雷射加工智能化發展與應用趨勢

作者:

李炫璋、林依穎、林敬智

刊登日期:2022/01/27

摘要:雷射之應用領域廣泛且多樣,近來因為雷射源技術的突飛猛進,隨著不同應用產業之開發,雷射產業逐年成長。雷射應用於材料加工(Material Processing)已經超越光通訊與光儲存成為全球雷射最大的應用領域,再加上雷射源的可控性,使得雷射可以很容易與自動化模組或設備連結。透過系統整合並導入智慧化,成為智慧製造的重要一環。因應智慧製造需求,雷射加工走向智能化趨勢。雷射大廠相繼開發智能化技術,雷射中心亦建立先進雷射應用服務中心,開發智能化系統與機聯網技術以提高可靠度及產品品質;建立智慧工廠,優化生產,獲得最佳效益。
Abstract:The application field of laser is wide and varied. Recently, due to the rapid advancement of laser source technology, the laser industry has grown year by year with the development of different application industries. The application of lasers to material processing has surpassed optical communication and optical storage to become the world's largest application field of lasers. Coupled with the controllability of the laser source, laser can be easily connected to automation modules or equipment. Through system integration and introduction of intelligence, laser has become an important part of smart manufacturing. In response to the demand for smart manufacturing, laser processing is moving towards smarter trends. Large laser factories have successively developed intelligent technologies, and ITRI LAMC has also established its Advanced Laser Processing Service Center (ALASC) and developed intelligent systems and machine networking to improve reliability and product quality; establish intelligent factories to optimize production and obtain the best benefits.

關鍵詞:智慧化雷射平台、VMX平台、雷射加工
Keywords:Intelligent laser platform, Virtual multiple extend platform, Laser processing

前言
雷射加工品質之監測與智能化,從雷射加工觀點來出發,需精確、優質雷射光束並維持輸出品質的一致性。由於雷射光束隨著距離與鏡組的傳導而有擴散的現象,進而造成聚焦光斑大小與聚焦點的能量分布之變異,因此每一套雷射設備在加工生產前,若都能針對雷射的光束品質與特性進行量測,就能提高雷射設備的加工品質與一致性。傳統上雷射設備常架設雷射專用之功率計(Power Meter)以掌握雷射輸出功率,然而雷射的精確度取決於雷射光束發散角、光束模態、束腰半徑等參數,因此如何強化雷射光束品質量測系統對於雷射顯得更為重要[1]。
國際雷射打樣中心加速雷射設備開發
全台首座「台灣半導體與電子產業先進雷射應用服務中心(以下簡稱應用服務中心)」於2021.11.17在工研院台南六甲院區正式啟用。本服務中心引進來自德國創浦(Trumpf)的四台亞洲僅有高階脈衝雷射,成立除德國以外之全世界最高階應用服務中心,可加速國內半導體設備之開發速度。本中心所導入之雷射源非屬一般之雷射源,而是目前全世界最高階之超快雷射,足以在低溫下切割世界第三硬之SiC(碳化矽)材料,使得雷射設備應用在半導體領域成為不可或缺的技術要角。先進雷射應用服務中心提供國際級快速測試驗證服務,結合了工研院雷射製程與光路技術系統、德國創浦高階雷射源與大銀微公司精密平台,引導相關公協會(TAMI/TEEIA/TMBA)會員通路及終端應用者帶進需求,透過此雷射精微製程服務研發平台,提供半導體與電子產業高階雷射設備,協助進行製程測試驗證、提供國內雷射設備系統整合及產業人才最先進製程技術教育訓練,快速滿足半導體與電子產業產品開發需求,促成廠商打進全球半導體與電子設備產業供應鏈。加速國內廠商導入高階雷射應用、升級轉型,並使台灣雷射產業逐步突破目前高階雷射模組和設備仰賴進口的現況。
本服務中心已完成4座搭載德國Trumpf雷射源(2台皮秒與2台飛秒)之半導體製程試作應用平台,平面配置示意如圖 1所示,並同步建置數位雷射參數即時監測技術與雷射精敏協同VMX(Virtual Multiple Extend)[2]系統於場域內。結合設備業者與應用需求,分別針對ABF(Ajinomoto Build-up Film)載板雷射鑽孔與矽載板雷射切割兩個半導體高階封裝製程單站,協助進行量產前之測試評估與驗證。

圖1 場域平面配置示意圖


雷射製程區四台Trumpf雷射源(Pico UV/Pico Green/Femto IR/Femto Green)規格與實體建置,如圖2及圖3所示。兩套製程驗證用光路模組,如圖4所示。高精度平台已完成雷射同步觸發電控整合、人機操作介面軟體撰寫等系統整合如圖5所示。

 

圖2 Trumpf雷射源規格

 

圖3 四座皮/飛秒雷射設備建置(Pico Green、Pico UV、Femto Green、Femto IR)

 

                   

                                                (a)                                                       (b)
                                 圖4 (a)開槽切割光路製程模組(b)鑽孔用掃描光路製程模組

圖5 雷射源與平台系統整合


以VMX建立雷射加工機聯網技術
本服務中心亦同步建置數位雷射參數即時監測技術與雷射精敏協同VMX系統於場域內。VMX是工研院智慧機械中心針對智慧機械系統整合所研發製作的軟體平台,VMX的開發目的即是為了創造具拓展功能的多功能虛擬平台。本場域以VMX為基礎,建立雷射精敏協同VMX系統。

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