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以產品零缺陷實現工業4.1 半導體自動化教父率成大團隊開發AVM技術

成大鄭芳田教授在業界有「半導體自動化教父」之稱,其透過多項技術協助台灣業者逐步完成工業4.0目標。廖家宜攝

在針對工業製造及設計的AI專利統計中,台灣成功大學智慧製造研究中心主任鄭芳田以擁有14項美國AI發明專利位居全台之冠,同時鄭芳田在台灣業界也被稱為「半導體自動化教父」,其團隊所開發的全自動虛擬量測(AVM)技術解決過去半導體產業在品檢流程中有時間延遲的問題,從抽檢轉換成即時全檢,進而達成產品接近零缺陷的目標。而該技術也屢獲台灣多家大廠青睞,包括早期奇美和聯電,近年日月光、台塑、漢翔、遠東機械、銓寶等業者也都與成大進行產學合作。

工業4.0不應只關注生產效率 產品零缺陷才是客戶需求重點

工業4.0是今日全球製造業都渴望達到的里程碑,但鄭芳田觀察,現今製造業對於智慧製造的願景,大多仍聚焦於如何提高生產效率,惟對生產品質的提升卻容易被忽略,即便是提出工業4.0概念的德國也是如此。對此,鄭芳田則是呼籲,重視產品品質才是製造業者需關注的重點。

鄭芳田以2016年三星Note7手機電池爆炸事件為例。回顧當時,Note 7推出後1個月內,在全球接連發生約20起爆炸事故,發生比例僅有百萬分之5,這看似極微小的比例,卻因此讓三星手機蒙塵,不僅被迫停售Note 7,也讓品牌商譽受損,市值一口氣蒸發70億美元。

對製造業者來說,藉由智慧製造技術能夠提升生產效率與降低生產成本,使交期準時送達,如此訂單才會一波接著一波來。但事實上,對客戶而言,產品有無瑕疵才是其最關心的部分。鄭芳田直言,客戶對於智慧製造的需求,重視的是產品本質,意即最終產品本身有沒有瑕疵,客戶也許並不會在意業者所使用的生產機台有沒有問題,或是排程做得好不好。

藉由智慧製造提升生產效率是工業4.0的願景,但鄭芳田認為,製造業者最終更應追求產品零缺陷的目標,「這是超越工業4.0,達到工業4.1的境界。」欲達到零缺陷,以現行的手法來說,勢必要針對所有在製品和產品進行全檢,如此便需要購置大量的量測儀器,並耗費眾多人力與時間才能達成,然此舉需要大量投資,而如此便無法降低成本,所以根本不可行。而鄭芳田與成大團隊所開發的AVM技術正是取代實體量測手法,既無需投資大量硬體設備,也可達到產品全檢的效果。

5秒之內就能完成線上即時虛擬量測

所謂虛擬量測,意即在產品尚未或無法進行實際量測時,利用機台參數推估其所生產的產品品質,進行線上且即時的估測,而最重要的關鍵,則在於可達到全檢的效果。當生產的產品可在百分之百被檢驗的程序下確保品質無誤,理所當然交貨至客戶手中的產品,也能確保100%良率。

這項技術起初是在半導體產業獲得驗證。鄭芳田說,早在2000年左右,半導體產業就開始出現虛擬量測的觀念與需求,希望能即時量測在製品,以確保產品品質。過去半導體產業採取離線抽檢的方式進行品檢,但其具有延遲性,此量測延遲(Metrology Delay)時間平均約2至4個小時,且因僅採抽檢,所以也無法百分之百保證品質無誤。

因此,半導體業者不僅希望在生產完當下就能即時檢驗品質,且針對高精密的晶圓產品,最好能夠達到百分之百全檢。於是鄭芳田團隊利用半導體設備大多都已具有的錯誤偵測和分類系統來擷取製程參數,加上每片晶圓都設有ID可追溯生產履歷,而藉由歷史樣本的品質量測資料當「果」,而其相對應的製程資料做「因」,透過晶圓ID將因果關係鏈結,利用AI技術建立預測模型,未來當新的晶圓完成生產後,電腦就可收集當下所掌握的製程參數即時估測產品品質,而這整個過程大約僅需要有5、6秒。

鄭芳田團隊將這項AVM技術移轉給台積電的過程中,也如期完成對方所要求的三階段驗收,雖然很拼命,「但也證明我們的AVM技術是真正的成功!」。據悉,該AVM系統除了台積電外,包括群創、茂迪、聯電等高科技產業的生產線都已成功驗證過。

而2018年成大智慧製造研究中心(iMRC)也與封測大廠日月光技術合作,導入包含全自動虛擬量測(AVM)、智慧型預測保養(IPM)與智慧型良率管理(IYM)等三大智慧化服務系統。運用AVM除了可達到全檢外,亦可減少購置量測機台,且可大幅降低製程量測時間。而IPM則可預測製程設備的剩餘壽命,藉以提升機台稼動率和避免無預警當機,另外,運用IYM則可快速找出影響產品良率的重要機台參數,再針對造成影響良率的原因持續改善,以便能提升良率,達到所有生產產品接近零缺陷的目標。

協助各行各業達到「工業4.1」目標

成功大學在2018年初成立智慧製造研究中心,而該中心成立的目標,即是希望透過如AVM、IPM、IYM等核心技術,讓各個產業都能達到產品接近零缺陷,完成「工業4.1」的目標。例如航太和汽機車零件等產業,安全性是生產的最高原則,對於品質的控管甚為嚴格,也因此更需要採取產品零缺陷的生產方式。所以近年來,除了高科技半導體與面板產業外,包括漢翔、台塑、遠東機械、銓寶等產業,也已將這項技術導入其生產線中,應用領域十分廣泛。