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通快、华工激光、华日、Edgewave、自贸激光,为你解读5G时代激光产业机遇!
材料来源:激光界订阅           录入时间:2020/7/31 21:02:30

2020年初爆发的一场新冠疫情无疑让全球制造业面临了巨大的冲击,随着5G信息化时代的持续推进,激光行业将如何拥抱新机遇和谋求新发展?传统制造业如何应对5G产业发展的转型与突破?5G时代,企业有哪些创新的战略部署和规划……本期中,我们邀请了几家相关的企业畅谈5G时代,激光产业面临的机遇和挑战。

一、借市场东风5G驶入发展快车道

2020年是5G大步发展的一年,全国各地5G基站建设如火如荼,通信设备和手机产业链成为最受关注的两大方面。在更快、更精、更小、更智能、非标制造等精细加工的需求推进下,激光智造、精密加工等技术在5G 生态下展现出新的发展空间和前景;而随着近几年高功率皮秒、飞秒激光和光纤超快激光技术的突破和商业化,5G市场的持续发酵也大大带动了以超快激光器为引领的光源技术的发展新热潮。

“毋庸置疑,中国是全球最大的5G市场。以手机为代表的消费电子,我们认为它依然是5G时代的超级入口之一。”通快(中国)激光技术部销售总监李荣正一语中的。十年前,3G切换到4G,带动了手机的飞速发展,如今5G也势必会掀起新一轮的技术和应用风潮。在他看来,手机的尺寸不可能做到很大,但消费者对其功能上的要求愈发严苛,从而催促手机厂商必须在材料和工艺上下足功夫,不断创新突破。

“5G浪潮恰逢柔性显示的崛起,可折叠、可卷曲的电子设备也将逐步融入日常生活。5G+柔性显示对超高频信号的传输及超高分辨率显示提出极为严苛的需求。”由于传统的高分子及金属材料的传输损耗已逐步无法满足商用要求,越来越多基于玻璃及液晶向材料的元器件将应用于消费类电子产品中。“材料不一样,传统的一些加工方式无疑也不合适。”这就回到“冷加工”——超短脉冲激光的话题上了,因为超短脉冲激光对于精密切割、微孔加工及混合材料焊接彰显明显的优势。“而在这一领域很多新应用不断推陈出新,都是通快较为擅长的。”譬如,柔性屏/折叠屏用的是超薄型透明材料,采用通快激光器切割几乎不会产生裂纹或损耗。通快的高功率超快激光器,能够做到极高的稳定性和工业量产级别。

“由于疫情影响,中国政府加大新基建投入力度,5G是新基建最重要的项目之一。”Edgewave GmbH中国市场负责人,高级工程师李德丰说道。5G技术由于其数据带宽极大提高,在设备的设计中对电磁兼容性的要求非常高,金属材料对高频信号产生屏蔽和干扰,譬如在手机中,之前的金属边框和金属盖板,很可能会引起干扰,手机使用金属边框做天线,导致手握时直接丢失信号。“因此5G时代,手机的结构材料很可能会全部采用陶瓷和玻璃材料,甚至出现全玻璃手机,以目前最新的手机设计来看,陶瓷边框玻璃盖板已得到广泛应用。”

诚然,5G技术推动半导体器件和封装技术发展,并对玻璃加工精度提出更高的要求。5G元器件和封装密度越来越高,传统玻璃加工难以同时兼顾精度和效率,而超快激光加工解决了效率,精度和复杂结构加工的问题,成为5G时代玻璃加工的 最佳选择。据他介绍,超快激光在5G方面的应用涵盖以下几方面:1)玻璃打标,打孔,切割;2)陶瓷切割,打孔;3)5G天线制作(LCP&MPI加工);4)FPC 切割,打孔,开槽;5)电池加工,电池极耳用高功率皮秒激光切割,其挂渣比使用光纤激光器切割减少一半,极大提高电池的加工品质;6)玻璃焊接。

在武汉华⽇精密激光股份有限公司副总经理刘振林看来,近年来超快激光器以其在精密加工中的限制加工优势,在5G产业链中的精密打标、玻璃切割、FPC切割及芯片加工等领域被广泛应用。超快激光微纳加工可以精密加工多种玻璃、金属等材料,实现特殊结构和特定的光、电、机械等性能。“可以说,超快激光技术在一定程度上降低了制造流程对材料的依赖度,拓宽了被加工材料的种类,并彰显冷加工致材料无磨损可变形等优点。”同时,2018年以来,超快激光技术实现飞跃式发展,输出功率和稳定性等性能指标不断提升,价格亦持续降低。2019年,华日中高功率皮秒激光器率先标准化量产交付,飞秒激光器也从研发阶段进入工厂实用阶段。

“当前,中国5G技术位居世界竞争前列,在保持技术领先的前提下,有效降低成本是中国5G市场保持竞争优势的最有效手段。”目前基站建设和设备制造领域中,超快激光已广泛应用于芯片加工,玻璃切割和电子电路制程,推动超快激光成为提升5G产业链生产效率,降低生产成本不可或缺的技术手段。“因此,即将到来的5G时代,将会成为带动中国超快激光生产企业的风口。”

“5G大规模商用将会带来包括LCP天线材料、高频PCB基材、电磁屏蔽复合材料、玻璃和陶瓷等众多材料加工的新需求。”青岛自贸激光科技有限公司激光器事业部部长李德荣娓娓道来。超快激光器作为一种精密加工制造工具,和上述材料更快、更精、更小等精细加工需求无疑是非常契合的。他表示,随着5G市场的持续发酵和需求的推动,各种参数类型的超快激光器,包括高功率、高能量、近红外、绿光、紫外的皮秒和飞秒激光器都有望找到适合其自身的应用场景,从而真正开启超快激光器的大规模工业化应用。“这也是超快激光器厂商、超快激光设备集成商、以及上游元器件供应商翘首期盼的机遇。”

武汉华工激光工程有限责任公司总经理邓家科指出,凭借高可靠、低时延、广覆盖、大连接等特点,5G技术在智能终端和智慧城市中将发挥重要作用,并进一步助推产业生态变革发展。“在智能终端领域,随着5G时代的到来,电子器件对信号传输的要求越来越高,为规避传统金属材料对信号传输稳定性的影响,脆性材料逐渐成为5G电子器件的新宠。”保障脆性材料加工品质,超快激光可提供高效解决方案;且相对于传统CNC加工工艺,超快激光加工可节约人工成本、提升加工效率、改善加工环境,整体成本降低近40%。

此外据他介绍,在5G接收端天线版块,包括苹果、华为、OPPO、VIVO等在内的终端品牌商均已投入相关研发和生产;技术方面,接收端FPC部分呈现层数更多、精度更高、产品厚度更薄、产品尺寸更小等特点,相应生产制程也发生了显著变化。“市场和产品的变革,也对激光装备企业的激光器选型、能量控制稳定性、新工艺研发水平等提出更严苛的要求。”

而在汽车行业,以5G技术为依托,自动驾驶技术的提出对汽车的使用市场、未来发展带来无限想象空间。“当前,丰田与 NTT、高通和 LG、PSA 与爱立信等巨头均已在5G方面进行测试和研究,从核心部件到整车生产加工,激光应用可谓无处不在。”

二、共克时艰 转“危”为“机”

2019年至今,全球制造业跌宕起伏,价格战肆虐,知识产权维权运动迫在眉睫,中美贸易战的余波依然挥之不去,2020年初一场席卷全球的新冠疫情更是让所有一切变得雪上加霜。身处种种内忧外患,激光业界同仁更需携手并进,共同营造公平、健康和可持续发展的市场环境;而专注于产品的质量、性能和服务,规避参与恶性竞争更是当务之急。对于传统制造业而言,他们又该如何实现5G产业发展的转型与突破?

“我们认为,国内激光器价格战已接近尾声。显然,各家企业都意识到通过不断降价抢占市场份额的行为是不可持续的。不健康的恶性价格战迟早要停摆,市场所呼唤的是良性竞争。”李荣正坦诚道。从另一方面来说,大家的利润空间被挤压也不全然是坏事儿,比如这有助于降低激光加工成本,让更多的激光设备能渗透至更多领域。同时倒逼活下来的,或者说成功的企业降成本,让其成本更具竞争力。“大浪淘沙,留下来的终将是强者。”

李德丰指出,2019年中美贸易冲突开始,既是挑战,又是机遇。以往超快激光的应用大户主要是类似苹果这样的品牌,他们对设备价格关注较少,主要重视设备品种,因而会大量使用国外的品牌激光器。“倘若类似苹果用户减少,国内企业便会跟上,而国内企业追求性价比高的设备,随着国产激光器技术升级,品种改善,会陆续取代部分国外激光器市场。”

刘振林表示,美国工业安全部5月15日宣布新规:要求所有使用美国技术设计的芯片向华为出口时,必须获得美国政府的出口许可证,同时台积电在美国设厂。该决定对于以华为为代表的中国5G供应商是一个不小的挑战。“在商言商,首先中国企业必须遵守世界游戏规则,在WTO规则框架和商业道德范畴下谋求一个纯商业竞争环境。”面对已经发生的现状,作为5G领域关键技术之一,中国超快激光企业唯有加快产业链整合,避免关键技术“卡脖子”,对5G领域接下来可能的独立自主研发做足准备方是上策。“华日激光作为十三五超快激光专项的牵头单位,自2016年起便着眼于国内超快激光产业链的整合,目前已实现保偏光纤、种子源等关键核心部件的国产化。”

此外,他指出,针对超快激光领域,尤其是高端超快激光器领域,本次疫情也可能成为一个机遇。“以华日激光为代表的国产激光器,最大的竞争对手均为海外品牌。然而疫情期间,海外同行产能不足,物流不畅,反而成为中国超快激光器得以在原来海外品牌占据的市场上进行开拓试用。”可以说,这也是国产超快激光器证明其实力的一次转“危”为“机”的契机。

在李德荣看来,国内近几年快速涌现出一批超快激光器企业,给整个行业注入了更多的新鲜血液和活力,当然也带来了更激烈的竞争。现今国内的超快激光器产品确实存在部分同质化现象,厂商之间也存在一些恶性的价格战。他表示,目前超快激光在整个激光器行业中的份额还非常小,除了争夺现有的市场份额外,更多的精力还是应当放在提升产品性能,以及进一步做大产业蛋糕上。

“从产品性能上看,我们和国外的通快、相干、Light Conversion等公司的产品仍有一定的差距,超快激光器所需的锁模芯片、啁啾光纤Bragg光栅、啁啾体Bragg光栅、大芯径保偏掺杂光纤等核心器件依然受制于人,这些都亟需同行之间保持良性竞争和交流,上下游厂家通力合作,突破技术瓶颈。”随着5G、新能源新材料、医疗大健康等众多产业的蓬勃发展,超快激光器的应用领域亦会愈发广阔,更多细分领域有待深入挖掘,任何一个领域的突破性进展,都有可能让一个公司获得爆发式的增长。“鉴于此,各家企业更重要的是针对自身条件,进行差异化定位,在各自擅长的细分领域深入耕耘,打造核心竞争优势。”

三、紧贴前沿趋势 加速技术创新

从光源角度看,为更好地契合5G市场的新应用需求,超快激光器未来几年将呈现哪些新的技术方向、发展趋势和市场热点?

李荣正表示,从激光光源的角度而言,首先是用于激光加工的激光器。“以5G天线关键材料之一的 LCP(Liquid Crystal Polymer,液晶聚合物) 为例,三年前大家还鲜少知道这种新材料,这就要求激光器厂商必须做好技术积累,来快速应对未来可预见的新材料加工需求,比如更高的功率、更高的重复频率、更短的脉冲、更短的波长。”自2013年通快推出第一台飞秒激光器起,此后就一直在有条不紊地布局,现已有2个超短脉冲产品系列和3个短脉冲产品系列。

(经过工业量产验证的 TruMicro 系列短与超短脉冲激光器 【图源:通快】)

“除了消费电子,5G还将加速新能源、智能网联汽车以及车路协同项目的开展,而这些新的功能需求是通过不同的电路板设计,搭配芯片实现的。”他补充道。因此,在汽车电子领域铜及其合金的应用会大大增加。与能量吸收率低且容易产生飞溅物的近红外激光器相比,铜对绿光波长激光器的能量吸收率很高,通快基于碟片的独特技术优势开发出了绿光激光器。“目前我们在汽车电子行业广泛应用的 TruDisk Pulse 421 长脉宽绿光激光器,具有高达 4kW 的脉冲峰值功率,可实现快速高效的焊接过程,并能完美加工对温度很敏感的电子元件,大大惠及电子行业。”

另外,他强调需要考虑的是中国市场的特殊性。对比10年前的红外皮秒激光器,如今的超快激光器价格下跌幅度很大。如何优化成本,在严酷的环境中生存下来,同时具备稳定优异的产品质量,是每家激光器制造商必须思考的问题。

其次是用于传感器的激光器。5G具有小于1ms时延和大于10Gbps的传输速率的特征,这种高速的数据通讯让智能手机、无人驾驶等成为可能。车辆远程环境感知、信息交互和协同控制等关键技术中有一个核心部件是垂直腔面发射激光器(VCSEL),该技术已经发展了40年,愈发趋于成熟。2019年4月,通快完成了对飞利浦光子学业务的收购,扩展了公司在VCSEL领域的布局。

李德丰介绍道,超快激光器主要围绕“三高一短”的方向发展。“三高”是指高功率、高单脉冲能量和高频率。功率从当前的几十瓦,百瓦水平不断向未来的千瓦,万瓦目标进取。单脉冲能量从微焦,到毫焦再向焦耳级别发展。频率则从现在KHz 到MHz 再迈向GMz。“一短”意指短波长。目标是从红外波长到绿光,紫外,再往深紫外方向发展。

李德荣指出,从技术发展方向来看,更高的平均功率(千瓦级)、更大的脉冲能量(毫焦级)向来是超快激光器用于大规模工业加工所需要的。前者意味着更高的加工效率,后者则表示更强的加工能力;更窄的脉冲宽度(百飞秒以下)将帮助材料加工过程热效应的进一步降低,非线性光谱展宽和脉冲压缩是技术突破的方向之一。“从应用需求来看,紫外飞秒激光器在柔性材料加工方面独具优势,可能会成为市场的热点。”此外,随着业内对材料精细加工工艺的深入理解,用户将对超快激光器脉冲控制提出更多定制化要求,拥有多种模式的脉冲串编辑功能将成为超快激光器的标准配置。

四、打通产业链

另外,针对5G发展中的核心技术例如芯片、激光器、模块、设备和网络体系,也需要5G产业链上的企业通力协作。在李德丰看来,这个问题可以借鉴激光切割机的发展形式。十几年前,一台大功率激光切割机价格约为几百万人民币,彼时中国市场一年的销量也仅有几百台(包含进口和国产)。“如今,随着激光器、切割机床、切割头技术、控制技术的快速、融合发展,当前激光切割机的年销量已冲破几万台。”鉴于此,5G的发展模式也类似,产业链上的各家制造商要做好芯片、激光器和设备的同步有机发展,倘若中间任何一个环节出现问题都会影响5G整体应用。

李荣正表示,5G网络建设中还有一块不可忽视的领域是新基站的建设。最新的消息显示预计年底全国5G基站数将超过60万个。通常来说,5G设备的机柜、机箱和内部结构件、支撑件构成钣金5G配套件的完整链条。“由于5G设备所用的电器件集成度越来越高,安装精度较高,外观要求也愈发精致,从而对钣金件的要求也越来越高。”以5G天线反射板为例:基站天线是由多个复杂的0.8mm~3.0mm铝板工件组装而成,工件上有各种密密麻麻的异形孔和成型加工。“这些高精度、高难度、高质量的产品加工要求,对激光加工装备厂商提出了严峻的挑战。而在这些领域,通快机床都能完美匹配。”

五、积极布局未来

“为迎接5G 产业发展,Edgewave 红外皮秒激光器单脉冲能量已达到2000uj,功率已到500W,尤其适合诸如玻璃切割,毛化等5G应用。”李德丰说道。Edgewave的发展重点是大功率紫外皮秒激光器和飞秒激光器。当前5G 紫外皮秒FPC 切割,激光功率从以往15W 提升到现今的主流功率30W, 公司已经有50W 紫外皮秒激光器在产线运行,紫外皮秒不但适合FPC 切割和打孔,并且也在5G 天线LPC 和MPI 材料加工、偏光片切割,以及OLED 切割等加工领域大放异彩。“受5G 高频特性影响,今后5G手机采用玻璃结构,玻璃焊接和封装对飞秒激光器将提出更多严苛的新要求。”

(Edgewave 研发的超快系列激光器)

刘振林表示 ,华日激光作为中国最早进入超快激光领域的企业之一,多年来一直致力于超快激光技术的发展,2013-2019年围绕国际高端消费电子品牌制造产业链突破,在外观结构件加工、PCB加工、显示面板及IC半导体领域都有所涉及,积累了丰富的经验。“2019年,华日全系列皮秒激光器率先实现标准化量产,飞秒激光器拥有多个‘卡脖子’关键核心技术,保证了量产交付能力。”接下来,华日激光将聚焦于毫焦级脉冲能量超快激光器的研发,以拓展超快激光在厚玻璃、难加工金属领域中的应用。

据李德荣介绍,青岛自贸激光的超快激光技术来源于武汉虹拓新技术有限责任公司,自贸激光长期专注于光纤飞秒激光器的研发及其应用,已经形成了从飞秒种子源到高功率飞秒激光器的系列化产品,并且建立了功能完备的工艺验证平台。“针对光纤飞秒激光器的技术优势,公司在玻璃和柔性材料加工等核心领域进行了规划,重点开发玻璃切割焊接、FPC、PI膜切割钻孔所需的飞秒激光器和激光加工工艺,希望携手客户、供应商以及竞争对手建立长期友好的合作关系。”他说道。

“保持对技术的高度专注、对市场的精准把控,华工激光将持续在5G基站通讯、信号传输、移动终端、新基建轨道交通、工业互联网、人工智能等领域为合作伙伴们提供专业解决方案。”邓家科悉数道。他强调,面对日益智能化、智慧化的生产生活环境,华工激光依托全产业链布局,为客户提供先进激光装备及智能制造解决方案。围绕技术创新和产品创新,面向高端制造,公司将在现有激光工艺技术研发基础上,持续加强对软件研发、视觉识别、系统化解决方案的整体创新能力,积极研究人工智能、大数据与装备的融合;面向不同市场,形成更多丰富多样的解决方案,打造更具针对性的系列产品。“同时,围绕‘装备智能化、制造服务化、运营数字化’,我们致力为越来越多的中国制造标杆企业服务,满足客户对品质、生产效率、产品效能、个性定制等多样化需求。”

作者:小界界


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