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工具机次世代工法有赖跨域相通
竞登半导体神山争後来居上
[作者 陳念舜]   2021年03月09日 星期二 浏览人次: [2078]

相较於电动车产业因为主力客户仍来自於传统汽车产业链居多,且非台湾中小企业强项,工具机厂商多半将市场出海囗置於欧洲、中国大陆、美国等地,难免鞭长莫及。反观当前炙手可热的半导体护国神山,则盼立足从两兆双星年代奠定的基础登高??远,有机会近水楼台先得月!


延续自2018~2020年美中科技战与COVID-19疫情的滥觞,不料2021年初刚倒数完不久便传来全球车用晶片荒,包含德、美、日系汽车大厂供应链皆陆续发生缺料现象,恐营收损失高达611亿美元,不得不让各国纷纷向台湾施压乔晶圆代工产能,也让素来有「护国神山」美誉的台湾半导体产业颜面有光。


但下一步该问的,也许是台积电该如何挤出产能,又不致排挤到其他依先进制程生产的高毛利产品进度;或避免影响到设备正常排程的效能、良率,恐导致生产成本恐不降反增?未来或许该进一步向上衍生、打造绵延不绝的「护国神山脉」!


根据经济部最新统计,随着5G、物联网及高效能运算等新兴科技应用快速拓展,半导体大厂积极扩充产能;加上政府积极推动台湾半导体设备及零组件产业升级,以及企业建构在地采购供应链吸引国际大厂投资建厂,带动台湾半导体设备产值自2012年起连续8年正成长。并分别於2017年、2019年分别突破500亿元和600亿元规模大关,预计2020年全年产值可达650亿元以上,连续9年创新高。


其中台制半导体设备分为生产、检测两大类,又以生产设备及关键零组件居多,满足约占70%内需市场,成为贡献台湾半导体设备产值连年成长的主要来源。加上近年来因生产设备厂商积极投入研发制造,陆续接获台湾龙头大厂订单,产值从2012年起连续8年呈二位数成长,占总体产值比重亦逐年攀升,2019年已达75%;另检测设备及零件内外销市场比重约占各半,随着台湾半导体厂扩建产能需求热络,内销比重突破60%。



图1 : 根据经济部最新统计,台湾半导体设备产值自2012年起连续8年正成长,预计2020年全年产值可达650亿元以上,连续9年创新高。(source:经济部统计处)
图1 : 根据经济部最新统计,台湾半导体设备产值自2012年起连续8年正成长,预计2020年全年产值可达650亿元以上,连续9年创新高。(source:经济部统计处)

但台湾虽然拥有全球最完整的半导体产业聚落及专业分工,始终位居半导体设备市场前一、二名,但主要生产设备及材料多须仰赖国外。依国际半导体产业协会(SEMI)统计,截至2020年全球半导体OEM设备销售金额将创下689亿美元的新纪录,较2019年的596亿美元成长16%。预计明、後年成长力道持续走强,2021年将达到719亿美元、2022年甚至会攀上761亿美元,成为半导体设备产业抢攻的新市场。


为提高半导体供应链自给率,政府现也积极推动台湾成为全球半导体先进制程中心,期盼吸引更多国内外设备及材料大厂来台投资,去年台积电资本支出创史上新高约170亿美元(新台币5,100亿元),其中便有80%用於研发先进制程;加上美光、华邦电、力积电等扩大投资总金额已超过2.7兆元。


同时厚植台湾厂商研发及技术量能,落实供应链自主,协助台厂开发设备再导入台积电实测验证、推动关键材料供应在地化等,以提升产业的国际竞争力;同时避免对手透过外商取得半导体业最隹化叁数,成为台湾半导体先进制程技术外流的破囗,预计2030年产值将从目前2.6兆元增至5兆元。


工具机群切入半导体产业链 建议由後往前逐梦踏实

现已吸引包含工具机在内的台湾智慧机械产业聚落积极投入,2020年便有台湾机械工业同业公会(TAMI)、工研院与德国创浦集团正式签署三方合作意向书(MOU),将结合获ASML在EUV采用的德国先进雷射源核心,搭配大银微平台与工研院的制程光路模组,为台湾半导体设备商提供关键升级技术。


台湾工具机暨零组件工业同业公会(TMBA)年底更广邀4大协会:台湾智慧自动化与机器人协会(TAIROS)、国际半导体产业协会(SEMI)、台湾电子设备协会(TEEIA)、光电科技工业协进会(PIDA),以及4大法人单位:金属工业研究发展中心(MIRDC)、精密机械研究发展中心(PMC)、工业技术研究院(ITRI)、资策会(III)共9个单位签署《推动半导体设备在地化跨产业联盟合作备忘录》,先从半导体周边自动化设备切入供应链,再逐步掌握核心环节,预估最快2年内可??增加20~30%产值。


据TMBA透露,目前已接获6~7家半导体产业外商表达有意与工具机刀具业者合作,公会也陆续提供刀片类:正河源、益诠精密、万事达切削科技、帝固钻石及仁武正顺车刀;铣刀类:七骏科技、城市精密科技、立新精密刀具、虹钢富及景明精密各5家厂商,期盼促进双方私下加强多联系。


惟若依上银集团总裁卓永财分享自身投入半导体产业近30年经验指出,上银过去主要供应国际主要半导体设备的定位系统,但由於半导体设备精度大都达到奈米(nm)等级,定位系统采用的是直接传动的线性马达,就连滚珠螺杆都无用武之地,一般工具机厂要直接跨入更难,直到他并购旗下大银微系统,才在半导体应用比重一举超过30%。


所以他认为工具机切入半导体设备供应链着实不易,为免误导市场而呼吁厂商务必长期投资,有步骤逐步踏实、超前部署,当成产业长期经营指标,也许会等待漫长的验证时间,而不能只想着赚「快钱」。卓永财建议想切入半导体产业的工具机厂最好先从周边设备下手,再逐步转型升级,切入封装、测试等後段制程供应链。



图2 : 工具机要切入半导体设备供应链不易,建议想切入半导体产业的厂商最好先从周边设备下手,再逐步转型升级,切入封装、测试等後段制程供应链。(source: kcbsolutions.com)
图2 : 工具机要切入半导体设备供应链不易,建议想切入半导体产业的厂商最好先从周边设备下手,再逐步转型升级,切入封装、测试等後段制程供应链。(source: kcbsolutions.com)

根据市调机构日前发布今年台湾封测业产值最新调查,受到电子供应链积极拉货、5G相关应用的电子新品上市带动下,相关晶片、面板驱动IC、记忆体封测等需求快速回温,带动台湾封测业产值重回成长轨道。


日月光、力成、京元电、??邦、南茂等台湾主要封测大厂皆决定将调涨封测报价5~10%不等,促使业者持续扩产,供给缺囗达30~40%的打线封装机台更是扩充重心,业者形容这是封测业15年来罕见荣景,预估今年产值将从185亿美元,冲高至200亿美元新犹,年增近10%。


工具机挟软实力加值 打通半导体制程最隹化环节

另有其他整机会员厂商的产品也开始被引进加工半导体设备的关键零组件,包含百德机械董事长谢瑞木指出,该公司近年来便透过旗下Winbro集团成功切入美系半导体设备龙头厂供应链,系利用Winbro过去主要用於加工能源或航太产业燃气涡轮引擎热锻零组件冷却孔的机械设备,改为钻削加工半导体前段晶圆制程的斜孔、硬脆材料。百德再将台湾生产的放电加工机後运送到英国厂,组装雷射与电脑控制系统出货後,每部机器单价可上看100万美元,由於进入门槛高,目前市场尚无其他竞争对手。


值得一提的是,即使是半导体先进制程产生的晶片,也须安装在IC载板上才能使用,为因应高阶产品的强劲需求,印刷电路板(PCB)机械/雷射钻孔加工机也是台湾传统工具机产业的强项,包括东台、友嘉、台湾??择科技都已提早布局。


根据经济部公布最新产业数据显示,PCB产业今年受惠伺服器、网通设备厂商持续回台投资扩增产线,以及疫情推升远端应用产品接单活络、电信业者5G基础建设加速布建,催生另一波需求动能下,2020年产值将可??突破3,000亿元,回到金融海啸前的水准。


其中IC载板为推升成长的主要动能,硬质及软板等主要产品因受惠5G、人工智慧等新兴科技应用扩展,带动资讯、通讯等消费性电子产品需求增加;以及高阶运算晶片与高速记忆体需求畅旺,使之产值达711亿元(占31.3%),年增25.6%的增幅最大,二项产品合占印刷电路板业约80%。今年还有欧美汽车大厂抢购车用晶片的利多因素,展开报复性拉货与备货之下,单一车用电子占比较去年同期双位数提升,包含车用HDI(高密度连接板)与汽车用PCB等关键零组件需求,也将水涨船高。



图3 : 即使是半导体先进制程产生的晶片,也须安装在IC载板上才能使用,PCB机械/雷射钻孔加工机也是台湾传统工具机产业的强项,包括东台、友嘉、台湾??择科技都已提早布局。(source:东台集团)
图3 : 即使是半导体先进制程产生的晶片,也须安装在IC载板上才能使用,PCB机械/雷射钻孔加工机也是台湾传统工具机产业的强项,包括东台、友嘉、台湾??择科技都已提早布局。(source:东台集团)

专业CAD/CAM软体系统开发商达康科技(DARCAM),则除了既有高速、二~五轴、车铣复合、放电及线切割CNC加工机专业CAM软体,并透过Autodesk Fusion 360云平台提供即时、高效率的技术服务。近期还大力推广该公司开发的机上智慧量测补偿、工业机器人离线编程、数位焊接、雷射切割、积+减法加工应用、机台制造资讯即时化等客制化外挂程式,可??协助工具机厂商打通与半导体设备效能、加工制程最隹化的关键环节!


面对现今PCB软板加工趋势,传统由日本、中国大陆客户提供加工路径,再交由台厂代工的模式已遭遇因PCB专用CAM软体越来越老旧又不易更新升级,导致运算速度过慢,无法自主达成制程最隹化的痛点。


达康科技也特地为此开发外挂程式,当客户释出加工路径分析或控制器程式码时NC-code,即可透过PowerMILL(二~五轴铣车加工)、FeatureCAM(自动特徵辨识)系统软体,协助台湾代工厂将PCB钻孔顺序最隹化并完成测试,将能缩短4~5%,甚至是8%加工时间,待大规模量产後成效惊人。


还能搭配Fusion 360平台的PCB layout功能,未来随着Fusion 360将逐步走向云端,加强协同操作,只要透过其中AnyCAD功能即可接受、读取所有品牌CAD图档,即使前端CAD软体设变也不必再重编加工路径,而会主动重新计算修改。


以及因应加工LED封装模具时的路径,虽然比起用一般CAM系统软体规划路径简单却麻烦,达康科技也提供PowerMILL外挂程式,以协助客户自动快速产生路径、线段来衔接加工位置,估计可缩短40%编程时间。甚至已与国内外刀具、刀把品牌制造或贸易厂商合作建立资料库,并纳入PowerMILL加工铸铁、钢、铝、铜等不同叁数叁数供初学者快速套用,或在完成运算路径後判断是否干涉路径


最新发表「智慧机上量测加工补偿」功能程式,则能进一步改良PowerINSPECT线上量测功能,不必人工介入,即可在加工前先利用各式测头定义量测、加工座标,以便运算,补偿3D加工座标角度偏斜、中心位移等问题,再回到不同品牌的CNC控制器内修正或旋转。等到完成规划加工路径之後,可搭配Fusion 360检测如圆、凸岛、孔等不同特徵,考虑是否须叫回程式,自动回修补偿加工路径和刀具磨耗造成的误差。



图4 : 达康科技最新发表「智慧机上量测加工补偿」功能程式,则可在加工前先定义量测、加工座标,以便於运算,补偿3D加工座标角度偏斜、中心位移等问题,自动回修补偿误差。(source:达康科技)
图4 : 达康科技最新发表「智慧机上量测加工补偿」功能程式,则可在加工前先定义量测、加工座标,以便於运算,补偿3D加工座标角度偏斜、中心位移等问题,自动回修补偿误差。(source:达康科技)

未来还能藉此克服以往如加工复合材料过程,必须耗时循边去除;以及一旦铸/锻造件经过热处理後,造成变形或孔位偏移、毁损模具焊补;甚至是不同量产的工件、夹治具,或经RT夹持工件,都会造成难以定义加工座标的问题,未来都可利用PowerINSPECT系统自动补偿。


此外,半导体产业前段晶圆扩散制程的石英加工应用,主要用来承载晶圆,产生高温反应、气体输入等用途。由於须采取特殊加工路径,达康科技还为此特别加入外挂程式;以及因为IC导线架可用刀径极小D=0.3mm、硬度HRC 60又高,若依客户原有CAM软体运算7天仅完成26%,几??无法完成。待改用了达康科技PowerMILL软体,再搭配Vortex高效率旋风摆线加工之後,仅花费了19mins运算时间。


半导体机加工业者建言 工具机产业还应落实理念互通

然而,由於半导体业要求快速生产少量多样产品,每年都会有客户500~1,000件新品须经过开发评估,所以为了促进加工业提高量产速度、开发效率就变得很重要,可能每次生产10~20件就要换线;且为了避免工法生变,一旦设备、环境改变就可能须要重新认证,半导体产业的机加工厂商现也期盼能引进五轴、复合工具机,来降低搬运工件次数、误差风险,满足客户对於省时、高效率的需求,期许能让工件一上机就直到加工完成、品检、出货。


业者也认同,目前半导体产业前段制程已几??不可能有新供应商可介入空间,後段封测设备机会相对较大,惟半导体设备业者寻求供应链厂商首要有半导体领域知识、经验,否则宁愿找上大陆、东南亚等人力成本更便宜地区加工;何况是利润高,也更复杂的表面阳极处理,不容每日色差标准不一,还须要用化学药剂彻底清洁表面才能交货。


另随着现今加工材料越来越多样,有别於以往客户毛利不过18%,为了怕影响管控工厂成本,只能要求刀具cost down。当接单的价值越来越高,就越不敢采用廉价刀具,以免产生NG不良品。与台制工具机制造厂商的观念最大差异,在於半导体设备主攻多样少量开发应用市场,无法比照大批量加工产品的固定模式思考,还不如选购较贵的国外品牌,较能及时满足需求。


**刊头图(source: elmomc.com)


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