SEMI
- Advertisment -
PCBECI標準正式底定 PCB製造智慧化邁開大步
台灣電路板協會(TPCA)在2019年進行組織調整，正式將智動化委員會設為常設組織之一，同時也啟動台灣PCB智慧製造發展藍圖重新檢視的研究。基於近年來PCB產業智慧製造導入歷程及考量未來挑戰，TPCA、資策會與台經院再次攜手更新「台灣電路板產業智慧製造藍圖」，供PCB產業鏈智慧化投資與升級之參考。
台灣電路板產業智慧製造發展藍圖框架，是以應用層次和發展里程為基底，建構各智慧製造應用發展進程。在應用層次架構上，依序可分為智慧設備、智慧生產與智慧營運三大面向。每個應用層架構中，依應用的發展進程，分為聯結化(數據擷取與整合)、可視化(數據呈現)、透明化(數據建模與分析)、預測化(數據預測)與適性化(決策支援輔助)。透過矩陣架構出專屬於PCB製造各階段性進程所需建置的能力，以實現短期的產線可視化(M1)、中期的生產智慧化(M2)，以及長期的營運智慧化(M3)之效益。
PCB生產設備互連通訊協定PCBECI正式底定，機台聯網技術瓶頸獲得克服。
在此同時，TPCA另與國際半導體協會(SEMI)努力多年的PCB設備通訊協定標準(簡稱SEMIA3-PCBECI)，也在9月初正式發布。設備聯網標準的統一為PCB產業智慧製造基礎，標準的發布將有效解決眾多PCB設備與製造端通訊不統一的問題，加速PCB產業智慧製造的進展。
回顧PCBECI標準化的歷程，TPCA於2014年發布產業白皮書，基於PCB產品樣態與設備品牌眾多，設備通訊格式不一致是智慧化首要瓶頸，故設備通訊協定統一便於當年設為重要目標。更於2015年達成以遵循於半導體產業成熟的SECS/GEM做為通訊標準的共識，經過六次的專家會議簡化為符合PCB所需的PCBECI(Printed Circuit Board Equipment Communication Interfaces)做為板廠收集生產資料通訊統一格式，也希望能降低設備廠商客製機台協定的成本。
在TPCA與SEMI的合作努力下，2016年在國際半導體協會(SEMI)下於台灣成立自動化委員會，經過嚴謹的國際化標準程序與技術答辯，終於在2018年通過全球技術投票，並在9月成為SEMI的正式標準之一。
過去在爭取標準國際化的同時，為擴大產業認同，承蒙經濟部工業局支持，TPCA促成PCB產業陸續成立的三大智慧製造聯盟，皆以PCBECI貫穿三大聯盟計劃目標(PCB A Team、先進軟板智造聯盟、PCBECI設備聯網示範團隊)做為統一的通訊協定，預計今明兩年可望導入24家板廠部分製程設備具有PCBECI功能。此外，全球百大領導廠商臻鼎、欣興、日月光等載板廠商已在積極評估新廠導入PCBECI。
展望未來，透過領導廠商的導入實績擴散，必能帶動更多追隨者，進而擴大PCBECI的市場需求，吸引更多設備系統廠商投入開發，降低應用成本，TPCA也將持續扮演技術推廣與人才培訓的角色，期待標準應用成熟後，如半導體產業一般成為PCB產業設備標準配備。
2019年全球半導體設備銷售衰退18.4%
2019年全球半導體產業景氣從前兩年的高點反轉，國際半導體產業協會SEMI日前指出，半導體製造設備全球銷售額預計將從2018年的歷史最高點645億美元下降18.4%至527億美元。
半導體設備銷售狀況直接反應產業景氣，是多年來半導體產業景氣觀察指標之一，SEMI預測顯示2020年設備銷售恢復成長11.6%至588億美元。目前的預測反映近期資本支出的下調以及由於地緣政治緊張局勢導致的市場不確定性上升。
2016~2020年主要區域市場半導體設備銷售概況 資料來源：SEMI(07/2019)
另外，SEMI認為，2019年晶圓加工設備銷售額下降19.1%至422億美元。另一個前端設備，包括晶圓廠設備，晶圓製造和光罩(Mask/Reticle)設備，預計2019年將下滑4.2%至26億美元；封裝設備在2019年萎縮22.6%至31億美元，而半導體測試設備則預計將衰退16.4%47億美元。
台灣將取代韓國成為最大的半導體設備市場，並以21.1%的成長率領先全球，其次是北美，成長8.4%。中國將連續第二年在規模保持第二位，韓國將在限制資本支出後跌至第三位。除台灣和北美外，所有區域市場的半導體設備銷售都將萎縮。
SEMI預測，到2020年，設備市場有望在記憶體支出和中國新項目的推動下恢復。日本的設備銷售額將成長46.4%至90億美元。預計2020年中國，韓國和台灣仍將是前三大市場，中國首次躋身榜首。韓國預計將成為第二大市場，達到117億美元，而台灣預計將以115億美元的設備銷售額排名第三。如果整體經濟改善並且貿易緊張局勢在2020年緩和，則可能會帶動更樂觀的成長趨勢。
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。
半導體資安受重視 台廠催生半導體資安標準
半導體產業內有許多標準都是在國際半導體產業協會(SEMI)的平台下形成，針對晶圓廠與晶圓設備的資訊安全標準也會循此途徑。SEMI會務拓展及會員服務總監李敏華(圖1)表示，SEMI作為連結產業的平台，對產業內需要群策群力才能解決的共同問題，一直抱持著積極推動的心態。
圖1 SEMI會務拓展及會員服務總監李敏華表示，台灣廠商將在半導體設備/整廠資安的國際標準制定上，扮演領導者角色。
台廠主導半導體設備安全標準
針對資訊安全議題，目前SEMI已經成立晶圓廠及設備資訊安全任務小組(Fab& Equipment Information Security Task Force)，並由台積電、日月光等台灣半導體製造相關大廠帶頭，希望制定出全球通用的晶圓廠/半導體設備資訊安全標準。也因為半導體設備業者的重量級客戶都在台灣，因此這個由台系大廠主導的資訊安全標準，廣泛受到日本及北美SEMI會員的密切關注，因為設備業者都希望能在第一時間知道客戶對資安的要求，才能快速配合。
SEMI Taiwan接下來也會邀請相關主導廠商舉辦講座，跟半導體業內的其他業者分享其資安實務做法跟經驗，讓整個半導體產業鏈的成員都知道領導大廠的想法跟做法，進而提升半導體產業的資安水準。
資安問題無從迴避
不管是前段晶圓製造或後段封裝測試業者，為了提升自家的競爭力，都在朝智慧製造的方向發展。不管是在產線上安裝大量感測節點，蒐集各種機台參數，或是實現製程參數的中央控管，都必須倚靠工業物聯網(IIoT)這項基礎建設。
另一方面，不管是前段廠或後段廠，都在人工智慧(AI)、機器學習(ML)上布署重兵，希望藉由機器系統自動分析源源不絕的資料流，並從中找到關鍵資訊來改善自家企業的日常運作。一般來說，半導體生產線上的機台狀態可以分成Queue Time、Hold Time與Run Time三種狀態對半導體製造業者而言，Queue Time跟Hold Time當然要越短越好，這樣產線稼動率才能提升。也因如此，智慧排程、預兆診斷或預防性維護等基於人工智慧或機器學習的應用功能，吸引眾多半導體廠投入研發。
正因為IIoT跟機器學習的導入，是未來半導體產業必然要走的路，因此隨之而來的資安問題，是半導體業者無從迴避的挑戰，不能一邊享受這些新技術所帶來的效益，卻忽視其所帶來的隱患而不予以解決。不過，就如同其他垂直產業在推動智慧製造時，最大的問題不在新產線、新機台，而是既有產線的升級與更新，半導體產業要解決資安問題，最大的痛苦點也在既有機台上。即便是發展步調極快的半導體產業，產線上也仍存在少部分已經使用十多年的舊機台，要針對這類舊機台進行安全更新，是最棘手的挑戰。比較上位的工業電腦，都存在微軟(Microsoft)已終止Windows XP更新支援所帶來的問題，要對更下位、直接控制機台內部運作的可編程邏輯控制器(PLC)進行安全更新，問題只會更複雜。PLC本來就是相對封閉的控制系統，懂得撰寫PLC程式的工程師是相對少數，而且PLC的程式非常重視穩定度，因此只要一撰寫完成，上線使用確認能穩定運作之後，使用者通常是能不更新就不更新。
興利/除弊兩路並行 半導體產業經驗足為借鏡
智慧製造是每個製造業都必須面對的轉型課題，半導體產業身為目前全世界最接近工業4.0的產業，其發展路徑有許多地方可以讓其他領域的製造業參考。舉例來說，機台聯網對半導體設備來說，早已不是問題，某些進度比較快的大廠，不僅生產參數/配方都已經藉由機台聯網實現中央控管，甚至連機台上下料都已經毋須作業員協助，直接用無人搬運車加上機器手臂代勞，進而使得關燈工廠得以實現。
但半導體產業的智慧製造走得雖快，遇到的問題自然也是前所未有的。資訊安全是工業物聯網概念還在發酵階段，就已經有許多人提出警告的議題，但提出警告跟如何解決問題，畢竟是不同層面的事情。半導體身為最早遇到工業物聯網資安問題的產業，決定用群策群力的方式，將使用者、軟體業者、系統整合者和設備供應商團結起來，以制定產業標準的方式來解決問題。可以預料的是，這種做法未來應該會擴散到其他產業。
2019全球晶圓廠支出下滑 2020將再創新高
國際半導體產業協會(SEMI)旗下產業研究與統計事業群(Industry & Statistics Group)所發表的2019年第一季全球晶圓廠預測(World Fab Forecast)報告指出，2019全球晶圓廠設備支出預期將下滑14%至$530億美元，但2020年將強勁復甦27%達$670億美元，並締造新高紀綠。受到記憶體產業衰退影響，已連續三年成長的晶圓廠設備支出榮景即將在2019年告一段落。
過去兩年間，記憶體占年度所有設備支出比重約為55%，2019年這個數字預期將下探45%，但2020年會再回升到55%。由於記憶體占整體支出比重極高，記憶體市場任何波動都會影響整體設備支出。根據統計圖顯示，2018年下半年起每半年市場都有所變動，估計未來也是如此。
檢視每半年的晶圓廠設備支出趨勢圖後可以看出，由於2018下半年起記憶體庫存的增加以及終端需求疲軟，導致2018下半年DRAM和NAND(3D NAND)相關支出開始修正，進而拖累記憶體支出下滑14%。這股下滑趨勢將延續到2019年上半年，屆時記憶體支出將下滑36%，但預計到下半年相關支出可望反彈35%。儘管2019年下半市場可望鹹魚翻身，報告認為2019年全年記憶體支出仍將較2018年下滑30%。
晶圓代工是晶圓廠設備支出的第二大項目，過去兩年間，每年占整體支出比重約在25%到30%之間。SEMI預期2019和2020年的比重將持穩在30%左右。
雖然晶圓代工設備支出的波動程度通常小於記憶體部門，面對市場變化還是無法完全免疫。舉例來說，記憶體部門開始衰退之後，2018年下半晶圓代工設備支出也比上半年下滑13%。
2019~2020半導體設備市場先蹲後跳
國際半導體產業協會(SEMI)發表年終整體設備預測報告(Year-End Total Equipment Forecast)，內容指出2018年全球半導體製造新設備銷售金額為621億美元，較2017年所創下的566億美元歷史新高再成長9.7%。不過，2019年設備市場將微幅下滑4%，到2020年才重拾成長動能20.7%，達到719億美元的歷史新高。
SEMI報告指出，2018年晶圓處理設備銷售將增加10.2%，達502億美元；晶圓廠設備、晶圓製造以及光罩/倍縮光罩設備等其他前段設備，今年銷售金額可望增加0.9%，達25億美元；封裝設備預計將成長1.9%，達40億美元，而半導體測試設備預估將增加15.6%，達54億美元。
就2018年來看，南韓連續第二年成為全球最大設備市場。中國大陸排名將首次上升到第二，將台灣擠至第三名。除了台灣、北美和韓國，調查所涵蓋的所有地區都將呈現成長。中國大陸將以55.7%的成長率居首，其次為日本32.5%、其他地區（以東南亞為主）23.7%、歐洲14.2%。
展望2019年，SEMI預測南韓、中國大陸和台灣將維持前三大市場地位，且三者相對排名不變。南韓設備銷售估計將達到132億美元，中國大陸125億美元，台灣118.1億美元。預估明年只有台灣、日本和北美三個地區呈現成長。
2017~2020年全球晶圓廠設備需求總額達2200億美元
根據國際半導體產業協會(SEMI)最新的研究報告指出，2018年全球晶片製造商的設備支出金額將成長14%達628億美元。而2019年則將再成長7.5%達675億美元。其中，2019年的高階晶圓製造資本支出將達到170億美元，連續第四年成長，將是史上對晶圓製造設備投資最高的一年。另外，隨著大量新晶圓廠的出現，也推升對晶圓製造設備的需求，包括晶圓廠對技術、產品升級以及額外產能擴張等。
SEMI表示，在2017~2020年之間開工建設的新晶圓廠和生產線，將需要價值約2200億美元的晶圓廠設備。其中，這些晶圓廠和生產線的基礎設施建設支出，則預計將達到530億美元。南韓將投資630億美元超越其他地區，大陸620億美元緊追在後，台灣排名第三約400億美元，日本和北美在晶圓廠投資，金額分別是220億美元和150億美元。而在歐洲及東南亞部分，投資金額為80億美元。
據了解，在總計約2200億美元投資中，有一半將在2017年2020年期間完成。2017年和2018年投資的不到10%，2019年和2020年的投資接近40%，2020年後的投資接近40%。不過，由於許多公司持續宣布新的晶圓廠計畫，總支出可能超過這個水準。因此，未來整體的金額還可能進一步提升。