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雷射加工產業未來發展趨勢 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2020-12-16 09:00
一、雷射產業長期看好

雷射問世至今已經有60年,其應用廣泛遍及各產業,有一些應用因為技術進步而逐漸衰退,例如:光儲存產業。而大多數的應用卻歷久彌新,例如:通訊、醫美、國防軍事、儀器等等,甚至有一些新的應用也隨著技術進步而被發掘,像是用於自駕車的光達(LiDAR ; Light Detection And Ranging )、積層製造(Additive Manufacturing ; AM )、半導體製程微影(Lithography)設備等。尤其是在加工方面的應用,雷射技術具備獨特的特性,可同時用於加法與減法製造,並且是非接觸式的加工,因此在製造業占有非常重要的地位。而整個雷射加工產業,目前正朝向高功率、超短脈衝、智慧化的方向前進。

二、雷射加工應用占比最高

2019年雷射加工(包含微影)仍然是比重最大的應用市場,占整體的42.5%,產值達63.7億美元,相較於2018年下滑8.4%。第二大的應用是通訊與儲存,占整體產值22.6%,產值達33.9億美元,相較於2018年下滑4.3%。除了這兩項應用下滑之外,其餘的應用,醫美、科研軍事、感測儀器、娛樂/顯示/印刷皆呈現成長。2019年雷射各應用市場之產值分析,見圖2所示。

三、高功率、超短脈衝、低價格為雷射加工未來發展趨勢

根據專業雷射雜誌Photonics Spectra在2017年10月刊指出,超短脈衝與高峰值功率為固態雷射未來發展趨勢,並且適合電路板焊接與切割金屬薄板。雷射功率愈高,加工速度越快。以二極體當激發光源,可以大幅降低超短脈衝雷射成本。在粗加工(Macro processing)的部份,雷射源功率愈高,加工效率愈高。在細加工(Micro processing)的部份,脈衝愈短,對於工件的熱影響區(heat zone)愈小,加工的精度越高。整理全球雷射產業發展趨勢,得到結論為雷射加工的未來發展趨勢,將朝向更高的功率、更短的脈衝、低價格等方向發展。

● 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,尤其在重加工(Macro Processing)的領域中,像是焊接、切割、溶覆等等,而雷射功率與加工效率也有高度相關性。因此,提升一倍的功率,將近可以提升一倍的效率,加工時間降低50%,但成本可能只增加30%,這對於生產線來說很有吸引力。

● 超短脈衝(Ultra Short Pulse ; ULP)雷射

超短脈衝(USP)雷射的一大特點是脈衝寬度非常短,是非常短暫的雷射光。但究竟多短才稱為“超短”,在雷射科技領域,一般把時間寬度在百皮秒(picosecond ; ps )即10-10s(1 ps=10-12s)至幾飛秒 ( femtosecond ; fs )(1 fs=10-15s)之間的脈衝雷射稱為超短脈衝雷射。超短脈衝雷射則是通常所說的皮秒雷射和飛秒雷射的統稱。由於超短脈衝雷射被廣泛用於探測科學與工程技術領域中的超快動態過程,如原子中電子態激發、材料與電子器件(乃至高速電子檢測儀器)的動態回應及各種爆炸衝擊波的瞬態記錄等,因此超短脈衝雷射也常稱為超快雷射。

● 價格下滑

其實任何產品隨著技術的進步或者產品達到一定經濟規模(Economics of Scale)時,成本自然大幅下降,而雷射這個產業亦是如此。不論是高功率或是超短脈衝雷射,在技術進步與市場逐漸普及下,在這幾十年來成本大幅下降。

四、結論與建議

2020年臺灣半導體產業產值達新臺幣3兆以上之規模,居全球先進製程領先之地位。但在四年前,許多業內人士懷疑10nm以下,甚至到5nm、3nm這麼先進的製程是否有可能達成?但四年後,5nm晶片已經完成且成功的整合在行動裝置。很大程度要歸因於一家荷蘭半導體設備公司艾斯摩爾(ASML)的獨創性,它開創了一種透過極紫外光(EUV ; Extreme Ultra Violet)微影的工藝,將電路圖案雕刻到矽晶圓的方法。而這項關鍵設備的關鍵模組,就是雷射。也就是說雷射源是關鍵中的關鍵,有雷射才有極紫外光微影設備,有極紫外光微影設備才能做出5nm以下的晶片,新的手機才有更先進的功能與更低的功耗。
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更新日期:2020-04-28

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