藍光銅製程的產業新發展趨勢

藍光雷射應用市場與技術

1. 市場規模與成長

新能源電動車、先進封裝、高功率電子或 5G 通訊等產業，都避不開高功率、小體積的發展走向，高導熱金屬應用需求日增，銅成為相關技術發展的關鍵材料，材料加工技術也同為產業的突破點。根據 Grand View Research 的「Artificial Intelligence Market Size, Share & Trends Analysis Report」，截至 2024 年，全球人工智慧（AI）市場規模估值約為 2,792 億美元，預計將以約 35.9％ 的 CAGR 擴增，至 2030 年達到約 1.81 兆美元。Precedence Research 的 「Electric Car Market Growth and Innovation Driving the Future of Transportation」全球電動車市場自 2024 年約 1,551 億美元起步，預估至 2034 年將增至約 5,321 億美元，CAGR 約為 13.12％。面臨銅材市場速度增加，對應的加工技術及產能提升成為產業後續發展的關鍵，傳統加工漸漸無法滿足快速擴張的市場需求，特殊的金屬加工技術如雷射加工、電化學、放電加工等成為新技術發展方向，在雷射加工中，藍光雷射對銅的高吸收率是一大優勢，也成為市場發展中備受期待的技術。

2. 藍光雷射特色與近況

藍光雷射技術係指波長 ~450 nm 左右的藍光雷射，屬於一種半導體雷射，對於高反射的金屬材料（例如：銅、鋁、銀）有良好的吸收率表現，能提升加工雷射能源的有效利用率。以銅為例，銅在近紅外線波段的吸收率低，吸收率僅約略 5％，容易有強烈反射現象。導致過程中熱輸入不均，不僅易導致飛濺、孔洞與焊縫品質不穩定，也增加雷射光學元件受損風險。藍光雷射的光束空間同調性特性，讓熱輸入範圍可控，臨界熔點的能量即可達到熔融溫度，減少熱變形；藍光波長特性，對銅材吸收率高達 60％ 以上，無需預熱且熔池穩定，可減少氣孔與飛濺，且大幅降低初始反射的光學損耗與反射損傷風險，解決銅材加工時面臨的技術難題。

目前開發藍光雷射的各大廠商針對高反射金屬加工提出不同技術架構設計，以應對光束品質、功率密度、散熱與加工一致性等挑戰，其中以 Laserline 與 Nuburu 為主要領先技術廠商。Laserline 採 GaN diode stack 模組並透過光纖傳輸，搭載 400 μm 或 600 μm 纖芯尺寸之光纖輸出，光束參數乘積 ≦ 60 mm-mrad［2］，連續波模式可達 1–6 kW 輸出功率，具備高穩定性與空間靈活性。該系列並具備可擴展模組結構，可整合雷射模組與冷卻模組使用。Nuburu 強調獨特的結構化光束整形技術，搭載 100 μm 或 200 μm 纖芯尺寸之光纖輸出，光束參數乘積 BPP（Beam Parameter Product）≦ 15 mm-mrad［1］，具有優異光能量密度優勢。該系列可達 1 kW，採直接半導體輸出，具備高光學轉換效率優勢。

隨著 AI、智慧化技術的迅速發展，銅材的應用及加工技術需求大增，藍光雷射在銅材加工上所展現的優勢，配合千瓦級的藍光雷射已穩定成為主流技術，藍光雷射應用有極大的潛力發展，藍光雷射未來也可能成為下一個很好的應用市場突破。

產業應用新趨勢

目前產業發展在導熱、導電的特性上，都面臨如何穩定快速大量的進行電與熱的傳遞，銅做為電與熱的優良導體，自然成為在應用上的關鍵材料。銅製程技術涵蓋傳統的鑄造、鍛造、沖壓、壓鑄等成形技術，還有 CNC、放電、雷射、積層製造等非傳統加工技術，隨著整體產業對於散熱效果的需求大幅增加，產品設計更加複雜，傳統加工方式面臨挑戰，雷射加工技術在焊接以及積層製造技術上可解決部分的困境，尤其藍光雷射因波長接近銅的最佳吸收波段，能顯著提升熔池穩定性與焊接品質，在導電性要求高的應用倍受矚目，尤其在重電、熱管理、電動車以及電子等產業，目前都急需要更好的製程技術協助突破效率或者製造技術的瓶頸。藍光雷射對於銅材的高吸收率，可以提升熔池穩定性，有助於銅材加工技術發展，後續將針對幾種藍光雷射可能發展的產業進行應用介紹：

1. 重電產業

重電產業中，氣體絕緣開關設備（GIS, Gas Insulated Switchgear）用於穩定電力，在危險情況下斷開，保障下游配電系統的安全。GIS 母線負責將不同電氣設備（如斷路器、隔離開關、變壓器等）高效連接，並傳輸電能。隨著電網負載需求上升，母線傳輸電流與熱負荷同步增加，封裝母線的金屬殼體需要更高的導熱與機械穩定性。因此厚度 5~15 mm 的銅殼體成為該產業採用之方案。

2. 電動車產業

定子在電動車產業中扮演極為重要的角色，主要是將電能轉換成機械運動的驅動力，而銅扁線定子（Hairpin）是一種新型的導體設計，由先完成的髮夾型銅線設計組成，髮夾繞組使定子的整體尺寸相比傳統方式減少約 15％-20％，並將最大效率區域擴大約 30％。然而，Hairpin 的製造成本較高，因此適用於對空間和效率有關鍵考量的應用場景。

銅扁線定子應用於新能源車內部的定子繞組，為驅動電機內部關鍵單元。繞組採用外側加絕緣塗層的漆包線，首尾相連組成，單一銅扁線的尺寸落在 2×1 ~ 4×2 mm²。銅扁線定子焊接前會先將端部去漆，成對的銅扁線對位後，以掃描振鏡在主行進方向上，以疊加圓或橢圓軌跡，逐步擴大熔池，形成交界縫處攪拌熔融，提升跨縫能力並抑制孔洞與噴濺［3］。掃描軌跡策略採取搭接幾何結構與多圈橢圓路徑逐層填充，可在較低峰值功率下，達到所需熔深與截面積［4］。此外，加入惰性氣體（例如氬氣），有助降低氧化與噴濺以及提升表面品質。

銅扁線定子雷射焊接製程，近紅外光雷射與藍光雷射為兩大主軸技術。近紅外雷射的銅材吸收率低，因此新技術導入新型光束形狀，具備內外雙環光斑，外環光能量密度較低，包圍內核，提供預熱與穩定熔池，內環光能量密度高，用於形成焊接熔深，建立鎖孔焊接模式，改善初始吸收率低，焊接的初階段能量高反射，熔深不足與熔池不穩定問題。藍光雷射則具備銅材吸收率高達 60％ 以上優勢，能有效降低能量反射與浪費，減少熱影響區，焊接過程中熔池穩定、飛濺極少，能精確控制加熱範圍，相當適合銅扁線定子的端部高精度連接，輔以視覺系統，可提升定子繞組製造效率與品質，實現自動化大批量生產。

3. 電子產業

直接銅接合板（DBC, Direct Bonded Copper）係指銅箔直接燒結到 Al₂O₃ 或 AlN 陶瓷表面，製成的一種複合基板，其銅層厚度為 0.3mm~0.8mm，常見陶瓷材料為氧化鋁（Al₂O₃）或氮化鋁（AlN）。在電動車與高功率模組應用領域，被廣泛應用於絕緣閘雙極電晶體（IGBT）、金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）模組等高熱流密度元件中，特別是在功率半導體封裝產業。元件的引腳、端子或接觸針材質多以鍍銀銅針為主，傳統焊接採回流焊或熱壓焊方式，雖具成本低與設備成熟等優點，但在微小焊接區域的精度控制、熱影響區抑制、材料氧化問題上存在限制。

藍光雷射具備銅材高吸收率與熱輸入區域集中特色，焊接則能提供極小熱輸入區域（<300 μm）、非接觸、快速加熱與熔合銅引腳與 DBC 銅層，適合應用於焊接深度約 100~400 μm，焊點直徑約 150~500 μm 的引腳銅焊接製程。

DOI:10.30256/JIM.202602_(515).0011