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激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在過去的10年中,我國(guó)的激光制造已成為先進(jìn)制造業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一,有意思的是,激光技術(shù)支持的經(jīng)濟(jì)規(guī)模遠(yuǎn)大于其自身的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2010年美國(guó)研究報(bào)告指出,2009~2010年,美國(guó)電信、電子商務(wù)和信息技術(shù)的總價(jià)值為4萬億美元,其中激光器本身的價(jià)值僅為32億美元。

可見,了解一下激光加工技術(shù)的走勢(shì)十分有價(jià)值。




01

激光加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)


激光加工技術(shù)是集機(jī)械、電氣、數(shù)控、光學(xué)及液壓等多領(lǐng)域結(jié)合的一門復(fù)雜系統(tǒng),企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域的技術(shù)門檻較高,因此以英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家,一直主導(dǎo)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。雖然我國(guó)進(jìn)入該領(lǐng)域的起步較晚,但是隨著國(guó)家戰(zhàn)略“中國(guó)制造2025”的不斷實(shí)施,我國(guó)的激光設(shè)備廠家和科研機(jī)構(gòu)奮發(fā)圖強(qiáng),涌現(xiàn)出如華工科技、大族激光、團(tuán)結(jié)激光等后起之秀,其產(chǎn)品和技術(shù)與國(guó)外激光設(shè)備的差距在不斷縮小。

據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年中國(guó)激光設(shè)備行業(yè)產(chǎn)量為5.58萬臺(tái),到2021年中國(guó)激光設(shè)備行業(yè)產(chǎn)量增長(zhǎng)到20.19萬臺(tái),復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)29.33%。


圖片來源:大族激光

激光加工技術(shù)發(fā)展也是一個(gè)漫長(zhǎng)與艱辛的過程,需要社會(huì)各方面的努力,未來激光加工技術(shù)會(huì)往以下幾個(gè)方面發(fā)展。


激光器小型化

激光器一直作為激光加工技術(shù)的核心部件,其大小將決定整個(gè)設(shè)備的大小。前期由于微電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的限制,激光器體積比較龐大,占地也較大。隨著激光器新技術(shù)(如光纖技術(shù)、紫外技術(shù)等)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,一批具有轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量好、體積小的激光器被開發(fā)出來,從而為激光設(shè)備的小型化提供了良好的基礎(chǔ)。 


加工多能化

為適應(yīng)市場(chǎng)的需求,激光設(shè)備廠家將不再追求單一的激光加工功能,而是開發(fā)集成切割、焊接、熱處理、噴涂中兩個(gè)或更多功能于一體的設(shè)備,為客戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備價(jià)值的最大化。 


設(shè)備智能化

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起,設(shè)備智能化將是激光加工技術(shù)又一大趨勢(shì)。智能工廠將各種生產(chǎn)計(jì)劃、材料的加工數(shù)據(jù)上傳至企業(yè)云端,工程師們?cè)谵k公室內(nèi)通過遠(yuǎn)程終端遙控,發(fā)出作業(yè)指令,控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)字化、自動(dòng)化和信息化。


02

激光加工應(yīng)用市場(chǎng)


激光加工技術(shù)應(yīng)用廣泛,且在很多行業(yè)都已經(jīng)很成熟,比如航空航天、新能源鋰電、光伏太陽能、顯示與半導(dǎo)體、PCB行業(yè)、電子信息行業(yè)、機(jī)械五金行業(yè)、家電廚衛(wèi)行業(yè)、鈑金加工行業(yè)、包裝行業(yè),以及電子煙行業(yè)等領(lǐng)域,對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境、減少材料資源消耗、降低生產(chǎn)成本等起著十分重要的作用。


我國(guó)傳統(tǒng)的制造業(yè)正面臨深度的轉(zhuǎn)型升級(jí),高附加值、高技術(shù)壁壘更的高端精密加工是其中的一個(gè)重要方向。隨著高精密加工需求的增加,相關(guān)的精密加工技術(shù)也隨著快速發(fā)展,其中激光技術(shù)在市場(chǎng)上獲得越來越多的認(rèn)可。


激光加工技術(shù)按照加工材料的尺寸大小和加工的精度要求為三個(gè)層次:以中厚板為主的大型件材料激光加工技術(shù),加工精度一般在毫米或者亞毫米級(jí);以薄板為主的精密激光加工技術(shù),其加工精度一般在十微米級(jí);以厚度在100μm以下的各種薄膜為主的激光微細(xì)加工技術(shù),其加工精度一般在十微米以下甚至亞微米級(jí)。


激光精密加工可分為四類應(yīng)用,分別是精密切割、精密焊接、精密打孔和表面處理。在目前的技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)環(huán)境之下,激光切割、焊接的應(yīng)用更為普及,3C電子、新能源電池則是當(dāng)前應(yīng)用最多的領(lǐng)域。



精密激光加工的批量應(yīng)用,很大程度上得益于智能手機(jī)的推動(dòng)。攝像頭玻片、指紋模組、HOME鍵、攝像頭盲孔、手機(jī)面板的異形切割等,都是得益于超快激光精密切割技術(shù)突破來實(shí)現(xiàn)。特別是國(guó)內(nèi)主要的幾家激光精密加工設(shè)備商包括大族、盛雄激光、德龍激光等的精密加工業(yè)務(wù)都是來源于消費(fèi)電子加工??梢哉f,上一輪的精密激光加工熱潮是由消費(fèi)電子帶動(dòng)的,特別是智能手機(jī)和顯示面板。

圖片
激光面板切割(圖片來源:華工激光)

由于以往我國(guó)半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)薄弱,激光加工芯片的研究和應(yīng)用偏少,而是首先在下游消費(fèi)電子產(chǎn)品終端組裝得到了一些應(yīng)用。未來我國(guó)的精密激光加工主要市場(chǎng)將會(huì)從一般電子零部件加工逐漸往上游材料和核心元件移動(dòng),尤其是半導(dǎo)體材料、生物醫(yī)療、高分子聚合物材料等制備。


半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的激光應(yīng)用工藝將會(huì)越來越多被發(fā)明出來,對(duì)于高精密的芯片產(chǎn)品,非接觸的光加工是最合適的方式。憑著龐大的需求量,芯片產(chǎn)業(yè)極有可能將會(huì)托起下一輪精密激光加工設(shè)備的需求熱潮。


圖片
激光切割作業(yè)(圖片來源:央視財(cái)經(jīng))

晶圓是半導(dǎo)體產(chǎn)品與芯片的基礎(chǔ)材料,晶圓生長(zhǎng)后需要經(jīng)過機(jī)械拋光,后期尤為重要的是晶圓切割加工,也叫晶圓劃片。早期短脈沖DPSS激光器切割晶圓技術(shù)已經(jīng)在歐洲、美國(guó)發(fā)展成熟。隨著超快激光器的快速發(fā)展和功率提升,超快激光切割晶圓未來將會(huì)逐漸成為主流,特別在晶圓切割、微鉆孔、封測(cè)等工序上,設(shè)備需求潛力較大。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有精密激光設(shè)備廠家能夠提供晶圓開槽設(shè)備,可應(yīng)用于28nm制程以下12寸晶圓的表面開槽,以及激光晶圓隱切設(shè)備應(yīng)用于MEMS傳感器芯片,存儲(chǔ)芯片等高端芯片制造領(lǐng)域。在2020年深圳某大型激光企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出激光解鍵合設(shè)備,實(shí)現(xiàn)玻璃片和硅片分離,可用于高端半導(dǎo)體芯片應(yīng)用。

圖片
芯片晶圓激光切割(圖片來源:迅鐳激光)

2022年中,武漢某激光企業(yè)推出行業(yè)首款全自動(dòng)激光改質(zhì)切割設(shè)備,成功應(yīng)用于芯片領(lǐng)域的激光表面處理。該設(shè)備采用高精度飛秒激光,使用極低脈沖能量,針對(duì)半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行微米范圍內(nèi)的激光改質(zhì)處理,從而極大改善半導(dǎo)體光電器件的性能。適用于高成本、窄溝道(≥20μm)化合物半導(dǎo)體SiC、GaAs、LiTaO3等晶圓芯片的內(nèi)部改質(zhì)切割,如硅芯片、MEMS傳感器芯片、CMOS芯片等。


我國(guó)正在攻關(guān)光刻機(jī)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù),將會(huì)帶動(dòng)光刻機(jī)涉及用到的準(zhǔn)分子激光器、極紫外激光器的需求,而此前我國(guó)在這方面幾乎空白。



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