Karbid krzemowy (SiC) ze względu na swoje wyjątkowe właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne odgrywa kluczową rolę w zaawansowanych zastosowaniach przemysłowych, takich jak półprzewodniki,urządzenia o wysokiej temperaturzeJednakże jego ekstremalna twardość, wysoka stabilność chemiczna i szeroka przepustowość sprawiają, że konwencjonalne metody obróbki są nieefektywne i kosztowne.charakteryzujące się wysoką precyzją, wysokiej wydajności i bezkontaktowej pracy, stała się zatem kluczową technologią umożliwiającą produkcję SiC.Ostatnie postępy w technologii ultraszybkich laserów znacząco zwiększyły możliwości przetwarzania SiC, które napędzają gwałtownie rosnący popyt przemysłu zaawansowanego technologicznie, zwłaszcza produkcji półprzewodników.
Niniejszy przegląd systematycznie analizuje najnowsze osiągnięcia w dziedzinie obróbki laserowej SiC, obejmując systemy laserowe, podstawowe mechanizmy interakcji, nowe techniki, zastosowania,i obecnych wyzwańTechnologie obróbki powierzchni, w tym cięcie, wiercenie, mikrostrukturyzacja, polerowanie, a także laserowe niewidoczne krojone i krojone, są szczegółowo omówione.Zestawienie zastosowań SiC w różnych sektorach, a także krytyczna analiza istniejących wyzwań, przyszłych kierunków badań i nowych możliwości, które mogą kształtować tę szybko rozwijającą się dziedzinę.
Karbid krzemowy (SiC) jest materiałem półprzewodnikowym o szerokim zakresie przepustowości, który przyciągnął uwagę ze względu na wyjątkową twardość, wysoką przewodność cieplną, doskonałą obojętność chemiczną,i doskonałą wydajność elektryczną w wysokich temperaturach i wysokich napięciachZ powodu tych właściwości SiC jest niezbędny w elektronikach mocy, optoelektronikach, systemach lotniczych, sprzęcie wysokotemperaturowym i składowych odpornych na zużycie.właściwości wewnętrzne materiału SiC stanowią znaczące wyzwanie dla tradycyjnych procesów obróbki mechanicznej i chemicznej, zwłaszcza pod względem zużycia narzędzi, niskiej wydajności i ograniczonej dokładności.
Przetwarzanie laserowe stało się potężną alternatywą, oferującą bezkontaktową obsługę, wysoką rozdzielczość przestrzenną i możliwość przetwarzania złożonych geometrii. The rapid development of ultrafast laser technologies—especially femtosecond and picosecond lasers—has further enhanced the controllability and quality of SiC processing by reducing thermal damage and improving dimensional accuracyW konsekwencji przetwarzanie SiC na bazie lasera stało się centrum badawczym i technologią umożliwiającą tworzenie półprzewodników nowej generacji i urządzeń o wysokiej wydajności.
Różnorodność zastosowań do przetwarzania laserowego SiC odzwierciedla różnorodność jego struktur krystalicznych i właściwości (rysunek 1 i rysunek 3).4H-SiCa także6H-SiC, wykazują wyraźne układy siatki, właściwości anizotropowe i optyczne zachowania wchłaniania, które silnie wpływają na interakcje laserowo-materiałowe.
Nowoczesne systemy przetwarzania laserowego SiC obejmują szeroki zakres konfiguracji (rysunek 4), w tym systemy ostrości oparte na obiektach, systemy skanujące galwanometrem, układy podwójnego napromieniowania impulsowego,lasery femtosekundowe z kwadratowymi wiązkami płaskich, lasery polaryzowane wektorowo, hybrydowe systemy wiązki wektorowej, asynchroniczne konfiguracje cięcia podwójnej wiązki, systemy hybrydowe laserowe Źródło wodne, lasery sterowane wodą i podwodne platformy przetwarzania laserowego.Systemy te są zaprojektowane tak, aby dostosować dostawę energii, poprawa usuwania odpadów, tłumienie efektów termicznych i poprawa jakości przetwarzania.
Zrozumienie mechanizmów interakcji lasera z materiałami jest niezbędne do optymalizacji przetwarzania laserowego SiC.łącznie z wchłanianiem fotonów, pobudzenie nośnika, sprzężenie elektronów/fononów, dyfuzja ciepła, przejścia fazowe i usuwanie materiału.
W przetwarzaniu laserowym o długim impulsie dominują efekty termiczne, które często powodują topnienie, ponowne utwardzanie, przekształcanie warstw i akumulację pozostałych naprężeń.Efekty te mogą prowadzić do rozpoczęcia i rozprzestrzeniania się pęknięć.W przeciwieństwie do tego, ultraszybkie impulsy laserowe odkładają energię w krótszych niż dyfuzja termiczna skali czasowych.umożliwiające mechanizm ablacji nietermicznej lub słabiej termicznej, który znacząco zmniejsza strefę dotkniętą ciepłem (HAZ). oświetlenie pojedynczym impulsem może powodować zniekształcenie lokalnej siatki i tworzenie się basenu stopienia,natomiast wieloimpulsowe napromieniowanie może indukować laserowo wywołane okresowe struktury powierzchniowe (LIPSS) i podpowierzchniowe pustki.
Zaawansowane techniki diagnostyczne i charakterystyczne (rysunek 8), takie jak monitorowanie emisji akustycznych, obrazowanie pióra plazmy, fotografię ICCD z rozdzielczością czasu, rentgenowską tomografię komputerową (XCT),i tomografii spójności optycznej (OCT), dostarczają cennych informacji na temat powstawania wad, modyfikacji wewnętrznych i dynamiki ablacji podczas obróbki laserowej.
Łącznie z innymi metodami, w tym metodą laserową, można wykorzystać w procesie tworzenia, tworzenia i wytwarzania elementów SiC w skali mikro i nano.częstotliwość powtarzania, energia impulsu, profil wiązki i środowisko przetwarzania - na morfologii otworu i jakości powierzchni zostały szeroko zbadane (rys. 11 i 12).Połączenie napromieniowania laserowego z etasowaniem chemicznym jeszcze bardziej poprawia jakość i współczynnik widma, umożliwiające wytwarzanie wysokiej precyzji mikrorówek i kanałów.
Teksturowanie powierzchni laserowej zwiększa wydajność tribologiczną, stabilność termiczną i właściwości funkcjonalne powierzchni SiC, co jest szczególnie cenne dla zastosowań lotniczych i obronnych.Ultraszybkie polerowanie laserowe wykazało również możliwość poprawy wykończenia powierzchni przy jednoczesnym zminimalizowaniu uszkodzeń pod powierzchnią.
Femtosekundowe bezpośrednie pisanie laserowe (FSLDW) umożliwia trójwymiarową modyfikację materiałów szczelnych SiC, umożliwiając wytwarzanie wbudowanych przewodników fal i struktur fotonicznych (rysunek 15).Takie możliwości otwierają nowe możliwości dla zintegrowanej fotoniki i urządzeń optoelektronicznych opartych na SiC.
Techniki laserowego cięcia niewidocznego (LSD) i hybrydowego cięcia laserowego stanowią zaawansowane podejścia do przetwarzania SiC na poziomie płytki (rys. 16 i 18).Indukując kontrolowane warstwy modyfikacji wewnętrznej i następne rozprzestrzenianie się pęknięć lub selektywne etyrowanie, metody te umożliwiają wysokiej jakości separację przy minimalnym uszkodzeniu powierzchni, co ma kluczowe znaczenie dla produkcji podłoża półprzewodnikowego.
SiC przetwarzany laserowo ma szerokie zastosowania w wielu dziedzinach (rysunek 19).Technologie laserowe są integralną częścią produkcji urządzeń o wysokiej mocy, MEMS i komponentów optoelektronicznych (rys. 21).W inżynierii biomedycznejBiokompatybilność i stabilność chemiczna SiC sprawiają, że jest to atrakcyjny materiał dla zaawansowanych czujników i urządzeń implantowanych.
Pomimo znaczących postępów nadal istnieje kilka wyzwań, które ograniczają szeroko zakrojone przemysłowe wykorzystanie przetwarzania laserowego SiC.szczególnie pod promieniowaniem laserowym o długim impulsiePonadto osiągnięcie optymalnej równowagi między szybkością usuwania materiału (MRR) a jakością powierzchni, a także złożonością optymalizacji parametrów laserowych,stwarza znaczne przeszkody w zakresie skalowalności procesów i efektywności kosztowej.
Z naukowego punktu widzenia wymagane jest pogłębione badanie mechanizmów interakcji laserowych SiC.w połączeniu ze strategiami optymalizacji opartymi na danych i sztucznej inteligencji, mają odgrywać kluczową rolę w zwiększaniu kontrolności i powtarzalności procesów.Dalsze badania nad trójwymiarowym przetwarzaniem mikro i masowym SiC są niezbędne do zaspokojenia rygorystycznych wymagań przemysłu lotniczego i kosmicznego, półprzewodników i zastosowań biomedycznych.
Z przemysłowego punktu widzenia rozwój wysokowydajnych źródeł lasera o wyższej mocy, wyższych częstotliwościach powtórzeń i ustawialnych trwaniach impulsów jest kluczowy,ze względu na szeroki przepas i wysoki punkt topnienia SiCZintegrowanie systemów przetwarzania laserowego z robotami i inteligentnymi platformami sterowania umożliwi w pełni zautomatyzowane przepływy pracy produkcyjnej, zwiększając wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko.
SiC jest wszechstronnym i strategicznie ważnym materiałem, którego wyjątkowe właściwości stanowią podstawę jego szerokiego wykorzystania w półprzewodnikach, urządzeniach o wysokiej temperaturze i zaawansowanych zastosowaniach inżynierskich.Przetwarzanie laserowe okazało się najbardziej obiecującym podejściem do przezwyciężania trudności związanych z obróbką SiCNiniejszy przegląd kompleksowo podsumowuje najnowsze postępy w przetwarzaniu laserowym SiC, obejmujące systemy laserowe, mechanizmy interakcji,zaawansowane techniki, oraz domeny zastosowań.
Chociaż pozostają takie wyzwania, jak krakingi termiczne, złożoność optymalizacji procesu i skalowalność, dalsze postępy w technologiach ultraszybkich laserów, metodach przetwarzania hybrydowych,Oczekuje się, że systemy sterowania i inteligentne systemy sterowania przyniosą dalsze przełomyDzięki ciągłym innowacjom multidyscyplinarnym przetwarzanie laserowe będzie nadal wzmacniać rolę SiC w zaawansowanej produkcji materiałów i najnowocześniejszych rozwiązaniach inżynierskich.zapewnienie solidnego wsparcia teoretycznego i technologicznego dla przyszłych badań naukowych i zastosowań przemysłowych.
Karbid krzemowy (SiC) ze względu na swoje wyjątkowe właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne odgrywa kluczową rolę w zaawansowanych zastosowaniach przemysłowych, takich jak półprzewodniki,urządzenia o wysokiej temperaturzeJednakże jego ekstremalna twardość, wysoka stabilność chemiczna i szeroka przepustowość sprawiają, że konwencjonalne metody obróbki są nieefektywne i kosztowne.charakteryzujące się wysoką precyzją, wysokiej wydajności i bezkontaktowej pracy, stała się zatem kluczową technologią umożliwiającą produkcję SiC.Ostatnie postępy w technologii ultraszybkich laserów znacząco zwiększyły możliwości przetwarzania SiC, które napędzają gwałtownie rosnący popyt przemysłu zaawansowanego technologicznie, zwłaszcza produkcji półprzewodników.
Niniejszy przegląd systematycznie analizuje najnowsze osiągnięcia w dziedzinie obróbki laserowej SiC, obejmując systemy laserowe, podstawowe mechanizmy interakcji, nowe techniki, zastosowania,i obecnych wyzwańTechnologie obróbki powierzchni, w tym cięcie, wiercenie, mikrostrukturyzacja, polerowanie, a także laserowe niewidoczne krojone i krojone, są szczegółowo omówione.Zestawienie zastosowań SiC w różnych sektorach, a także krytyczna analiza istniejących wyzwań, przyszłych kierunków badań i nowych możliwości, które mogą kształtować tę szybko rozwijającą się dziedzinę.
Karbid krzemowy (SiC) jest materiałem półprzewodnikowym o szerokim zakresie przepustowości, który przyciągnął uwagę ze względu na wyjątkową twardość, wysoką przewodność cieplną, doskonałą obojętność chemiczną,i doskonałą wydajność elektryczną w wysokich temperaturach i wysokich napięciachZ powodu tych właściwości SiC jest niezbędny w elektronikach mocy, optoelektronikach, systemach lotniczych, sprzęcie wysokotemperaturowym i składowych odpornych na zużycie.właściwości wewnętrzne materiału SiC stanowią znaczące wyzwanie dla tradycyjnych procesów obróbki mechanicznej i chemicznej, zwłaszcza pod względem zużycia narzędzi, niskiej wydajności i ograniczonej dokładności.
Przetwarzanie laserowe stało się potężną alternatywą, oferującą bezkontaktową obsługę, wysoką rozdzielczość przestrzenną i możliwość przetwarzania złożonych geometrii. The rapid development of ultrafast laser technologies—especially femtosecond and picosecond lasers—has further enhanced the controllability and quality of SiC processing by reducing thermal damage and improving dimensional accuracyW konsekwencji przetwarzanie SiC na bazie lasera stało się centrum badawczym i technologią umożliwiającą tworzenie półprzewodników nowej generacji i urządzeń o wysokiej wydajności.
Różnorodność zastosowań do przetwarzania laserowego SiC odzwierciedla różnorodność jego struktur krystalicznych i właściwości (rysunek 1 i rysunek 3).4H-SiCa także6H-SiC, wykazują wyraźne układy siatki, właściwości anizotropowe i optyczne zachowania wchłaniania, które silnie wpływają na interakcje laserowo-materiałowe.
Nowoczesne systemy przetwarzania laserowego SiC obejmują szeroki zakres konfiguracji (rysunek 4), w tym systemy ostrości oparte na obiektach, systemy skanujące galwanometrem, układy podwójnego napromieniowania impulsowego,lasery femtosekundowe z kwadratowymi wiązkami płaskich, lasery polaryzowane wektorowo, hybrydowe systemy wiązki wektorowej, asynchroniczne konfiguracje cięcia podwójnej wiązki, systemy hybrydowe laserowe Źródło wodne, lasery sterowane wodą i podwodne platformy przetwarzania laserowego.Systemy te są zaprojektowane tak, aby dostosować dostawę energii, poprawa usuwania odpadów, tłumienie efektów termicznych i poprawa jakości przetwarzania.
Zrozumienie mechanizmów interakcji lasera z materiałami jest niezbędne do optymalizacji przetwarzania laserowego SiC.łącznie z wchłanianiem fotonów, pobudzenie nośnika, sprzężenie elektronów/fononów, dyfuzja ciepła, przejścia fazowe i usuwanie materiału.
W przetwarzaniu laserowym o długim impulsie dominują efekty termiczne, które często powodują topnienie, ponowne utwardzanie, przekształcanie warstw i akumulację pozostałych naprężeń.Efekty te mogą prowadzić do rozpoczęcia i rozprzestrzeniania się pęknięć.W przeciwieństwie do tego, ultraszybkie impulsy laserowe odkładają energię w krótszych niż dyfuzja termiczna skali czasowych.umożliwiające mechanizm ablacji nietermicznej lub słabiej termicznej, który znacząco zmniejsza strefę dotkniętą ciepłem (HAZ). oświetlenie pojedynczym impulsem może powodować zniekształcenie lokalnej siatki i tworzenie się basenu stopienia,natomiast wieloimpulsowe napromieniowanie może indukować laserowo wywołane okresowe struktury powierzchniowe (LIPSS) i podpowierzchniowe pustki.
Zaawansowane techniki diagnostyczne i charakterystyczne (rysunek 8), takie jak monitorowanie emisji akustycznych, obrazowanie pióra plazmy, fotografię ICCD z rozdzielczością czasu, rentgenowską tomografię komputerową (XCT),i tomografii spójności optycznej (OCT), dostarczają cennych informacji na temat powstawania wad, modyfikacji wewnętrznych i dynamiki ablacji podczas obróbki laserowej.
Łącznie z innymi metodami, w tym metodą laserową, można wykorzystać w procesie tworzenia, tworzenia i wytwarzania elementów SiC w skali mikro i nano.częstotliwość powtarzania, energia impulsu, profil wiązki i środowisko przetwarzania - na morfologii otworu i jakości powierzchni zostały szeroko zbadane (rys. 11 i 12).Połączenie napromieniowania laserowego z etasowaniem chemicznym jeszcze bardziej poprawia jakość i współczynnik widma, umożliwiające wytwarzanie wysokiej precyzji mikrorówek i kanałów.
Teksturowanie powierzchni laserowej zwiększa wydajność tribologiczną, stabilność termiczną i właściwości funkcjonalne powierzchni SiC, co jest szczególnie cenne dla zastosowań lotniczych i obronnych.Ultraszybkie polerowanie laserowe wykazało również możliwość poprawy wykończenia powierzchni przy jednoczesnym zminimalizowaniu uszkodzeń pod powierzchnią.
Femtosekundowe bezpośrednie pisanie laserowe (FSLDW) umożliwia trójwymiarową modyfikację materiałów szczelnych SiC, umożliwiając wytwarzanie wbudowanych przewodników fal i struktur fotonicznych (rysunek 15).Takie możliwości otwierają nowe możliwości dla zintegrowanej fotoniki i urządzeń optoelektronicznych opartych na SiC.
Techniki laserowego cięcia niewidocznego (LSD) i hybrydowego cięcia laserowego stanowią zaawansowane podejścia do przetwarzania SiC na poziomie płytki (rys. 16 i 18).Indukując kontrolowane warstwy modyfikacji wewnętrznej i następne rozprzestrzenianie się pęknięć lub selektywne etyrowanie, metody te umożliwiają wysokiej jakości separację przy minimalnym uszkodzeniu powierzchni, co ma kluczowe znaczenie dla produkcji podłoża półprzewodnikowego.
SiC przetwarzany laserowo ma szerokie zastosowania w wielu dziedzinach (rysunek 19).Technologie laserowe są integralną częścią produkcji urządzeń o wysokiej mocy, MEMS i komponentów optoelektronicznych (rys. 21).W inżynierii biomedycznejBiokompatybilność i stabilność chemiczna SiC sprawiają, że jest to atrakcyjny materiał dla zaawansowanych czujników i urządzeń implantowanych.
Pomimo znaczących postępów nadal istnieje kilka wyzwań, które ograniczają szeroko zakrojone przemysłowe wykorzystanie przetwarzania laserowego SiC.szczególnie pod promieniowaniem laserowym o długim impulsiePonadto osiągnięcie optymalnej równowagi między szybkością usuwania materiału (MRR) a jakością powierzchni, a także złożonością optymalizacji parametrów laserowych,stwarza znaczne przeszkody w zakresie skalowalności procesów i efektywności kosztowej.
Z naukowego punktu widzenia wymagane jest pogłębione badanie mechanizmów interakcji laserowych SiC.w połączeniu ze strategiami optymalizacji opartymi na danych i sztucznej inteligencji, mają odgrywać kluczową rolę w zwiększaniu kontrolności i powtarzalności procesów.Dalsze badania nad trójwymiarowym przetwarzaniem mikro i masowym SiC są niezbędne do zaspokojenia rygorystycznych wymagań przemysłu lotniczego i kosmicznego, półprzewodników i zastosowań biomedycznych.
Z przemysłowego punktu widzenia rozwój wysokowydajnych źródeł lasera o wyższej mocy, wyższych częstotliwościach powtórzeń i ustawialnych trwaniach impulsów jest kluczowy,ze względu na szeroki przepas i wysoki punkt topnienia SiCZintegrowanie systemów przetwarzania laserowego z robotami i inteligentnymi platformami sterowania umożliwi w pełni zautomatyzowane przepływy pracy produkcyjnej, zwiększając wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko.
SiC jest wszechstronnym i strategicznie ważnym materiałem, którego wyjątkowe właściwości stanowią podstawę jego szerokiego wykorzystania w półprzewodnikach, urządzeniach o wysokiej temperaturze i zaawansowanych zastosowaniach inżynierskich.Przetwarzanie laserowe okazało się najbardziej obiecującym podejściem do przezwyciężania trudności związanych z obróbką SiCNiniejszy przegląd kompleksowo podsumowuje najnowsze postępy w przetwarzaniu laserowym SiC, obejmujące systemy laserowe, mechanizmy interakcji,zaawansowane techniki, oraz domeny zastosowań.
Chociaż pozostają takie wyzwania, jak krakingi termiczne, złożoność optymalizacji procesu i skalowalność, dalsze postępy w technologiach ultraszybkich laserów, metodach przetwarzania hybrydowych,Oczekuje się, że systemy sterowania i inteligentne systemy sterowania przyniosą dalsze przełomyDzięki ciągłym innowacjom multidyscyplinarnym przetwarzanie laserowe będzie nadal wzmacniać rolę SiC w zaawansowanej produkcji materiałów i najnowocześniejszych rozwiązaniach inżynierskich.zapewnienie solidnego wsparcia teoretycznego i technologicznego dla przyszłych badań naukowych i zastosowań przemysłowych.
