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從3C跨足工業4.0應用
亟待建構完整雷射產業鏈

【作者: 陳念舜】   2016年04月07日 星期四

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依蘋果公司(Apple)最新公佈2016年Q1財報,本季iPhone 6S系列手機銷售量成長幅度已創2007年問世以來最低,可能促使蘋果加速轉往中低階產品發展,推出平價iPhone。對台灣供應商而言,喜的是可望藉此刺激銷量;憂的是在銷售成長趨緩甚至轉為衰退的壓力下,平價機種恐壓縮供應鏈獲利空間,對台灣廠商宛如災難,亟待先進製程設備支援,加速轉型避險。


其中,如穿戴式裝置因為初期售價不高,首要解決的是縮減IC載板體積問題,以容納更多電路;物聯網(IoT),則應聚焦可整合通訊、記憶、運算功能的SoC晶片,或可採用與iPhone 6電路板(PCB)相同的任意層高密度連接板(Any-layer HDI)高階製程技術。比起一般高密度連接板(HDI ,High Density Interconnect)的最大差異,在於HDI是採取增層法(Build Up)製造,利用機械、雷射鑽孔,直接貫穿PCB層與層間的板材,當增層電路數量愈多,代表相對所需的技術能力愈高。


在銷售成長趨緩甚至轉為衰退的壓力下,Apple平價機種恐壓縮供應鏈獲利空間,對台灣廠商宛如災難,亟待先進製程設備支援,加速轉型避險。


圖1 : 隨著蘋果公司最新公布財報退燒,未來無論將續往穿戴裝置、虛擬/擴增實境(VR/AR)裝置發展,或推出中低階產品飲鴆止渴,都讓台廠必須加速轉型避險。(Source:static2.businessinsider.com/)
圖1 : 隨著蘋果公司最新公布財報退燒,未來無論將續往穿戴裝置、虛擬/擴增實境(VR/AR)裝置發展,或推出中低階產品飲鴆止渴,都讓台廠必須加速轉型避險。(Source:static2.businessinsider.com/)

Any-layer HDI則須完全透過雷射微鑽盲孔,才能打通每一層間彼此連通設計,使中間基材省略使用銅箔基板,得以更高密度整合主板,比起一般HDI減少近4成體積;進而縮減終端產品設計厚度,能用更輕薄的設計型態問市。但由於雷射鑽孔成型在線路加工製造的難度及成本也相對較高,目前僅高單價的行動裝置使用居多。不僅因為重複電鍍與鑽孔的製程耗時及產能,對良率也是一大考驗,製造廠商應配合維持彈性。


產研內部垂直整合 突破微盲孔製程關鍵

Any-layer HDI則須完全透過雷射微鑽盲孔,比起一般HDI減少近4成體積;進而縮減終端產品設計厚度,能用更輕薄的設計型態問市。

針對現今加工高階HDI、Any-layer HDI所需雷射鑽孔成型技術,近年來也由工研院南分院技轉關鍵技術給東台精機,作為主導廠商,逐步建立台灣自主雷射製程設備聯盟的發展模式。該公司自2007年即參與工研院奈秒雷射微製程業界科專計畫,擔任應用聯盟的主導廠商,從雷射源開始向下整合先進微製程設備技術β-site驗證,一直到End User產業應用,陸續掌握PC-Based控制器與相關雷射應用技術。


得以解決現今HDI規格逐漸普及後,PCB終端加工業者無法僅用機械鑽孔(?100μm)完成微盲孔製程(<150μm, 6mil)的困難,更難以預估其刀具磨耗程度與鑽孔深度。目前改為加工速度與品質俱佳的Laservia雷射鑽盲孔方式,已成為業界主流,又分為生產速度較快的CO2雷射、光斑較小的UV雷射等不同雷射源,CO2雷射以DLD、resin direct drilling製程較廣為業界採用,但須特別留意光斑控制及掃瞄頭精度。


目前雷射微盲孔製程關鍵技術還包括:光電檢測技術,可由國外進口儀器檢測雷射功率,進行雷射光束整型與量測,設計光學系統;從而自主掌握微盲孔成型方法之加工製程參數,確保加工品質;再由業者自主或與學界、法人合作,開發系統整合技術,加入精密定位、控制技術,以及光學系統與雷射應用技術。


擴大光纖雷射應用 跨足工業4.0智慧製造

此外,當工業4.0已逐漸成為現今製造業發展主流,生產線上勢必增添更多感測元件、機器人等智慧自動化設備,如何省電節能;進一步將之整合,增添廠內可用空間,提高生產彈性,將是終端加工業者(User)與設備製造(Maker)兩端皆關切議題。


如業者在產業升級過程,往往發現最大的問題,就是機器不夠穩定,導致生產效率、良率低,產能受限而被對手搶單。由於機械結構越來越複雜,也許目前廠房內只能容納10條產線,但為了善用寶貴空間,而希望擴充更多生產線。卻在機器加工時,產生大量廢熱再冷卻的過程太耗能,每月付出的電費有很大部份是用在冰水機,導致實際用到的雷射或機械加工能量很少,最後還須用冰水機來冷卻產生的廢熱等問題環環相扣。



圖2 : 光纖雷射因為採用通過一條比髮絲還細的玻璃光纖作為傳輸雷射的介質,同時構成光纖雷射之共振腔,利用二極體激發小功率雷射在其中邊傳遞、放大,使其整體結構擺脫傳統氣體或固態晶體等分類方式。(Source:amada.de)
圖2 : 光纖雷射因為採用通過一條比髮絲還細的玻璃光纖作為傳輸雷射的介質,同時構成光纖雷射之共振腔,利用二極體激發小功率雷射在其中邊傳遞、放大,使其整體結構擺脫傳統氣體或固態晶體等分類方式。(Source:amada.de)

產業成功升級的關鍵,應是選對正確的工具,提高效率,將能源都用來生產,卻不因產生廢熱而浪費;還有足夠精巧,才能在有限空間內,獲得最佳運用。光纖雷射(Fiber laser)除了同時具備精準、高效率、節能、精巧等特性,近年來也在設備製造廠商不斷精進開發下,應用更為多元。


除了因為採用通過一條?雜稀土元素,比髮絲還細的玻璃光纖作為傳輸雷射的介質,同時構成光纖雷射之共振腔,利用二極體激發小功率雷射在其中邊傳遞、放大,使其雷射整體結構擺脫傳統氣體或固態晶體等分類方式。更受惠於21世紀初電子技術突飛猛進,讓核心元件的激發二極體包括:單位功率提升、單位成本降低,以及品質、穩定度、使用壽命等技術都出現革命性進展。


促成光纖雷射終於有了良好的激發源,加速提升輸出功率,最高可達到100kW;並伴隨著光纖雷射的光束品質、穩定性、光電轉換效率(30~40%)漸高,使用者得以2kW完成傳統3kW的工作,減少了所需能量及造成廢熱浪費,不必像一部雷射加工機大小差不多的冰水主機,更為節省空間。以及少了CO2雷射的共振腔結構,每隔一段時間須更換燈管、填充氣體的成本。光纖雷射只須極小的二極體就能20萬hrs使用壽命,相當於每天24hrs不斷作業到22年才會衰減,具備使用壽命長、無耗材等明顯優勢,已快速取代工業界許多舊有的雷射技術;甚至在許多領域發展出新製程,引領製造業邁向新一層次。


高功率雷射發功 普及新一代工業應用

當工業4.0已成為現今製造業發展主流,如何省電節能、增添廠內可用空間,提高生產彈性,將是加工與設備製造業者皆關切議題。

由於只要改變光學配置,無需輔助氣體、加工頭等特殊結構設計,就能用同一部高功率雷射加工機快速銲接、切割相同板材;搭配適當的結構,就能取代現有雷射切割鈑金工法,提升數倍產能。目前包括國外BMW、福斯汽車等汽車及零件製造廠商,均已率先在工業機器人上搭配光纖雷射,從遠端進行高速、高品質的3D雷射銲接、切割作業。



圖3 : 只要改變光學配置,無需輔助氣體、加工頭等特殊結構設計,就能用同一部高功率光纖雷射加工機快速銲接、切割相同板材,提升數倍產能。(Source:siom.ac.cn)
圖3 : 只要改變光學配置,無需輔助氣體、加工頭等特殊結構設計,就能用同一部高功率光纖雷射加工機快速銲接、切割相同板材,提升數倍產能。(Source:siom.ac.cn)

有別於傳統CO2、電弧銲工法,以光纖雷射銲接不同厚度金屬時,既少了銲點突起物,多模態足夠功率形成的銲寬/深比也相當漂亮;銲接厚重的兩塊金屬時,不像以往需要龐大機器,造成過大鉈銲道,擴散熱變異區域,導致周遭材質變色或熱變形。將能量集中於真正加工的區域,使得如此精細的銲道也有一樣高的強度,甚至可用來銲接頁岩油氣輸送管,帶領整體產業升級。


除了汽車、航太產業之外,光纖雷射也因其精準特性,而進入3C產業,所帶來的新商機如智慧手機高速成長,帶動3D printing積層製造及切割玻璃、藍寶石等新材料需求。因其選用單模態光纖雷射燒結金屬、陶瓷粉末層層堆疊而成,做出以往非模具不可的作品或機構內複雜的冷卻水路、少量需求的生醫材料,並縮小粉末顆粒或提高雷射精度、結合減法策略拋光,克服表面粗糙度問題。


**刊頭圖片來源:(Source:sme.org/uploadedImages/)


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