電路板產業智慧製造服務應用平台

撰文/陳怡如

榮獲工研院產業化貢獻獎金牌的「電路板產業智慧製造服務應用平台」,透過三大關鍵技術加值,協助產業數位升級,助攻PCB產值邁向下一個兆元。
榮獲工研院產業化貢獻獎金牌的「電路板產業智慧製造服務應用平台」,透過三大關鍵技術加值,協助產業數位升級,助攻PCB產值邁向下一個兆元。

作為全球電路板(PCB)的龍頭,臺灣PCB產值已突破兆元。即使擁有完整的上中下游產業鏈,但PCB產業仍面臨勞動人口老化、缺經驗與檢測品質的挑戰。榮獲工研院產業化貢獻獎金牌的「電路板產業智慧製造服務應用平台」,透過三大關鍵技術加值,協助產業數位升級,助攻PCB產值邁向下一個兆元。

所有電子產品必備的基底板材「印刷電路板」(PCB),堪稱電子產品之母。臺灣PCB產業已發展超過40年,在去年正式邁入「兆元產業」,產值達1.04兆元,更連續10年搶下全球龍頭寶座,市占率達31.4%,在臺灣是僅次於半導體及顯示器的第三大產業。

在輝煌成果背後,挑戰卻悄然而至。工研院機械與機電系統研究所組長王裕銘直指,「臺灣電路板產業正面臨缺有經驗人力,以及檢測品質不均的問題。」根據統計,高達95%的臺灣電路板製造商聘請外勞抄表、操作設備,凸顯人力不足的急迫性。且電路板產線長,有多達2、30道製程,許多設備操作和參數調整,都須仰賴有經驗的員工。

此外,現有生產和檢測人力的比例約為1:2到1:4,也就是說一個生產人力要配合2到4個檢測人力。目前業界都以人力檢測,判讀品質因人而異,誤判率也會隨著工時增加、人眼疲憊而升高,影響生產效率及企業商譽。

為了解決產業迫切的挑戰,工研院早在4、5年前,便開始打造「電路板產業智慧製造服務應用平台」,以三大核心技術,協助產業朝先進技術、智慧製造升級。

領先國際 建構專屬通訊協定

邁入智慧製造的第一步,首先要建立產業專用的「PCBECI通訊協定」。工研院機械所副所長周大鑫表示,過去PCB的設備和工廠缺乏統一的通訊協定,就像沒有共通語言,設備聯網時資料格式不一,也無法統整傳輸,一直是產業智慧化的瓶頸。

目前國際上最成熟的通訊標準,是半導體業行之有年的SECS/GEM通訊協定。團隊以SECS/GEM為基礎,依照PCB產業需求,重新定義格式並制定訊息封包結構,與台灣電路板協會(TPCA)合作制定全球第一個專屬PCB產業的國際通訊協定,包含機台時間設定、事件回報、機台常數資料、遠端控制命令、終端訊息傳送等。在設備聯網時,達到資訊及生產履歷可視化,無須人力抄表。除通訊協定外,工研院也領先全球開發驅動程式,安裝後就能連結通訊,協助產業快速導入,估計縮短30%的安裝時程,降低20%的維護費用和40%的整體成本。

「能夠成為全球第一個推動PCB通訊協定的最大原因是,臺灣PCB產業夠團結!」周大鑫說。PCB產業很早就已看到半導體產業制定標準後帶來的效益,加上臺灣又執PCB產業牛耳,TPCA很早就透過產業白皮書來推動智慧製造,因此在2016年,工研院和TPCA攜手,成立「PCBECI制定小組」,也希望這個標準能適用於全球PCB產業,隔年再跟國際半導體協會(SEMI)提案,經過3次全球投票,終於在2019年9月通過。

肇因分析更聰明 AI檢測更好用

第二項關鍵技術是「整合式肇因分析模組技術」。透過整合式分析,當產品發生瑕疵時,可回推在生產過程中,造成良率下降或瑕疵的關鍵因子,提供校正建議,或是讓設備自主修正,降低對資深人力的依賴。

「傳統的肇因分析,多僅用單一模型,但是每一種模型都有其條件限制,恐讓判讀失準,」王裕銘表示,這項技術最大的特色是,同時採用多個模型分析,得出每項關鍵因子的排序和占比,讓操作人員在第一時間就能掌握調整的優先順序。

第三項關鍵技術是「AI影像重繪缺陷分類技術」。將自動光學檢測(AOI)系統拍出來的高畫質影像,經AI重繪、濾掉雜質後,直接跟原始設計圖做比對,能更快判斷缺陷,解決人眼判讀品質不均的問題。王裕銘指出,過去要判讀某種缺陷需要千百張、甚至是數萬張的資料去訓練AI模型,才能確保準確度,該技術用影像融合方式,所需資料數量可降低40%,準確率仍可達到98%。

建立平台 發揮整合優勢

周大鑫表示,過去PCB產業導入智慧製造的意願不高,主要在於電路板產業毛利相對半導體業低,投資傾向保守;其次也因為電路板生產流程長,來回修正時,用人力銜接更快。但如今少子化問題嚴重,自動化是必然的路。

「為了提高廠商導入意願,在成本控制上就要更精準,優先選擇廠商最大痛點,讓效益更快浮現,才會擴大導入。」周大鑫補充,在軟體操作上,使用方式及介面也要更友善,尤其中小企業普遍缺乏IT能量,以建構平台方式,讓廠商能快速得到軟體支援。

不過這個跨領域整合的平台,初期也面臨不少難題。周大鑫透露,為了整合PCB製程、材料、設備、資通訊的人才,「讓大家用共同的語言,的確花了很多時間。」但這個技術最大的優勢也在於「整合」,「我們提供的方案不只是解決某一特定問題,而是建立一個平台,讓不同產業的需求都可以整合輸入,更加全面!」

促成臺灣第一條跨供應鏈的軟板智造產線

完整的平台技術,就像為產業打了強心針,創造亮眼的產業化成效。在制定產業通訊協定上,不僅領先國際,也跟TPCA合作促成「PCBECI設備連網示範團隊」,成功導入聯策等15家設備廠,與嘉聯益等4家製造商,累計應用套數超過1萬套;而電路板產業的設備資訊串聯比例,也由2017年的23.5%,大幅躍升至2019年的48.3%。

該平台還促成兩大研發聯盟,首先是臺灣第一條跨供應鏈的先進軟板智造產線。以垂直產業供應鏈的概念,促成國內軟板大廠與上游材料廠、系統整合商成立研發聯盟,透過設備聯網,讓生產品質資訊跨廠區交流、校正策略分析及缺陷修補。

最終高階軟板良率從70%提升至90%以上,出貨速度則從5天縮短至0.5天。相較傳統生產流程,至少可降低40%的成本,提高企業獲利能力30%,並帶動每年約10億元的投資,與31億元的高階軟板產值。

將自動光學檢測(AOI)系統拍出來的高畫質影像,經AI重繪、濾掉雜質後,直接跟原始設計圖做比對,能更快判斷缺陷,解決人眼判讀品質不均的問題。
將自動光學檢測(AOI)系統拍出來的高畫質影像,經AI重繪、濾掉雜質後,直接跟原始設計圖做比對,能更快判斷缺陷,解決人眼判讀品質不均的問題。

 

催化國際級數位智造中心誕生

另一研發聯盟則是促成電路板打樣廠,與設備廠攜手合作。過去國外大廠下單時,會先由廠商打樣,確定設計出來的電路板符合規格再生產,產業特性屬於少量多樣。透過設備智慧化、生產資訊肇因分析、智慧排程等技術,讓打樣廠的交期準確率從50%提升至80%,進而讓打樣業者成為「國際級數位智造中心」,協助多家國際大廠試製,也帶動國產設備廠的設備智慧升級。

王裕銘指出,這兩大聯盟的意義不僅在於讓技術落地,更產生示範效果。他透露,許多廠商看到良率、交貨速度、成本節省都大幅躍進後,紛紛表達合作意願,目前已陸續有載板廠、半導體封測廠、電路板廠前來接洽。

突破日韓壟斷 切入國際供應鏈

這個平台不僅已帶動國內超過15家電路板設備廠數位升級,更讓臺廠切入國際供應鏈。傳統印刷設備廠妙印精機,導入PCBECI通訊標準和設備數位升級,不良品發生排除時間縮短6成以上,同時生產成本也降低超過6成、良率增至96%。為此,妙印更建立智慧製造新創技術部,帶動公司由傳統設備商升級為系統整合廠。

由於生產品質更好、成本更低,讓妙印成功在2020年取得泰國第二大電路板廠商的訂單,突破長期被日本及韓國大廠壟斷的困境,搶占新南向市場。未來其他廠商也有機會透過數位升級拿下國際大單。

事實上,除電路板產業外,三大核心技術中,「整合式肇因分析模組技術」與「AI影像重繪缺陷分類技術」也已實際導入半導體、光學和天線產業,帶動更多產業數位升級,進而扶植臺灣智慧機械產業聚落。

「未來這個平台還會更精進,」王裕銘說,首先,肇因分析目前是生產完了再做回饋,未來希望在生產前就能預測到可能發生的瑕疵;其次,是希望達到設備與設備間的橫向溝通、分析、校正,進一步提升良率。智慧製造是產業趨勢,在疫後5G、電動車、智慧終端產品需求大增之際,電路板產業產值可望持續增溫,有工研院紮實的技術力做後盾,產業將更具產業韌性與競爭籌碼,持續穩坐全球龍頭寶座。

 

文章轉載自工業技術研究院工業技術與資訊月刊