｜應用於LED陶瓷基板高速鑽孔之皮奈秒光纖雷射技術

摘要：本文介紹高速陶瓷雷射鑽孔用之皮奈秒脈衝雷射技術，內容包含輸出原理、系統架構、系統測試及應用於陶瓷鑽孔之製程結果。相較於目前商用皮秒雷射源與奈秒雷射源，皮奈秒脈衝雷射源兼具較高材料加工效果與經濟實惠的建置成本。

Abstract: In this paper, the picosecond/nanosecond dual pulse mode fiber laser source is disclosed, including its fundamental principle, the optical structure, the characteristic output performances, and the application of laser drilling process for high power LED ceramic substrate. The picosecond/nanosecond dual pulse mode fiber laser source is cost-effective with better throughput when compared to commercial picosecond or nanosecond single pulse mode fiber laser.

關鍵詞：雷射鑽孔、陶瓷、皮奈秒

Keywords：Laser drilling, Ceramic, Picosecond/Nanosecond

前言
台灣具有完整的LED產業供應鏈，可分為LED磊晶（EPI）、LED晶粒製程（Chip Process）、LED晶體封裝（Package）與應用（Application）。2013年台灣LED產業由照明及背光兩大應用引領成長，身為全球LED產業的生產重鎮，預期台灣LED元件及照明應用產值將超越52億美金，僅次於日本，產量更位居世界第一並佔全球1/4市場。然而自2011年LED產業快速擴張，近兩三年產業呈現嚴重虧損狀態，台灣中小型廠商已難在量、價上存有競爭優勢，必須尋找利基型市場，力求轉型。而這風波同時也吹向中國大陸，過去大陸仰賴政府補助，但在補助縮減下，部分廠商也傳出經營不善的警訊。美國能源部曾預估2015年LED照明將大幅成長，以價格而言，低瓦數燈具價差已和傳統燈源相差僅1.5倍，低瓦數球泡燈在大陸價差更低，以飛利浦（Philips） 3至5瓦球泡燈價格約29元人民幣，價差低於1倍。而在台灣市場，高瓦數的球泡燈價格快速下降，飛利浦9.5瓦LED球泡燈網路售價約新台幣248元，1顆23瓦省電燈泡也要145元，價差快速下滑，以降價20 %的幅度計算，2014年底可低於新台幣200元，到2015年就有機會可與省電燈泡競爭，這也是各大廠商積極準備產能的主因。但在產能擴張下，預料2014年供過於求將加劇，產業將持續進行整合。2013年初CREE公司在美國推出超低價高瓦數球泡燈僅12.97美元，9.5瓦LED球泡燈取代了60瓦白熾燈泡，爾後飛利浦、歐司朗在各國紛紛推出超低價球泡燈，期待藉此打開室內照明市場。

為了滿足高瓦數LED球泡燈的散熱需求，LED陶瓷基板的製作技術也隨之快速演進，由早期的高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired ceramic, HTCC）演進為低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired ceramic, LTCC）、直接敷銅陶瓷基板（Direct Bonded Copper, DBC）、直接鍍銅基板（Direct Plate Copper, DPC），不論是哪一種陶瓷基板，都會製作通孔來達到更佳的熱導通率，因此產生陶瓷鑽孔技術需求。早期陶瓷鑽孔皆採用機械鑽孔方式，但機械鑽孔有其缺點，例如孔徑限制、接觸式加工造成結構缺陷、需冷卻水、刀具磨損需更換…等問題，因此雷射鑽孔技術開始被討論應用於陶瓷材料上。由於陶瓷材料對IR波段雷射的吸收率低，業界一般是用UV雷射進行鑽孔，但也是有加工速度過低的問題待克服。目前工研院積層製造與雷射應用中心自行開發皮奈秒雷射源，鑽孔速度可達UV雷射10倍以上，且其建置成本與UV雷射差異不大，十分適合應用在台灣LED產業。