Industria	Produzione di semiconduttori, ceramiche avanzate, materiali semiconduttori di terza generazione
Processo	Lavorazione di fori passanti a passaggio singolo con laser guidato a getto d'acqua (WJGL).
Soluzione	Substrati SiC personalizzati da 35 mm × 2 mm con microfori di precisione da Φ0,15 mm
Servizi	Consulenza tecnica, sviluppo del processo, rapporti di ispezione, rivestimento e lavorazione personalizzati
Risultati	• Geometria uniforme del foro dall'ingresso all'uscita confermata dal SEM • Nessuna conicità misurabile; rapporto d'aspetto adatto per spessore 2 mm • Zona termicamente alterata minima e praticamente nessuna scheggiatura sul SiC duro e fragile • Consegna riuscita e accettazione da parte del cliente per lo sviluppo del materiale per batterie secondarie

Figura 1: foto del prodotto del substrato SiC da 35 mm × 2 mm dopo la lavorazione di microfori laser guidati dall'acqua

Figura2：Immagine SEM del foro da Φ0,15 mm realizzato con laser guidato dall'acqua VeTek nel substrato SiC

La tecnologia laser a guida acqua (WJGL) di VeTek Semiconductor consente la lavorazione di microfori in un unico passaggio e senza conicità in substrati spessi di carburo di silicio (SiC). In un progetto recente, fori passanti da Φ0,15 mm sono stati elaborati con successo su substrati 4H-SiC di tipo N di 35 mm di diametro x 2 mm di spessore. L'ispezione SEM ha verificato le pareti dei fori altamente uniformi dall'ingresso all'uscita, soddisfacendo i severi requisiti di qualità dei semiconduttori.

1. In che modo il laser guidato dall'acqua ottiene fori SiC senza conicità?

Figura3:Principio del laser guidato dall'acqua: energia laser confinata da microgetto d'acqua ad alta pressione (fibra ottica dell'acqua)

L'acqua ad alta pressione viene forzata attraverso un ugello di precisione (30–120 µm di diametro) per formare un microgetto stabile. Un laser focalizzato da 532 nm è accoppiato a questo getto attraverso una finestra di vetro. Una volta all’interno della colonna d’acqua, il laser è confinato dalla riflessione interna totale e viaggia come una “fibra ottica dell’acqua” ad alta densità di energia. Quando il microgetto entra in contatto con il pezzo, il laser asporta il materiale mentre il flusso continuo di acqua raffredda la zona di taglio ed elimina i detriti.

Poiché il mezzo guida è una colonna cilindrica di diametro costante, l'energia laser che emerge rimane parallela su una distanza di lavoro di diverse decine di millimetri. Di conseguenza, la parete tagliata rimane verticale anche su SiC di 2 mm (e fino a 60 mm) di spessore, eliminando la necessità di tracciare la messa a fuoco e prevenendo la rastremazione che appare nella foratura laser nello spazio libero.

Figura 4: foto reale della scena di lavoro del laser guidato dall'acqua

Principali vantaggi del processo per materiali duri e fragili

• Nessuna regolazione della messa a fuoco richiesta per spessori fino a 60 mm

• Conicità zero o prossima allo zero (differenza tra ingresso e uscita di 10–20 µm)

• Il raffreddamento continuo elimina lo stress termico e la scheggiatura dei bordi

• La distribuzione uniforme dell'energia attraverso la sezione trasversale del getto riduce la rugosità superficiale (Ra 0,3–1 µm)

• Larghezza del taglio stretta fino a 50 µm, che riduce al minimo la perdita di materiale su SiC costoso

2. Vantaggi del laser guidato dall'acqua nella lavorazione della ceramica a semiconduttore

Figura5. Apparecchiatura laser a guida acqua VeTek (serie WL)

La tradizionale perforazione meccanica di fori da Φ0,15 mm in SiC da 2 mm è spesso soggetta a rottura dell'utensile, frattura del bordo e variazione progressiva del diametro. La perforazione laser nello spazio libero, anche se senza contatto, genera zone influenzate dal calore, strati rifusi e una notevole conicità. Il laser guidato dall’acqua supera entrambi i limiti:

1. Capacità di foro passante a passaggio singolo– elimina gli errori di allineamento delle lavorazioni fronte-retro.

2. Proporzioni elevate– vengono regolarmente raggiunti rapporti superiori a 30:1.

3. Forza meccanica estremamente bassa– La forza del getto d'acqua è di soli ~1 N, consentendo la lavorazione sicura di wafer ultrasottili o fragili.

4. Superfici pulite e prive di scorie– il lavaggio continuo rimuove i detriti e previene la rideposizione.

3. Applicazioni laser guidate dall'acqua per microfori con rapporto di aspetto elevato nel SiC

Figura6. Componenti ceramici di precisione lavorati mediante laser guidato dall'acqua

Le funzionalità tipiche includono:

• Intervallo di spessore di lavorazione: 0,05–60 mm (SiC, ceramica al carburo di boro)

• Apertura minima: 0,1 mm (a seconda dello spessore)

• Precisione dimensionale: ±0,01 mm

• Rugosità superficiale: 0,3–1 µm

• Piattaforme dell'attrezzatura: WL-DCS200 (area di lavoro 200 × 240 mm, 50–60 W) e WL-LCS500 (500 × 500 mm, 100–200 W)

Figura7.Verifica SEM del cliente di un foro passante uniforme da Φ0,15 mm dall'ingresso all'uscita in un substrato SiC da 2 mm

Prova del progetto: foro da Φ0,15 mm su SiC da 2 mm

In collaborazione con un partner tecnologico coreano, VeTek ha fornito cinque substrati 4H-SiC di tipo N da 35 mm di diametro e 2 mm di spessore, ciascuno contenente un foro passante di precisione di Φ0,15 mm. L'analisi SEM eseguita dal cliente finale ha confermato che il foro dell'ugello manteneva una forma cilindrica uniforme dal lato di ingresso del laser a quello di uscita. Le parti sono state accettate per la valutazione nello sviluppo di materiali anodici in lega di silicio per le batterie agli ioni di litio di prossima generazione.

4. Domande frequenti

D1: Il laser a guida acqua può elaborare fori inferiori a Φ0,15 mm in SiC da 2 mm?

R: Per aperture significativamente inferiori a 0,15 mm su 2 mm di spessore la difficoltà tecnica aumenta notevolmente. Si consigliano fori più piccoli (ad esempio 0,06 mm) su substrati più sottili (≤0,4 mm) per mantenere la resa e la geometria.

D2: Il processo è veramente a passaggio singolo?

R: Sì. Il raggio guidato dal getto d'acqua si propaga attraverso l'intero spessore in un'unica operazione continua, eliminando il rischio di disallineamento della perforazione anteriore e posteriore.

Q3: Quali dati di ispezione possono essere forniti?

R: Con ogni lotto vengono forniti rapporti di misurazione dimensionale, immagini ottiche e SEM della sezione trasversale del foro e dati sulla rugosità superficiale. I video completi del processo rimangono confidenziali, ma la verifica della geometria del campione è standard.

5. Conclusione

La tecnologia laser guidata dall'acqua di VeTek Semiconductor offre un percorso affidabile e ad alto rendimento per ottenere microcaratteristiche di precisione in materiali semiconduttori duri e fragili. Che tu abbia bisogno di substrati SiC personalizzati con microfori, componenti ceramici per apparecchiature di processo o rivestimenti CVD SiC/TaC avanzati, il nostro team di ingegneri è pronto a supportare il tuo prossimo progetto.

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