Alors que les réglementations et les facteurs environnementaux convergent pour créer une force motrice puissante, l'industrie des véhicules électriques et ses différents segments de la chaîne de valeur créent un champ d'innovation florissant. Les batteries des véhicules électriques (VE) d'aujourd'hui fonctionnent à des tensions de plus en plus élevées, parfois jusqu'à 800 V. La tension des batteries augmente, mais la tension des batteries augmente également.
Les avantages d'une tension plus élevée comprennent une puissance plus élevée, une efficacité plus élevée, une autonomie plus longue et des temps de charge plus courts. À l'intérieur du véhicule, l'électronique de puissance convertit la haute tension continue en différentes formes requises par divers systèmes. Par exemple, les moteurs de traction nécessitent une alimentation CA triphasée. Dans le même temps, les chargeurs de véhicules ajustent dynamiquement le courant et la tension.
Le silicium est aujourd’hui largement utilisé dans de nombreux domaines de l’électronique grand public et de puissance, mais il est également devenu un obstacle à leur mise à niveau. L’électronique de puissance basée sur des circuits intégrés (CI) en silicium classiques ne peut pas fonctionner correctement à des tensions élevées, à des températures élevées et à des fréquences de commutation élevées. Par conséquent, les fabricants doivent se tourner vers des matériaux semi-conducteurs alternatifs pour tirer pleinement parti des packs de batteries haute tension pour véhicules électriques. Le semi-conducteur alternatif le plus prometteur est le carbure de silicium (SiC). Ce matériau possède des propriétés qui le rendent idéal pour l’électronique de puissance des véhicules électriques, de sorte que le SiC est essentiel pour améliorer les performances et l’autonomie des véhicules électriques à mesure que ces derniers deviennent de plus en plus populaires.
Cependant, la fabrication de dispositifs en SiC présente des défis qui lui sont propres. Les propriétés mécaniques, chimiques, électroniques et optiques du SiC diffèrent considérablement de celles du silicium dans les domaines où les processus matures et les protocoles établis prédominent. Par exemple, le SiC est l'un des matériaux les plus durs connus, comparable au diamant, ce qui rend difficile le traçage des plaquettes à l'aide de méthodes mécaniques traditionnelles telles que le sciage. Il s'agit également d'un matériau cassant qui se brise facilement lorsqu'il est scié. De plus, le SiC use rapidement les lames de scie, y compris celles en diamant dur, ce qui nécessite le remplacement fréquent de ce consommable coûteux. Le sciage lui-même est un processus relativement lent et la chaleur générée a tendance à affecter négativement les propriétés du matériau.
La combinaison de ces problèmes crée un certain nombre d’obstacles pour les fabricants de véhicules électriques, car de nombreux processus de fabrication de circuits intégrés établis sont différents, voire opposés, à ceux utilisés pour le SiC.
Le découpage en dés de monocristal, ou le découpage en tranches, en est un parfait exemple. Le sciage mécanique est la principale méthode de découpage en dés de monocristal de tranches de silicium, mais il n'est pas universellement efficace pour le SiC. De plus, bien que le découpage en dés de monocristal au laser soit prometteur, le remplacement du matériau implique au moins de modifier les paramètres du processus. Les utilisateurs finaux doivent également déterminer la source lumineuse optimale pour le découpage en dés de monocristal de SiC par rapport aux méthodes traditionnelles utilisant du silicium.
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Un gros plan au microscope montre que les impulsions UV picosecondes en mode rafale produisent une excellente qualité de bord sans écaillage majeur. Le sciage mécanique conventionnel ne permet pas d'obtenir de tels résultats.
Ablation de qualité avec des lasers picosecondes
Les dispositifs SiC sont fabriqués de la même manière que la microélectronique au silicium classique : un grand nombre de circuits intégrés individuels sont réalisés sur une seule plaquette, qui est ensuite monocristallisée et découpée en puces individuelles, qui sont ensuite prêtes à être conditionnées.
Lors de la découpe de plaquettes de SiC fragiles, il est important de réduire ou d'éliminer complètement l'écaillage des bords dû au sciage mécanique. Le découpage en dés des monocristaux doit également minimiser les modifications mécaniques du matériau. La priorité doit également être donnée à la minimisation de la largeur de la saignée afin de limiter la taille de « l'espace » (c'est-à-dire la zone vide entre les circuits adjacents) pour maximiser le nombre de puces sur chaque plaquette.
Les ingénieurs doivent évaluer ces facteurs en fonction de la vitesse de découpe, du rendement et d'autres facteurs ayant un impact sur les coûts. L'utilisation de consommables, tels que l'utilisation de liquides de refroidissement et de nettoyage pendant le processus de découpe, doit également être prise en compte.
Les lasers à impulsions ultracourtes dans les plages de largeurs d'impulsions picosecondes et femtosecondes peuvent être utilisés pour la découpe et l'ablation de haute précision de nombreux matériaux différents, y compris les matériaux durs, transparents et/ou cassants. Les avantages du traitement avec des largeurs d'impulsions ultracourtes comprennent un échauffement global minimal du matériau et une zone affectée par la chaleur (HAZ) négligeable. Ces sources offrent également une meilleure qualité des bords et une génération de débris réduite par rapport aux autres types de lasers.
La sortie infrarouge de la plupart des lasers picosecondes peut être doublée en fréquence pour fournir une lumière verte ou ultraviolette visible, tandis que la longueur d'onde ultraviolette est généralement utilisée pour les applications exigeantes. Les sources fonctionnant dans cette bande optique peuvent souvent atteindre des tailles de point focal plus petites et une profondeur de champ ou une plage de Rayleigh accrues pour une taille de point donnée.
Ces caractéristiques font des lasers UV picosecondes le choix privilégié pour produire des éléments à rapport hauteur/largeur élevé et des largeurs de trait plus fines en raison du contrôle de profondeur plus précis qui peut être obtenu. De plus, la profondeur de champ plus grande rend ces sources plus faciles à appliquer aux systèmes de balayage galvanométrique à champ large. La pénétration limitée de la lumière UV réduit encore davantage la zone affectée par la chaleur (HAZ).
Configuration détaillée de l'expérience analysée
Cependant, il est difficile d'obtenir des rendements plus élevés avec des largeurs d'impulsion et des longueurs d'onde courtes dans n'importe quel environnement. Pour garantir des résultats de découpage en dés de monocristal de SiC reproductibles, différentes conceptions et paramètres de système doivent être testés. mks/Spectra-Physics a mené une série d'expériences de découpage en dés pour évaluer les perspectives d'avantages des lasers picosecondes UV, tels que des tailles de point focal plus petites et des profondeurs focales plus grandes. Ces essais visaient également à obtenir une plus grande facilité de traitement et une zone affectée par la chaleur (HAZ) plus petite. Enfin, en plus d'évaluer la faisabilité technique et économique du processus, les essais ont été conçus pour étudier comment divers paramètres de rafale pourraient affecter les résultats.
Lors de la première série de tests, un échantillon de plaquette de 4H-SiC de 340 µm d'épaisseur a été traité à l'aide d'un laser picoseconde de 50 W et 355 nm. Le laser a une énergie d'impulsion maximale supérieure à 60 µJ et délivre une puissance moyenne de 50 W à des fréquences de répétition de 750 kHz à 1,25 MHz, avec une fréquence de fonctionnement maximale de 10 MHz. Les tests ont été réalisés à des fréquences de répétition de 200 à 400 kHz pour garantir que tous les formats de sortie d'impulsions maintiennent des niveaux d'énergie d'impulsion et de puissance moyenne similaires, permettant une comparaison directe des résultats.
Le laser picoseconde est utilisé avec un scanner galvanométrique à deux axes et un objectif f-theta de 330 mm de distance focale. La taille du point focal sur le plan de travail est d'environ 30 µm (diamètre 1/e2). Le scanner fonctionne à des vitesses allant de 2 à 4 m/s, avec plusieurs passes par traceur, et des vitesses de coupe nettes allant de 12,5 à 25 mm/s. Le laser utilisé dans ces tests a pris en charge une large gamme d'applications.
Les lasers utilisés dans ces tests prennent en charge les trains d'impulsions : le laser émet une série de sous-trains d'impulsions rapprochés, suivis du train d'impulsions suivant après un intervalle de temps. Il a été bien documenté que les trains d'impulsions peuvent augmenter les taux d'ablation et réduire la rugosité de surface dans de nombreuses situations de traitement des matériaux.
De plus, le laser utilisé dans le test prend en charge les impulsions programmables. Cela signifie que le nombre d'impulsions dans l'impulsion, ainsi que l'amplitude et l'intervalle de temps de chaque impulsion dans l'impulsion, sont contrôlables. De plus, la gigue temporelle du train d'impulsions est très faible, ce qui permet un placement et un positionnement directs sur la surface de travail avec une grande précision, même à des vitesses de balayage très rapides. Ces capacités d'impulsion flexibles nous permettent d'explorer une large gamme d'espaces de processus pendant les tests.
Analyse des résultats
La figure 2 ci-dessous montre les valeurs de profondeur de traçage en fonction de la puissance laser moyenne pour différentes configurations de trains d'impulsions allant d'une seule à 12 impulsions. Dans chaque test, un total de 80 coups ont été effectués au même endroit sur le matériau. La position de chaque train d'impulsions sur la surface de travail (chevauchement total des impulsions) a été strictement contrôlée. Dans ce cas, le chevauchement spatial effectif des impulsions était d'environ 84 %.
La figure 2 montre la profondeur de gravure en fonction de la puissance à travers quatre passes à 25 mm/s pour une seule impulsion (a, panneau supérieur) et diverses configurations de chaîne d'impulsions (bd, panneaux du milieu et du bas). Les données montrent comment la chaîne d'impulsions améliore les taux d'ablation.
Ces résultats montrent que l'utilisation de la chaîne d'impulsions a considérablement augmenté le taux d'ablation. Ce résultat était attendu et est cohérent avec les résultats obtenus en utilisant le traitement par chaîne d'impulsions laser picoseconde dans d'autres matériaux. Là encore, le seuil d'ablation diminue (essentiellement de manière logarithmique) avec le nombre d'impulsions contenues dans chaque train d'impulsions. Cela suggère que de nombreux matériaux « s'accumulent » généralement sous irradiation multi-impulsions.
Des outils de topographie de surface 3D et 2D sont utilisés pour mesurer avec précision la profondeur de gravure et la qualité des bords. Les images obtenues avec un interféromètre à lumière blanche à balayage montrent d'autres détails de la gravure (Figure 3). Comme la surface est lisse et exempte de débris, le laser UV picoseconde permet également d'obtenir un autre résultat souhaité : une coupe de haute qualité.
Figure 3. Les résultats de traçage obtenus en balayant l’interféromètre à lumière blanche confirment que le laser UV picoseconde est capable de réaliser des coupes nettes et sans éclats.
Une évaluation qualitative plus poussée du traçage est présentée dans la figure 4 ci-dessous. Une seule image montre une série de rainures profondes de 25 µm qui ont été générées séquentiellement avec 1, 4, 8 et 12 trains d'impulsions. La puissance moyenne a été ajustée selon les besoins pour obtenir les meilleurs résultats dans chaque cas. Les quatre images de la rangée supérieure sont focalisées sur la surface supérieure de la plaquette. Les quatre images de la rangée inférieure sont focalisées sur la surface inférieure du traçage. Les figures 4e à h montrent une comparaison claire et la progression de la qualité de coupe en fonction du nombre d'impulsions dans chaque train d'impulsions.
Figure 4. Gros plan des parties supérieure (bas, ad) et inférieure (eh) de l'entaille de 25- µm de profondeur. Au fur et à mesure que le nombre d'impulsions dans la salve augmente, les différentes valeurs des entailles montrent une amélioration constante de la qualité de la coupe.
La décoloration autour de la ligne de traçage indique un changement dans la surface ou le matériau du substrat, qui disparaît à mesure que le nombre d'impulsions augmente. Plus le nombre d'impulsions est élevé, plus la vitesse d'alimentation est rapide et meilleurs sont les résultats. Cela suggère que le processus peut être utilisé pour garantir un débit adéquat et une bonne qualité en même temps.
La figure 5 ci-dessous montre une série de vues à fort grossissement des surfaces inférieures gravées, toutes gravées dans les mêmes conditions de fonctionnement du laser à une puissance moyenne de 16 W et une vitesse de traitement nette de 25 mm/s. Les résultats de ce processus sont présentés dans la figure 5 ci-dessous. Les profondeurs de gravure pour chaque condition varient de 8 à 25 µm à différentes valeurs d'impulsion. Cette vue à plus haute résolution met en évidence l'amélioration de la régularité à mesure que le nombre d'impulsions augmente. Le réglage de la sortie d'impulsion augmente la profondeur de gravure d'un facteur trois tout en maintenant la puissance moyenne et la vitesse de traitement globale constantes.
Figure 5. Le traitement avec un laser UV picoseconde produit une excellente qualité de bord/surface, mettant en évidence les avantages des chaînes à nombre d'impulsions plus élevé (ad)
Perfectionner la technologie
En passant de la théorie à la pratique, le potentiel d'application des lasers UV picosecondes pour graver des plaquettes de SiC est démontré par la capacité à utiliser la sortie de chaîne d'impulsions pour améliorer la qualité du traitement et augmenter la vitesse de traitement. Une exploration plus approfondie est nécessaire pour mesurer et évaluer les paramètres et les résultats du découpage complet de plaquettes de 340 µm.
En attendant, nous étudions l'utilisation de scies mécaniques, traditionnellement utilisées pour graver des plaquettes de silicium, pour le SiC. Les résultats publiés montrent que cette méthode souffre encore de vitesses d'avance limitées et génère de grandes quantités de débris, par exemple dans des puces de plus de 10 µm.
Néanmoins, le sciage mécanique reste une méthode couramment utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs, et toute technologie alternative devrait démontrer des avantages significatifs en termes de débit, de rendement et de coûts d'exploitation pour être acceptée par l'industrie. Bien que les résultats obtenus en picosecondes UV doivent encore être améliorés en termes de découpage complet, d'autres améliorations durables sont possibles en tant que technologie alternative.
