因應近年來3C、電動車新品需求逐年普及，促使有色金屬和大功率雷射加工等相關應用隨之成長，造就其中核心的光纖/半導體雷射源及模組架構不斷推陳出新。但臺廠技術能量與成本競爭力仍有落差，如今則可??迎接國際節(jié)能減碳的潮流而帶來轉(zhuǎn)機。

回顧雷射加工產(chǎn)業(yè)雖然曾在金融海嘯期間遭遇低潮，但到了2011~2018年間、因為電動車和金屬積層制造技術制造發(fā)展，驅(qū)動其穩(wěn)定成長的契機，直到中美半導體科技戰(zhàn)與COVID-19疫情期間更加碼推廣。

根據(jù)OPTECH最新統(tǒng)計，全球雷射加工市場從2021年的14,730億成長至2022年的16,420億，復合成長率為11.46%；預測到了2026年將達到23,190 億，復合年增長率為9.02%。且依臺灣海關進出囗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年全臺雷射源及加工設備相關進出囗總值約為7.17億美元，其中進囗比重占80%，高功率應用又約占56%，主要用於切割與焊接。預估到了2027年臺灣雷射切割、焊接設備產(chǎn)值，可??突破400億元，其中焊接應用產(chǎn)值占比可??突破50%，達到200億。

尤其看好現(xiàn)今電動車鈑金加厚、高反射鋁、銅等異質(zhì)接合金屬材料的比例提升，以及馬達及充電樁的銅質(zhì)材料等需求；加上5G引領的散熱技術變革，散熱板必須變得越來越薄等需求。預估未來在臺灣1~3kW高功率雷射源價格應會逐步穩(wěn)定，并趨於飽和，轉(zhuǎn)而投入6~10kW大功率雷射市場，由目前主流的近紅外光（IR）雷射制程波段移至藍光波段的趨勢已現(xiàn)。

圖1 : 看好現(xiàn)今高反射鋁、銅等異質(zhì)接合金屬材料的比例提升，預估未來在臺灣大功率雷射源價格應會轉(zhuǎn)而投入6~10kW市場，由目前主流的近紅外光移至藍光波段的趨勢已現(xiàn)。（source：physicsworld.com）

舉例來說，目前在車輛電機系統(tǒng)中，主要用於馬達定子中連接的銅線圈即屬於難焊材料，倘若銅線圈間連接不隹，就可能會導致增加連接電阻，從而影響馬達導電性能，所以業(yè)者在焊接過程中，必須確保馬達定子不受高熱。但因為傳統(tǒng)氬弧或等離子焊接技術會產(chǎn)生過高熱量，可能會損壞周邊組件，留下不需要的孔隙，而影響馬達電性表現(xiàn)。

以及電動車最重要的鋰電池，通常由單獨圓柱型電池芯組成，再將電池組焊接在一起，以增加電容量。上方焊接片通常采用鍍鎳銅片，用於傳導電能；下方柱體則為鋼質(zhì)，作為儲能應用。但因為兩種材料對於雷射吸收率及熔點有別，必須精準控制能量焊接，以免穿透太深會破壞電池本體，并降低電池組性能；若穿透深度不足時，也將難以焊穿銅片，或在銅、鋼之間形成金屬化合物，將增加傳導電阻，劣化電能傳導效率。

DDL半導體雷射源崛起 推進大功率雷射加工應用

工研院南分院??經(jīng)理宋育誠進一步剖析目前大功率光纖雷射源市場，主要可分為中間采用不同增益介質(zhì)/元件的脈沖型（Pluse Fiber laser）、連續(xù)型（CW）光纖雷射為主流，在臺灣各有搏盟、?杰等廠商投入開發(fā)，已達到一定產(chǎn)能，未來會朝向更高功率發(fā)展。。

圖2 : 目前大功率光纖雷射源市場，主要可分為脈沖型（Pluse Fiber laser）、連續(xù)型（CW）光纖雷射為主流，在臺灣各有搏盟、?杰等廠商投入，未來會朝向更高功率發(fā)展。。（攝影：陳念舜）

至於結(jié)構相對簡單的直驅(qū)式半導體（Direct Diode Output System；DDL）輸出雷射源，雖然被喻為下世代雷射代表之一，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能量輸出，減少了復雜的共振腔和反射組件系統(tǒng)的光學設計，能源轉(zhuǎn)換率可達40%~50%、<4mm．mrad雷射品質(zhì)也已逐步改善，因此可有效降低耗電量及生產(chǎn)成本。

但仍處於起步階段，有待持續(xù)提升功率及品質(zhì)，并加入有助於穩(wěn)定及更多附加功能的智慧化元素來提升競爭力；在應用上，則要求以低成本達到高效率。

南分院現(xiàn)也開發(fā)出整合工研院DDL陣列模組技術與臺制雷射泵浦產(chǎn)品、直驅(qū)電路模組，打造首部自主開發(fā)的6kW大功率雷射光源，并導入智慧監(jiān)控與強化關鍵零組件自制能力；建立雷射測試平臺，并完成加工品質(zhì)驗證，主要用於熱處理（軟、硬化）、焊接等需求，并有眾多輔導實績范例。有別於傳統(tǒng)用烤箱加熱完整工件，以火焰加熱將更難以手動控制強度、速度與溫度；也不像高周波感應加熱，須要考慮後處理及高能耗問題。

但他也坦言：「由於雷射加工在散熱過程中就會大量耗能，所以在節(jié)能減碳層面會比較側(cè)重在應用面改善產(chǎn)出，進而為傳統(tǒng)工法升級加值。」采用DDL雷射進行熱處理時，大部份可省去後處理過程且降低能耗；同時可為傳統(tǒng)工法升級，提高處理品質(zhì)，在完成表面硬化後，就能成為產(chǎn)品。

為免當功率過高，硬度逐漸提升到一定深度後，表面過熔會讓材料回火軟化；或是加熱時間不足，導致碳化物無法融入工件，都可能造成表面凹凸不平而影響精度。有些建筑、軌道的扣件還希??能在軟化後，方便施以拉伸或收縮工序；再依需求搭配雷射功率，擴大或縮小處理局部范圍。

所以業(yè)者會要求雷射源須在不同溫度、速度下，都能依客戶加工鋼材或退火、冷卻時間；進行制程分析與改善，來決定該硬化或軟化，以維持均勻且適合的硬度。在相同工件和加工時間比較下，DDL耗電會低於高周波1/10，也有利於減少排碳。

圖3 : 結(jié)構相對簡單的DDL輸出雷射源，能源轉(zhuǎn)換率可達40%~50%、雷射品質(zhì)也已逐步改善。（攝影：陳念舜）

高速運算追求節(jié)能 導入銅質(zhì)薄件散熱

至於在雷射精微加工領域的最大市場，現(xiàn)仍集中於電子、光電、半導體產(chǎn)業(yè)，特別是包括5G通信和自駕車產(chǎn)業(yè)、企業(yè)等級的伺服器、虛擬貨幣挖礦機等高效運算（HPC）市場等新興科技，對於難加工金屬模具的高速精微切割與焊接需求正快速增加，造就更新雷射源技術和材料進步的挑戰(zhàn)，也將推動產(chǎn)業(yè)成長。

包括其裝置內(nèi)部為了避免使用過久發(fā)熱而影響效能，催生熱管理工程產(chǎn)業(yè)，至今需求更是變本加厲。包括因為5G裝置具有高頻、高速傳輸效率和資料量龐大等特點，增加裝置內(nèi)的高功率零組件數(shù)量，但產(chǎn)品外觀又有朝向輕薄化及高發(fā)熱量等趨勢，對其裝置內(nèi)部的機構散熱運用空間會有一定程度的限制，導致全球散熱模組皆須有良好效率的薄型散熱元件設計。

由於銅質(zhì)材料的導熱系數(shù)隹，散熱效益更高，可??成為驅(qū)動臺灣廠商成長的下一波動力。在含銅材料的產(chǎn)品加工上，諸如超薄的熱導管（Heat Pipe）、銅箔均溫板/熱導板（Vapor Chamber；VC），便被視為最隹散熱方案；以及尚有微型PCB銅焊、鋰電池制造與銅、鋁異質(zhì)金屬接合等應用，功率不必太高，將有助於發(fā)展高品質(zhì)、高產(chǎn)速的藍光雷射焊接與加工制程。

其中均溫板比起熱導管的制造成本更貴，還須納入殼體的封焊技術，對其結(jié)構強度、表面平整度的要求，必須兼顧品質(zhì)及制造成本，才能被大量生產(chǎn)，并廣泛應用在5G和其他電子設備上，現(xiàn)今超薄均溫板的接合技術，包含：擴散接合（Diffusion Bonding）、雷射焊接（Laser Welding）、共晶接合（Eutectic Bonding）。隨著均溫板的使用已顯著增加，且因為總功率和縮小晶片尺寸的結(jié)果，造就功率密度都急劇上升，未來各制造大廠將更致力於研發(fā)0.4mm以下的超薄均溫板，其制程正有朝向焊接技術發(fā)展趨勢。

聚焦雷射精微加工 迎合有色金屬材料特性

現(xiàn)今市面上雷射焊接的主要雷射源分為紅光、綠光，以及較為少見的藍光。在目前許多工業(yè)應用場合，雖然波長1μm高功率近紅外光（IR）雷射已能滿足大部份雷射加工需求，但隨著雷射焊接技術躍升，也揭露了其容易受到物理限制，而無法有效處理銅、鋁等高反射金屬材料制造的缺陷，滿足電動車電池單元的薄箔層、輕量化車體/車底、和電動馬達電磁線圈、電子電路組件銅材等零組件焊接加工需求。

又可依功率不同，分別采取傳導模式（conduction mode）或深熔模式（keyhole mode）加熱；以及因為不同材料吸收光源所產(chǎn)生熱量有別，直到從固態(tài)熔融成液態(tài)，再行冷卻完成焊接的過程，都無法能達到100%理想吸收效率。

一旦提高雷射能量超過4kW功率，就容易造成在熔池（Melt pool）中沸騰而導致噴濺（Spatter or Sputter），影響焊接後的金屬鍵結(jié)強度及材料電性傳導品質(zhì)，往往需要二次處理去除噴濺物，導致難以控制其制程良率，已無法滿足未來加工品質(zhì)要求和生產(chǎn)速度。

其中高功率固態(tài)綠光雷射雖被視為銅材焊接的可行替代方案，卻也有多種實際限制，包括能源效率低下、縮短使用壽命，從而導致更高使用成本。新加坡商科希倫公司（Coherent）近年來，也推出采用高亮度中心光束的Highlight系列新款可調(diào)環(huán)形模態(tài)（ARM）光纖雷射執(zhí)行銅焊接，必須仔細控制工作表面的功率空間分布和功率密度，以產(chǎn)生良好的焊接品質(zhì)。

透過ARM雷射的獨特輸出光束，包含一個中心光斑，周圍是另一個同心環(huán)形光束，兩者比率及功率可以按需要獨立調(diào)整和訂制，最大功率高達10kW，從而實現(xiàn)對於熔池動力學的精細控制，足以執(zhí)行所有更關鍵焊接任務的產(chǎn)出量。比起市售kW級綠光雷射加工品質(zhì)更隹，且在各種焊接速度下具有更好的滲透結(jié)果，可以帶來光纖雷射的低成本、可靠性和實用性優(yōu)勢。

此外，因為藍光雷射波長約落在400~500nm之間，與紅光波長相當，且對於金、銀、銅、鋁等常見有色金屬在內(nèi)的高反射特性材料而言，在藍光波段的吸收率較近紅外光多出5~13倍，最高可達65%以上效果，不必提高雷射功率；且從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)的吸收率接近穩(wěn)定一致，不致因為壓力差造成噴濺，使之焊接品質(zhì)更優(yōu)於近紅外光雷射源，甚至可被用於電動車的鋰電池銅箔接板。

藉此能讓銅線圈接頭連接處，在不到10ms內(nèi)完成焊接，得以降低功率，減少短時間內(nèi)雷射熱量溢散，幾??不會損壞線圈周圍的組件或產(chǎn)生飛濺，能夠形成非常牢固的連結(jié)，將確保馬達定子有穩(wěn)固機械強度和良好電性效能。業(yè)者若需較輕薄且高品質(zhì)的銅箔散熱片，對於焊接加工更可期待，正是藍光雷射加工的優(yōu)勢。

近年來隨著市場上針對藍光雷射的創(chuàng)新應用研究與分析逐漸擴展，舉凡從小到電池、電子、電機等消費性電子元件，大至電動車內(nèi)部零組件，皆需仰賴堅固、高導電與高導熱性材料組成，其不外??銅、鋁等成份。

未來所有材料加工應用的效率，將取決於向目標輸送能量的速度，若想要達到快速生產(chǎn)和達到更隹的加工品質(zhì)，各家廠商不斷提升藍光雷射功率等級，亮度也須同步向上提升，結(jié)合後端光學系統(tǒng)進行可變光型轉(zhuǎn)換等，意味著雷射將有更多功率密度，從而加快材料加工速度，各式各樣新應用也會隨之出現(xiàn)。

圖4 : 新加坡商科希倫公司推出采用高亮度中心光束的新款可調(diào)環(huán)形模態(tài)（ARM）光纖雷射執(zhí)行銅焊接，比起市售kW級綠光雷射加工品質(zhì)更隹。（source：pbs.twimg.com）

臺廠追逐藍光優(yōu)勢 仍待雷射加工設備支持

然而，目前在國際上高功率藍光源制造廠商雖然聲稱已有開發(fā)加工設備，卻遲遲未見真正商品化產(chǎn)品。未來藍光雷射焊接設備若想要吸引國際市場關注，讓客戶愿意嘗試下單采購、導入技術的關鍵，仍主要在於能否藉此大幅提升效能與良率，符合未來節(jié)能減碳、ESG等趨勢。

目前臺灣廠商也意識到這樣的新興雷射源所帶來的產(chǎn)業(yè)效益商機龐大，正積極投入打造自制高功率藍光雷射源與關鍵零組件、模組、加工機等供應鏈發(fā)展，也將有助於臺灣產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，推出先進且具備高質(zhì)量的雷射應用范例。

工研院雷射中心則自2020年開始與臺灣雷射二極體開發(fā)商騰貔鐳射公司合作，利用專利電光驅(qū)動技術與系統(tǒng)整合工程，結(jié)合騰貔高亮度藍光雷射光纖輸出二極體，采用階層式光纖耦合架構，導入熱流模擬分析及最隹化系統(tǒng)，搭配藍光功率即時監(jiān)控專利技術，順利完成了臺灣自主開發(fā)首款800W高穩(wěn)定亮度雷射源，適用於高反射金屬焊接，提升工業(yè)應用對於加工品質(zhì)要求。

圖5 : 由於目前藍光雷射仍非主流，未來若是均溫板越做越薄，將有助於開發(fā)新興雷射系統(tǒng)技術與應用層面的制程技術升級，減輕國外大廠低價競爭策略的沖擊。（source：ifixit.com）

此外，由於目前藍光雷射仍非主流，未來要想成功推廣藍光雷射焊接機的關鍵，將是均溫板必須越做越薄。「當均溫板厚度從1mm降至0.4mm時，高溫擴散爐良率甚至不及6成，此時業(yè)者唯有導入藍光雷射焊接才能解決。」倘若有臺廠能有效掌握關鍵模組、元件與系統(tǒng)技術等發(fā)展，再往下一步進入大功率藍光直驅(qū)式半導體雷射系統(tǒng)，且在電控、使用者介面上推出數(shù)位轉(zhuǎn)型產(chǎn)品，將有助於開發(fā)新興雷射系統(tǒng)技術與應用層面的制程技術升級，減輕國外大廠低價競爭策略的沖擊。