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从3C跨足工业4.0应用
亟待建构完整雷射产业链

【作者: 陳念舜】2016年04月07日 星期四

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依苹果公司(Apple)最新公布2016年Q1财报,本季iPhone 6S系列手机销售量成长幅度已创2007年问世以来最低,可能促使苹果加速转往中低阶产品发展,推出平价iPhone。对台湾供应商而言,喜的是可望借此刺激销量;忧的是在销售成长趋缓甚至转为衰退的压力下,平价机种恐压缩供应链获利空间,对台湾厂商宛如灾难,亟待先进制程设备支援,加速转型避险。


其中,如穿戴式装置因为初期售价不高,首要解决的是缩减IC载板体积问题,以容纳更多电路;物联网(IoT),则应聚焦可整合通讯、记忆、运算功能的SoC晶片,或可采用与iPhone 6电路板(PCB)相同的任意层高密度连接板(Any-layer HDI)高阶制程技术。比起一般高密度连接板(HDI ,High Density Interconnect)的最大差异,在于HDI是采取增层法(Build Up)制造,利用机械、雷射钻孔,直接贯穿PCB层与层间的板材,当增层电路数量愈多,代表​​相对所需的技术能力愈高。


在销售成长趋缓甚至转为衰退的压力下,Apple平价机种恐压缩供应链获利空间,对台湾厂商宛如灾难,亟待先进制程设备支援,加速转型避险。


图1 : 随着苹果公司最新公布财报退烧,未来无论将续往穿戴装置、虚拟/扩增实境(VR/AR)装置发展,或推出中低阶产品饮鸩止渴,都让台厂必须加速转型避险。 (So​​urce:static2.businessinsider.com/)
图1 : 随着苹果公司最新公布财报退烧,未来无论将续往穿戴装置、虚拟/扩增实境(VR/AR)装置发展,或推出中低阶产品饮鸩止渴,都让台厂必须加速转型避险。 (So​​urce:static2.businessinsider.com/)

Any-layer HDI则须完全透过雷射微钻盲孔,才能打通每一层间彼此连通设计,使中间基材省略使用铜箔基板,得以更高密度整合主板,比起一般HDI减少近4成体积;进而缩减终端产品设计厚度,能用更轻薄的设计型态问市。但由于雷射钻孔成型在线路加工制造的难度及成本也相对较高,目前仅高单价的行动装置使用居多。不仅因为重复电镀与钻孔的制程耗时及产能,对良率也是一大考验,制造厂商应配合维持弹性。


产研内部垂直整合 突破微盲孔制程关键

Any-layer HDI则须完全透过雷射微钻盲孔,比起一般HDI减少近4成体积;进而缩减终端产品设计厚度,能用更轻薄的设计型态问市。

针对现今加工高阶HDI、Any-layer HDI所需雷射钻孔成型技术,近年来也由工研院南分院技转关键技术给东台精机,作为主导厂商,逐步建立台湾自主雷射制程设备联盟的发展模式。该公司自2007年即参与工研院奈秒雷射微制程业界科专计画,担任应用联盟的主导厂商,从雷射源开始向下整合先进微制程设备技术β-site验证,一直到End User产业应用,陆续掌握PC-Based控制器与相关雷射应用技术。


得以解决现今HDI规格逐渐普及后,PCB终端加工业者无法仅用机械钻孔(?100μm)完成微盲孔制程(


目前雷射微盲孔制程关键技术还包括:光电检测技术,可由国外进口仪器检测雷射功率,进行雷射光束整型与量测,设计光学系统;从而自主掌握微盲孔成型方法之加工制程参数,确保加工品质;再由业者自主或与学界、法人合作,开发系统整合技术,加入精密定位、控制技术,以及光学系统与雷射应用技术。


扩大光纤雷射应用 跨足工业4.0智慧制造

此外,当工业4.0已逐渐成为现今制造业发展主流,生产线上势必增添更多感测元件、机器人等智慧自动化设备,如何省电节能;进一步将之整合,增添厂内可用空间,提高生产弹性,将是终端加工业者(User)与设备制造(Maker)两端皆关切议题。


如业者在产业升级过程,往往发现最大的问题,就是机器不够稳定,导致生产效率、良率低,产能受限而被对手抢单。由于机械结构越来越复杂,也许目前厂房内只能容纳10条产线,但为了善用宝贵空间,而希望扩充更多生产线。却在机器加工时,产生大量废热再冷却的过程太耗能,每月付出的电费有很大部份是用在冰水机,导致实际用到的雷射或机械加工能量很少,最后还须用冰水机来冷却产生的废热等问题环环相扣。



图2 : 光纤雷射因为采用通过一条比发丝还细的玻璃光纤作为传输雷射的介质,同时构成光纤雷射之共振腔,利用二极体激发小功率雷射在其中边传递、放大,使其整体结构摆脱传统气体或固态晶体等分类方式。 (So​​urce:amada.de)
图2 : 光纤雷射因为采用通过一条比发丝还细的玻璃光纤作为传输雷射的介质,同时构成光纤雷射之共振腔,利用二极体激发小功率雷射在其中边传递、放大,使其整体结构摆脱传统气体或固态晶体等分类方式。 (So​​urce:amada.de)

产业成功升级的关键,应是选对正确的工具,提高效率,将能源都用来生产,却不因产生废热而浪费;还有足够精巧,才能在有限空间内,获得最佳运用。光纤雷射(Fiber laser)除了同时具备精准、高效率、节能、精巧等特性,近年来也在设备制造厂商不断精进开发下,应用更为多元。


除了因为采用通过一条?杂稀土元素,比发丝还细的玻璃光纤作为传输雷射的介质,同时构成光纤雷射之共振腔,利用二极体激发小功率雷射在其中边传递、放大,使其雷射整体结构摆脱传统气体或固态晶体等分类方式。更受惠于21世纪初电子技术突飞猛进,让核心元件的激发二极体包括:单位功率提升、单位成本降低,以及品质、稳定度、使用寿命等技术都出现革命性进展。


促成光纤雷射终于有了良好的激发源,加速提升输出功率,最高可达到100kW;并伴随着光纤雷射的光束品质、稳定性、光电转换效率(30~40%)渐高,使用者得以2kW完成传统3kW的工作,减少了所需能量及造成废热浪费,不必像一部雷射加工机大小差不多的冰水主机,更为节省空间。以及少了CO2雷射的共振腔结构,每隔一段时间须更换灯管、填充气体的成本。光纤雷射只须极小的二极体就能20万hrs使用寿命,相当于每天24hrs不断作业到22年才会衰减,具备使用寿命长、无耗材等明显优势,已快速取代工业界许多旧有的雷射技术;甚至在许多领域发展出新制程,引领制造业迈向新一层次。


高功率雷射发功 普及新一代工业应用

当工业4.0已成为现今制造业发展主流,如何省电节能、增添厂内可用空间,提高生产弹性,将是加工与设备制造业者皆关切议题。

由于只要改变光学配置,无需辅助气体、加工头等特殊结构设计,就能用同一部高功率雷射加工机快速焊接、切割相同板材;搭配适当的结构,就能取代现有雷射切割钣金工法,提升数倍产能。目前包括国外BMW、福斯汽车等汽车及零件制造厂商,均已率先在工业机器人上搭配光纤雷射,从远端进行高速、高品质的3D雷射焊接、切割作业。



图3 : 只要改变光学配置,无须辅助气体、加工头等特殊结构设计,就能用同一部高功率光纤雷射加工机快速焊接、切割相同板材,提升数倍产能。 (So​​urce:siom.ac.cn)
图3 : 只要改变光学配置,无须辅助气体、加工头等特殊结构设计,就能用同一部高功率光纤雷射加工机快速焊接、切割相同板材,提升数倍产能。 (So​​urce:siom.ac.cn)

有别于传统CO2、电弧焊工法,以光纤雷射焊接不同厚度金属时,既少了焊点突起物,多模态足够功率形成的焊宽/深比也相当漂亮;焊接厚重的两块金属时,不像以往需要庞大机器,造成过大铊焊道,扩散热变异区域,导致周遭材质变色或热变形。将能量集中于真正加工的区域,使得如此精细的焊道也有一样高的强度,甚至可用来焊接页岩油气输送管,带领整体产业升级。


除了汽车、航太产业之外,光纤雷射也因其精准特性,而进入3C产业,所带来的新商机如智慧手机高速成长,带动3D printing积层制造及切割玻璃、蓝宝石等新材料需求。因其选用单模态光纤雷射烧结金属、陶瓷粉末层层堆叠而成,做出以往非模具不可的作品或机构内复杂的冷却水路、少量需求的生医材料,并缩小粉末颗粒或提高雷射精度、结合减法策略抛光,克服表面粗糙度问题。


**刊頭圖片來源:(Source:sme.org/uploadedImages/) (**刊头图片来源:(Source:sme.org/uploadedImages/))


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