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特域淺談:高功率超快鐳射設備,如何打開應用端市場
責任編輯:特域機電
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發表時間:2024-01-19

工業鐳射加工擁有三個最重要的特點:高效率、高精度、高品質。正是這三個特點,讓鐳射加工廣受各行業生產製造的歡迎,無論是在高功率金屬切削還是在中小功率微細加工,都比傳統的其他加工方式表現出巨大的優勢,因此過去十多年鐳射加工得到了快速的普及應用。

超快雷射器從完全進口到國產化

鐳射加工應用逐漸形成了分工,在大金屬件,有中高功率光纖鐳射的切割焊接,在一些精密產品加工需求,有超快鐳射的微加工。以皮秒雷射器(10-12秒)、飛秒雷射器(10-15秒)為代表的超快雷射器發展至今僅20年,真正商用才從2010年開始,逐漸進入到醫療和工業加工。與光纖雷射器一樣,超快雷射器在國內也是從零開始,是一些海歸人才回國帶回了技術,我國的工業用超快雷射器追溯至2012年才啟動,到2014年才有成熟的產品。此前在超快雷射器這個細分產品上,我國幾乎全部採購進口產品。

早期一臺進口的皮秒雷射器的成本需要幾百萬人民幣,直到2015年外國廠家技術相對成熟了,也要超過200萬人民幣。一臺超快鐳射精密切割設備售價超過400萬元,雷射器成本占比超過60%,高昂的應用成本阻礙了超快鐳射在我國的規模化應用。這種高精尖產品集中在美國、法國、德國、立陶宛等少數國家的企業手上。

自2015年後我國加快了超快雷射器國產化進程,產品技術快速取得突破,2017年我國已有十多家企業從事超快雷射器。當時在某鐳射展覽會上,很多國內品牌產品可以與外國產品同台競技,國產超快雷射器單價僅數十萬元,讓進口產品不得不適當降低售價。當時國產超快雷射器在3W-15W的小功率階段逐漸穩定並且推廣應用,而功率稍高的基本還是外國產品壟斷。

超快鐳射功率技術不斷創新高

在2018年,德國某知名鐳射研究所就宣佈正在攻關1000瓦的超快雷射器,一時間震驚全球,要知道當時超快雷射器的應用階段只到30瓦的水準,正在向50瓦邁進。而在2019年,Amplitude推出首臺300瓦工業級飛秒雷射器(500fs)。可見,在超快雷射器技術層面上,國內與外國先進水準存在較大的差距。實際上,近幾年在國內科研人員的努力下,國產超快鐳射技術取得巨大的進步:50W紫外皮秒雷射器成功研發,50W的飛秒雷射器逐漸成熟,2023年某北京公司推出了500W高功率紅外皮秒雷射器。如今我國的超快雷射器技術大大縮窄了與歐美先進水準的差距,僅在最大功率、穩定性、最小脈寬等關鍵性指標上仍然落後。

預估未來超快雷射器的技術發展,仍然是繼續推出更高功率,比如1000瓦的紅外皮秒、500瓦的飛秒雷射器等,在脈衝寬度上會繼續提升。隨著技術的突破,應用端的一些瓶頸也會被打破。

國內市場需求端趕不上雷射器產能發展

超快鐳射設備成本大幅下降,同時在手機電子、液晶面板、光伏等行業帶動下,超快雷射器迅速打開了應用端,特別是2018-2019年超快雷射器出貨量快速增加。據國內某機構初步統計,我國超快雷射器出貨量從 2015 年的 不到100臺快速增加到 2021 年的2400 臺,2020 年中國超快雷射器市場規模約為 27.4 億元。此外,超快雷射器市場規模的增速遠小於出貨量的增速,這是因為我國超快雷射器下游應用市場尚未完全打開,但國內外參與廠商數量較多,競爭激烈,使得超快雷射器陷入了產業發展怪圈:超快雷射器企業多,不斷融資擴產,產能嚴重過剩,應用端沒上批量,各家拼價格去搶奪市場份額,導致高精尖的超快雷射器售價大幅下降,二三十萬一臺雷射器也常見了,超快雷射器未如預期的大規模應用,主要是因為在很多應用端工藝不成熟,其次是主要應用端手機電子、面板等近三年不景氣,導致用戶不太敢擴產上超快鐳射產線。超快雷射器極短的脈衝讓其加工幾乎無熱量擴散,可提供可靠、高質量的精密“冷加工”,材料的微裂紋較少,能夠實現對敏感材料的高精度處理,也可以實現特殊材料的維納製備。

與肉眼可見的鈑金鐳射切割和燒焊不同,超快鐳射的加工能力在極短時間內完成,而這需要很多工藝的研究。目前,我們常說超快鐳射已成熟應用於手機全面屏切割、玻璃切割、OLED PET膜切割、FPC 軟板切割、PERC太陽能電池、晶圓切割、線路板打盲孔等領域。另外,在航空航太、軍工產品的特殊部件打孔、切割也尤為重要。

需要注意的是,可以宣稱超快雷射器適用很多領域,但是實際應用多少又是另一回事。在半導體材料、晶片、晶圓、PCB板、覆銅板、SMT等這些規模很大的產業上,幾乎沒看到超快鐳射的規模應用案例,這說明超快鐳射應用終端和工藝開發是滯後的,落後於雷射器技術的發展速度。

超快鐳射加工應用探索路途漫長

國內做精密鐳射設備的企業數量並不多,與做金屬鐳射切割企業數量相比,可能只有20分之一,規模普遍都不大,從晶片、PCB、面板等行業得到工藝開發的機會不足另外,那些終端應用產業原來有成熟的生產工藝,一些環節要轉為鐳射微加工,需要很多的試錯和論證,才能探索出新的可靠的工藝方案,同時也考慮設備成本問題,這個轉變過程並不容易。

在整板的玻璃切割加工可能是超快鐳射容易切入的一個細分,手機玻璃屏的鐳射切割迅速得到普及就是個成功案例,而其他產業的特殊材料部件、半成品要切入超快鐳射則需要更多時間探索。目前超快鐳射應用面還是偏窄,主要在非金屬材料切割方面,而在OLED/半導體等市場較為廣闊的領域應用極少,體現出我國超快鐳射加工技術整體水準還不高,這也意味著未來的發展空間是巨大的,預估在未來10年內超快鐳射加工將會逐步迎來應用爆發點。