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，如今則可望迎接國際節能減碳的潮流而帶來轉機。
回顧雷射加工產業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製造技術製造發展，驅動其穩定成長的契機，直到中美半導體科技戰與COVID-19疫情期間更加碼推廣。
根據OPTECH最新統計，全球雷射加工市場從2021年的14,730億成長至2022年的16,420億，複合成長率為11.46%；預測到了2026年將達到23,190 億，複合年增長率為9.02%。且依臺灣海關進出口統計數據，2021年全臺雷射源及加工設備相關進出口總值約為7.17億美元，其中進口比重占80%，高功率應用又約占56%，主要用於切割與銲接。預估到了2027年臺灣雷射切割、銲接設備產值，可望突破400億元，其中銲接應用產值占比可望突破50%，達到200億。
尤其看好現今電動車鈑金加厚、高反射鋁、銅等異質接合金屬材料的比例提升，以及馬達及充電樁的銅質材料等需求；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定，並趨於飽和，轉而投入6~10kW大功率雷射市場，由目前主流的近紅外光（IR）雷射製程波段移至藍光波段的趨勢已現。
| 圖1 : 看好現今高反射鋁、銅等異質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。（source：physicsworld.com） |
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舉例來說，目前在車輛電機系統中，主要用於馬達定子中連接的銅線圈即屬於難銲材料，倘若銅線圈間連接不佳，就可能會導致增加連接電阻，從而影響馬達導電性能，所以業者在銲接過程中，必須確保馬達定子不受高熱。但因為傳統氬弧或等離子銲接技術會產生過高熱量，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。
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，再將電池組銲接在一起，以增加電容量。上方銲接片通常採用鍍鎳銅片，用於傳導電能；下方柱體則為鋼質，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，必須精準控制能量銲接，以免穿透太深會破壞電池本體，並降低電池組性能；若穿透深度不足時，也將難以銲穿銅片，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
工研院南分院副經理宋育誠進一步剖析目前大功率光纖雷射源市場，主要可分為中間採用不同增益介質/元件的脈衝型（Pluse Fiber laser）、連續型（CW）光纖雷射為主流，在臺灣各有搏盟、?杰等廠商投入開發，已達到一定產能，未來會朝向更高功率發展。。
| 圖2 : 目前大功率光纖雷射源市場，主要可分為脈衝型（Pluse Fiber laser）、連續型（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展。。（攝影：陳念舜） |
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至於結構相對簡單的直驅式半導體（Direct Diode Output System；DDL）輸出雷射源，雖然被喻為下世代雷射代表之一，將電能直接轉化為光能量輸出，減少了複雜的共振腔和反射組件系統的光學設計，能源轉換率可達40%~50%、<4mm．mrad雷射品質也已逐步改善，因此可有效降低耗電量及生產成本。
但仍處於起步階段，有待持續提升功率及品質，並加入有助於穩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。
南分院現也開發出整合工研院DDL陣列模組技術與臺製雷射泵浦產品、直驅電路模組，打造首部自主開發的6kW大功率雷射光源，並導入智慧監控與強化關鍵零組件自製能力；建立雷射測試平臺，並完成加工品質驗證，主要用於熱處理（軟、硬化）、銲接等需求，並有眾多輔導實績範例。有別於傳統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，所以在節能減碳層面會比較側重在應用面改善產出，進而為傳統工法升級加值。」採用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；同時可為傳統工法升級，提高處理品質，在完成表面硬化後，就能成為產品。
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。有些建築、軌道的扣件還希望能在軟化後，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範圍。
所以業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；進行製程分析與改善，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 : 結構相對簡單的DDL輸出雷射源，能源轉換率可達40%~50%、雷射品質也已逐步改善。（攝影：陳念舜） |
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高速運算追求節能 導入銅質薄件散熱
至於在雷射精微加工領域的最大市場，現仍集中於電子、光電、半導體產業，特別是包括5G通信和自駕車產業、企業等級的伺服器、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銲接需求正快速增加，造就更新雷射源技術和材料進步的挑戰，也將推動產業成長。
包括其裝置內部為了避免使用過久發熱而影響效能，催生熱管理工程產業，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，增加裝置內的高功率零組件數量，但產品外觀又有朝向輕薄化及高發熱量等趨勢，對其裝置內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。
由於銅質材料的導熱係數佳，散熱效益更高，可望成為驅動臺灣廠商成長的下一波動力。在含銅材料的產品加工上，諸如超薄的熱導管（Heat Pipe）、銅箔均溫板/熱導板（Vapor Chamber；VC），便被視為最佳散熱方案；以及尚有微型PCB銅銲、鋰電池製造與銅、鋁異質金屬接合等應用，功率不必太高，將有助於發展高品質、高產速的藍光雷射焊接與加工製程。
其中均溫板比起熱導管的製造成本更貴，還須納入殼體的封焊技術，對其結構強度、表面平整度的要求，必須兼顧品質及製造成本，才能被大量生產，並廣泛應用在5G和其他電子設備上，現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果，造就功率密度都急劇上升，未來各製造大廠將更致力於研發0.4mm以下的超薄均溫板，其製程正有朝向銲接技術發展趨勢。
聚焦雷射精微加工 迎合有色金屬材料特性
現今市面上雷射銲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，但隨著雷射銲接技術躍升，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製造的缺陷，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銲接加工需求。
又可依功率不同，分別採取傳導模式（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生熱量有別，直到從固態熔融成液態，再行冷卻完成銲接的過程，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），影響銲接後的金屬鍵結強度及材料電性傳導品質，往往需要二次處理去除噴濺物，導致難以控制其製程良率，已無法滿足未來加工品質要求和生產速度。
其中高功率固態綠光雷射雖被視為銅材銲接的可行替代方案，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，也推出採用高亮度中心光束的Highlight系列新款可調環形模態（ARM）光纖雷射執行銅銲接，必須仔細控制工作表面的功率空間分佈和功率密度，以產生良好的銲接品質。
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形光束，兩者比率及功率可以按需要獨立調整和訂製，最大功率高達10kW，從而實現對於熔池動力學的精細控制，足以執行所有更關鍵銲接任務的產出量。比起市售kW級綠光雷射加工品質更佳，且在各種銲接速度下具有更好的滲透結果，可以帶來光纖雷射的低成本、可靠性和實用性優勢。
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；且從固態轉換為液態的吸收率接近穩定一致，不致因為壓力差造成噴濺，使之銲接品質更優於近紅外光雷射源，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內完成銲接，得以降低功率，減少短時間內雷射熱量溢散，幾乎不會損壞線圈周圍的組件或產生飛濺，能夠形成非常牢固的連結，將確保馬達定子有穩固機械強度和良好電性效能。業者若需較輕薄且高品質的銅箔散熱片，對於銲接加工更可期待，正是藍光雷射加工的優勢。
近年來隨著市場上針對藍光雷射的創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，其不外乎銅、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和達到更佳的加工品質，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，結合後端光學系統進行可變光型轉換等，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。
| 圖4 : 新加坡商科希倫公司推出採用高亮度中心光束的新款可調環形模態（ARM）光纖雷射執行銅銲接，比起市售kW級綠光雷射加工品質更佳。（source：pbs.twimg.com） |
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臺廠追逐藍光優勢 仍待雷射加工設備支持
然而，目前在國際上高功率藍光源製造廠商雖然聲稱已有開發加工設備，卻遲遲未見真正商品化產品。未來藍光雷射銲接設備若想要吸引國際市場關注，讓客戶願意嘗試下單採購、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業效益商機龐大，正積極投入打造自製高功率藍光雷射源與關鍵零組件、模組、加工機等供應鏈發展，也將有助於臺灣產業升級轉型，推出先進且具備高質量的雷射應用範例。
工研院雷射中心則自2020年開始與臺灣雷射二極體開發商騰錂鐳射公司合作，利用專利電光驅動技術與系統整合工程，結合騰錂高亮度藍光雷射光纖輸出二極體，採用階層式光纖耦合架構，導入熱流模擬分析及最佳化系統，搭配藍光功率即時監控專利技術，順利完成了臺灣自主開發首款800W高穩定亮度雷射源，適用於高反射金屬銲接，提升工業應用對於加工品質要求。
| 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，將有助於開發新興雷射系統技術與應用層面的製程技術升級，減輕國外大廠低價競爭策略的衝擊。（source：ifixit.com） |
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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銲接機的關鍵，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，此時業者唯有導入藍光雷射銲接才能解決。」倘若有臺廠能有效掌握關鍵模組、元件與系統技術等發展，再往下一步進入大功率藍光直驅式半導體雷射系統，且在電控、使用者介面上推出數位轉型產品，將有助於開發新興雷射系統技術與應用層面的製程技術升級，減輕國外大廠低價競爭策略的衝擊。
