碳化硅(SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料,因其高硬度、高熱導(dǎo)率及優(yōu)異的電氣性能,被廣泛應(yīng)用于電力電子、新能源汽車和光伏等領(lǐng)域。但其極高的硬度和脆性使得傳統(tǒng)切割工藝面臨效率低、損耗大、表面粗糙等問(wèn)題。激光切割技術(shù)憑借非接觸式加工、高精度和低熱影響等優(yōu)勢(shì),成為碳化硅切割的重要發(fā)展方向。本文從技術(shù)路徑、工藝參數(shù)優(yōu)化及輔助技術(shù)革新三方面,探討如何通過(guò)改良切割工藝提升激光切割碳化硅的質(zhì)量。
一、選擇適配的激光切割技術(shù)
激光切割碳化硅的核心在于通過(guò)不同的技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)高效、低損傷的加工。目前主流的激光切割技術(shù)包括:
通過(guò)高壓水射流引導(dǎo)激光束,水流不僅能冷卻切割區(qū)域,還能帶走碎屑,減少熱損傷。該技術(shù)切割速度比傳統(tǒng)線鋸快3-5倍,切口粗糙度可控制在2-3μm以內(nèi),顯著降低材料損耗。瑞士Synova公司在此領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先,國(guó)內(nèi)企業(yè)如庫(kù)維科技也在積極研發(fā)適配碳化硅的水導(dǎo)切割設(shè)備。
2、隱形切割
利用超短脈沖激光在材料內(nèi)部形成改性層,通過(guò)外加應(yīng)力實(shí)現(xiàn)剝離。此技術(shù)表面無(wú)切口,加工精度高,尤其適用于超薄晶圓切割。日本DISCO公司的KABRA技術(shù)通過(guò)“無(wú)定形黑色重復(fù)吸收”原理,將碳化硅分解為硅和碳,生產(chǎn)率提高四倍。
3、冷切割技術(shù)
結(jié)合激光剝落與聚合物冷卻處理,在材料內(nèi)部生成微裂紋后擴(kuò)展為主裂紋。該技術(shù)材料損失率低至80μm,表面粗糙度Ra<3μm,生產(chǎn)成本降低30%。
4、改質(zhì)切割
通過(guò)精密激光束在晶圓內(nèi)部形成改質(zhì)層,利用外加應(yīng)力沿路徑分離晶圓。國(guó)內(nèi)大族激光已將該技術(shù)應(yīng)用于量產(chǎn),顯著減少后續(xù)研磨需求。
二、優(yōu)化激光參數(shù)與工藝控制
激光參數(shù)與工藝設(shè)置的精細(xì)化是提升切割質(zhì)量的關(guān)鍵。
1、光束質(zhì)量與波長(zhǎng)選擇
光束整形:采用高折射率透鏡(如螢石透鏡)減少色差,提升聚焦精度。
波長(zhǎng)適配:近紅外激光(如1064nm)適合穿透碳化硅形成內(nèi)部改質(zhì)層,紫外激光則適用于超精細(xì)切割。
2、功率與脈沖調(diào)控
根據(jù)材料厚度調(diào)整激光功率和脈沖頻率。例如,皮秒激光可減少熱效應(yīng),適用于隱形切割;納秒激光適合厚材料加工,但需結(jié)合冷卻技術(shù)防止熱變形。
3、動(dòng)態(tài)對(duì)焦與路徑規(guī)劃
使用自動(dòng)對(duì)焦算法和焦點(diǎn)跟蹤傳感器,實(shí)時(shí)補(bǔ)償切割過(guò)程中的焦距偏移。
通過(guò)計(jì)算機(jī)控制優(yōu)化切割路徑,減少重復(fù)加工,提升效率。
三、強(qiáng)化冷卻與熱管理
碳化硅熱導(dǎo)率隨溫度變化顯著,需通過(guò)冷卻技術(shù)抑制熱損傷。
1、水導(dǎo)切割的冷卻優(yōu)化
調(diào)控水流壓力與速度,增強(qiáng)熱交換效率。例如,提高水流速度可快速帶走熱量,防止材料熱變形。
改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì),確保水流均勻分布,與激光光路精準(zhǔn)協(xié)同。
2、輔助冷卻系統(tǒng)
氣冷:噴射惰性氣體(如氮?dú)猓┬纬杀Wo(hù)氣幕,防止氧化并加速散熱。
液冷:采用乙二醇等高導(dǎo)熱冷卻液循環(huán)系統(tǒng),適配不同工況需求。
3、智能溫控反饋
部署溫度傳感器與熱成像儀,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切割區(qū)域溫度變化,動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻參數(shù)。
四、適配材料特性與智能監(jiān)控
1、晶體結(jié)構(gòu)分析
不同晶型碳化硅的熱傳導(dǎo)特性差異顯著。例如,4H-SiC需更高冷卻強(qiáng)度以防止熱應(yīng)力累積,而6H-SiC可適當(dāng)降低冷卻力度。
2、裂紋擴(kuò)展控制
通過(guò)雙波長(zhǎng)激光技術(shù),先用第一波長(zhǎng)形成改質(zhì)層,再用第二波長(zhǎng)促進(jìn)裂紋延伸,減少改質(zhì)層數(shù)量并提升劃片質(zhì)量。
3、環(huán)境穩(wěn)定性保障
恒溫恒濕車間減少光學(xué)元件熱脹冷縮與鏡片起霧問(wèn)題。
隔振平臺(tái)(如空氣彈簧)阻隔外部振動(dòng),確保激光聚焦穩(wěn)定。
通過(guò)技術(shù)路徑優(yōu)化、參數(shù)精細(xì)化調(diào)控及智能冷卻管理,激光切割碳化硅的質(zhì)量得以全面提升。隨著自適應(yīng)光學(xué)、雙波長(zhǎng)協(xié)同加工等技術(shù)的成熟,碳化硅切割工藝將更趨高效與環(huán)保,為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的升級(jí)注入新動(dòng)能。

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