技術專輯主編前言|雷射與積層製造技術專輯主編前言

作者:

洪基彬

刊登日期:2022/01/27

隨著台灣疫苗覆蓋率逐漸上升,在亞洲地區疫情相對穩定,從十月起國內展場開始活耀,2021年12月15-18日在台北南港展覽館一、二館結合「台北國際自動化工業大展」、「台灣機器人與智慧自動化展」、「台北國際物流暨物聯網展」、「台北國際冷鏈科技展」、「台北國際模具暨智慧成型設備展」、「台灣3D列印暨積層製造設備展」、「台灣國際雷射展」等七大工業展,匯集一千多家參展商、超過四千個攤位,展出從製造端到應用端所需之軟硬體設備與整合系統,緊接著12月21-23日台北國際光電週登場;其中,3D列印展參展商如揚明光學、馬路、實威、元力智庫、三帝瑪、天馬科技、通業技研、三緯、新光合纖、溢井等,提供研究及開發不可或缺的精密積層製造與掃描機台,同時滿足自造者的設備及耗材需求;而2021台灣國際雷射展除近200攤位現場展出,也同時舉辦雷射創新產品暨應用競賽、線上雷射產業與應用論壇、雷射技術與創新產品線上發表等,由雷射創新產品暨應用競賽前三名獲獎名單諸如磁浮雷射鈑金切割機、976奈米波長穩定高功率光纖耦合半導體雷射模組、雞蛋線上飛行自動雷射雕刻機,略可看出創新性及商業價值,也反映台灣雷射產業界的能量愈來愈具國際競爭力。

據光電科技工業協進會(PIDA)產研中心報導台灣化合物半導體產業2021年前三季總產值達新台幣551億元年成長率高達22.3%,隨著智慧電動車、5G通訊、綠能產業等應用需求增加,帶動化合物半導體市場蓬勃發展;從2020年底開始,台灣的化合物半導體廠商就陸續有相關產品推出,讓台灣化合物半導體的產值快速成長,展望2021年第四季及2022年景氣,由於高頻通訊產品及電動車等需求增加,國際上主要大廠均擴大投資化合物半導體產線以增加產能,化合物半導體市場仍蓬勃發展。半導體製程從前段磊晶到後段封裝,雷射於多道製程中扮演重要角色,諸如曝光、軟化改質、摻雜植入、晶柱/晶片切割、鑽孔、精雕、退火、檢測等等,因此,隨著化合物半導體應用需求日益增加,雷射的不可替代性及商機也將更加顯著。

半導體製程屬於精微加工,涉及微奈米加工精度,使得雷射設備造價不低,針對半導體新應用往往製程需不斷測試及調整,若建置的設備未能導入量產,常會造成設備供應商血本無歸,台灣設備商多屬中小企業,因資源有限,對半導體產業應用設備的高值、高風險,既愛又怕;為降低設備業者風險,提供終端製造業者即時性,維護製程配方機密性,經由經濟部長王美花牽線德國創浦(Trumpf)及台灣機械工業同業公會協助下,2021年11月17日在工研院臺南六甲院區啟用全臺首座「台灣半導體與電子產業先進雷射應用服務中心」,展示經濟部技術處科專計畫中,與世界雷射源領導品牌德國創浦(Trumpf)公司聯手打造的國內最先進半導體電子產業用雷射設備;由於半導體先進製程持續邁向7奈米、5奈米發展,雷射切割技術具有非接觸式加工優勢,可避免材料表面與邊緣損傷,漸漸取代傳統的鑽石刀切割,惟因台灣高階雷射源發展尚未成熟,半導體雷射設備關鍵製程常須遠赴海外進行測試,單趟往返至少耗時2個月以上,讓台灣半導體雷射設備廠商失去在地的優勢。先進雷射應用服務中心提供快速測試驗證服務,客製化協助業者找到符合需求的雷射設備,將過往送件到海外測試打樣的時間,從2個月以上縮短至3周內。工研院雷射中心結合德國創浦高階雷射源與大銀微公司精密平台,以雷射製程與光路技術進行系統整合,協助國內雷射設備的系統整合需求及產業人才最先進製程技術教育訓練,讓傳統機械產業以最少成本使用高階雷射設備,加速導入雷射應用、升級轉型,使台灣雷射產業能從南部開始,逐步突破目前高階雷射模組和設備仰賴進口的現況。

先進雷射應用服務中心目前共有五部超快雷射並搭配非破壞檢測儀,提供測試、驗證服務,其中有四部全亞洲獨有的最新型雷射源,包括皮秒紫外光雷射源、皮秒綠光雷射源、飛秒綠光雷射源、飛秒紅外光雷射源,搭配台灣國產高速精密平台,加上工研院研發的專用光路模組及製程控制技術,適用矽基板、玻璃基板、碳化矽基板、PFO載板等半導體3D IC先進封裝與化合物半導體製程,提供臺廠高品質、高效率生產設備,是「半導體奈米製程競賽」中不可或缺光製造技術;整個場域為恆溫恆濕潔淨空間,擁有不同波長、脈衝頻率、功率的高階超快雷射設備;服務中心採會員制,設有獨立窗口保密接單,提供會員光路、製程設計客製化服務,工作定位平台達次微米精度,加工後成品可現地即時檢測,除鏈結製造端設備商、終端使用者如台積電及日月光等半導體業,也可供學研機構研發驗證使用,歡迎國內半導體電子產業與機械設備先進共創新藍海。

本期共有九篇文章,包含「國際雷射產業發展與台灣雷射亮點」分析目前國外雷射產業發展趨勢,並從2021年的台灣國際雷射展看國內雷射源及國際大廠的發展與應用,呈現明瞭雷射產業發展趨勢;在雷射微細加工方面「雷射輔助碳化矽晶圓快速拋光技術」說明雷射輔助碳化矽晶圓快速拋光技術,以超快雷射誘發多光子分子鍵解離效應,碳化矽改質軟化後鍵結被破壞,分解成矽(Si)、碳(C)與非晶態碳化矽(Amorphous SiC),改質軟化後碳化矽晶圓表面呈現柱狀週期性微結構,拋光過程的機械應力可輕易將此拋除;在雷射粗加工製程則有「藍光雷射在加工應用上之優勢」將從雷射金屬銲接的原理說明藍光雷射如何在有色金屬(金、銀、銅、鋁)加工上具備優勢,例如銅金屬,藍光雷射相比近紅外波長最高可達65%以上的吸收效果,並介紹藍光在產業應用成效與未來發展趨勢;「高功率雷射擺動式加工技術發展趨勢」雷射擺動式銲接技術擁有高光強度、低熱變形、高銲道偏差容忍度等特性,文中將針對雷射擺動式銲接技術、技術發展趨勢、產業應用進行介紹;「雷射加工智能化發展與應用趨勢」介紹將雷射加工、智能化系統與機聯網技術結合,以提高可靠度及產品品質,因應智慧製造需求,走向智能化趨勢;「雷射輔助熱塑碳纖複合材料鋪帶成型技術」以雷射作為加熱源,結合能量均質鈍化光束系統,開發出熱塑碳纖複合材料自動鋪放成型設備,藉雷射彈性光熱成型技術應用於碳纖複材之貼合,加熱碳纖帶使其軟化,然後加壓進行貼合成型,可提供彈性且快速生產方式,是具有高度靈活性的自動化生產製程。

在積層製造方面有三篇文章分享,包含「機器學習輔助設計雷射積層參數製造超硬合金」利用機器學習演算法種類中的隨機森林模型,輔助設計雷射積層參數,所建立之模型可以提供準確的預測能力及通用性,揭示機器學習為可被利用於優化3D列印參數成為實用的工具;「積層製造於電動車熱管理之應用」利用積層製造技術可製作複雜幾何結構和具內流道的設計特色,來增加散熱元件的接觸面積以及改變流場的特徵,達到提升熱傳效果,應用於熱管理元件,提供電動車熱管理系統在設計上的創新思維;「自動化生物組織3D列印技術」則研發自動化生物組織3D列印設備應用於全皮層皮膚組織,提供精準的材料與細胞布置能力及列印環境控制,可保持細胞之活性及克服各列印階段所存在的培養與分化問題,成功建構出自動化3D列印之皮膚組織,目前完成產品功能驗證及動物實驗。

從國內2021年12月的南港幾場展覽,可明顯看出雷射與積層製造,在加工、製造、創新、創意、應用等面向被積極運用,展望未來無論5G、AIoT、自駕車、電動車、元宇宙等,雷射與積層製造技術仍將持續扮演重要角色,甚至是非他不可的製程技術,因此很值得一起積極投入此技術領域,本期文章正可帶大家進入知識之旅。

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