Wo liegt die nächste Boomwelle in der Präzisionslaserbearbeitung?

Vor Kurzem kündigte Apple Inc. offiziell die Veröffentlichung des neuen iPhone 14 an und setzt damit seine Tradition fort, jährlich ein Update herauszubringen. Viele Nutzer waren überrascht, dass es bereits die 14. Generation des iPhones gibt. In China wurden innerhalb kürzester Zeit über eine Million Mal online Vorbestellungen getätigt. Das iPhone erfreut sich weiterhin großer Beliebtheit bei jungen Leuten.

Smartphones lösten die erste Nachfragewelle nach präziser Laserbearbeitung aus.

Vor über zehn Jahren, als Smartphones gerade auf den Markt kamen, steckte die industrielle Lasertechnologie noch in den Kinderschuhen. Faserlaser und Ultrakurzpulslaser waren auf dem chinesischen Markt noch Neuland, von Präzisionslaserbearbeitung ganz zu schweigen. Seit 2011 wird die Präzisionslasermarkierung im Niedrigpreissegment in China schrittweise eingesetzt. Damals wurden schwache Festkörperpulslaser (grün) und Ultraviolettlaser diskutiert. Mittlerweile finden Ultrakurzpulslaser zunehmend kommerzielle Anwendung, und die ultraschnelle Präzisionslaserbearbeitung ist in aller Munde.

Die breite Anwendung der Präzisionslaserbearbeitung wird maßgeblich durch die Smartphone-Entwicklung vorangetrieben. Die Produktion von Kameraschlössern, Fingerabdruckmodulen, Home-Tasten, Kameraaussparungen und das Zuschneiden von Handy-Displays mit unregelmäßigen Formen profitieren vom technologischen Durchbruch des ultraschnellen Laserpräzisionsschneidens. Das Geschäft der führenden chinesischen Hersteller von Präzisionslaserbearbeitungsanlagen basiert auf der Unterhaltungselektronik. Das heißt, der jüngste Boom in der Präzisionslaserbearbeitung wurde von der Unterhaltungselektronik, insbesondere von Smartphones und Displays, getragen.

Laserschneiden von Platten

Seit 2021 ist bei Konsumgütern wie Smartphones, Wearables und Displays ein rückläufiger Trend zu beobachten, was zu einer schwächeren Nachfrage nach Verarbeitungsanlagen für Unterhaltungselektronik und einem erhöhten Wachstumsdruck in diesem Bereich geführt hat. Kann das neue iPhone 14 also einen neuen Boom in der Verarbeitungstechnik auslösen? Angesichts der aktuellen Tendenz, dass die Kaufbereitschaft für neue Smartphones abnimmt, ist es jedoch nahezu sicher, dass Smartphones nicht zum neuen Wachstum der Marktnachfrage beitragen werden. 5G und faltbare Smartphones, die vor einigen Jahren noch beliebt waren, können lediglich einen teilweisen Lagerbestandsaustausch bewirken. Woher also kommt der nächste Nachfrageanstieg im Bereich der Präzisionslaserbearbeitung?

Der Aufstieg der chinesischen Halbleiter- und Chipindustrie

China ist eine wahre Werkbank der Welt. Im Jahr 2020 trug Chinas Fertigungsindustrie 28,5 % zur weltweiten Wertschöpfung bei. Gerade diese riesige chinesische Fertigungsindustrie birgt ein enormes Marktpotenzial für die Laserbearbeitung und -fertigung. Allerdings verfügt Chinas Fertigungsindustrie in ihrer Anfangsphase über eine geringe technologische Kompetenz, und die meisten Produkte sind im mittleren und unteren Preissegment angesiedelt. Im vergangenen Jahrzehnt wurden jedoch große Fortschritte in Bereichen wie Maschinenbau, Transportwesen, Energie, Schiffbau, Luft- und Raumfahrt sowie Fertigungsanlagen erzielt, darunter auch die Entwicklung von Lasern und Laseranlagen. Dadurch konnte der Abstand zum internationalen Standard deutlich verringert werden.

Laut Statistiken des Verbandes der Halbleiterindustrie ist Festlandchina der weltweit schnellste Fabrikbauer: 31 große Fabriken, die sich auf ausgereifte Prozesse konzentrieren, sollen bis Ende 2024 fertiggestellt sein. Diese Geschwindigkeit übertrifft die 19 Fabriken, die im gleichen Zeitraum in Taiwan, China, in Betrieb genommen werden sollen, sowie die 12 Fabriken, die in den Vereinigten Staaten erwartet werden, deutlich.

Vor Kurzem gab China bekannt, dass die Shanghaier Halbleiterindustrie den 14-nm-Chipprozess durchbrochen und eine gewisse Massenproduktion erreicht hat. Für einige der in Haushaltsgeräten, Automobilen und Kommunikationssystemen verwendeten Chips mit über 28 nm verfügt China über ausgereifte Produktionsprozesse und kann den Großteil des Inlandsbedarfs decken. Mit dem Inkrafttreten des US-amerikanischen CHIPS Act hat sich der Wettbewerb um Chiptechnologie zwischen China und den USA verschärft, was zu einem Angebotsüberschuss führen könnte. Im Jahr 2021 gingen Chinas Chipimporte deutlich zurück.

Laserbearbeiteter Chip

Der in der Halbleiterchip-Bearbeitung verwendete Laser

Wafer sind die Basismaterialien für Halbleiterprodukte und -chips und müssen nach dem Wachstumsprozess mechanisch poliert werden. Im späteren Verlauf ist das Waferschneiden, auch Wafervereinzelung genannt, von großer Bedeutung. Die frühe Technologie des Waferschneidens mit kurzgepulsten DPSS-Lasern wurde in Europa und den USA entwickelt und ist ausgereift. Mit steigender Leistung ultraschneller Laser wird deren Einsatz zukünftig zunehmend zum Standard werden, insbesondere bei Verfahren wie dem Waferschneiden, dem Mikrobohren und geschlossenen Betatests. Das Nachfragepotenzial für ultraschnelle Laseranlagen ist vergleichsweise hoch.

In China gibt es mittlerweile Hersteller von Präzisionslaseranlagen, die Wafer-Slotting-Anlagen für das Oberflächenschlitzen von 12-Zoll-Wafern im 28-nm-Prozess sowie Laser-Wafer-Crypto-Schneidanlagen für die Fertigung von MEMS-Sensorchips, Speicherchips und anderen High-End-Chips anbieten. Im Jahr 2020 entwickelte ein großes Laserunternehmen in Shenzhen eine Laser-Debonding-Anlage zur Trennung von Glas- und Siliziumscheiben, die zur Herstellung von High-End-Halbleiterchips eingesetzt werden kann.

Laserschneidchip-Wafer

Mitte 2022 präsentierte ein Laserunternehmen in Wuhan eine vollautomatische Anlage zur lasermodifizierten Oberflächenbearbeitung, die erfolgreich in der Chipindustrie eingesetzt wurde. Das Gerät nutzt einen hochpräzisen Femtosekundenlaser mit extrem niedriger Pulsenergie zur Oberflächenmodifizierung von Halbleitermaterialien im Mikrometerbereich und verbessert so die Leistung optoelektronischer Halbleiterbauelemente erheblich. Die Anlage eignet sich für die interne Modifikation von Waferchips mit schmalen Kanälen (≥ 20 µm) wie SiC, GaAs, LiTaO₃ und anderen, beispielsweise Siliziumchips, MEMS-Sensorchips und CMOS-Chips.

China arbeitet an der Lösung wichtiger technischer Probleme von Lithographiemaschinen, was die Nachfrage nach Excimerlasern und extremen Ultraviolettlasern im Zusammenhang mit dem Einsatz von Lithographiemaschinen ankurbeln wird. Allerdings gibt es in China bisher nur wenige Forschungen auf diesem Gebiet.

Präzisionslaserbearbeitungsköpfe für High-End-Produkte und Chips könnten der nächste große Trend werden.

Aufgrund der früheren Schwäche der chinesischen Halbleiterindustrie gab es nur wenige Forschungen und Anwendungen im Bereich laserbearbeiteter Chips, die zunächst in der Endmontage von Unterhaltungselektronikprodukten eingesetzt wurden. Zukünftig wird sich der Hauptmarkt für Präzisionslaserbearbeitung in China schrittweise von der Bearbeitung allgemeiner Elektronikbauteile hin zu vorgelagerten Materialien und Schlüsselkomponenten verlagern, insbesondere zur Herstellung von Halbleitermaterialien, biomedizinischen Materialien und Polymermaterialien.

In der Halbleiterindustrie werden immer mehr Laseranwendungen entwickelt. Für hochpräzise Chipprodukte ist die berührungslose optische Bearbeitung die geeignetste Methode. Angesichts der enormen Nachfrage nach Chips wird die Chipindustrie mit hoher Wahrscheinlichkeit auch in der nächsten Nachfragewelle nach Präzisionslaserbearbeitungsanlagen eine wichtige Rolle spielen.