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從德國雷射展看雷射技術未來發展趨勢
ITIS智網葉錦清
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一、展會簡介

德國是雷射技術與產業的領導國,德國雷射展Laser World of Photonics)是兩年一度的雷射專業展,都固定在德國慕尼黑舉行,全球重要雷射產業相關廠商都與會參加。在2017()年的德國慕尼黑雷射展,從626~629日,為期四天。回顧2015年的德國雷射展,參觀者來自70個國家達30,000名;參展廠商來自42個國家達1,227家。而2017年的參觀者來自90個國家達32,000名,參展廠商來自42個國家達1,293家。與2015年相較雙雙成長,參觀者成長6.7%,參展廠商成長5.4%

 

二、重要技術發表

此次雷射展有發表兩個主題,其一為超短脈衝雷射(UPLS ; Ultra Short Pulse Laser )在工業應用,另外一個主題為雷射在微電子產業應用。

()超短脈衝雷射(USPL ; Ultra Short Pulse Laser )在工業應用

美國雷射領導廠商Coherent公司,在2016年合併了另外一家德國雷射領導廠商Rofin公司。Coherent公司的Mayerhofer博士在研討會上發表,以超短脈衝雷射切割、鑽或結構玻璃與其他透明或硬脆材料的案例。從產品的型號SMARTCLEAVE可以推斷出這是Rofin公司的產品。這項產品有兩種規格,400飛秒( fs ; femtosecond)40W (40 uJ @ 1 MHz / 1035 nm)20W (20 uJ @ 1 MHz / 517 nm),脈衝寬度可變(<400 fs>10皮秒( ps ; picosecond))

SMARTCLEAVE是一項運用超短脈衝雷射的新技術,它的核心技術(受產權保護)是利用雷射絲化(Laser filamentation )高速分離透明易碎材料,並且在這過程中不產生任何碎屑和縫隙。SMARTCLEAVE可以切割任意形狀,包括很小的加工轉彎角度,單次處理加工切縫沒有錐度。經過切割後的產品表面乾淨整潔無碎裂,正常情況下表面粗糙度值小於1微米,這使得切割部分彎曲強度非常高。SMARTCLEAVE這項新工藝巧妙地將冗長的勞動密集型機械加工流程簡化到只有幾個步驟。除了電子產品之外,這項技術更應用到汽車、醫療器材、家電、建築等領域上。

()雷射在微電子產業應用

由於物聯網( IoT ; Internet of Things)的興起,電子產品必須智慧化與能夠聯網,因此需要更多的零組件。製造數量龐大的電子產品且必須考慮經濟效益的前提之下,雷射加工就扮演一個非常重要的角色。在研討會中德國一家雷射廠商Innolas Photonics,提出一項新技術,以綠光(532奈米(nm))雷射高速切割印刷電路板 ( PCB ; Printed Circuit Board ),因為樹酯與銅是PCB主要材料,而樹酯與銅對綠光雷射的吸收率遠高於紅外光與紫外光雷射。

 

三、國際大廠動態

()IPG

IPG是全球雷射源領導廠商之一,2015年營收約9億美元,為全球第二大。該公司的獨到之處是光纖雷射,一家只靠光纖雷射就可以在短短幾年內,從默默無聞到成為全球領導廠商。由於該公司以垂直整合的策略營運,幾乎所有光纖雷射的關鍵零組件都自製,因此成本的控制優於其他同行。此次展會,IPG推出超高功率雷射,120KW的摻鐿光纖雷射(Ytterbium doped fiber laser),如圖1所示。12萬瓦的光纖雷射可用於厚金屬板焊接,例如造船、運輸油管業等等。

 

 

 ()Coherent

Coherent亦是雷射源領導廠商之一,在2016年合併了Rofin(亦是雷射源領導廠商)之後,也具備了光纖雷射的產品線,而且營收亦從第三大變成第一大。Coherent的紫外光雷射在業界居領導地位,尤其應用在電子產業居多,特別是半導體與顯示器產業居多。此次展會上,Coherent展出新產品很多,比較印象深刻的是準分子雷射退火( ELA ; Excimer Laser Annealing )設備,如圖2所示。由於廠商積極投入OLED面板研發與生產,因此生產OLED面板設備的廠商訂單滿滿,據說這款型號的設備接單已經排到2019年中了。

                                                                                     

()TRUMPF

TRUMPF是一家德國工具機領導廠商,由於早期投入雷射的研發與生產,所以也成為雷射源的領導廠商。此次展會展出相當多產品,包括TruDisk Pulse 421TruLaser Station 5005TruLaser Cell 3000Trudisk 4001Trumicro系列、TruDiode4001.5等等。而TruDisk Pulse 421因為是綠光雷射是有標記新(new)的產品,如圖3所示。

 

 

 

TRUMPFTruDisk Pulse 421這款超短脈衝綠光雷射,用於高效焊接銅材料,這種新型的碟式雷射以脈衝模式加工,平均功率為400W,產生515奈米的雷射。以倍頻技術,將紅外光波段變成綠光波段,銅材料對於此波長的吸收率較好,因此對於能源的需求較低,同時獲得更好的重現性與更少的飛濺。

 

四、未來趨勢預測

從此次展會中,廠商展出的新產品與研討會發表的新技術大致上可歸納幾項未來發展趨勢。包括:超短脈衝雷射的應用越來越廣、高功率雷射、以雷射切削碳纖維強化聚合物複材。

(一) 超短脈衝雷射的應用越來越廣

    由於許多精密零組件加工過程不希望有熱效應而影響產品品質,以超短脈衝雷射加工,可將熱效應降到最低,甚至在加工時間低於皮秒(10的負12次方秒)的等級時,熱效應幾乎不存在。半導體與顯示器等電子業所需要的零組件通常對產品品質的要求很高,但是使用其他方式的加工很難避免熱效應,因此超短脈衝雷射就是一項很好的選擇,物連網需要大量的電子元件,因此超短脈衝雷射在電子業漸漸受到重視,未來汽車、航太、生醫、能源等等領域將逐漸採用,超短脈衝雷射的普及指日可待。

(二) 高功率雷射

雷射加工的效率與工件本身的材質、雷射光的波長、雷射光功率、脈衝時間都有很大的關聯。提升雷射光功率是目前產業一直以來的努力方向。以雷射切割所使用的雷射光功率,在這幾年來從1KW(千瓦),已經提升到6KW,甚至有廠商已經展出8KW,而IPG則有從1KW~14KW的雷射金屬切割的光纖雷射源,往高功率的發展成為趨勢。而在焊接部分,此次IPG Photonics展出的120KW,則是高功率雷射發展趨勢下的產物。當然,國防軍事用的雷射更有達到200KW的等級,往更高功率發展是雷射未來趨勢。

   

()以雷射切削碳纖維強化聚合物複材( CFRP ; Carbon Fiber Reinforced Polymer composite)

複合材料在航空領域的大量使用,推動了相關應用的發展。使用複合材料能降低重量,而且機械強度提高,這一點對很多產業而言特別重要。碳纖維能吸收所有波長,且具有極高的熱導率,而環氧基體的吸收性及導熱性較差,所以這兩種材料的物理性質差異極大。目前在加工這種特殊材料時,都還有一些尚未解決的問題。以雷射加工碳纖維強化聚合物複材,可以達到其他方式所無法達成的品質與效率,因此成為一項新興研發議題。

在展場上,德國國家研究院與雷射的發源地Fraunhofer,其中有兩個單位 ILT(Institute For Laser Technology)IWS(Institute For Material and Beam Technology),分別都展出了以雷射切削CFRP技術。ILT展出的是”CFRP laser cut”,以4KW的多模光纖雷射,切削8mm厚的CFRP,振鏡掃瞄速度可達每分鐘300公尺。IWS展出的是”Remote-laser cutting of CFRP”,以3.5KW的二氧化碳雷射切割碳纖維強化環氧樹脂(Carbon Fiber Reinforced Epoxy Resin)。世界首屈一指的雷射研究單位都還在發展的技術,是未來的發展趨勢的指標。

 

五、給國內廠商建議

從此次會展中發現,雷射的進展不斷的應用在各行各業,從早期的汽車鈑金焊接到航太、電子、生醫、能源等等。尤其在電子業的應用不斷擴張,不論在半導體、平面顯示器、印刷電路板、發光二極體、太陽能電池等等的加工都有不可或缺的地位,而且日形重要。當然傳統的重工業中切割、焊接等與新興的技術3D列印,也都需要雷射的支援,才能發揮其技術的優勢。

台灣的出口產品中,電子業占很高比重,汽車零組件也是台灣的優勢產業之一,生醫則是另一個台灣能自主的行業,是幾個很好的應用下游。另外,3D列印中有超過一半技術項目是以雷射為積層的方式,也值得業者加以關注。雷射業者可針對幾項台灣優勢下游應用產業與之合作,就近服務客戶,累積經驗與技術,然後再擴張到全球。

另外,利基型產品也是一項廠商可以考慮發展的方向。此次拜訪德國一家雷射關鍵零組件振鏡製造商SCAN LAB,在此領域成為全球前三大,公司全球員工約280人,2016年營收約32億元新台幣,人均產值超過1,100萬元新台幣,是一個很好的隱型冠軍案例。

 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)

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