工業(yè)4.0和半導(dǎo)體制造業(yè)的發(fā)展　

作者 / Ganesh Hegde 應(yīng)用材料公司 自動化產(chǎn)品部門

　　Ganesh Hegde，碩士，高級產(chǎn)品和營銷經(jīng)理，在北美和亞洲高科技/半導(dǎo)體行業(yè)制造領(lǐng)域擁有超過 20 年的經(jīng)驗。

摘要：為滿足消費者對功能更豐富和性能更高的設(shè)備需求，半導(dǎo)體制造業(yè)需在資本設(shè)備方面進行大量投資，因而也導(dǎo)致競爭變得日趨激烈。為提高競爭力，芯片制造商正在采用工業(yè) 4.0 制造技術(shù)來實現(xiàn)更高水平的卓越運營。闡述工業(yè) 4.0 的含義，提供工業(yè) 4.0 在半導(dǎo)體晶圓廠環(huán)境下的應(yīng)用示例，并說明應(yīng)用材料公司如何驅(qū)動這一發(fā)展。

1 工業(yè)4.0及智能制造

　　工業(yè) 4.0 的概念由德國政府首次提出，用以描述人工智能 (AI) 、大數(shù)據(jù)、云計算和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 等新技術(shù)所帶來的第四次工業(yè)革命。第一、二、三次工業(yè)革命的驅(qū)動因素分別是蒸汽和水力發(fā)電、電力使用、計算機技術(shù)(圖 1)。

　　工業(yè) 4.0 概念的實現(xiàn)通常稱為“智能制造”，我們經(jīng)常稱之為“智能工廠”。工業(yè) 4.0 的主要特點包括：

　　? 制造系統(tǒng)的垂直整合。在工廠中，具有網(wǎng)絡(luò)連接的生產(chǎn)系統(tǒng)稱為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng) (CPPS)。在工業(yè) 4.0 中，CPPS將被垂直整合和連接，以便使環(huán)境和價值鏈中的任何變化都能反映到制造過程中。

　　? 跨企業(yè)和價值鏈實現(xiàn)水平整合。特點是將制造設(shè)備與合作伙伴、供應(yīng)商、分包商等一起水平整合到價值鏈中。

　　? 通過云、大數(shù)據(jù)、移動和 AI/分析等新一代技術(shù)實現(xiàn)并加速整合。

2 半導(dǎo)體晶圓廠的整合

2.1 半導(dǎo)體晶圓廠的垂直整合

　　首先，讓我們看一下半導(dǎo)體晶圓廠的垂直整合。如圖 2 所示，這涉及整合所有 ISA-95 層級。

　　ISA-95 層級包括第 0 級(適用于包含所有傳感器和執(zhí)行器的物理設(shè)備)到第 4 級，涵蓋各種企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。每個層級的垂直整合需要對接口進行標準化。在半導(dǎo)體行業(yè)中，很久以前設(shè)備整合便在 SECS/GEM 接口上進行過標準化。高速 SECS 消息服務(wù) (HSMS) 的建立是為了通過更高速的以太網(wǎng)來支持 SECS/GEM 通信。隨著傳感器的使用量增多，半導(dǎo)體設(shè)備現(xiàn)在已能夠傳輸大量工程數(shù)據(jù)。

　　為了支持高速診斷數(shù)據(jù)采集，工程數(shù)據(jù)接口(現(xiàn)在稱為接口 A)已經(jīng)與控制接口分開，僅用于采集設(shè)備數(shù)據(jù)。這滿足行業(yè)的需求，可將所有數(shù)據(jù)放在一個通用平臺上以實現(xiàn)一致性和便捷整合/分析。其結(jié)果是提高了批次 (R2R) 控制、故障檢測以及分類 (FDC) 分析等各種分析解決方案的效率，而這些分析可作為應(yīng)用材料公司的 SmartFactory? 制造解決方案的一部分。

　　下一個整合層級是生產(chǎn)執(zhí)行/控制、WIP(在制品)管理和物流。根據(jù)工業(yè) 4.0，產(chǎn)品(在晶圓廠中被視為晶圓批次)即為 CPS(信息物理系統(tǒng))，其智能程度足以知道自己是什么、將成為何種產(chǎn)品以及需要去往何處。它們可以直接與同樣智能的 CPPS 通信。不過，在目前的半導(dǎo)體晶圓廠環(huán)境中，產(chǎn)品和設(shè)備的智能程度還不夠。

　　此外，在制造過程中，邏輯目前尚處于包含路徑、操作等信息的 MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))中。在特定操作中處理完批次后，下一個操作的名稱將保留在 MES 中。通過智能分析解決方案來優(yōu)化調(diào)度和分派(實時分派和調(diào)度解決方案)。當產(chǎn)品/批次 (CPS) 和設(shè)備 (CPPS) 通過 AI 實現(xiàn)智能化時，MES、分派和調(diào)度解決方案將在邏輯上變得更為分散。MES、調(diào)度和分派解決方案是應(yīng)用材料公司的 SmartFactory? 產(chǎn)品組合的核心部分。

2.2 半導(dǎo)體制造網(wǎng)絡(luò)中的水平整合

　　目前，半導(dǎo)體價值鏈在一定程度上遵循某種順序。晶圓廠的批次/晶圓進入晶圓庫進行組裝、測試和包裝，隨后在運送至原始設(shè)備制造商之前進入倉庫。這種情況正在改變：制造業(yè)越來越像網(wǎng)絡(luò)，晶圓廠和封裝設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(如圖 3 所示)。

　　根據(jù)工業(yè) 4.0 的原則，我們需要有一個可協(xié)作化和智能化的網(wǎng)絡(luò)。以消費者為中心、以需求為導(dǎo)向的制造業(yè)正在推動制造網(wǎng)絡(luò)向分布式和協(xié)作化方向發(fā)展。實現(xiàn)這一目標的一種方法是建立一個稱之為“虛擬工廠”的制造企業(yè)平臺，我們可以在這里將不同的工廠、合作伙伴和供應(yīng)商整合到同一平臺上。而這個可以通過云計算、IIoT 和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)來實現(xiàn)和推進。

3 結(jié)論

　　應(yīng)用材料公司已取得諸多進展助力半導(dǎo)體晶圓廠邁向工業(yè) 4.0，特別是從垂直整合的角度來說。憑借我們多樣化的制造解決方案，諸如智能 MES 和規(guī)劃/調(diào)度/分派解決方案等，晶圓廠的敏捷性和靈活性正在不斷提高。

　　未來，晶圓廠的工藝操作可通過AI得到進一步轉(zhuǎn)變。通過直接的智能通信，晶圓廠將變成更加適合 CPPS 設(shè)備滿足 CPS 批次需求的環(huán)境。MES 等制造軟件將在邏輯上變得分散，以確保操作符合規(guī)則/規(guī)定。在以后的博客文章里，筆者將繼續(xù)分享和探討工業(yè) 4.0 在半導(dǎo)體行業(yè)中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)以及適用于工業(yè) 4.0 的 MES (MES 4.0)。

　　參考文獻：

　　[1]Hanny D.探索全自動和半自動Fabs的區(qū)別[R/OL].(2017-1-31)[2018-2-1].http://blog.appliedmaterials.com/exploring-differences-fully-and-semi-automated-fabs

　　[2]Krishnaswamy S.自動化助力克服晶圓級封裝中的生產(chǎn)力挑戰(zhàn)[R/OL].(2016-12-16)[2018-2-1].http://blog.appliedmaterials.com/automation-helps-overcome-productivity-challenges-wafer-level-packaging

　　[3]Nahas S.自動化軟件中的人為因素[R/OL].(2016-11-3)[2018-2-1].http://blog.appliedmaterials.com/human-factors-automation-software

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第18頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。