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迎接5G时代加速到来 工研院助台厂切入雷射产业链
[作者 陳念舜]   2019年10月31日 星期四 浏览人次: [2000]

前言:因应现今可容纳多达3~4颗镜头已成为新一代旗舰型智慧手机设计显学,未来恐还有卷土重来的摺叠式手机;加上车载电子、Micro/Mini LED等传输5G即时大量资讯的挑战迫在眉睫。由於将精微细准的雷射应用於减法与加法制造的范围广泛,且可融合先进制造切钻焊改(改质)的特性,已持续在半导体、PCB、医材、金属微加工等新兴应用领域发光发热。


由於雷射具有精度高、生产效率高、污染低、数位化等特性,极适合应用於高值工业应用,促进汽车、5G产业加速朝智慧制造发展,材料和设备成本年年下降。看好雷射光制造将是未来台湾制造业提高生产效率和产品质量、降低成本、提高国际竞争力的重要加工技术。


即使2018年起面对美中贸易战波及,终端产品产量减少将影响工厂对於采购生产机具需求,雷射加工设备与雷射源将首当其冲,但因为不少传统制程开始引进雷射技术和设备,并进行智动化生产,将会取代部份传统非雷射制程;以及在欧洲、亚洲部份大型制造业须以高功率雷射加工处理,可??因应贸易战造成雷射源价格上涨而引发预购现象,高功率雷射源及其加工应用,仍会是支撑雷射产业发展的重要动力。



图1 : 台湾机械公会日前也特邀於雷射源、高能及高功率雷射加工及雷射金属积层列印研发多年的法人单位释放技术能量与案例分享,协助会员提升设备精敏制程能力。(摄影/陈念舜)
图1 : 台湾机械公会日前也特邀於雷射源、高能及高功率雷射加工及雷射金属积层列印研发多年的法人单位释放技术能量与案例分享,协助会员提升设备精敏制程能力。(摄影/陈念舜)

台湾机械公会(TAMI)为了协助会员厂商建立智慧机械跨领域技术能量,导入雷射及相关应用,从「传统机械电加工」转进「精敏光加工」精密机械。日前也特邀於雷射源、高能及高功率雷射加工及雷射金属3D列印研发多年的法人单位进行技术能量及案例分享,说明政府推动智慧制造相关辅导资源;并提供诊断服务,协助会员提升设备精敏制程能力。


工研院雷射与积层制造科技中心经理李闵凯表示,由於台湾厂商多年来掌握半导体、金属加工产业领域,欲发展雷射产业的机会在於自动化系统整合实力高超,加上利基应用而在雷射产业具有竞争力。须以加法(AM)复合减法设备提升技术深度,跨界结盟来提升工具机高值化;并研发复合加工系统与智能化制程CAD/CAM+模组软硬体整合,应用航太高品级制造需求。


目前该中心推动台湾雷射产业策略联盟可分为两大方向:雷射技术从雕刻打印朝精微切钻发展、智动化技术由单工/自动,迈向复合/智动化,并居中协助设备厂商开发稳定且创新产品;以及与终端客户合作,用於新材料和结构测试,促进传统产业升级。尤其随着智慧行动装置正迈向5G设计和无线充电需求下,手机外壳采用玻璃或陶瓷等成形或切削加工制程已成为工具机技术新挑战。


制程先行引导自主开发 以防跨域发展事倍功半

且依现今趋势可见雷射成本亲民化,未来应用将更为广泛;发展平台势在必行,以便捷结合自动化。建议可藉法人科专深耕关键技术,协助产业加速验证加值。具体策略则是制程先行,建立雷射试制场域,订定规范;之後再推动模组自主,以发展自制关键组件;最後才是设备国产化,结合雷射光刀等制程,并搭接制造/设备桥梁,防止业者跨域发展的结果事倍功半。


其中「超快雷射(Ultrafast laser)」系指脉冲宽度(Pulse Duration)小於10皮秒(Picosecond)的雷射,包含皮秒(10-12s)雷射及飞秒(10-15s)雷射,因其脉冲宽度小於一般材料热传发生的时间,具有极小热影响区的加工特性。


该中心现也藉此协助台湾厂商,投入开发高频/高密度封装应用的车载5G高频电子、Micro LED 3D曲面雷射切割钻孔等应用技术。所开发的雷射长光刀引擎包含光束长度可变切割/连续可变焊接两大模组,使雷射光束透过模组聚焦後,焦点处形成长度可变的线型光束,且能无段式调整线型光束强度。搭配自制超快雷射源与波长转换,使得雷射长光刀能涵括所有待加工物的材料层中,一道次切割或焊接多层材料,适用於车载面板、透明显示器、感测器和5G异质整合等多层硬脆材料精微加工。


工研院展出多项光制造技术 深化产业链垂直整合

在近期举行的「2019台湾国际雷射展」上,工研院也同时发表多款以车载及5G为载具的「超快雷射加工」、「高功率加工应用」及「自主雷射源」等光制造技术,相关技术已分别应用於台湾车用玻璃、电动巴士、精密网版大厂产线,以协助企业技术升级,串起机械产业转型的价值链。


依工研院雷射与积层制造科技中心执行长曹芳海引述Strategies Unlimited调查显示,2018年全球雷射产业总产值达137.6亿美元,其中最多应用於切割、焊接、打标及半导体/显示上的工业应用产值达52.3亿美元,显见产业需求旺盛。


举汽车产业为例,包括挡风玻璃、後照镜、车灯或仪表板等工件都需要精密切割,工研院运用超快雷射搭载自主的「景深可调光刀模组」,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,已有台湾玻璃镜片大厂将此技术建置雷射生产曲面後视镜产线,不仅成功转型升级为雷射加工车用镜片厂商,更一举抢进高端车镜市场。



图2 : 工研院运用超快雷射搭载自主的「景深可调光刀模组」,已有台湾玻璃镜片大厂藉此技术建置雷射生产曲面後视镜产线,抢进高端车镜市场。(source:工研院)
图2 : 工研院运用超快雷射搭载自主的「景深可调光刀模组」,已有台湾玻璃镜片大厂藉此技术建置雷射生产曲面後视镜产线,抢进高端车镜市场。(source:工研院)

同时锁定超快雷射用於5G高频与Micro LED显示的行动网通需求,并搭载精密细微电路的玻璃载板为下世代的关键元件之一,透过雷射改质搭配湿式制程,达成高速钻孔需求。但考量现行玻璃穿孔(TGV)技术钻孔速度缓慢,常造成边缘品质不隹影响讯号传输。


工研院开发超快雷射的「诱发玻璃成孔」技术,可在50μm~700μm玻璃厚度下达成高真圆度TGV制程。搭配同步触发模组,则可提升量产速度至每秒5,000孔,钻孔品质真圆度大於95%、侧壁粗糙度低於200nm及最高可达10:1深宽比之细微通孔,技术已与国际同步,可应用於更轻薄短小的3C高频通讯装置、4K摄影等高容量讯号传输及次世代Micro LED显示器。



图3 : 工研院开发超快雷射的「诱发玻璃成孔」技术,搭配同步触发模组,可应用於更轻薄短小的3C高频通讯装置、4K摄影等高容量讯号传输及次世代Micro LED显示器。(source:工研院)
图3 : 工研院开发超快雷射的「诱发玻璃成孔」技术,搭配同步触发模组,可应用於更轻薄短小的3C高频通讯装置、4K摄影等高容量讯号传输及次世代Micro LED显示器。(source:工研院)

此外,工研院在高功率雷射的应用上也看准未来电动车将使用大量动力电池的需求,协助台湾电动巴士大厂设置动力锂电池模组制造产线,将所生产的电池模组样品送往车测中心依CNS及欧盟标准检测;同时建立雷焊示范场域,所采用的先进扫描式雷射焊接技术,比起传统点焊可提升产能10倍以上,引领厂商迎向广大的应用商机。


自主开发的关键高功率扫描加工模组,则整合工业机器人与智慧控制平台,提供高自由度、高速、高精密度的智慧生产技术,透过扩大扫描加工范围、精度、轻量化与长时加工高稳定性等关键加工制程特色,已成功导入锂电池模组及板壳式热交换器产线。


目前工研院从产业技术缺囗突破,已先後协助东台集团生产PCB钻孔机、颖霖公司开发汽车用光纤雷射切管设备。今年也协助热交换器制造商导入台湾首部自主板壳式热交换器雷射缝焊制程与设备,打入塑化集团供应链;另透过A+淬链计画,整合卓越光纤及虹骏开发增益光纤、光束整型光纤、光纤光栅等高功率雷射源关键零组件,并引导台湾高功率雷射源产品与机械设备整合应用,与业界共同朝自主雷射产业挺进。


**刊头照(摄影/陈念舜)


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