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激光加工技術的發展趨勢

在過去的10年中,我國的激光制造已成為先進制造業中增長最快的領域之一,有意思的是,激光技術支持的經濟規模遠大于其自身的經濟規模。2010年美國研究報告指出,2009~2010年,美國電信、電子商務和信息技術的總價值為4萬億美元,其中激光器本身的價值僅為32億美元。

可見,了解一下激光加工技術的走勢十分有價值。




01

激光加工技術發展趨勢


激光加工技術是集機械、電氣、數控、光學及液壓等多領域結合的一門復雜系統,企業進入該領域的技術門檻較高,因此以英國、德國、美國為代表的發達國家,一直主導激光加工產業的發展方向。雖然我國進入該領域的起步較晚,但是隨著國家戰略“中國制造2025”的不斷實施,我國的激光設備廠家和科研機構奮發圖強,涌現出如華工科技、大族激光、團結激光等后起之秀,其產品和技術與國外激光設備的差距在不斷縮小。

據統計,2016年中國激光設備行業產量為5.58萬臺,到2021年中國激光設備行業產量增長到20.19萬臺,復合增長率高達29.33%。


圖片來源:大族激光

激光加工技術發展也是一個漫長與艱辛的過程,需要社會各方面的努力,未來激光加工技術會往以下幾個方面發展。


激光器小型化

激光器一直作為激光加工技術的核心部件,其大小將決定整個設備的大小。前期由于微電子技術和光學技術的限制,激光器體積比較龐大,占地也較大。隨著激光器新技術(如光纖技術、紫外技術等)的不斷進步和發展,一批具有轉換效率高、工作穩定性好、光束質量好、體積小的激光器被開發出來,從而為激光設備的小型化提供了良好的基礎。 


加工多能化

為適應市場的需求,激光設備廠家將不再追求單一的激光加工功能,而是開發集成切割、焊接、熱處理、噴涂中兩個或更多功能于一體的設備,為客戶實現設備價值的最大化。 


設備智能化

隨著互聯網技術的興起,設備智能化將是激光加工技術又一大趨勢。智能工廠將各種生產計劃、材料的加工數據上傳至企業云端,工程師們在辦公室內通過遠程終端遙控,發出作業指令,控制設備運行狀態,實現產品生產過程的數字化、自動化和信息化。


02

激光加工應用市場


激光加工技術應用廣泛,且在很多行業都已經很成熟,比如航空航天、新能源鋰電、光伏太陽能、顯示與半導體、PCB行業、電子信息行業、機械五金行業、家電廚衛行業、鈑金加工行業、包裝行業,以及電子煙行業等領域,對于提高勞動生產率、提高產品質量、實現自動化生產、保護環境、減少材料資源消耗、降低生產成本等起著十分重要的作用。


我國傳統的制造業正面臨深度的轉型升級,高附加值、高技術壁壘更的高端精密加工是其中的一個重要方向。隨著高精密加工需求的增加,相關的精密加工技術也隨著快速發展,其中激光技術在市場上獲得越來越多的認可。


激光加工技術按照加工材料的尺寸大小和加工的精度要求為三個層次:以中厚板為主的大型件材料激光加工技術,加工精度一般在毫米或者亞毫米級;以薄板為主的精密激光加工技術,其加工精度一般在十微米級;以厚度在100μm以下的各種薄膜為主的激光微細加工技術,其加工精度一般在十微米以下甚至亞微米級。


激光精密加工可分為四類應用,分別是精密切割、精密焊接、精密打孔和表面處理。在目前的技術發展與市場環境之下,激光切割、焊接的應用更為普及,3C電子、新能源電池則是當前應用最多的領域。



精密激光加工的批量應用,很大程度上得益于智能手機的推動。攝像頭玻片、指紋模組、HOME鍵、攝像頭盲孔、手機面板的異形切割等,都是得益于超快激光精密切割技術突破來實現。特別是國內主要的幾家激光精密加工設備商包括大族、盛雄激光、德龍激光等的精密加工業務都是來源于消費電子加工。可以說,上一輪的精密激光加工熱潮是由消費電子帶動的,特別是智能手機和顯示面板。

圖片
激光面板切割(圖片來源:華工激光)

由于以往我國半導體芯片產業薄弱,激光加工芯片的研究和應用偏少,而是首先在下游消費電子產品終端組裝得到了一些應用。未來我國的精密激光加工主要市場將會從一般電子零部件加工逐漸往上游材料和核心元件移動,尤其是半導體材料、生物醫療、高分子聚合物材料等制備。


半導體芯片產業的激光應用工藝將會越來越多被發明出來,對于高精密的芯片產品,非接觸的光加工是最合適的方式。憑著龐大的需求量,芯片產業極有可能將會托起下一輪精密激光加工設備的需求熱潮。


圖片
激光切割作業(圖片來源:央視財經)

晶圓是半導體產品與芯片的基礎材料,晶圓生長后需要經過機械拋光,后期尤為重要的是晶圓切割加工,也叫晶圓劃片。早期短脈沖DPSS激光器切割晶圓技術已經在歐洲、美國發展成熟。隨著超快激光器的快速發展和功率提升,超快激光切割晶圓未來將會逐漸成為主流,特別在晶圓切割、微鉆孔、封測等工序上,設備需求潛力較大。

目前國內已經有精密激光設備廠家能夠提供晶圓開槽設備,可應用于28nm制程以下12寸晶圓的表面開槽,以及激光晶圓隱切設備應用于MEMS傳感器芯片,存儲芯片等高端芯片制造領域。在2020年深圳某大型激光企業已經研發出激光解鍵合設備,實現玻璃片和硅片分離,可用于高端半導體芯片應用。

圖片
芯片晶圓激光切割(圖片來源:迅鐳激光)

2022年中,武漢某激光企業推出行業首款全自動激光改質切割設備,成功應用于芯片領域的激光表面處理。該設備采用高精度飛秒激光,使用極低脈沖能量,針對半導體材料表面進行微米范圍內的激光改質處理,從而極大改善半導體光電器件的性能。適用于高成本、窄溝道(≥20μm)化合物半導體SiC、GaAs、LiTaO3等晶圓芯片的內部改質切割,如硅芯片、MEMS傳感器芯片、CMOS芯片等。


我國正在攻關光刻機設備關鍵技術,將會帶動光刻機涉及用到的準分子激光器、極紫外激光器的需求,而此前我國在這方面幾乎空白。



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