Gdzie nastąpi kolejna runda boomu w precyzyjnej obróbce laserowej?

Niedawno Apple Inc. oficjalnie ogłosiła wydanie nowej generacji iPhone'a 14, zachowując przyzwyczajenie jednej aktualizacji rocznie. Wielu użytkowników jest zszokowanych faktem, że „iPhone osiągnął 14. generację”. Szybko zdobyła ponad milion rezerwacji online na rynku chińskim. iPhone nadal cieszy się popularnością wśród młodych ludzi.

Smartfony zapoczątkowały pierwszą rundę popytu na precyzyjną obróbkę laserową

Ponad dekadę temu, gdy smartfony dopiero wchodziły na rynek, technologia przemysłowej obróbki laserowej znajdowała się jeszcze na niskim poziomie. Laser światłowodowy i ultraszybki laser były nowością na rynku chińskim, nie wspominając o precyzyjnej obróbce laserowej. Od 2011 roku w Chinach stopniowo zaczęto stosować mało zaawansowane, precyzyjne znakowanie laserowe. W tamtym czasie omawiano także lasery impulsowe zielone o małej mocy i lasery ultrafioletowe. Obecnie ultrakrótkie lasery są stopniowo wykorzystywane w celach komercyjnych, mówi się też o ultrakrótkiej, precyzyjnej obróbce laserowej.

Masowe zastosowanie precyzyjnej obróbki laserowej jest w dużej mierze spowodowane rozwojem smartfonów. Produkcja slajdów do aparatów fotograficznych, modułów odcisków palców, przycisków HOME, otworów do aparatów fotograficznych oraz wycinanie nieregularnych kształtów paneli telefonów komórkowych itp. — wszystkie te procesy korzystają z przełomowej technologii ultraszybkiego, precyzyjnego cięcia laserowego. Głównym obszarem działalności chińskich producentów urządzeń do precyzyjnej obróbki laserowej jest elektronika użytkowa. Innymi słowy, ostatnią falę boomu w dziedzinie precyzyjnej obróbki laserowej napędza elektronika użytkowa, szczególnie smartfony i panele wyświetlaczy.

Cięcie paneli laserem

Od 2021 r. sprzedaż produktów konsumenckich, takich jak smartfony, opaski na rękę i panele wyświetlacza, wykazuje tendencję spadkową, co skutkuje słabszym popytem na sprzęt do przetwarzania elektroniki użytkowej i większą presją na jego rozwój. Czy zatem nowy iPhone 14 może zapoczątkować nową falę boomu w przetwórstwie? Sądząc jednak po obecnym trendzie, który pokazuje, że ludzie są mniej skłonni do zakupu nowych telefonów, jest niemal pewne, że smartfony nie przyczynią się do wzrostu popytu rynkowego. Technologia 5G i składane telefony, które były popularne kilka lat temu, mogą oznaczać jedynie częściową wymianę części standardowych modeli. Gdzie zatem może nastąpić kolejny wzrost popytu na precyzyjną obróbkę laserową?

Rozwój chińskiego przemysłu półprzewodników i układów scalonych

Chiny są prawdziwą światową fabryką. W 2020 roku wartość dodana chińskiego przemysłu wytwórczego stanowiła 28,5% światowego udziału. To właśnie ogromny chiński przemysł wytwórczy stwarza ogromny potencjał rynkowy dla obróbki laserowej i wytwarzania. Jednakże chiński przemysł wytwórczy charakteryzuje się słabym zapleczem technicznym na wczesnym etapie, a większość z nich to gałęzie przemysłu średniej i niskiej klasy. W ciągu ostatniej dekady byliśmy świadkami ogromnego postępu w dziedzinie maszyn, transportu, energetyki, inżynierii morskiej, lotnictwa i kosmonautyki, sprzętu produkcyjnego itp., w tym rozwoju laserów i sprzętu laserowego, co w znacznym stopniu zmniejszyło dystans do zaawansowanego poziomu międzynarodowego.

Według statystyk Semiconductor Industry Association, Chiny kontynentalne są najszybszym na świecie producentem fabryk. Oczekuje się, że do końca 2024 r. powstanie 31 dużych fabryk skupiających się na dojrzałych procesach. Tempo ich powstawania znacznie przekracza 19 fabryk, których uruchomienie zaplanowano na ten sam okres na Tajwanie w Chinach, a także 12 fabryk spodziewanych w Stanach Zjednoczonych.

Niedawno Chiny ogłosiły, że szanghajski przemysł układów scalonych przełamał barierę 14 nm w procesie produkcji układów scalonych i osiągnął skalę produkcji masowej. W przypadku niektórych układów scalonych o procesie technologicznym powyżej 28 nm, stosowanych w sprzęcie AGD, samochodach i środkach komunikacji, Chiny mogą pochwalić się wyjątkowo dojrzałym procesem produkcyjnym i doskonale zaspokajać ogólne zapotrzebowanie na większość układów scalonych. Wraz z wprowadzeniem USA Zgodnie z ustawą CHIPS konkurencja w dziedzinie technologii układów scalonych między Chinami a Stanami Zjednoczonymi jest bardziej intensywna, może wystąpić nadwyżka podaży. 2021  zaobserwowano znaczący spadek importu chipów do Chin.

Chip obrobiony laserowo

Laser stosowany w obróbce układów półprzewodnikowych

Płytki są podstawowymi materiałami do produkcji układów scalonych i półprzewodników, które po uformowaniu wymagają mechanicznego polerowania. Na późniejszym etapie bardzo istotne jest cięcie wafli, zwane także kostkowaniem. Pierwsza technologia cięcia płytek półprzewodnikowych laserem DPSS za pomocą krótkich impulsów została opracowana i udoskonalona w Europie i Stanach Zjednoczonych. W miarę jak moc ultrakrótkich laserów będzie wzrastać, ich zastosowanie stopniowo stanie się powszechne w przyszłości, szczególnie w takich procedurach jak cięcie płytek, mikrowiercenie otworów, zamknięte testy beta. Potencjał popytu na ultrakrótkie urządzenia laserowe jest stosunkowo duży.

Obecnie w Chinach działają producenci precyzyjnego sprzętu laserowego, którzy mogą dostarczać urządzenia do nacinania płytek półprzewodnikowych, stosowane do nacinania powierzchni 12-calowych płytek w procesie technologicznym 28 nm, a także urządzenia do kryptograficznego cięcia płytek półprzewodnikowych stosowane w produkcji układów czujników MEMS, układów pamięci i innych zaawansowanych technologicznie obszarów produkcji układów scalonych. W 2020 roku duże przedsiębiorstwo laserowe w Shenzhen opracowało sprzęt do laserowego oddzielania warstw szkła i krzemu. Sprzęt ten może być wykorzystywany do produkcji wysokiej klasy układów scalonych półprzewodnikowych.

Wafel z chipem tnącym laserowo

W połowie 2022 roku przedsiębiorstwo zajmujące się laserami w Wuhan zaprezentowało w pełni zautomatyzowany sprzęt do cięcia laserowego, który z powodzeniem został zastosowany do laserowej obróbki powierzchni w obszarze układów scalonych. Urządzenie wykorzystuje wysoce precyzyjny laser femtosekundowy i wyjątkowo niską energię impulsu, aby przeprowadzać modyfikację laserową powierzchni materiałów półprzewodnikowych w zakresie mikronów, co znacznie poprawia wydajność półprzewodnikowych urządzeń optoelektronicznych. Sprzęt nadaje się do kosztownego, wąskokanałowego (≥20um) cięcia modyfikacji wewnętrznych półprzewodników złożonych SiC, GaAs, LiTaO3 i innych układów scalonych, takich jak układy krzemowe, układy czujników MEMS, układy CMOS itp. 

Chiny zmagają się z kluczowymi problemami technicznymi maszyn litograficznych, co zwiększy popyt na lasery excimerowe i lasery w zakresie ekstremalnego ultrafioletu, związane z wykorzystaniem maszyn litograficznych; jednak dotychczas w Chinach prowadzono niewiele badań w tej dziedzinie.

Precyzyjne głowice do obróbki laserowej dla zaawansowanych układów scalonych mogą stać się kolejną falą szaleństwa

Z powodu wcześniejszej słabości chińskiego przemysłu półprzewodnikowego, niewiele prowadzono badań i nie znaleziono zastosowań dla układów scalonych do obróbki laserowej, które początkowo wykorzystywano w montażu końcowym produktów elektroniki użytkowej. W przyszłości główny rynek precyzyjnej obróbki laserowej w Chinach będzie się stopniowo przesuwał z obróbki ogólnych części elektronicznych w kierunku obróbki materiałów i kluczowych komponentów, w szczególności przygotowywania materiałów półprzewodnikowych, biomedycznych i polimerowych.

Coraz więcej procesów zastosowania laserów w przemyśle układów scalonych będzie rozwijanych. W przypadku produktów chipowych o wysokiej precyzji najbardziej odpowiednią metodą jest bezkontaktowe przetwarzanie optyczne. Biorąc pod uwagę ogromny popyt na układy scalone, przemysł zajmujący się ich produkcją najprawdopodobniej przyczyni się do kolejnego wzrostu popytu na precyzyjny sprzęt do obróbki laserowej.