Лазерный мир

Кондратенко в.С. Кадомкин в.В.Сорокин а.В. Наумов а.С. Великовский и.Э. //  В сборнике: Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех — 2025). Международная научно-техническая конференция. Москва, 2026. С. 165-172. 

Карбид кремния, как материал для высоковольтных и высокотоковых полупроводниковых приборов, способный к работе при повышенной температуре, активно используется сегодня в электронике для силовых преобразователей, транспорта, в выпрямителях, инверторах для асинхронных двигателей, зарядных станциях электромобилей, контроллерах солнечных батарей. При изготовлении полупроводниковых приборов из карбида кремния большую пластину с изготовленными структурами (диаметром от 100 мм) необходимо разделить на отдельные кристаллы, которые затем устанавливаются в корпус.

Резка кремниевых пластин на чипы производится традиционным механическим способом, например, алмазным диском, так и более эффективным — с помощью лазера. Использование лазерного излучения более предпочтительно, так как резка алмазным диском карбида кремния, имеющего твердость, лишь ненамного меньшую чем у алмаза, затратна по расходным алмазным дискам, приводит к большим потерям самого материала, сколам и трещинам по краям вырезанных элементов, что снижает их прочность, занимает много времени. Резка методом лазерной абляции менее затратна, но не менее дефектна из- за большой зоны термического воздействия на материал вдоль линии реза – также возникают микротрещины, сколы, остатки расплава на краях реза.

В связи с этим, исследование возможности эффективной резки твердых и сверхтвердых материалов различными методами является актуальной научной задачей и требует скорейшего решения.

Исследования возможности резки пластин карбида кремния на первой установке лут млп1 1060/355

Метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ), изобретенный д.т.н., проф., В.С. Кондратенко в 70-х годах прошлого века, активно применяется для резки широкого круга различных хрупких материалов, начиная от силикатного стекла и заканчивая искусственным сапфиром [1], но практически не исследовался в России для резки карбида кремния.

На единственной в нашей стране опытно-промышленной установке ЛУТ МЛП1 1060/355 (рис. 1), производства компании «Лазеры и аппаратура ТМ (г. Зеленоград) за годы ее существования были выполнены десятки успешных технологических задач резки широкого круга материалов с качеством, недоступным другим способам резки) [2] — [6].

Однако попытки резки пластин карбида кремния на установке МЛП1 1060/355 не увенчались успехом.

Тщательный анализ свойств карбида кремния, влияния их на процесс взаимодействия лазерного излучения с материалом при реализации метода ЛУТ, позволили выявить особенности карбида кремния, которые делают этот процесс затруднительным:

• высокая теплопроводность;
• высокий коэффициент отражения для излучения CO2;
• низкое поглощение излучения CO2 лазера [7].

Общий вывод, к которым пришли исследователи, заключался в признании недостаточной энергетики, которую могла обеспечить установка МЛП1 1060/355 и, которой не хватило для реализации полноценного лазерного управляемого термораскалывания пластин карбида кремния.

Новые подходы к реализации лазерного управляемого термораскалывания пластин карбида кремния

Для решения задачи резки пластин карбида кремния методом ЛУТ научный коллектив Инжинирингового центра РТУ МИРЭА начал разработку макета опытной мультилазерной установки, на которой возможны исследования взаимодействия лазерного излучения различных длин волн и мощностей с пластинами карбида кремния.

За основу конструкции макета установки был выбран каркас из алюминиевого конструкционного профиля с несколькими уровнями, на которых жестко фиксировались источники лазерного излучения и элементы оптических трактов, передающих излучение к обрабатываемому материалу. На рис. 2 показан один из первых установленных на макет лазерных диодных модулей LIMO-200 с длиной волны 880 нм и мощностью 200 Вт.

Конструкция макета опытной установки с лазером LIMO-200 (рис. 1а) и оптическая схема (рис. 1в) реализуют самый эффективный способ разделения хрупких неметаллических материалов, в том числе пластин карбида кремния – метод ЛУТ [7].

В данной работе зарубежные разработчики демонстрируют и предлагают к внедрению готовое оборудование для резки этого сложного в обработке материала с высокими показателями производительности, качества и процентом выхода годных изделий.

Экспериментальные исследования по ЛУТ карбида кремния с использованием характеристик излучения лазера LIMO-200 показали, что лазерное излучение с длиной волны 880 нм слабо поглощается поверхностным слоем материала, и процесс термораскалывания идет недостаточно эффективно даже на предельных мощностях.

Попытки модификации лазерного пучка с целью большей концентрации энергии в фокусном пятне и варьирование скоростями перемещения пластинок карбида кремния помощью координатного стола позволили получать резы методом ЛУТ только тонких пластин SiC толщиной не более 120 мкм.

В рамках исполнения гранта РНФ по обработке карбида кремния приобретены лазеры повышенной мощности СО2 составной лазерный источник (620 Вт) и диодный лазерный излучатель (2 кВт) (рис. 3) с которыми проводятся эксперименты по реализации ЛУТ пластин карбида кремния.

Полное содержание на https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54607765

Видео по теме: Микрообработка СЫРОЙ КЕРАМИКИ LTCC с точностью 5мкм /// МикроСЕТ