Il carburo di silicio (SiC), grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche, termiche ed elettriche, svolge un ruolo fondamentale in applicazioni industriali avanzate come i semiconduttori,dispositivi ad alta temperaturaTuttavia, la sua estrema durezza, la sua elevata stabilità chimica e il suo ampio intervallo di banda rendono i metodi di lavorazione convenzionali inefficienti e costosi.caratterizzato da un'elevata precisione, elevata efficienza e funzionamento senza contatto, è quindi emersa come una tecnologia chiave per la fabbricazione di SiC.I recenti progressi nelle tecnologie laser ultra veloci hanno notevolmente ampliato le capacità di elaborazione del SiC, che ha determinato la rapida crescita della domanda da parte delle industrie ad alta tecnologia, in particolare la produzione di semiconduttori.
Questa revisione esamina sistematicamente lo stato dell'arte nel trattamento laser del SiC, riguardando sistemi laser, meccanismi di interazione fondamentali, tecniche emergenti, applicazioni,e le sfide attualiLe tecnologie di lavorazione delle superfici, tra cui il taglio, la perforazione, la microstrutturazione, la lucidatura, nonché il taglio e la taglio laser furtivo, sono discusse in dettaglio.sono riassunte le applicazioni del SiC in vari settori, e viene presentata un'analisi critica delle sfide esistenti, delle future direzioni di ricerca e delle opportunità emergenti che potrebbero plasmare questo campo in rapida evoluzione.

1Introduzione

Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore a banda larga che ha attirato considerevole attenzione a causa della sua eccezionale durezza, elevata conduttività termica, inertà chimica superiore,e eccellenti prestazioni elettriche ad alte temperature e alte tensioniQueste proprietà rendono il SiC indispensabile in elettronica di potenza, optoelettronica, sistemi aerospaziali, apparecchiature ad alta temperatura e componenti resistenti all'usura.le proprietà materiali intrinseche del SiC rappresentano sfide significative per i processi di lavorazione meccanica e chimica tradizionali, in particolare in termini di usura degli utensili, bassa efficienza e limitata precisione raggiungibile.

La lavorazione laser è emersa come una potente alternativa, offrendo un funzionamento senza contatto, un'elevata risoluzione spaziale e la capacità di elaborare geometrie complesse. 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 accuracyDi conseguenza, l'elaborazione del SiC basata su laser è diventata un punto di riferimento per la ricerca e una tecnologia di base per la prossima generazione di semiconduttori e dispositivi ad alte prestazioni.

2Proprietà delle tecnologie di lavorazione del SiC e del laser

La diversità delle applicazioni di trattamento laser del SiC rispecchia la diversità delle sue strutture cristalline e delle sue proprietà (Figura 1 e Figura 3).4H-SiC- e6H-SiC, presentano distinte disposizioni reticolari, proprietà anisotrope e comportamenti di assorbimento ottico, che influenzano fortemente le interazioni laser-materiale.

I moderni sistemi di elaborazione laser per il SiC comprendono una vasta gamma di configurazioni (figura 4), tra cui sistemi di messa a fuoco basati su oggetti, sistemi di scansione galvanometrica, impostazioni di irradiazione a doppio impulso,laser femtosecondi con fasci quadrati a superficie piatta, laser polarizzati vettoriali, sistemi di fascio vettoriale ibrido, configurazioni di taglio a doppio fascio asincrone, sistemi ibridi laser jet d'acqua, laser guidati dall'acqua e piattaforme di elaborazione laser subacquee.Questi sistemi sono progettati per adattare la fornitura di energia, migliorare l'eliminazione dei detriti, sopprimere gli effetti termici e migliorare la qualità della lavorazione.

3. Meccanismi di interazione laser-SiC

La comprensione dei meccanismi di interazione laser/materiale è essenziale per ottimizzare l'elaborazione del laser SiC.compreso l'assorbimento dei fotoni, eccitazione del vettore, accoppiamento elettrone-fonone, diffusione del calore, transizioni di fase e rimozione del materiale.

Nella lavorazione laser a impulsi lunghi, gli effetti termici dominano, spesso con conseguente fusione, resolidificazione, ricostituzione di strati e accumulo di stress residuo.Questi effetti possono portare all' inizio delle crepe e alla loro propagazione.Al contrario, gli impulsi laser ultraveloci depositano energia su scale temporali più brevi della diffusione termica.abilitando meccanismi di ablazione non termici o deboli che riducono significativamente la zona colpita dal calore (HAZ)L'irradiazione a impulso singolo può causare distorsioni locali della griglia e la formazione di pozzi di fusione.mentre l'irradiazione multi-pulso può indurre strutture periodiche di superficie indotte dal laser (LIPSS) e vuoti sotterranei.

Tecniche avanzate di diagnostica e caratterizzazione (figura 8), quali il monitoraggio acustico delle emissioni, l'imaging a penna di plasma, la fotografia ICCD a risoluzione temporale, la tomografia computerizzata a raggi X (XCT),e tomografia di coerenza ottica (OCT), forniscono informazioni preziose sulla formazione di difetti, sulle modifiche interne e sulla dinamica dell'ablazione durante la lavorazione laser.

4. Tecniche di lavorazione laser per il SiC

4.1 Taglio, trivellazione e microstrutturazione

Il taglio e la perforazione laser sono ampiamente utilizzati per modellare componenti SiC e fabbricare elementi su scala micro e nanometrica.tasso di ripetizioneL'energia di impulso, il profilo del fascio e l'ambiente di lavorazione sono stati ampiamente studiati sulla morfologia del foro e sulla qualità della superficie (figure 11 e 12).La combinazione di irradiazione laser con incisione chimica migliora ulteriormente la qualità delle caratteristiche e il rapporto di aspetto, che consente la fabbricazione di microfori e canali di alta precisione.

4.2 Modifica e lucidatura delle superfici

La tessitura laser della superficie migliora le prestazioni tribologiche, la stabilità termica e le proprietà funzionali delle superfici SiC, che è particolarmente utile per le applicazioni aerospaziali e di difesa.La lucidatura a laser ultraveloce ha anche dimostrato il potenziale per migliorare la finitura superficiale riducendo al minimo i danni sotterranei.

4.3 Modifica interna e fabbricazione di guide d'onda

La scrittura diretta laser a femtosecondi (FSLDW) consente la modifica tridimensionale di materiali di massa in SiC, consentendo la fabbricazione di guide d'onda incorporate e strutture fotoniche (figura 15).Tali capacità aprono nuove strade per la fotonica integrata e i dispositivi optoelettronici basati sul SiC.

4.4 Taglio e taglio laser stealth

Le tecniche di taglio laser stealth (LSD) e di taglio laser ibrido rappresentano approcci avanzati per la lavorazione del SiC a livello di wafer (figure 16 e 18).Indurre strati di modificazione interna controllata e successiva propagazione di crepe o incisione selettiva, questi metodi consentono una separazione di alta qualità con danni superficiali minimi, che è fondamentale per la fabbricazione di substrati semiconduttori.

5Applicazioni del SiC lavorato con laser

Il SiC lavorato con laser ha trovato ampie applicazioni in molteplici campi (Figura 19).Le tecnologie laser sono parte integrante della fabbricazione di dispositivi di potenza ad alte prestazioni, MEMS e componenti optoelettronici (Figure 21). Le applicazioni aerospaziali e di difesa beneficiano di una maggiore resistenza all'usura e stabilità termica ottenuta attraverso l'ingegneria delle superfici laser.Ingegneria biomedica, la biocompatibilità e la stabilità chimica del SiC lo rendono un materiale attraente per sensori avanzati e dispositivi impiantabili.

6Sfide e prospettive future

Nonostante i notevoli progressi compiuti, numerose sfide continuano a limitare l'adozione industriale su larga scala del trattamento laser del SiC.particolarmente sotto irradiazione laser a impulsi lunghiInoltre, il raggiungimento di un equilibrio ottimale tra la velocità di rimozione del materiale (MRR) e la qualità della superficie, nonché la complessità dell'ottimizzazione dei parametri laser,costituisce un ostacolo sostanziale alla scalabilità dei processi e all'efficienza dei costi.

Da un punto di vista scientifico, è necessaria un'indagine più approfondita sui meccanismi di interazione laser/SiC.combinato con strategie di ottimizzazione basate sui dati e l'intelligenza artificiale, dovrebbero svolgere un ruolo cruciale nel migliorare la controllabilità e la ripetibilità dei processi.Ulteriori ricerche sulla trasformazione tridimensionale in micro e in grandi quantità di SiC sono essenziali per soddisfare le stringenti esigenze dell'industria aerospaziale, semiconduttori e applicazioni biomediche.

Da un punto di vista industriale, lo sviluppo di sorgenti laser ad alte prestazioni con potenza più elevata, frequenza di ripetizione più elevata e durata di impulsi sintonizzabili è fondamentale.dato l'ampio intervallo di banda e l'alto punto di fusione del SiCL'integrazione dei sistemi di elaborazione laser con la robotica e le piattaforme di controllo intelligenti consentirà di automatizzare completamente i flussi di lavoro di produzione, migliorando l'efficienza riducendo l'impatto ambientale.

7Conclusioni

Il SiC è un materiale versatile e strategicamente importante, le cui proprietà eccezionali sostengono il suo uso diffuso nei semiconduttori, nei dispositivi ad alta temperatura e nelle applicazioni di ingegneria avanzata.La lavorazione al laser è emersa come l'approccio più promettente per superare le sfide inerenti all'elaborazione del SiCQuesta revisione ha riassunto in modo completo i recenti progressi nella lavorazione del laser SiC, comprendendo sistemi laser, meccanismi di interazione,tecniche avanzate, e settori di applicazione.

Sebbene restino sfide come la cracking termica, la complessità dell'ottimizzazione dei processi e la scalabilità, i continui progressi nelle tecnologie laser ultra veloci, i metodi di elaborazione ibrida, la tecnologia di laser a velocità elevata e la tecnologia di laser a velocità elevata hanno contribuito a ridurre il rischio di incidenti.e sistemi di controllo intelligenti dovrebbero portare ulteriori scoperteAttraverso l'innovazione multidisciplinare sostenuta, la lavorazione laser continuerà a rafforzare il ruolo del SiC nella produzione di materiali avanzati e nelle soluzioni di ingegneria all'avanguardia.fornire un solido supporto teorico e tecnologico per la futura ricerca scientifica e le applicazioni industriali.