لا يعد كربيد السيليكون (SiC) تقنية بالغة الأهمية لأمن الدفاع الوطني فحسب، بل هو أيضًا مادة رئيسية تدفع التطورات في صناعات السيارات والطاقة العالمية. في سلسلة معالجة بلورات SiC الأحادية، فإن تقطيع السبيكة المزروعة إلى رقائق هو الخطوة الأولى على الإطلاق، وتحدد أداء مرحلة التقطيع هذه كفاءة وجودة عمليات التخفيف والتلميع اللاحقة. ومع ذلك، غالبًا ما يؤدي تقطيع الرقائق إلى حدوث تشققات سطحية وتحت سطحية، مما يزيد بشكل كبير من معدلات تكسر الرقائق وتكاليف التصنيع الإجمالية. لذلك، فإن التحكم في تلف تشققات السطح أثناء التقطيع له أهمية كبيرة للنهوض بتصنيع أجهزة SiC.
في الوقت الحاضر، يواجه تقطيع سبائك SiC تحديين رئيسيين:
فقدان المواد المرتفع في المنشار متعدد الأسلاك التقليدي
SiC مادة شديدة الصلابة والهشاشة، مما يجعل القطع والتلميع أمرًا صعبًا للغاية. غالبًا ما يؤدي المنشار متعدد الأسلاك التقليدي إلى التقوس الشديد والتشوه والتشقق أثناء المعالجة، مما يؤدي إلى فقدان كبير للمواد. وفقًا لبيانات Infineon، في ظل طريقة المنشار السلكي الماسي الكاشطة الثابتة الترددية التقليدية، فإن معدل استخدام المواد أثناء التقطيع يبلغ حوالي 50٪ فقط. بعد الطحن والتلميع اللاحقين، يمكن أن يصل الفقد التراكمي إلى 75٪ (حوالي 250 ميكرومتر لكل رقاقة)، مما يترك جزءًا قابلاً للاستخدام محدودًا للغاية.
دورة معالجة طويلة وإنتاجية منخفضة
تُظهر بيانات الإنتاج الدولية أنه مع التشغيل المستمر على مدار 24 ساعة، قد يستغرق إنتاج 10000 رقاقة حوالي 273 يومًا. لتلبية طلب السوق، هناك حاجة إلى كميات كبيرة من معدات المنشار السلكي والمواد الاستهلاكية. علاوة على ذلك، يقدم المنشار متعدد الأسلاك خشونة سطحية/واجهة عالية ويتسبب في مشكلات تلوث خطيرة مثل الغبار ومياه الصرف الصحي.
لمواجهة هذه التحديات الحاسمة، قام فريق بحث البروفيسور شيانغكيان شيو في جامعة نانجينغ بتطوير معدات تقطيع SiC بالليزر على نطاق واسع. تعتمد هذه التكنولوجيا المبتكرة تقطيع الليزر بدلاً من المنشار السلكي، مما يقلل بشكل كبير من فقدان المواد ويعزز كفاءة الإنتاج. على سبيل المثال، باستخدام سبيكة SiC واحدة مقاس 20 مم، فإن عدد الرقائق المنتجة عن طريق تقطيع الليزر يزيد عن ضعف عدد الرقائق المنتجة عن طريق المنشار السلكي التقليدي. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر الرقائق المقطعة بالليزر خصائص هندسية فائقة، مع تقليل سمك الرقاقة الواحدة إلى 200 ميكرومتر، مما يزيد من إنتاج الرقائق.
المزايا التنافسية
أكمل المشروع بنجاح تطوير نظام تقطيع بالليزر أولي كبير الحجم، وحقق تقطيع وتخفيف رقائق SiC شبه عازلة مقاس 4-6 بوصات، بالإضافة إلى سبائك SiC موصلة مقاس 6 بوصات. التحقق من صحة تقطيع سبائك SiC مقاس 8 بوصات قيد التنفيذ حاليًا. توفر المعدات مزايا متعددة، بما في ذلك أوقات تقطيع أقصر، وإنتاج سنوي أعلى للرقائق، وفقدان أقل للمواد لكل رقاقة، مع تحسن إجمالي في إنتاجية الإنتاج يتجاوز 50٪.
الآفاق السوقية
من المتوقع أن تصبح معدات تقطيع SiC بالليزر على نطاق واسع هي الأداة الأساسية لمعالجة سبائك SiC مقاس 8 بوصات في المستقبل. في الوقت الحالي، تعتمد هذه المعدات بشكل كبير على الواردات من اليابان، والتي لا تقتصر على كونها باهظة الثمن فحسب، بل تخضع أيضًا لقيود التصدير. يتجاوز الطلب المحلي على معدات تقطيع وتخفيف SiC بالليزر 1000 وحدة، ومع ذلك لا توجد حلول محلية ناضجة متاحة تجاريًا. لذلك، فإن معدات تقطيع SiC بالليزر على نطاق واسع التي طورتها جامعة نانجينغ تحمل إمكانات سوقية وقيمة اقتصادية هائلة.
بالإضافة إلى تطبيقات SiC، يمكن أيضًا تطبيق نظام تقطيع الليزر هذا على مواد متقدمة أخرى مثل نتريد الغاليوم (GaN) وأكسيد الغاليوم (Ga₂O₃) والألماس، مما يوسع آفاق تطبيقاته الصناعية.
لا يعد كربيد السيليكون (SiC) تقنية بالغة الأهمية لأمن الدفاع الوطني فحسب، بل هو أيضًا مادة رئيسية تدفع التطورات في صناعات السيارات والطاقة العالمية. في سلسلة معالجة بلورات SiC الأحادية، فإن تقطيع السبيكة المزروعة إلى رقائق هو الخطوة الأولى على الإطلاق، وتحدد أداء مرحلة التقطيع هذه كفاءة وجودة عمليات التخفيف والتلميع اللاحقة. ومع ذلك، غالبًا ما يؤدي تقطيع الرقائق إلى حدوث تشققات سطحية وتحت سطحية، مما يزيد بشكل كبير من معدلات تكسر الرقائق وتكاليف التصنيع الإجمالية. لذلك، فإن التحكم في تلف تشققات السطح أثناء التقطيع له أهمية كبيرة للنهوض بتصنيع أجهزة SiC.
في الوقت الحاضر، يواجه تقطيع سبائك SiC تحديين رئيسيين:
فقدان المواد المرتفع في المنشار متعدد الأسلاك التقليدي
SiC مادة شديدة الصلابة والهشاشة، مما يجعل القطع والتلميع أمرًا صعبًا للغاية. غالبًا ما يؤدي المنشار متعدد الأسلاك التقليدي إلى التقوس الشديد والتشوه والتشقق أثناء المعالجة، مما يؤدي إلى فقدان كبير للمواد. وفقًا لبيانات Infineon، في ظل طريقة المنشار السلكي الماسي الكاشطة الثابتة الترددية التقليدية، فإن معدل استخدام المواد أثناء التقطيع يبلغ حوالي 50٪ فقط. بعد الطحن والتلميع اللاحقين، يمكن أن يصل الفقد التراكمي إلى 75٪ (حوالي 250 ميكرومتر لكل رقاقة)، مما يترك جزءًا قابلاً للاستخدام محدودًا للغاية.
دورة معالجة طويلة وإنتاجية منخفضة
تُظهر بيانات الإنتاج الدولية أنه مع التشغيل المستمر على مدار 24 ساعة، قد يستغرق إنتاج 10000 رقاقة حوالي 273 يومًا. لتلبية طلب السوق، هناك حاجة إلى كميات كبيرة من معدات المنشار السلكي والمواد الاستهلاكية. علاوة على ذلك، يقدم المنشار متعدد الأسلاك خشونة سطحية/واجهة عالية ويتسبب في مشكلات تلوث خطيرة مثل الغبار ومياه الصرف الصحي.
لمواجهة هذه التحديات الحاسمة، قام فريق بحث البروفيسور شيانغكيان شيو في جامعة نانجينغ بتطوير معدات تقطيع SiC بالليزر على نطاق واسع. تعتمد هذه التكنولوجيا المبتكرة تقطيع الليزر بدلاً من المنشار السلكي، مما يقلل بشكل كبير من فقدان المواد ويعزز كفاءة الإنتاج. على سبيل المثال، باستخدام سبيكة SiC واحدة مقاس 20 مم، فإن عدد الرقائق المنتجة عن طريق تقطيع الليزر يزيد عن ضعف عدد الرقائق المنتجة عن طريق المنشار السلكي التقليدي. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر الرقائق المقطعة بالليزر خصائص هندسية فائقة، مع تقليل سمك الرقاقة الواحدة إلى 200 ميكرومتر، مما يزيد من إنتاج الرقائق.
المزايا التنافسية
أكمل المشروع بنجاح تطوير نظام تقطيع بالليزر أولي كبير الحجم، وحقق تقطيع وتخفيف رقائق SiC شبه عازلة مقاس 4-6 بوصات، بالإضافة إلى سبائك SiC موصلة مقاس 6 بوصات. التحقق من صحة تقطيع سبائك SiC مقاس 8 بوصات قيد التنفيذ حاليًا. توفر المعدات مزايا متعددة، بما في ذلك أوقات تقطيع أقصر، وإنتاج سنوي أعلى للرقائق، وفقدان أقل للمواد لكل رقاقة، مع تحسن إجمالي في إنتاجية الإنتاج يتجاوز 50٪.
الآفاق السوقية
من المتوقع أن تصبح معدات تقطيع SiC بالليزر على نطاق واسع هي الأداة الأساسية لمعالجة سبائك SiC مقاس 8 بوصات في المستقبل. في الوقت الحالي، تعتمد هذه المعدات بشكل كبير على الواردات من اليابان، والتي لا تقتصر على كونها باهظة الثمن فحسب، بل تخضع أيضًا لقيود التصدير. يتجاوز الطلب المحلي على معدات تقطيع وتخفيف SiC بالليزر 1000 وحدة، ومع ذلك لا توجد حلول محلية ناضجة متاحة تجاريًا. لذلك، فإن معدات تقطيع SiC بالليزر على نطاق واسع التي طورتها جامعة نانجينغ تحمل إمكانات سوقية وقيمة اقتصادية هائلة.
بالإضافة إلى تطبيقات SiC، يمكن أيضًا تطبيق نظام تقطيع الليزر هذا على مواد متقدمة أخرى مثل نتريد الغاليوم (GaN) وأكسيد الغاليوم (Ga₂O₃) والألماس، مما يوسع آفاق تطبيقاته الصناعية.
