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產業技術評析

雷射加工產業未來發展趨勢
發表日期:2020-12-16
作者:邱琬雯(工研院)
摘要:
雷射除了可以用在微影,也非常適合加工半導體晶片,不論是切割、打標、鑽孔、量測、退火、取下製程都需要雷射來完成,而這幾項半導體製程,運用雷射加工都具有相對的優勢。未來將隨著高功率、超短脈衝等雷射特性趨勢,以及雷射價格逐年下滑而普及,還會有許多的應用將不斷的被挖掘出來。

全文:
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。
 
根據Strategies Unlimited報告指出,2019年全球雷射產值達149.8億美元,相較於2018年成長1.3%。對於雷射產業來說,2019年是艱難的一年。與全球經濟中的其他產業製造商一樣,雷射製造商也面臨著艱難的經濟和政治潮流,並感受到了貿易壁壘和關稅的影響。美中貿易戰也多少影響雷射強國德國出貨給中國大陸的狀況,再加上美國本身也降低或禁止出售特殊雷射源與關鍵零組件到中國大陸,因此影響了2019年的成長率。如果COVID-19對於產業的衝擊快速復原的話,2020年的產值將成長約9.4%,達163.9億美元。預估2020年至2025年為持續成長之趨勢, 2019~2025年之複合成長率為9.6%。詳如圖1所示。

 

圖1  2020~2025年全球雷射產值預估

資料來源:Strategies Unlimited (2020/04)

圖1  2020~2025年全球雷射產值預估

 

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。
 
有兩個因素造成雷射加工產值下滑,分別為對進出美國的產品徵收各種關稅,以及中國大陸雷射源公司的競爭日趨激烈。來自中國大陸雷射公司的競爭已經有一段時間了,但是最近的競爭更加激烈,中國大陸的光纖雷射的功率也在不斷成長,並且有許多公司已經不是吳下阿蒙了,例如:武漢銳科光纖激光 ( Wuhan Raycus Fiber Laser )、深圳創鑫激光 ( Shenzhen Maxphotonics ),而銳科光纖激光在2018年深圳證券交易所上市,並且2019年營收已經達20億人民幣,在市場上有一定知名度。
 
在早期,大多數中國光纖雷射僅限於打標功率等級,大約在100W左右,但在過去幾年中,出現了10kW範圍內光纖雷射,這代表了很大一部分千瓦雷射加工業務。來自中國的高功率光纖雷射的廣泛普及降低了雷射的價格,一年中某些地區的平均銷售價格下降了25%。

 

圖2  2019年雷射應用市場分析

資料來源:Strategies Unlimited (2020/04)
圖2  2019年雷射應用市場分析

 

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。

 

圖3 雷射加工未來發展趨勢

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2020/12)

圖3 雷射加工未來發展趨勢

 

● 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。
 
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8KW,甚至有廠商已經展出10KW,而光纖雷射領導廠商IPG Photonics則推出從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。在焊接部分,IPG Photonics則發展120KW的雷射,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,因此持續往更高功率發展是雷射未來趨勢。
 
從整個高功率雷射產業的發展趨勢來看,光纖雷射融合了光纖的波導特性和半導體的積體特性,具有光束品質好、效率高、散熱性好、結構緊湊、彈性操作等突出優點,代表了高功率、高亮度雷射的發展方向。
另一個高功率雷射的發展趨勢是使用直接雷射二極體(Direct Diode Laser ; DDL)。單個雷射二極體的輸出功率從毫瓦到數瓦不等,可以透過將單個雷射組合成條狀雷射二極體和數堆條狀雷射二極體來增加功率;一個標準條狀雷射二極體的寬度為 1 公分。技術進步使 DDL 能夠在多模系統中產生超過 20 千瓦的輸出功率,而且成本低於同樣功率的光纖雷射約25%。
 

● 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。
 
超快雷射在產業的應用比較傾向於精密加工,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,所以也有業者稱為冷加工。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,工業物聯網與電動車需要大量的電子元件(包含被動元件、感測器、積體電路、功率元件等),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將指日可待。
 

● 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。
 
雷射除了可以用在微影,也非常適合加工半導體晶片,不論是切割、打標、鑽孔、量測、退火、取下製程都需要雷射來完成,而這幾項半導體製程,運用雷射加工都具有相對的優勢。未來將隨著高功率、超短脈衝等雷射特性趨勢,以及雷射價格逐年下滑而普及,還會有許多的應用將不斷的被挖掘出來。

 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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