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现代化工厂的两大主题:碳中和、智能制造是怎么做的?

时间:2021-06-25 作者:黄烨锋 阅读:
前不久,我们前往英飞凌无锡工厂作了参观——这家工厂应该是半导体制造工厂中比较具有代表性的一家现代化工厂了。当然不同的制造厂,由于行业或分工的差异,要实现的现代化特点还是有较大不同的。本文我们期望藉由英飞凌无锡工厂,来看看这两年的现代化工厂,走在前沿的市场参与者已经发展成了何种样貌……
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前不久,我们前往英飞凌无锡工厂作了参观——这家工厂应该是半导体制造工厂中比较具有代表性的一家现代化工厂了。当然不同的制造厂,由于行业或分工的差异,要实现的现代化特点还是有较大不同的。英飞凌在制造工厂遍及全球,下面这张图是这家公司在FY2020给出的工厂分布图。我们参观的是位于大中华区的无锡后道工厂,似乎全球分布的同类工厂也不少。

英飞凌科技副总裁、英飞凌无锡制造、研发、测试技术和创新部负责人范永新说,前道工厂就是做晶圆制造的,剩余的就是后道工厂的工作了。“无锡工厂是一家典型的后道工厂,我们是做封装和测试的。我们收到的晶圆,在无锡做切割。无锡工厂主要是把小的晶粒装在基板上,最后封装成型给到客户。”无锡工厂早在1995年就成立了,当前员工数超过1300人,是英飞凌大中华区最大的制造基地。而且英飞凌也正预备把无锡工厂打造成旗下最大的IGBT制造中心之一。

这家工厂最早期做光电耦合器,后来做LED产品。“现在无锡工厂最大产量的产品是分立器件,用于二极管、三极管等领域。”另外还有相关安全的智能卡制造,以及扩大中的IGBT产线。有关IGBT产线,英飞凌这次主要提及了已经完成量产的EasyPACKTM 1B/2B IGBT模块,完成量产准备的EasyPACKTM 1A/2A IGBT模块,以及正在紧张有序进行量产准备中的HybridPACKTM双面冷却IGBT模块等,我们在工厂中也都有看到。

不过本文我们主要还是期望藉由英飞凌无锡工厂,来看看这两年的现代化工厂,走在前沿的市场参与者已经发展成了何种样貌。

缺芯现状下的工厂制造

在谈无锡工厂的现状之前,我们先来看看大环境和英飞凌整体的发展情况。目前国际贸易环境和电子行业发展趋势的不确定性还是相当大,在FY2021 Q2季报中,英飞凌提到基于供货紧张,以及合约制造商的产能不足,可能导致接下来一个季度的营收增速放缓。

英飞凌公司的业务主要分成4个部分,包括汽车电子(Automotive)、工业功率控制(Industrial Power Control)、电源与传感器系统(Power & Sensor Systems),以及安全互联系统(Connected Secure Systems)。(英飞凌无锡是同时服务英飞凌四个业务部门的工厂)

这几项业务中,英飞凌预计工业功率控制业务受到大环境影响比较小,Q3环比还会有比较出色的增长;安全互联系统则由于部分工厂此前的临时关闭和大环境的原因会有小幅下滑;汽车以及功率与传感器系统预期保持平稳。

FY2021前两个财季的表现还是比预期中更好的,所以针对整个财年,英飞凌还上调了营收和毛利预期,即便工厂的产能仍然吃紧,今年预期营收会达到110亿欧元。目前大环境整体对电子行业的促进,在英飞凌这里也得到了印证。

英飞凌CEO Dr. Reinhard Ploss在Q3季报中提到,“半导体市场正蓬勃发展;电子科技正加速能源转变,并且让工作和家庭生活更方便,技术需求仍在较高需求阶段。数字化进程持续推进。本财年,英飞凌当然也要全面达成目标。”“大部分应用中,需求都远超供给。英飞凌的生产设施正全速运转,并且我们还将持续投入额外产能。我们也看到,那些依赖foundry厂制造芯片的业务出现瓶颈,尤其是汽车微控制器和IoT产品领域。在这种情况下,我们正竭尽所能为客户提供尽可能最好的支持。”

英飞凌科技副总裁、英飞凌无锡制造、研发、测试技术和创新部负责人 范永新

看起来正是业务繁忙的时节,与我们对汽车为代表的诸多应用领域的缺芯现状吻合。范永新在本次采访活动中也提到:“我们也及时意识到缺芯的问题,英飞凌将进一步扩大产能。为此,2021财年英飞凌总投资额将增至16亿欧元(早前的规划未14-15亿欧元);此外,我们将位于奥地利菲拉赫的300毫米晶圆厂的开工日期提前到了本财年第四季度。菲拉赫工厂全面投入运营后,每年生产的功率半导体将能够满足2500万辆电动汽车的传统系统的需求。”

此外,如前所述英飞凌在去年的进博会上宣布在无锡扩建IGBT模块和功率半导体生产线。无锡工厂扩产后,将成为英飞凌最大的IGBT生产基地之一,将以更丰富的IGBT产品线,满足快速增长的可再生能源、新能源汽车等领域的应用需求。

智能制造对效率的改进

“工业4.0”是此前我们一直在探讨的话题,英飞凌其实是德国工业4.0执行和指导委员会的初创成员,也加入了IIC(工业互联网联盟)。这家公司本身就在研发工业4.0所需的核心器件和解决方案。在我们谈英飞凌无锡工厂践行智能制造之外,这家公司本身也输出工业4.0相关的安全解决方案、高级感测能力、跨应用控制、高效能源管理等方面的能力,是一个"倡导者”、“赋能者”和”实践者”的定位。

过去我们多次撰文探讨过英飞凌的雷达、3D ToF等传感器技术,对于实现智能制造、智能楼宇等的价值。英飞凌的工厂当然本身也理应践行智能制造。范永新表示,英飞凌无锡从2013年起,就通过无锡工厂自主研发的MES(制造执行系统)实现了制造的自动化和智能化。

据说无锡后道MES系统上,除了IT设施、算法等组成部分,无锡工厂本身有一个工厂集成团队会做工厂运行所需的一些软件能力开发,“不仅是满足自身需求,同时也服务英飞凌十几家后道工厂。”

英飞凌无锡的这套MES系统能够对人员、机器、材料、流程和方法、环境设施等五大关键生产要素进行智能控制,利用无纸化、数据分析及智能决策系统,实现了工厂自动化和智能化。”范永新提供了一组数据,“英飞凌无锡将生产周期缩短了50%;在没有额外投资新设备的情况下,生产效率提升了11%;实现了制造因素和产品工艺参数100%可追溯;自动化程度达到了80%;基于MES之上的系统,使得制程和人为错误降低了50%。”总的来说,覆盖生产、供应链和技术开发全流程数字化,是英飞凌实现工业4.0的一个目标。

举两个自动化的简单例子,范永新介绍说英飞凌无锡工厂在MES的基础上有自己的DDM(偏差实时探测管理系统),该系统能够收集机器运转的功率、速度等各类信息,以及对应完成的结果。DDM因此能够实现缺陷的评估和判断。再比如还有智能检测的相关技术,半导体封装需要“打线”,有时会出现“塌线”的情况。无锡工厂采用以电脑专家系统为基础的X光检测来发现塌线问题,系统通过拍摄到的图像来做判断——这是计算机视觉的典型应用了,也一定程度上采用了机器学习方案。

值得一提的是,这些数据中提到“自动化程度80%”。范永新对此谈到,“英飞凌MES更多是管控系统、程序的自动化,核心工序都是自动化的。没有实现完全自动化的是搬运过程,因为涉及到产品的形态——产品形态千差万别,会存在比较大的搬运的问题。”对于一些产线变动比较少、产品比较固定的情况,可以用传送带流水线,但在产品种类多样的情况下,需要更灵活的方式来实现这一过程。

不过目前英飞凌无锡也正着手实现物料搬运的自动化工作,“英飞凌在这方面已经有很多想法,目前已经在分步实施。”“我们会借助AGV(自动导引车)搭配协作机械手的方式,让物料从上一站到下一站的自动搬运,同时能够把产品装在设备上。在对应的工序完成后,又将其从设备上取下送到下一端。通过这样的方式减少人为的过程。”不过这样的方案可能并没有那么容易。

与智能制造共同存在的还有对应的安全解决方案,这其实也是工业4.0的一个重要议题,包括工厂中的安全身份认证对象识别、权限控制,以及安全的通讯连接等。从英飞凌科技无锡工厂信息技术总监曹翃的介绍来看,英飞凌无锡的信息安全策略涵盖了现代化跨国企业的绝大部分方案,比如说物理安全相关的,智能卡车间本身就有四层安保;再比如网络和数据安全,每台客户端都有TPM,数据全盘加密——公司颁发证书的设备才能接入网络;网络应用之间以虚拟路由VRF来分离;采用虚拟技术部署私有云,关键数据访问受到限制,以及数据的异地备份等等。

更进一步的,英飞凌无锡工业4.0包含4个方面的蓝图展望:

(1)集成化、数字化敏捷的生产和制造系统——主要是基于MES系统对“人机料法环”的管控。

(2)利用大数据分析,实现对质量的自动异常检测、预测。

(3)生产智能化和自动化。让工程师的生活、所有办公人员的生活也实现数字化,实现高效自我管理的数字化工作和生活。

(4)实现优化集成的材料处理。

构建碳达峰碳中和的绿色工厂

蓝图中的其中一部分看起来已经在有序实现过程中了。而智能制造另外可达成的一个副产品就是绿色工厂。今年的两会上,碳达峰、碳中和首次写入了政府工作报告。许多跨国企业在这两个方向的践行上做得还是比较出色的。

碳达峰指的是在某个时间点之后,二氧化碳排放达到峰值、不再增长并开始逐步降低。范永新谈到,英飞凌无锡工厂早在2015年就已经实现了碳达峰,2020年碳排放较2015年减少了27%;并且计划到2025年,二氧化碳排放量相比2019年实现70%的降低,于2030年真正实现碳中和。碳中和是以节能减排等方式抵消产生二氧化碳排放量,最终实现二氧化碳“零排放”。

英飞凌全球针对碳中和主要的方案包括:废气净化,延续并完善减少温室气体排放的自愿措施;提高能源效率,并在制造领域采用最现代化的工艺技术;中期过渡到具有来源保证的100%绿色电力;通过扩建工厂的充电基础设施来推广电动汽车;对于无法完全避免的排放,以高质量标准购买碳排放证书,支持具有生态和社会效益的项目。

从范永新的介绍来看,英飞凌在生产过程里的资源利用率高于行业平均水平,英飞凌生产每平方厘米晶圆的耗电量比全球平均水平低47%,耗水量比全球平均水平低29%,产生废弃物则比平均水平低56%。这和英飞凌本身在功率半导体技术上的积累应该也有很大的关系,包括前文提到能源生成、储能、使用层面的功率产品。

一般这类半导体工厂的碳排放主要是来自电力消耗,不仅是生产设备本身,还有环境所需的空调等。英飞凌无锡工厂本身在这方面的策略包括:低碳制造设计、提高能源效率、减少直接排放、资源循环利用、使用清洁能源。

比较具有代表性的是,在清洁能源的使用上,无锡工厂“所有可用区域全部装了光伏发电系统,到目前为止有28%的办公用电是光伏驱动的。”而且还在持续开发新的节能方式。在资源循环利用的问题上,“工厂实现了100%循环利用包装材料,100%使用废热循环加热水处理系统等。”“2021年中国船级社质量评估机构数据显示,英飞凌无锡工厂的绿色绩效处于半导体行业的前5%。”

相关减少直接排放的问题上,也有个AI/ML技术实施的例子,“通过一些神经网络模型,对冷冻机转速进行实时调整,降低能源消耗。晚上办公室人少了、用电少了,冷气需要少了,对应的就把设备速度降低一点,实现节能运行。”AI技术的利用,本身也是智能制造的重要组成部分。

这些属于当代半导体后道工厂的典型写照了,包含智能自动化+绿色生产。范永新其实也列举了不少英飞凌无锡工厂在国内获得的企业相关的自动化和绿色生产的奖项,包括“江苏省智能示范车间”“无锡市智能工厂”等。在此基础上,去年4月英飞凌无锡还获得“2019年无锡市市长质量奖”,据说是当时获得这个奖项的唯一一家、无锡历史上第一家外资企业。

在质量方面的表现(无锡工厂的数据是2.9 DPB-每生产10亿个器件的缺陷数量不足3个),其实也表明智能制造带来的价值以及在此前提下实现的生产效率提升与绿色生产,多方面能力与收获是可以得兼的。

责编:Luffy Liu

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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