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雷射加工業內需帶動成長
次世代科技金屬應用亮眼
[作者 陳念舜]   2022年12月23日 星期五 瀏覽人次: [6774]

基於歐盟已在2022年12月正式宣告針對鋼鐵、水泥產品課徵碳邊境關稅,勢將成為面向這波海嘯衝擊的產業第一排。目前在台灣推行淨零碳棑路徑的主要機關經濟部,也適逢在該產業所處的南部重鎮,率先展出5大領域創新技術,其中與電動車、半導體等次世代產品相關的先進雷射加工技術、設備及雷射源更是關注焦點。


即使現今歐盟各國仍處於俄烏戰火下造成的能源危機,不得不被迫延續燃煤、天然氣等極具爭議性對策來確保供電穩定應變,卻仍然在去年底經過徹夜協商之後,宣告將自2023年10月起,正式針對進口鋼鐵與水泥等高污染產品課徵「碳邊境調整機制」(CBAM)關稅。不僅將改寫未來全球的國際貿易規則;也盼望藉此創造機制,支撐正致力於減碳任務的歐盟產業,鼓勵貿易夥伴致力於製造業減碳。


這對於迄今仍高度仰賴出口貿易帶動經濟,但包含產業自身及用電卻不斷直接、間接大量排碳,又苦無碳交易籌碼可「討價還價」的台灣製造業而言,無疑是雪上加霜。雖然這段時間國內外產官學研等機構早已不時提出預警,工研院也強調:「淨零碳排對產業的壓力不止是成本的問題,而是關乎未來能否生存的關鍵,宣示將協助相關產業優先落實淨零碳排。」


行政院環保署更為此決定,將針對現行《溫室氣體減量及管理法》修法並更名為《氣候變遷因應法》,優先將鋼鐵、光電半導體、水泥、造紙、玻璃、煉油、人纖、石化、基本化學、電力等10大產業,列入優先實現淨零碳排的列管對象,卻遲遲未能完成立法。


因此導致原先預定自2023年開始徵收碳費的構想落空。就連因應歐盟已經定調,將從10月開徵碳邊境稅的新衝擊,也陷入無法源可對於台灣產業先徵碳費並發給憑證的困境,導致業者於出口到歐盟市場時,恐陷入被額外課碳邊境稅的困境,勢將影響台灣輸歐產品的市場競爭力與相關企業的毛利率。


南分院立足排碳產業重鎮 規劃五大領域低碳轉型

其中南部地區位居台灣製造業重鎮,產值約占全台灣的1/3,包括鋼鐵、石化、紡織、電子等產業,尤其長期扮演支撐地方經濟的要角。面對2050年淨零排碳趨勢,經濟部也適於工研院台南六甲院區舉辦「南台灣創新應用展」,特別鎖定南台灣邁向低碳轉型的主要5大產業技術領域,包括低碳智造、化合物半導體、智慧感測、先進雷射、下世代網通,展示由科技專案補助工研院研發的30項低碳創新技術。



圖1 : 面對2050年淨零排碳趨勢,經濟部也適於工研院南分院展示邁向低碳轉型的5大產業技術領域。圖左起依序為工研院南分院執行長曹芳海、台灣創浦總經理鄭勇志、台南市政府副秘書長邱忠川、經濟部技術處長邱求慧、工研院協理胡竹生、機械公會理事長魏燦文、台勵福董事長林溪文、工研院感測系統中心執行長朱俊勳。(攝影:陳念舜)
圖1 : 面對2050年淨零排碳趨勢,經濟部也適於工研院南分院展示邁向低碳轉型的5大產業技術領域。圖左起依序為工研院南分院執行長曹芳海、台灣創浦總經理鄭勇志、台南市政府副秘書長邱忠川、經濟部技術處長邱求慧、工研院協理胡竹生、機械公會理事長魏燦文、台勵福董事長林溪文、工研院感測系統中心執行長朱俊勳。(攝影:陳念舜)

當天工研院IEK產科國際所副組長熊治民也在分析雷射應用趨勢時指出,估計2022年全球雷射應用產值可達167億美元,相較於2021年成長10.5%;預估到了2023年將再成長10.0%,突破200億美元規模,總計2022~2027年間CAGR共成長8.9%,


其中亞太地區扮演最大雷射應用市場,約占42%,其次依序為歐洲29%、北美22%。在應用技術領域占比,可依序分為:加工34%、光通訊32%及光電元件19%;又以醫美市場9.4%成長率最高、半導體成長率約9.2居次,後者包含晶片切割及生產製造、曝光技術、PCB切割和鑽孔等應用場域。


聚焦半導體先進製程 提升加工效率與品質

如今在精微加工市場的半導體製造已成為雷射重要應用產業,除了在極紫外光(EUV)設備上使用輸出脈衝峰值高達幾兆瓦的CO 2 雷射系統之外;在沉積、退火和封裝階段,也會應用雷射局部加熱的特性,提高區域選擇性和製程可控性。他認為:「未來雷射於半導體製造訴求,將主要來自次世代半導體元件製程對於3D IC封裝、異質整合等業者在局部熱處理與化合物半導體材料的需求。」


包括隨著高頻通訊產品及電動車等需求不斷增加,國際大廠均紛紛投入擴大化合物半導體產線以增加產能。雷射可在半導體從前段磊晶到後段封裝等多道製程中扮演重要角色,包括曝光、軟化改質、摻雜植入、晶柱/晶片切割、鑽孔、精雕、退火、檢測等,雷射的不可替代性商機也將更為顯著。


當用於硬脆材料碳化矽(SiC)晶錠切片時,雷射也展現應用優勢,解決傳統使用鑽石多線切割SiC晶錠的加工時間與技術門檻,都比加工矽錠高出許多的難題。如今改用雷射加工SiC晶錠之後,將可透過光束聚焦,造成界面材料差異化,即可施以外力將上層晶圓自晶錠分離,比起多線切割更具有減少耗材、提升產能、改善切面平坦度等優勢。


面對化合物半導體與高密度立體封裝的製程需要,皮秒、飛秒等級的超短脈衝雷射(Ultra-Short Pulse Laser)正在電子半導體產業的精微加工領域成為主角。繼2021年在工研院南分院引進亞洲唯一來自德國TRUMPF的高階脈衝雷射設備,正式啟用台灣首座針對半導體與電子產業的先進雷射應用服務中心,其中共有1部CO2雷射源加工機與4部超快雷射加工機,後者並分別導入世界最新型高階超快雷射源,囊括皮秒紫外光/綠光、飛秒綠光/紅外光4種亞洲獨有雷射源,足以在低溫下切割世界第三硬度等級的SiC材料。



圖2 : 現今國際大廠均紛紛投入擴大化合物半導體產線以增加產能,雷射可在半導體從前段磊晶到後段封裝等多道製程中扮演重要角色。(攝影:陳念舜)
圖2 : 現今國際大廠均紛紛投入擴大化合物半導體產線以增加產能,雷射可在半導體從前段磊晶到後段封裝等多道製程中扮演重要角色。(攝影:陳念舜)

突顯電動車加工優勢 符合節能減碳要求

另有因為電動車市場快速成長,目前光纖雷射源將跟隨高功率(>1kW)切割+銲接材料加工市場成長而逐年增加,為雷射加工帶來新商機。其中隨著雷射銲接技術躍升,將可解決過去紅外線(IR)光波段不易處理的銅、鋁等高反射金屬材料製造問題,滿足電動車電池單元的薄箔層、輕量化車體/車底、和電動馬達電磁線圈、電子電路組件銅材等零組件銲接加工需求。


當使用波長為400nm~500 nm之間的藍光雷射加工時,將利用較優異的傳導銲接模式,減少產生飛濺和缺陷、避免產生多餘金屬間化合物;且優於現今常用的近紅外線(IR)波長,可大幅提升銲接金、銀、銅、鋁等金屬的熱吸收效果。


同時透過金屬雷射3D列印(積層製造)應用,促進半導體實現綠色製造。熊治民指出,由於半導體製造設備與零組件的精密加工過程繁鎖,使用3D列印將可減少材料浪費,還能快實現零組件優化,爭取縮短上市時間並降低成本,特別適合用於製造高彎曲度、內部結構複雜的零件。


例如藉合併製程,協助減少製造冷卻系統所需1/8零件、75%生產時間;優化晶圓載台熱管理機制,約減少83%載台溫差、提升5倍晶圓製造穩定性;以及優化流體歧管設計,減少90%流體之間彼此干擾程度,改進實現1~2nm精度目標;製造孔徑0.6mm的氣體噴灑頭(showerhead),得以減省75%生產時間和1/4材料。



圖3 : 由於半導體製造設備與零組件的精密加工過程繁鎖,藉合併製程,將可減少晶圓載台83%溫差、流體之間90%彼此干擾,達到1~2nm精度目標。(攝影:陳念舜)
圖3 : 由於半導體製造設備與零組件的精密加工過程繁鎖,藉合併製程,將可減少晶圓載台83%溫差、流體之間90%彼此干擾,達到1~2nm精度目標。(攝影:陳念舜)

導入智能雷射加工系統 涵括加工製程與生產流程優化

值得一提的是,由於雷射源的可控性,使之容易與自動化模組或設備連結,再透過系統整合導入智慧化,而成為智慧製造的一環;且從雷射加工的角度來出發,也亟須精確、優質雷射光束並維持輸出品質的一致性,若能在每套雷射加工設備生產前,即可針對雷射的品質與特性量測,避免隨著距離與鏡組傳導而有擴散的現象,造成聚焦光斑大小與聚焦點的能量分佈變異。


該場域同時導入大銀微系統自製高速精密平台、工研院研發的專用光路模組與製程控制技術,適用於各項半導體3D IC先進封裝與化合物半導體製程,也是這一波半導體先進製程國際賽中不可或缺的光製造技術。未來不僅在時程上可以大幅縮短越洋送件打樣的時間,節省每年上億元的打樣驗證的成本,進一步協助台灣機械業發揮進口替代效益,切入全球半導體與電子設備產業鏈。


依工研院分析目前系統設備廠商的發展走向,可將雷射加工智能化的需求重點概分為兩類:其一是雷射加工製程中的資料檢知、回饋比對並加以修正、優化;另外是針對生產工序優化、流程掌控配置,到全廠系統可視化、智慧化。


前者以具備雷射源及光學量測等核心技術的TRUMPF、IPG等大廠為主,利用高解析影像變化、溫度輻射變化等參數,以即時記錄並監控製程,與設計參數和模型比對,再視必要性決定反饋與否,修正製程參數;進而搭配豐沛技術資料庫,才能真正掌握關鍵參數,確保每個製程時間點的製造品質變化趨勢,能符合航太、汽車零組件等要求各部位工件的加工品質穩定性與可靠度。


後者係指應用雷射加工設備及系統廠商為主,所開發的智慧軟體系統涵括從接單、設計構型到雷射加工、沖壓、折彎等工具機設備的數控編程設計、模擬優化;進一步銜接到生產端,追蹤生產流程和品質狀態,可調整上下游工序及優化生產參數條件,確保生產品質及工作流的穩定可靠。未來甚至還能整合到其他製程加工系統,導入AI優化製程工序,整合客戶訂單的資訊流與生產端的物料流,透過IoT、雲端技術,實現即時可視化、品質效率最佳化。


工研院也在該中心成立後,開發智能化系統與機聯網技術,同步建置數位雷射參數即時監測技術,以及VMX為核心的雷射精敏協同系統,藉以提高產品可靠度及品質、建立智慧工廠優化生產,獲得最佳效益。當業者使用的資訊模型(Information Model)與VMX標準一致時,還能將雷射加工機上的App或開放API的微服務程式,用於其他類似的設備上,降低軟體的開發門檻。


結語

隨著近年來雷射加工在半導體、顯示器、金屬製品、汽車等產業零組件製造,具有局部加工、快速、平整等優勢,市場需求持續提升,依工研院IEK估計2022年台灣雷射加工設備產業產值可達新台幣117億元,較2021年約增加5.4%。



圖4 : 依工研院IEK估計2022年台灣雷射加工設備產業產值可達新台幣117億元,較2021年約增加5.4%。(source:工研院IEK)
圖4 : 依工研院IEK估計2022年台灣雷射加工設備產業產值可達新台幣117億元,較2021年約增加5.4%。(source:工研院IEK)

然而,即使台灣身為全球半導體製造重鎮,近年來也衍生眾多雷射設備應用機會。但目前台廠在雷射加工領域仍以大功率加工設備為主,即使已有業者開始投入開發半導體與面板產業用的雷射設備,但技術能量與國際領導大廠仍有落差。


依熊治民分析現今台廠在金屬雷射加工產業發展的痛點,包括:在雷射加工設備中成本、技術門檻最高的雷射源幾乎都仰賴進口,導致台廠自主開發雷射源的廠商規模小,單價也未必低於國外品牌,且脈衝雷射的穩定可靠度仍待努力。


建議未來發展重點,應聚焦在擴大高功率雷射和脈衝雷射源自主,並透過應用端的回饋和驗證,加速雷射加工技術產業化。包括鼓勵台灣設備製造廠商採用台製雷射源,以有效帶動產量規模;尋求如德國、美國、日本、立陶宛等國際合作,強化研發能量。


尤其看好5G、功率半導體等高階雷射源及雷射加工設備等龐大內需市場湧現,以及對於電動車、儲能裝置等下游出海口的高能雷射銲接需求增加,將為與之相關的藍光雷射源、難銲金屬材料加工帶來商機,亟待建立次世代雷射加工技術;同時整合智能化系統,打造安全、高效、節能低碳的雷射加工設備。


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