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迎接5G時代加速到來 工研院助台廠切入雷射產業鏈
[作者 陳念舜]   2019年10月31日 星期四 瀏覽人次: [2087]

前言:因應現今可容納多達3~4顆鏡頭已成為新一代旗艦型智慧手機設計顯學,未來恐還有捲土重來的摺疊式手機;加上車載電子、Micro/Mini LED等傳輸5G即時大量資訊的挑戰迫在眉睫。由於將精微細準的雷射應用於減法與加法製造的範圍廣泛,且可融合先進製造切鑽銲改(改質)的特性,已持續在半導體、PCB、醫材、金屬微加工等新興應用領域發光發熱。


由於雷射具有精度高、生產效率高、污染低、數位化等特性,極適合應用於高值工業應用,促進汽車、5G產業加速朝智慧製造發展,材料和設備成本年年下降。看好雷射光製造將是未來台灣製造業提高生產效率和產品質量、降低成本、提高國際競爭力的重要加工技術。


即使2018年起面對美中貿易戰波及,終端產品產量減少將影響工廠對於採購生產機具需求,雷射加工設備與雷射源將首當其衝,但因為不少傳統製程開始引進雷射技術和設備,並進行智動化生產,將會取代部份傳統非雷射製程;以及在歐洲、亞洲部份大型製造業須以高功率雷射加工處理,可望因應貿易戰造成雷射源價格上漲而引發預購現象,高功率雷射源及其加工應用,仍會是支撐雷射產業發展的重要動力。



圖1 : 台灣機械公會日前也特邀於雷射源、高能及高功率雷射加工及雷射金屬積層列印研發多年的法人單位釋放技術能量與案例分享,協助會員提升設備精敏製程能力。(攝影/陳念舜)
圖1 : 台灣機械公會日前也特邀於雷射源、高能及高功率雷射加工及雷射金屬積層列印研發多年的法人單位釋放技術能量與案例分享,協助會員提升設備精敏製程能力。(攝影/陳念舜)

台灣機械公會(TAMI)為了協助會員廠商建立智慧機械跨領域技術能量,導入雷射及相關應用,從「傳統機械電加工」轉進「精敏光加工」精密機械。日前也特邀於雷射源、高能及高功率雷射加工及雷射金屬3D列印研發多年的法人單位進行技術能量及案例分享,說明政府推動智慧製造相關輔導資源;並提供診斷服務,協助會員提升設備精敏製程能力。


工研院雷射與積層製造科技中心經理李閔凱表示,由於台灣廠商多年來掌握半導體、金屬加工產業領域,欲發展雷射產業的機會在於自動化系統整合實力高超,加上利基應用而在雷射產業具有競爭力。須以加法(AM)複合減法設備提升技術深度,跨界結盟來提升工具機高值化;並研發複合加工系統與智能化製程CAD/CAM+模組軟硬體整合,應用航太高品級製造需求。


目前該中心推動台灣雷射產業策略聯盟可分為兩大方向:雷射技術從雕刻打印朝精微切鑽發展、智動化技術由單工/自動,邁向複合/智動化,並居中協助設備廠商開發穩定且創新產品;以及與終端客戶合作,用於新材料和結構測試,促進傳統產業升級。尤其隨著智慧行動裝置正邁向5G設計和無線充電需求下,手機外殼採用玻璃或陶瓷等成形或切削加工製程已成為工具機技術新挑戰。


製程先行引導自主開發 以防跨域發展事倍功半

且依現今趨勢可見雷射成本親民化,未來應用將更為廣泛;發展平台勢在必行,以便捷結合自動化。建議可藉法人科專深耕關鍵技術,協助產業加速驗證加值。具體策略則是製程先行,建立雷射試製場域,訂定規範;之後再推動模組自主,以發展自製關鍵組件;最後才是設備國產化,結合雷射光刀等製程,並搭接製造/設備橋樑,防止業者跨域發展的結果事倍功半。


其中「超快雷射(Ultrafast laser)」係指脈衝寬度(Pulse Duration)小於10皮秒(Picosecond)的雷射,包含皮秒(10-12s)雷射及飛秒(10-15s)雷射,因其脈衝寬度小於一般材料熱傳發生的時間,具有極小熱影響區的加工特性。


該中心現也藉此協助台灣廠商,投入開發高頻/高密度封裝應用的車載5G高頻電子、Micro LED 3D曲面雷射切割鑽孔等應用技術。所開發的雷射長光刀引擎包含光束長度可變切割/連續可變銲接兩大模組,使雷射光束透過模組聚焦後,焦點處形成長度可變的線型光束,且能無段式調整線型光束強度。搭配自製超快雷射源與波長轉換,使得雷射長光刀能涵括所有待加工物的材料層中,一道次切割或銲接多層材料,適用於車載面板、透明顯示器、感測器和5G異質整合等多層硬脆材料精微加工。


工研院展出多項光製造技術 深化產業鏈垂直整合

在近期舉行的「2019台灣國際雷射展」上,工研院也同時發表多款以車載及5G為載具的「超快雷射加工」、「高功率加工應用」及「自主雷射源」等光製造技術,相關技術已分別應用於台灣車用玻璃、電動巴士、精密網版大廠產線,以協助企業技術升級,串起機械產業轉型的價值鏈。


依工研院雷射與積層製造科技中心執行長曹芳海引述Strategies Unlimited調查顯示,2018年全球雷射產業總產值達137.6億美元,其中最多應用於切割、銲接、打標及半導體/顯示上的工業應用產值達52.3億美元,顯見產業需求旺盛。


舉汽車產業為例,包括擋風玻璃、後照鏡、車燈或儀表板等工件都需要精密切割,工研院運用超快雷射搭載自主的「景深可調光刀模組」,可直接切割厚度3mm平面玻璃或2.5mm特定曲率的3D曲面玻璃,已有台灣玻璃鏡片大廠將此技術建置雷射生產曲面後視鏡產線,不僅成功轉型升級為雷射加工車用鏡片廠商,更一舉搶進高端車鏡市場。



圖2 : 工研院運用超快雷射搭載自主的「景深可調光刀模組」,已有台灣玻璃鏡片大廠藉此技術建置雷射生產曲面後視鏡產線,搶進高端車鏡市場。(source:工研院)
圖2 : 工研院運用超快雷射搭載自主的「景深可調光刀模組」,已有台灣玻璃鏡片大廠藉此技術建置雷射生產曲面後視鏡產線,搶進高端車鏡市場。(source:工研院)

同時鎖定超快雷射用於5G高頻與Micro LED顯示的行動網通需求,並搭載精密細微電路的玻璃載板為下世代的關鍵元件之一,透過雷射改質搭配濕式製程,達成高速鑽孔需求。但考量現行玻璃穿孔(TGV)技術鑽孔速度緩慢,常造成邊緣品質不佳影響訊號傳輸。


工研院開發超快雷射的「誘發玻璃成孔」技術,可在50μm~700μm玻璃厚度下達成高真圓度TGV製程。搭配同步觸發模組,則可提升量產速度至每秒5,000孔,鑽孔品質真圓度大於95%、側壁粗糙度低於200nm及最高可達10:1深寬比之細微通孔,技術已與國際同步,可應用於更輕薄短小的3C高頻通訊裝置、4K攝影等高容量訊號傳輸及次世代Micro LED顯示器。



圖3 : 工研院開發超快雷射的「誘發玻璃成孔」技術,搭配同步觸發模組,可應用於更輕薄短小的3C高頻通訊裝置、4K攝影等高容量訊號傳輸及次世代Micro LED顯示器。(source:工研院)
圖3 : 工研院開發超快雷射的「誘發玻璃成孔」技術,搭配同步觸發模組,可應用於更輕薄短小的3C高頻通訊裝置、4K攝影等高容量訊號傳輸及次世代Micro LED顯示器。(source:工研院)

此外,工研院在高功率雷射的應用上也看準未來電動車將使用大量動力電池的需求,協助台灣電動巴士大廠設置動力鋰電池模組製造產線,將所生產的電池模組樣品送往車測中心依CNS及歐盟標準檢測;同時建立雷銲示範場域,所採用的先進掃描式雷射銲接技術,比起傳統點銲可提升產能10倍以上,引領廠商迎向廣大的應用商機。


自主開發的關鍵高功率掃描加工模組,則整合工業機器人與智慧控制平台,提供高自由度、高速、高精密度的智慧生產技術,透過擴大掃描加工範圍、精度、輕量化與長時加工高穩定性等關鍵加工製程特色,已成功導入鋰電池模組及板殼式熱交換器產線。


目前工研院從產業技術缺口突破,已先後協助東台集團生產PCB鑽孔機、穎霖公司開發汽車用光纖雷射切管設備。今年也協助熱交換器製造商導入台灣首部自主板殼式熱交換器雷射縫銲製程與設備,打入塑化集團供應鏈;另透過A+淬鍊計畫,整合卓越光纖及虹駿開發增益光纖、光束整型光纖、光纖光柵等高功率雷射源關鍵零組件,並引導台灣高功率雷射源產品與機械設備整合應用,與業界共同朝自主雷射產業挺進。


**刊頭照(攝影/陳念舜)


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