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【專家觀點】雷射加工搶進電動車新製程需求

工研院雷射與積層製造科技中心執行長曹芳海。工研院

談到雷射,許多人的印象可能還停留在科幻電影、漫畫情節裡的絢爛光束,這確實反映了世人在雷射發明之初時寄予的期待。雷射科技歷經超過半世紀發展,其實已與現代人生活密不可分,譬如較為人熟知的有醫療美容、通信與光儲存及娛樂與顯示,再加上汽車與半導體精密加工、科研軍事等,這項兩度獲得諾貝爾獎的科技已衍生出每年上百億美元的產值。疫情後2021年許多產業已顯現爆發性成長跡象,台灣防疫成功,正是國產雷射搶進全球市場的極佳時機。

根據Strategies Unlimited統計顯示,2019年全球雷射產值達149.8億美元,其中雷射加工是比重最大的應用市場,產值達63.7億美元,佔整體的42.5%。2020年在COVID-19(新冠肺炎)疫情下,全球雷射產值仍維持2.42%的溫和成長,預期至2025年產值上看258.6億美元。

半導體與電子產業、電動車產業對雷射製造技術需求不斷提高,因此全球雷射市場規模快速成長,高達數百億美元,為扶植雷射產業發展,強化國際競爭力,工研院推動雷射源國產化,不僅突破過去長期進口雷射源的困境,更協助200家以上國內廠商導入雷射加工應用,引領15家本土雷射源關鍵組件廠商串連成完整上中下游產業鏈,促成國內光纖雷射源自製能力達到7成以上,國內雷射產值已達新台幣百億元。

工研院更進一步號召國內包含搏盟科技、㵢杰、光合訊科技、米雷迪恩、卓越光纖、虹竣科技、騰錂雷射、博隆精密、華信光電、龍彩科技、友嘉科技及中科院材料暨光電研究所等,共同成立「國產自主雷射源產業大聯盟」,透過業者相互整合與交流,進行自主雷射技術差異化及智慧化,以協助國內雷射設備商發展先進獨特加工能力,提高雷射源與設備競爭力。

有了一定規模的內需市場及產業聯盟,面對疫後經濟復甦,國產雷射源要透過三大關鍵布局,積極提升市場競爭力。

第一,由於台灣為全球半導體與電子產業重鎮,因應電動車、綠能及5G應用快速成長,化合物半導體將接續蓬勃發展,其中碳化矽(SiC)材料將在車用與綠能電子扮演重要角色。碳化矽硬度高(僅次於鑽石)、成長困難,目前碳化矽晶錠、晶圓仍以鑽石線鋸處理為主,但有材料損耗率高、鋸切及表面處理耗時等缺點,導致生產效率低,因此以雷射非接觸、低熱影響的特性進行改質輔助切片或直接切片,是最有效的製程技術,也是雷射發揮貢獻的良機。

第二, 2019年電動車全球銷量總計約200萬輛,2020年在疫情籠罩下,依然成長到240萬輛,預估2021年電動車銷量可達340萬輛,成長幅度約40%,為此台灣廠商已投入車用鋰電池模組、電動馬達供應,衍生車用電池、馬達銲接品質需求。雷射銲接則因銲點小、接觸電阻小、自動化生產性高等優點,已有台灣廠商導入取代點銲、錫銲,以高功率紅外(IR)光纖雷射進行銅電極與繞線銲接。

不過銅材料對紅外光吸收率僅5%,能量使用效率不佳,也可能發生過銲或冷銲問題,而銅材料對450奈米藍光雷射吸收率為65%,較紅外光高13倍,因此國外開始研究以藍光雷射進行銅銲接加工。台灣電子業有良好的磊晶技術,可從最上游藍光雷射二極體元件切入,發展精密耦集光技術,藉以快速達成高功率藍光雷射源國產化,搶攻藍光雷射銲接及其他應用商機。

第三,為協助產業搶攻市場商機,工研院擘劃2030技術策略與藍圖,其中在永續環境領域,將積極協助國內廠商建立高階雷射製程,以縮短產業研發時間並降低重複投資成本,提升技術開發價值。

工研院先前已邀請德國先進高階雷射源廠商創浦(Trumpf)公司技術合作,結盟台灣機械公會,將啟用「台灣半導體與電子產業先進雷射應用服務中心」,提供台灣設備廠商關鍵升級技術,以就近服務領先國際的台灣半導體電子產業,提供雷射產業發展新出海口並提升國際競爭力。

疫情過後全球經濟正快速重整、復甦,台灣防疫成功蓄積的經濟成長力量,給了國產雷射源產業搶進市場、吸引國內外投資及成長發展的契機,透過關鍵布局三箭齊發,期許與國內產業界共同促使雷射技術更自主完整發展,提升國產雷射源、設備及關鍵組件市場競爭力。(本文作者為工研院雷射與積層製造科技中心執行長曹芳海)

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