Seiring dengan regulasi dan faktor lingkungan yang saling bertemu untuk menciptakan kekuatan pendorong yang kuat, industri kendaraan listrik dan berbagai segmen rantai nilainya menciptakan bidang inovasi yang berkembang pesat. Baterai kendaraan listrik (EV) saat ini beroperasi pada tegangan yang semakin tinggi, terkadang setinggi 800 V. Tegangan baterai meningkat, tetapi tegangan baterai juga meningkat.
Manfaat tegangan yang lebih tinggi mencakup tenaga kuda yang lebih besar, efisiensi yang lebih tinggi, jangkauan yang lebih jauh, dan waktu pengisian yang lebih singkat. Di dalam kendaraan, perangkat elektronik daya mengubah tegangan DC yang tinggi menjadi berbagai bentuk yang dibutuhkan oleh berbagai sistem. Misalnya, motor traksi memerlukan daya AC tiga fase. Pada saat yang sama, pengisi daya kendaraan secara dinamis menyesuaikan arus dan tegangan.
Silikon saat ini banyak digunakan di banyak bidang elektronik konsumen dan elektronik daya, tetapi juga menjadi hambatan untuk peningkatannya. Elektronik daya yang berbasis pada sirkuit terpadu (IC) silikon konvensional tidak dapat beroperasi dengan baik pada tegangan tinggi, suhu tinggi, dan frekuensi pengalihan tinggi. Akibatnya, produsen harus beralih ke bahan semikonduktor alternatif untuk memanfaatkan sepenuhnya paket baterai tegangan tinggi untuk kendaraan listrik. Semikonduktor alternatif yang paling menjanjikan adalah silikon karbida (SiC). Bahan ini memiliki sifat yang membuatnya ideal untuk elektronik daya EV, sehingga SiC menjadi kunci untuk meningkatkan kinerja dan jangkauan EV seiring dengan semakin populernya EV.
Namun, pembuatan perangkat SiC memiliki tantangan tersendiri yang unik. Sifat mekanik, kimia, elektronik, dan optik SiC berbeda secara signifikan dari sifat silikon di area yang didominasi oleh proses yang matang dan protokol yang mapan. Misalnya, SiC merupakan salah satu material terkeras yang diketahui, sebanding dengan berlian, sehingga sulit untuk membuat wafer menggunakan metode mekanis tradisional seperti menggergaji, dan juga merupakan material getas yang mudah pecah saat digergaji. Selain itu, SiC dengan cepat membuat bilah gergaji menjadi aus, termasuk yang terbuat dari berlian keras, sehingga memerlukan penggantian bahan habis pakai yang mahal ini secara berkala. Penggergajian itu sendiri merupakan proses yang relatif lambat, dan panas yang dihasilkan cenderung berdampak negatif pada sifat material.
Kombinasi masalah ini menimbulkan sejumlah kendala bagi produsen kendaraan listrik, karena banyak proses produksi IC yang ada berbeda, atau bahkan berlawanan, dengan yang digunakan untuk SiC.
Pemotongan kristal tunggal, atau pemotongan wafer, adalah contoh utama; penggergajian mekanis adalah metode utama untuk pemotongan kristal tunggal wafer silikon, tetapi tidak efektif secara universal untuk SiC, dan meskipun pemotongan kristal tunggal dengan laser cukup menjanjikan, mengganti material berarti setidaknya mengubah parameter proses. Pengguna akhir juga harus menentukan sumber cahaya yang optimal untuk pemotongan kristal tunggal SiC dibandingkan dengan metode tradisional yang menggunakan silikon.
Gambar.
Tampilan mikroskop yang lebih dekat menunjukkan bahwa pulsa pikodetik UV dalam mode burst menghasilkan kualitas tepi yang sangat baik tanpa kerusakan besar. Penggergajian mekanis konvensional tidak dapat mencapai hasil seperti itu.
Ablasi berkualitas dengan laser picosecond
Perangkat SiC dibuat dengan cara yang sama seperti mikroelektronika silikon konvensional: sejumlah besar sirkuit terpadu individual dibuat pada wafer tunggal, yang kemudian dikristalkan tunggal dan dipotong menjadi chip individual, yang kemudian siap untuk dikemas.
Saat memotong wafer SiC yang rapuh, penting untuk mengurangi atau menghilangkan sepenuhnya serpihan tepi akibat penggergajian mekanis. Pemotongan kristal tunggal juga harus meminimalkan perubahan mekanis pada material. Prioritas juga harus diberikan untuk meminimalkan lebar kerf guna membatasi ukuran "ruang" (yaitu, area kosong antara sirkuit yang berdekatan) guna memaksimalkan jumlah serpihan pada setiap wafer.
Insinyur harus mempertimbangkan faktor-faktor ini terhadap kecepatan pemotongan, hasil, dan faktor penentu lain yang memengaruhi biaya. Penggunaan bahan habis pakai, seperti penggunaan pendingin dan cairan pembersih selama proses pemotongan, juga perlu diperhitungkan.
Laser pulsa ultrapendek dalam rentang lebar pulsa pikodetik dan femtodetik dapat digunakan untuk pemotongan dan ablasi presisi tinggi pada berbagai material, termasuk material keras, transparan, dan/atau getas. Manfaat pemrosesan dengan lebar pulsa ultrapendek meliputi pemanasan material secara keseluruhan yang minimal dan zona yang terkena panas (HAZ) yang dapat diabaikan. Sumber-sumber ini juga memberikan kualitas tepi yang lebih baik dan mengurangi pembentukan serpihan dibandingkan dengan jenis laser lainnya.
Output inframerah dari sebagian besar laser pikosekon dapat digandakan frekuensinya untuk menghasilkan cahaya hijau atau ultraviolet yang tampak, sedangkan panjang gelombang ultraviolet biasanya digunakan untuk aplikasi yang menuntut. Sumber yang beroperasi dalam pita optik ini sering kali dapat mencapai ukuran titik fokus yang lebih kecil dan kedalaman fokus atau jangkauan Rayleigh yang lebih tinggi untuk ukuran titik tertentu.
Karakteristik ini menjadikan laser UV picosecond pilihan yang lebih disukai untuk menghasilkan fitur rasio aspek tinggi dan lebar kerf yang lebih tipis karena kontrol kedalaman yang lebih presisi dapat dicapai. Selain itu, kedalaman fokus yang lebih besar membuat sumber ini lebih mudah diaplikasikan pada sistem pemindaian galvanometer bidang lebar. Penetrasi sinar UV yang terbatas semakin mengurangi zona yang terkena panas (HAZ).
Konfigurasi terperinci dari eksperimen yang dianalisis
Namun, sulit untuk mencapai hasil yang lebih tinggi dengan lebar pulsa pendek dan panjang gelombang pendek di lingkungan apa pun. Untuk memastikan hasil pemotongan kristal tunggal SiC yang dapat direproduksi, berbagai desain dan parameter sistem harus diuji. mks/Spectra-Physics melakukan serangkaian eksperimen pemotongan untuk mengevaluasi prospek keuntungan laser UV picosecond, seperti ukuran titik fokus yang lebih kecil dan kedalaman fokus yang lebih besar. Uji coba ini juga berupaya untuk mencapai kemudahan pemrosesan yang lebih besar, dan zona yang terpengaruh panas (HAZ) yang lebih kecil. Akhirnya, selain mengukur kelayakan teknis dan ekonomis dari proses tersebut, uji coba dirancang untuk menyelidiki bagaimana berbagai pengaturan burst dapat memengaruhi hasil.
Pada putaran pengujian pertama, sampel wafer 4H-SiC setebal 340 µm diproses menggunakan laser picosecond 50 W, 355 nm. Laser tersebut memiliki energi pulsa maksimum lebih besar dari 60µJ dan menghasilkan daya rata-rata 50 W pada frekuensi pengulangan dari 750 kHz hingga 1,25 MHz, dengan frekuensi operasi maksimum 10 MHz. Pengujian dilakukan pada frekuensi pengulangan dari 200 hingga 400 kHz untuk memastikan bahwa semua format keluaran pulsa mempertahankan energi pulsa dan tingkat daya rata-rata yang sama, sehingga memungkinkan perbandingan hasil secara langsung.
Laser picosecond digunakan dengan pemindai galvanometer sumbu ganda dan lensa objektif f-theta dengan panjang fokus 330 mm. Ukuran titik fokus pada bidang kerja kira-kira 30 µm (diameter 1/e2). Pemindai beroperasi pada kecepatan mulai dari 2 hingga 4 m/s, dengan beberapa lintasan per goresan, dan kecepatan pemotongan bersih mulai dari 12,5 hingga 25 mm/s. Laser yang digunakan dalam pengujian ini mendukung berbagai macam aplikasi.
Laser yang digunakan dalam pengujian ini mendukung rangkaian pulsa: laser memancarkan serangkaian rangkaian sub-pulsa yang berjarak dekat, diikuti oleh rangkaian pulsa berikutnya setelah interval waktu tertentu. Telah terdokumentasi dengan baik bahwa rangkaian pulsa dapat meningkatkan laju ablasi dan mengurangi kekasaran permukaan dalam banyak situasi pemrosesan material.
Selain itu, laser yang digunakan dalam pengujian mendukung semburan yang dapat diprogram. Ini berarti bahwa jumlah pulsa dalam semburan, serta amplitudo dan interval waktu setiap pulsa dalam semburan, dapat dikontrol. Selain itu, getaran waktu pengaturan rangkaian pulsa sangat rendah, yang memungkinkan penempatan dan pemosisian langsung pada permukaan kerja dengan akurasi tinggi, bahkan pada kecepatan pemindaian yang sangat cepat. Kemampuan denyut yang fleksibel ini memungkinkan kami untuk menjelajahi berbagai ruang proses selama pengujian.
Analisis hasil
Gambar 2 di bawah ini menunjukkan nilai kedalaman goresan sebagai fungsi daya laser rata-rata untuk berbagai konfigurasi rangkaian pulsa mulai dari satu pulsa hingga 12 pulsa. Dalam setiap pengujian, total 80 goresan dibuat di lokasi yang sama pada material. Posisi setiap rangkaian pulsa pada permukaan kerja (tumpang tindih pulsa total) dikontrol secara ketat. Dalam kasus ini, tumpang tindih spasial pulsa yang efektif adalah sekitar 84%.
Gambar 2. menunjukkan kedalaman goresan sebagai fungsi daya melalui empat lintasan pada 25 mm/s untuk satu pulsa (a, panel atas) dan berbagai konfigurasi rangkaian pulsa (bd, panel tengah dan bawah). Data menunjukkan bagaimana rangkaian pulsa meningkatkan laju ablasi.
Hasil ini menunjukkan bahwa penggunaan rangkaian pulsa sangat meningkatkan laju ablasi. Hasil ini diharapkan dan konsisten dengan hasil yang diperoleh menggunakan pemrosesan rangkaian pulsa laser picosecond pada material lain. Sekali lagi, ambang ablasi menurun (pada dasarnya secara logaritmik) dengan jumlah pulsa yang terkandung dalam setiap rangkaian pulsa. Hal ini menunjukkan bahwa banyak material biasanya "terakumulasi" di bawah penyinaran multi-pulsa.
Baik alat topografi permukaan 3D maupun 2D digunakan untuk mengukur kedalaman goresan dan kualitas tepi secara akurat. Gambar yang diperoleh dengan interferometer cahaya putih pemindai menunjukkan detail goresan lebih lanjut (Gambar 3). Karena permukaannya halus dan bebas dari serpihan, laser UV pikodetik juga menghasilkan hasil lain yang diinginkan: potongan berkualitas tinggi.
Gambar 3. Hasil goresan yang diperoleh dengan memindai interferometer cahaya putih mengonfirmasi bahwa laser UV pikosekon mampu membuat potongan yang bersih dan tanpa serpihan.
Penilaian kualitatif lebih lanjut terhadap goresan dapat dilihat pada Gambar 4 di bawah ini. Satu gambar tunggal menunjukkan serangkaian alur sedalam 25 µm yang dibuat secara berurutan dengan rangkaian pulsa 1, 4, 8, dan 12. Daya rata-rata disesuaikan seperlunya untuk memperoleh hasil terbaik dalam setiap kasus. Keempat gambar di baris atas difokuskan pada permukaan atas wafer. Keempat gambar di baris bawah difokuskan pada permukaan bawah goresan. Gambar 4e-h menunjukkan perbandingan dan perkembangan kualitas potongan yang jelas sebagai fungsi dari jumlah pulsa di setiap rangkaian pulsa.
Gambar 4. Gambar close-up bagian atas (bawah, ad) dan bawah (eh) dari takik sedalam 25-µm. Seiring dengan peningkatan jumlah pulsa dalam semburan, nilai takik yang berbeda menunjukkan peningkatan kualitas potongan yang stabil.
Perubahan warna di sekitar garis goresan menunjukkan adanya perubahan pada permukaan atau material substrat, yang menghilang saat jumlah pulsa meningkat. Semakin tinggi jumlah pulsa, semakin cepat laju umpan dan semakin baik hasilnya. Ini menunjukkan bahwa proses tersebut dapat digunakan untuk memastikan hasil yang memadai dan kualitas yang baik pada saat yang bersamaan.
Gambar 5 di bawah ini menunjukkan serangkaian tampilan perbesaran tinggi dari permukaan dasar yang digores, semuanya digores dalam kondisi operasi laser yang sama pada daya rata-rata 16 W dan kecepatan pemrosesan bersih 25 mm/s. Hasil dari proses ini ditunjukkan pada Gambar 5 di bawah ini. Kedalaman goresan untuk setiap kondisi berkisar dari 8 hingga 25 µm pada nilai pulsa yang berbeda. Tampilan resolusi yang lebih tinggi ini menyoroti peningkatan kehalusan seiring dengan peningkatan jumlah pulsa. Menyesuaikan keluaran pulsa meningkatkan kedalaman goresan dengan faktor tiga sambil menjaga daya rata-rata dan kecepatan pemrosesan keseluruhan tetap konstan.
Gambar 5. Pemrosesan dengan laser UV picosecond menghasilkan kualitas tepi/permukaan yang sangat baik, yang menyoroti keuntungan dari rangkaian jumlah pulsa yang lebih tinggi (iklan)
Menyempurnakan teknologi
Dalam perkembangan dari teori ke praktik, potensi penerapan laser UV picosecond untuk menggores wafer SiC ditunjukkan oleh kemampuan untuk memanfaatkan keluaran rangkaian pulsa guna meningkatkan kualitas pemrosesan dan menambah kecepatan pemrosesan. Diperlukan eksplorasi lebih lanjut untuk mengukur dan mengevaluasi parameter dan hasil pemotongan wafer 340 µm secara menyeluruh.
Sementara itu, kami tengah menyelidiki penggunaan gergaji mekanik, yang secara tradisional digunakan untuk menggores wafer silikon, untuk SiC. Hasil yang dipublikasikan menunjukkan bahwa metode ini masih memiliki keterbatasan laju umpan dan menghasilkan serpihan dalam jumlah besar, misalnya pada serpihan yang lebih besar dari 10 µm.
Meskipun demikian, penggergajian mekanis masih merupakan metode yang umum digunakan dalam industri semikonduktor, dan teknologi alternatif apa pun harus menunjukkan keunggulan signifikan dalam hal hasil, hasil, dan biaya pengoperasian agar dapat diterima oleh industri. Meskipun hasil pikodetik UV yang diperoleh perlu ditingkatkan lebih lanjut dalam hal pemotongan lengkap, peningkatan berkelanjutan lebih lanjut dimungkinkan sebagai teknologi alternatif.
