預防性維護
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PCBECI標準搭橋 電路板產業走向工業3.x
PCB走向智慧製造 通訊標準化是關鍵
TPCA專案經理張致遠表示，台灣的印刷電路板產業普遍都已經進入工業2.0，也就是導入自動化機台的階段，但要在這個基礎上繼續向前行，將遇到許多挑戰(圖1)。
圖1 PCB產業邁向工業4.0的各階段將面臨不同挑戰
目前還在工業2.0階段的廠商要走向工業2.5，也就是打破設備孤島，讓機台彼此互聯、擷取資料，最大的挑戰有二：一是缺乏導入的動機，因為不知道收集好這些資料之後，該如何進一步應用；二則是機台設備沒有標準化的、經濟的通訊介面。有些新一點的機台所採用的可編程邏輯控制器(PLC)，採用的是供應商自己發展出來的專有通訊標準；有些舊機台則只有非常陽春、甚至沒有通訊介面。事實上，很多PCB板廠使用的設備，機台年齡都已達20~30年，比平常操作它的作業員年紀還大。
至於從工業2.5走到工業3.0，甚至進一步提升到工業3.0+，大多數業者所面臨的問題則是缺乏足夠的IT人才。因為在實現機台互聯，取得大量資料之後，業者必須要具備相對應的IT開發能力，才能做好資料整合、分析的工作。有些已經走到3.0階段的業者，下一步要面臨的挑戰則是要建立數據模型分析、預測的能力，同時也要開始思考企業流程改造，以及和外部供應商資料流程整合等更棘手的問題。
簡言之，從工業2.5開始，IT人才、資料科學家對企業營運的重要性會越來越高，同時企業主事者也必須開始思考企業內、外部作業流程的改善。對於缺乏IT相關人才是常態的PCB產業而言，智慧製造是一條漫長且考驗眾多的道路。
但千里之行，始於足下。PCB產業的智慧製造升級，必須優先解決機台聯網的問題，後面才能進一步談資料採集跟分析，最後才能進展到數位決策。也因為如此，TPCA與國際半導體產業協會合作，將半導體機台互聯所使用的SECS/GEM介面標準簡化成適合PCB設備使用的PCBECI標準。
軟/硬板大廠帶頭示範
不過，張致遠也提到，半導體產業花了20年時間，才讓設備聯網全面普及。PCB產業即便可以學習半導體製造業的經驗，也不會在短短一兩年內就看到機聯網在PCB產業全面普及。
也因為如此，TPCA才會與多家設備、系統整合業者合作，推出20家中小型板廠、100台機台互聯的示範計畫，希望藉此點火，讓PCB機台聯網的概念能夠開始擴散到中小型板廠。台灣有數百家PCB業者，其中絕大多數都是中小企業。因此，讓中小企業開始動起來，是讓PCB產業整體向上提升的重點。
至於大型PCB或大型軟板廠，則是扮演領導者的角色。例如2017年TPCA就跟廠商攜手，結合政府計畫，成立了PCB A-Team跟PCB智慧製造軟板聯盟兩個示範性計畫。
A-Team是PCBECI的第一個應用實例(圖2)，由研華、迅得、欣興、敬鵬跟燿華組成，主要是針對單一廠商內部的智慧製造，提出示範性的數據整合平台跟解決方案服務平台，包含產線動態排程、良率預測、設備監診與預防性維護等應用，展現出PCB製造智慧化的一個可能發展路徑。
圖2 針對硬板生產所設置的PCB A-Team示範團隊
軟板聯盟則是以跨企業的資訊整合為主，由嘉聯益、聯策跟柏彌蘭金屬化三家廠商參與(圖3)。其中，柏彌蘭金屬化是嘉聯益主要的原材料供應商之一，其所提供的原料對嘉聯益的軟板製程良率會產生影響，但因為每批原料在特性上多少都會有些差異，因此嘉聯益的生產線必須因應來料的特性調整生產參數。三家廠商藉由開發智慧預處理技術與建置跨公司聯網平台，實現了製程參數動態調整，讓產品良率明顯提升了50%；當良率下降需要排除狀況時所需的時間，也縮短了50%，從而讓相關業者得以藉由智慧製造技術擺脫競爭者的威脅。
圖3 針對軟板生產所設置的PCB智慧製造軟板聯盟
上述兩個示範性計畫是從工業2.5走向工業3.0、甚至工業3.5的領導計畫，目前執行起來的效益相當顯著。因此TPCA相信，很多中小型板廠可以藉由這兩個由大廠帶頭執行的計畫，對自家的智慧製造產生更具體的想法跟目標。
智慧製造開始向中小型板廠擴散
而為了推動智慧製造在PCB產業進一步擴散，TPCA號召多家設備廠商與系統整合業者共同成立設備聯網示範團隊，將協助台灣中小型20家板廠做100台設備機聯網IoT升級。經過1年籌備，PCBECI設備聯網示範團隊於2019年2月21日正式啟動。
示範團隊是由沃亞科技、志聖工業、東台精機、揚博科技、群翊工業共同組成，並在工業局楊志清副局長蒞臨見證下，宣示以共同的PCB設備通訊協定協助台灣中小型板廠做智慧製造升級，並在政府支持下，強化本土設備商之技術研發能力，進而穩固台灣在全球PCB領域之領先地位。
PCBECI是TPCA與國際半導體產業協會(SEMI)共推的產業標準。因為PCB製程繁複，設備種類繁多，為解決底層設備溝通的問題，因此有PCBECI的產生，並在台灣本土設備商率先採用下，以示範團隊形式做產業的扎根推廣，於此同時，團隊在2018年更獲政府計畫支持，加速協定的普及。
整體來看，目前PCBECI四家設備廠商(志聖、東台、揚博與群翊)所推出的智慧型PCB製造設備，除了最基本的機聯網功能外，多還將資料可視化、設備監診及配方/製程參數中央管控列為主打功能。由此也不難看出，PCB的智慧製造設備要解決的問題，輪廓已經越來越明晰(圖4)。
圖4 目前PCB板廠在曝光、鑽孔、蝕刻與烘烤製程所遇到的問題。
台灣電路板協會梁茂生副理事長指出，機器聯網收集資料象徵PCB智慧製造正在打通任督二脈，也希望透過此次計畫能建立有效且具效益的商業模式，未來能很快地在PCB業界複製擴散，讓業界得利。
PCBECI示範團隊中唯一的一家系統整合商(SI)--沃亞科技，則是整個示範團隊的代表。沃亞總經理郭一男表示，20家中小型板廠的機聯網升級只是PCB智慧化的起點，後續示範團隊將與整個產業鏈攜手合作，擴大PCBECI的應用範圍，以提供產業更好的服務內容。
智慧化帶來標準化 良率更有保障
機台聯網除了是實踐大數據分析，進入智慧製造時代的必要基礎建設之外，對許多中小型板廠而言，也能帶來生產作業標準化的效益。目前有許多中小型板廠的生產線，為了提高作業效率，給了操作機台的作業員非常大的控制權限，甚至可以直接調整機台的生產參數。
工業生產必然有誤差，但在生產參數統一的情況下，誤差範圍是可以被控制的。如果讓作業員自己調整生產參數，將會帶來良率失控的風險。過去就曾經有中小型板廠的作業員為求提升其所負責的工站生產效率而自行調整參數，結果造成最終產品不良率明顯增加的情況發生。
但在機台全面聯網之後，所有機台的生產配方、參數將統一由系統指派，作業員對機台的操作權限將受到更多限制。雖然對第一線人員來說，這麼做可能會帶來些許不便，但中央控管的配方跟參數，意味著整條生產線將更加標準化，這對於提高最終成品的良率，可帶來顯著的效益。
設備監診精準度必須經歷實戰驗證
除了良率之外，產線稼動率也是每家板廠所關切的營運指標。稼動率由兩個主要因素影響，一是機台故障、歲修所導致的停機，二則是生產排程或生產線設計有瓶頸，造成某些機台容易處於閒置狀態。生產排程跟產線的改良，都可以靠大數據分析來精進，藉由排程最佳化或針對生產瓶頸進行產線重新配置，來提高機台的使用效率，但歲修或故障所造成的無預警停機，則必須靠預防性維護來予以改善。
整體來說，PCB關鍵製程有曝光、鑽孔、蝕刻與烘烤四大程序，每類機台的關鍵零組件健康狀況，都會影響到機台的正常運作。因此，曝光機的光源元件、鑽孔設備的機械耗損、蝕刻設備的幫浦與烘烤設備的溫度變化，都必須密切監控。
而且，當這些設備即將故障停機時，上述關鍵零組件的數值常常會先出現異常。因此，藉由收集、監控這些關鍵零組件的數值，往往可以提早發現問題，進而避免故障所造成的無預警停機(圖5)。
圖5 由PCB設備廠針對中小型板廠提出的智慧化曝光、鑽孔、蝕刻、烘烤設備
不過，由於資料分析必須建立在可靠的數據模型基礎上，而數據模型又必須經過實戰驗證，通過大量累積數據的檢驗，才能證明其可靠度。
因此參與此一PCB智慧製造推動計畫的機台供應商，雖然都將預兆監診、預防性維護當作智慧PCB機台的一大主打賣點，但實際上要讓這些功能發揮效益，還是需要讓機台上線，開始蒐集跟累積資料，才能讓預防性維護越來越精準。
而這也是20家、100台PCB智慧製造機台推廣計畫最重要的價值之一，藉由累積實戰經驗，讓設備跟PCB板廠的智慧製造系統越來越聰明。