pulso y potencia media similares, lo que permitió una comparación directa de los resultados.
El láser de picosegundos se utiliza con un escáner galvanómetro de dos ejes y un objetivo f-theta de longitud focal de 330 mm. El tamaño del punto focal en el plano de trabajo es de aproximadamente 30 µm (1/e2 de diámetro). El escáner funciona a velocidades que van de 2 a 4 m/s, con múltiples pasadas por trazo y velocidades de corte neto que van de 12,5 a 25 mm/s. El láser utilizado en estas pruebas admitía una amplia gama de aplicaciones.
Los láseres utilizados en estas pruebas admiten trenes de pulsos: el láser emite una serie de trenes de subpulsos muy espaciados, seguidos por el siguiente tren de pulsos después de un intervalo de tiempo. Está bien documentado que los trenes de pulsos pueden aumentar las tasas de ablación y reducir la rugosidad de la superficie en muchas situaciones de procesamiento de materiales.
Además, el láser utilizado en la prueba admite ráfagas programables. Esto significa que se puede controlar la cantidad de pulsos de la ráfaga, así como la amplitud y el intervalo de tiempo de cada pulso de la ráfaga. Además, la fluctuación temporal del tren de pulsos es muy baja, lo que permite la colocación y posicionamiento directos en la superficie de trabajo con gran precisión, incluso a velocidades de escaneo muy rápidas. Estas capacidades de pulsos flexibles nos permiten explorar una amplia gama de espacios de proceso durante las pruebas.
Análisis de resultados
La figura 2 muestra los valores de profundidad de rayado en función de la potencia láser promedio para varias configuraciones de cadena de pulsos que van desde un solo pulso hasta 12 pulsos. En cada prueba, se realizaron un total de 80 pasadas en la misma ubicación sobre el material. La posición de cada tren de pulsos sobre la superficie de trabajo (superposición total de pulsos) se controló estrictamente. En este caso, la superposición espacial efectiva de los pulsos fue de aproximadamente el 84%.
La figura 2 muestra la profundidad del rayado en función de la potencia a través de cuatro pasadas a 25 mm/s para un solo pulso (a, panel superior) y varias configuraciones de cadena de pulsos (bd, paneles medio e inferior). Los datos muestran cómo la cadena de pulsos mejora las tasas de ablación.
Estos resultados muestran que el uso de la cadena de pulsos aumentó considerablemente la tasa de ablación. Este resultado era esperado y es consistente con los resultados obtenidos utilizando el procesamiento de la cadena de pulsos láser de picosegundos en otros materiales. Nuevamente, el umbral de ablación disminuye (esencialmente de manera logarítmica) con el número de pulsos contenidos en cada tren de pulsos. Esto sugiere que muchos materiales normalmente se "acumulan" bajo la irradiación de múltiples pulsos.
Se utilizan herramientas de topografía de superficies tanto 3D como 2D para medir con precisión la profundidad del corte y la calidad de los bordes. Las imágenes obtenidas con un interferómetro de luz blanca de barrido muestran más detalles del corte (Figura 3). Debido a que la superficie es lisa y libre de residuos, el láser UV de picosegundos también logra otro resultado deseado: un corte de alta calidad.
Figura 3. Los resultados de trazado obtenidos al escanear el interferómetro de luz blanca confirman que el láser UV de picosegundos es capaz de realizar cortes limpios y sin astillas.
En la Figura 4 se puede ver una evaluación cualitativa adicional del trazado. Una sola imagen muestra una serie de ranuras de 25 µm de profundidad que se generaron secuencialmente con trenes de pulsos de 1, 4, 8 y 12. La potencia promedio se ajustó según fuera necesario para obtener los mejores resultados en cada caso. Las cuatro imágenes de la fila superior se centran en la superficie superior de la oblea. Las cuatro imágenes de la fila inferior se centran en la superficie inferior del trazado. Las Figuras 4e-h muestran una comparación clara y una progresión de la calidad del corte en función del número de pulsos en cada tren de pulsos.
Figura 4. Imágenes en primer plano de la parte superior (inferior, ad) y la parte inferior (eh) de la muesca de 25- µm de profundidad. A medida que aumenta el número de pulsos en la ráfaga, los diferentes valores de las muescas muestran una mejora constante en la calidad del corte.
La decoloración alrededor de la línea de corte indica un cambio en la superficie o el material del sustrato, que desaparece a medida que aumenta el número de pulsos. Cuanto mayor sea el número de pulsos, más rápida será la velocidad de alimentación y mejores serán los resultados. Esto sugiere que el proceso puede utilizarse para garantizar un rendimiento adecuado y una buena calidad al mismo tiempo.
La Figura 5 a continuación muestra una serie de vistas de gran aumento de las superficies inferiores grabadas, todas grabadas bajo las mismas condiciones de funcionamiento del láser a una potencia media de 16 W y una velocidad de procesamiento neta de 25 mm/s. Los resultados de este proceso se muestran en la Figura 5 a continuación. Las profundidades de grabado para cada condición varían de 8 a 25 µm con diferentes valores de pulso. Esta vista de mayor resolución resalta la mejora en la suavidad a medida que aumenta el número de pulsos. El ajuste de la salida de pulso aumenta la profundidad de grabado en un factor de tres mientras se mantienen constantes la potencia media y la velocidad de procesamiento general.
Figura 5. El procesamiento con un láser UV de picosegundos da como resultado una excelente calidad de borde/superficie, lo que resalta las ventajas de las cadenas con mayor conteo de pulsos (ad)
Perfeccionando la tecnología
Al pasar de la teoría a la práctica, el potencial de aplicar láseres de picosegundos UV para grabar obleas de SiC se demuestra mediante la capacidad de utilizar la salida de la cadena de pulsos para mejorar la calidad del procesamiento y aumentar la velocidad de procesamiento. Se necesita una mayor exploración para medir y evaluar los parámetros y los resultados del troceado completo de obleas de 340 µm.
Mientras tanto, estamos investigando el uso de sierras mecánicas, tradicionalmente utilizadas para trazar obleas de silicio, para SiC. Los resultados publicados muestran que este método aún adolece de velocidades de alimentación limitadas y genera grandes cantidades de residuos, por ejemplo en chips de más de 10 µm.
No obstante, el corte mecánico sigue siendo un método de uso común en la industria de semiconductores, y cualquier tecnología alternativa tendría que demostrar ventajas significativas en términos de rendimiento, productividad y costos operativos para ganar aceptación en la industria. Aunque los resultados de picosegundos UV obtenidos deben mejorarse aún más en términos de corte completo, es posible lograr mejoras sostenidas adicionales como tecnología alternativa.
