技術專題主編前言｜雷射應用與數位轉型技術專輯主編前言

隨著各國對新冠疫情的高掌握經驗，2023 年全球各地陸續開放出入境管制，為推展臺灣雷射應用產業，師法國際經驗，促進與歐洲合作發展，工研院南分院於 2023 年 6 月底邀請產、官、學、研籌組 2023 德國捷克雷射應用參訪團，希望藉此活動能讓大家對國際的雷射研發與應用狀況有更進一步的瞭解，激發更多未來的創新合作發展，行程主要參訪德國 TRUMPF、慕尼黑2023 Laser World of Photonics、捷克布拉格的 ELI及 HiLASE 兩間雷射研究機構；TRUMPF 是德國也是世界雷射大廠位於司圖加特，該公司為雷射源、模組、設備系統製造商，台積電的 EUV 曝光機，即是採用 TRUMPF 的高功率 CO2 雷射源作為產生 EUV 的激發源，TRUMPF 創立於 1923 年至2023 年剛好滿 100 周年，名符其實的百年企業，其 2021/2022 年度財報顯示營收約42 億歐元，較上年度成長 20.5%，其中雷射源貢獻約 13 億歐元佔約 31%，整個公司全球約有 16,500 人，德國有14 個據點、美國有 12 個據點，歐洲有 28 個據點，亞州則有 17 個據點包含臺灣、日本、韓國、中國大陸等。

其雷射 marco-material processing 應用市場目前以汽車為其主軸，包含應用於電池、馬達、感測器及照明等加工應用，在雷射 micro-material processing 則以切鑽例如 OLED( 以中國大陸、南韓為主 )、flexible circuit board (FCB)、micro chip
fabrication、display glass、camera cover 等應用為主，TRUMPF 目前雷射應用領域有 laser cutting、laser welding、micro processing、laser marking、surface treatment、additive manufacturing 等，提到laser marking 原本個人還有些納悶，為何其還要列為應用項目，後去參觀展示櫥窗看到金屬雕刻的樣品，發現其色澤及精細度頗為亮眼，不禁想到TRUMPF 發展歷史 ; 其創立時是以馬達為動力鏈結鑽刀以此對金屬，做切割及鑽孔應用，1970 年開始引進雷射技術，改以光能量束進行切割、鑽孔及銲接，核心技術訴求仍是金屬切割、鑽孔、銲接等加工，而在 CO₂ 雷射方面雖經光纖雷射興起，CO₂ 雷射市場不斷萎縮，其仍堅持不放棄，繼續技術深耕，時至今日成為獨佔 EUV、DUV 市場的激發源雷射，回過來看 laser marking 好似門檻不高的技術，如同以前的 CO₂ 雷射，然由其展示的加工成品，卻讓人不得不回頭重新檢視 laser marking 的價值與機會，以及思考何以 TRUMPF歷經百年，仍執世界雷射產業牛耳的核心為何；此次也獲知 TRUMPF 竟然設立銀行提供客戶金融協助，這真是跨出截然不同的步伐，除技術、商業模式外，更提供不同的服務模式，既採購其設備的客戶不用太擔心第一桶金，讓客戶更專心於
技術及交貨，TRUMPF 則更能掌控客戶與市場，這種做法值得我們拭目以待。

慕尼黑 2023 Laser World of Photonics 參展商共計 1,300 家，較新冠疫情前的 2019 年 1,325 家，已快接近，其中約 66% 參展者來自非德國廠商，總參訪者約有 30,000 人，較 2019 年的 34,000 人，已相當接近，超過 55% 來自德國境外，從統計數字看來已快恢復疫情前的水準；2023 Laser World of Photonics 主辦單位將主軸聚焦在 Hall A1 展示的 World of Quantum，其他如 Hall B1 也有展示，Hall A2-A3 與 Hall B1-B3 是展示雷射元件、模組、次系統、系統等；或許參訪走的匆忙，並沒看到很驚艷的展示，倒是中國大陸在自駕車的相關模組有些展示，而中國大陸在 1 kW 以上的除鏽、清潔雷射無論手持、機械手臂夾持頗多展示，在臺灣看得到的中國大陸也多有作，重疊性頗高，勢必造成競爭更激烈；雷射加工設備及模組仍是IPG、COHERENT、TRUMPF、SCANLAB 等大廠較吸引觀眾；倒是臺灣廠商有些作光學元件尤其DOE 也參展，如臺中的保勝光學、宜蘭的神詠精密光學等，對臺灣發展數位光學的元件取得及國產化是佳音；最近與臺灣關係升溫的立陶宛雷射源、光學元件館在 Hall B3 規模也頗大；驅動市場蓬勃發展的主因無非是殺手級應用，環顧整個會場，個人覺得大家仍視電動車、半導體是目前雷射產業最有潛力的應用市場，諸如在電動車馬達及電池銲接，很多家公司投入解決產速慢、融池噴濺、金屬反光低吸收率等問題，有人提出將超音波結合雷射進行銲接，不但可加快產速且品質更佳，因其有超音波做 chip wire/die bond 的製程及設備經驗，從其影片顯示確實在雷射熔接過程藉超音波快速摩擦接合點，可以有均勻化熔池整體溫度；也有公司開發的多光束掃描模組，可以同時掃描多點加工，如此便可倍速提升電池銲點產速，其展示可四掃描頭同動；另外，如 Coherent介紹具備 high brightness IR，將 high motion 2D 搭配 Coherent ARM laser 就能讓電池銲接 Busbar，可以快速、低噴濺、高品質的深銅銲接，其功率可高至 10 kW，且長景深、寬工作範圍，一般搭配其 2D ARM 都以 8 kW 為主，由此看出模組廠商想往系統發展的企圖，一則可能認知電動車是未來十年加工絕佳應用市場，想放手把握機會，二則可能模組目前已走到瓶頸，想往系統搭配製程，以尋求新方向，無論 Scanlab、Coherent、IPG都有此動作。

而雷射於半導體應用方面，除微細加工各家提出更精準方法與設備外，有人分享採用 13.5 nm波長應用於 Lenseless XUV Microscope，同時又利用高功率 fs laser 激發出 OPCPA: UV-MIR、HHG:SXR-EUV、MPC: NIR 250 W，既然用高功率 fs
laser 可激發出高能寬頻譜光源，或許有機會同樣產出半導體曝光用 EUV，而不需以 30 kW CO₂ 才能產生 EUV，若可行將可大幅減少能耗及降低成本，由此可見德國人在技術創新的努力，更提醒EUV 最大使用者臺灣要多深思，如何創新技術且留住外匯。

捷克的 ELI 主要是發展高能雷射系統與平台進行基礎研究，自行設計各類系統，採購或訂製關鍵模組、組件，利用高能雷射含超快與奈秒激發各類材料產生電漿而放出所需光譜，如 hardX-ray 波長 0.06 nm Kβ、0.08 nm Kα，也能由 800nm 倍頻成 400 nm，再倍頻為 266 nm，也能產生 240 nm~ 2 μm，但轉換效率偏低，例如由 400nm 轉成 X-ray 56 nm，轉換效率約 1~2% 或少於1%，規劃有多組雷射系統被應用，目前對外提供三套雷射系統服務，包含 L1-ALLEGRA、L3-HAPLS、L4-ATON，諸如美國羅倫斯國家實驗室也來使用 ELI 雷射；HiLASE 創立於 2011-2012 年早期乃隸屬 ELI，2016 年設備才建置較齊全，為爭取經費 2022 年才獨立出來，目前約有 100 人以上，主要任務是設計、建置高功率奈秒與皮秒雷射，以進行應用研究，約有 40~50% 活動進行 Advanced Laser Development、Industrial LaserApplication、Scientific Laser Application，主要設備有高功率奈秒雷射 BIVOJ 及高重複率皮秒雷射 PERLA 兩大類，BIVOJ 於 2016 年剛建置時花費超過 10M$，以下規格 1 kW、100 J、10 hz、10 ns、λ=1.0 μm 來陸續強化，號稱 The KW-class super Laser，145 J/10 hz/10 ns@1030 nm (2021)、95 J/10 hz/10 ns@515 nm (2022)、55 J/10 hz/10 ns@343 nm (2022) by diode pump，就規格而言確實很強，其應用例諸如用奈秒雷射的 laser shock peening (LSP) 進行金屬疲勞壽命強化，將金屬放
水中以雷射激發金屬表面附近的水產生電漿，形成震波敲擊金屬表面，達成金相改質移除金屬表面殘留應力，強化疲勞壽命等，這種 LSP 非高功率脈衝雷射不可；高重複率皮秒雷射 PERLA 100thin-Disk laser，1030 nm/515 nm/343 nm/257 nm，
Pave=100 W，20 Mj，1~200 Khz， ≦ 1ps，M2 ∠1.1 @1030 nm，此雷射應用例如利用 DOE 同時進行約 784 beams 的切割或鑽孔，也能用 DOE 產生40K beams，這種結合高能高重複率雷射搭配 DOE以加速加工，對臺灣製造業是很好的應用，值得我們善用借助 HiLASE 的能量開創新應用於臺灣產業。

應用驅動技術，抑或技術引領應用，各有實例以資見證，如電動車因近年各國推動淨零碳排，促使各車廠積極研發技術以實現商品化，然若去參觀賓士或保時捷博物館，即可發現早在 50 年前電動車就被發明，彼時是油車時代，雖有技術仍需等待時勢來臨，目前市場驅動應用加速技術，是為顯學，基此，本期大幅增加產業與市場文章，有別於往昔以技術為主，共輯錄有十一篇文章，包含「雷射綠智造築夢鋼構新思維」分享半導體起家的臺灣光罩如何嘗試以半導體的製造思維跨入鋼構生產領域，欲以智慧化、自動化及低碳排的新製造工法打造全新的建築鋼構生產體系，目前已在 H 型鋼構上取得初步產業驗證，並展開 H型鋼構雷銲智動化示範產線的建置，並有志使臺灣鋼構生產製造領域能有大面向的升級翻轉，藉此營造臺灣的綠色永續未來；隨著環境永續與關稅要求，「熱塑碳纖維複材之產業應用趨勢」分享熱固性和熱塑性兩種類型碳纖複合材料的各自特色，碳纖複材產業的應用及如何利用智慧製造達成節能減碳，創造高值產品。

電動車愈趨普及，耐高電壓的快速充電愈被期待，化合物半導體碳化矽即是熱門解方，然碳化矽極高之硬度為目前取得碳化矽基板的製造瓶頸，現業者採用鑽石線切割不僅材料損失大，且切割速度緩慢，使得基板製造成為當前碳化矽功率模組產品成本來源之大宗，「碳化矽 (SiC) 之雷射切片技術」介紹碳化矽晶錠分切成晶圓之雷射切片技術，闡述雷射改質碳化矽機制，並展示低料損及高品質之碳化矽雷射切片生產系統，為取得碳化矽基板，提供一高效、高速及低成本之解決方案；「超聲波輔助碳化矽單晶劈裂技術研究」則探討雷射預處理後，利用超聲波去輔助切割碳化矽的方法，並針對有限元素模擬的藍杰文超聲換能器振動模態、應力分佈以及設計進行介紹；立陶宛產高功率飛秒雷射源 (Femtosecond Laser)，因為穩定性高、速度快，在全球工業應用上具有舉足輕重的地位，在經濟部協助下，工研院攜手立陶宛雷射產業界於工研院南分院成立「超快雷射研發創新中心」，引進立國飛秒雷射源、關鍵光學零組件、設備及製程控制技術，「超快雷射加工技術與實驗場域介紹」介紹以立陶宛飛秒雷射源搭配工研院光學光路設計，達成的材料表面選擇性加工製程技術，包含應用於模具微深刻、雷射誘發週期性微結構生成與軟性印刷電路板銅箔雷射成型等；在半導體產業快速的成長、製程工藝不斷的進步下，先進封裝技術 TGV (Through Glass Via) 製程每次需要規劃的孔位數量也從數十萬點上升至百萬點，該如何在點數規模如此龐大下找到一有效最佳加工路徑儼然成為一大議題，「基因演算法應用於 TGV雷射加工路徑優化」將路徑規劃問題歸類於旅行業務員問題 (Traveling Salesman Problem, TSP)，納入雷射平台作動特性、加工時間、路徑長度，以三種常見的 TSP 演算法類型，進行分析、比較、模擬等，並展示基因演算法所取得的最佳路徑可節省 1 小時至 10 小時不等的加工時間，有效降低生產成本。

在自動駕駛與無人機應用領域，雷射光達扮演關鍵角色，其高精度的三維感測能力使得車輛和飛行器能夠實現更高程度的自主性，從而提高安全性和效率，「光達應用市場前線」分享光達從應用市場、技術及未來性，雷射光達有機會站在這波發展浪潮的前沿，為眾多應用領域提供嶄新機會，諸如自動駕駛、無人機、城市規劃、智慧城市、環境監測、自然災害預警、工業檢測、質量控制等領域；積層製造技術以其快速原型製造、高自由度客製化設計和多元材料使用的特性，成為製造業的一大革新，不僅實現快速原型製造，產品強度與緻密度更超過傳統鑄造元件，使成品直接應用為功能性零組件，突破過去原型展示的用途，並在車業、工業、醫療等產業廣泛應用，「金屬積層製造航太業創新應用及發展」介紹全球航太及衛星產業快速發展，更帶動知名企業與研發單位投入，積極推動金屬積層製造在航太的發展，並取得眾多成功的應用實績；「金屬 3D 列印於假牙之應用」介紹金屬積層製造在牙科領域的應用，透過金屬積層製造設備與軟體的開發及軟硬整合，可有效解決金屬積層製造於牙材應用的殘餘應力和變形，提供高度設計自由化特性，達成快速、低成本、客製化假牙製作，協助牙科行業有高品質醫療產品。

企業導入智慧製造的關注重點，在於提升員工生產力、優化設備運作效率以及打造智慧化與彈性的流程，「5G智慧製造案例解析與發展展望」分享具備大頻寬、廣連結及低時延三大特性的 5G行動通訊技術，若結合人工智慧、物聯網、大數據與雲端運算等技術，可望實現如邊緣運算、產線影像監控、AMR、AR/VR 遠端協作、設備預防維護等智慧製造應用，藉文中案例闡述更彰顯其效益；馬達在工業生產中扮演重要角色，透過振動量測技術評估馬達健康程度，已經是智慧化工廠常見的量測手段，然而在導入移動式振動方案時往往因為靈敏度需求必須於解析度與持久度之間取捨，無法同時兼顧高流量與低能耗，「移動式高靈敏振動感知自適性傳輸系統設計驗證」提出一訊息感知自適性節能機制，利用資料數據變異性，達到節省藍牙 (Bluetooth Low Energy, BLE)能耗之目的，以實現 BLE 運作時機最佳化，解決長時間進行馬達設備診斷與監測需求。

臺灣景氣尤其電子業，歷經 2021 年及 2022年的好榮景，2023 年雖因全球大環境，造成景氣顯著下行，然最近市場資訊預期 2024 年中過後，也有機會再現榮景，屆時產線勢必更加忙碌，未雨綢繆可多加參考本期文章的分享，無論雷射、積層製造、數位轉型、5G 通訊等市場脈動或技術發展，善加布局、深化技術及產線運用，將有助於機會的掌握，也期待烏俄、以阿衝突盡早結束，中美關係緩和，讓全球經濟穩健復甦，大家可以民生樂利！