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工具機次世代工法有賴跨域相通
競登半導體神山爭後來居上
[作者 陳念舜]   2021年03月09日 星期二 瀏覽人次: [2510]

相較於電動車產業因為主力客戶仍來自於傳統汽車產業鏈居多,且非台灣中小企業強項,工具機廠商多半將市場出海口置於歐洲、中國大陸、美國等地,難免鞭長莫及。反觀當前炙手可熱的半導體護國神山,則盼立足從兩兆雙星年代奠定的基礎登高望遠,有機會近水樓台先得月!


延續自2018~2020年美中科技戰與COVID-19疫情的濫觴,不料2021年初剛倒數完不久便傳來全球車用晶片荒,包含德、美、日系汽車大廠供應鏈皆陸續發生缺料現象,恐營收損失高達611億美元,不得不讓各國紛紛向台灣施壓喬晶圓代工產能,也讓素來有「護國神山」美譽的台灣半導體產業顏面有光。


但下一步該問的,也許是台積電該如何擠出產能,又不致排擠到其他依先進製程生產的高毛利產品進度;或避免影響到設備正常排程的效能、良率,恐導致生產成本恐不降反增?未來或許該進一步向上衍生、打造綿延不絕的「護國神山脈」!


根據經濟部最新統計,隨著5G、物聯網及高效能運算等新興科技應用快速拓展,半導體大廠積極擴充產能;加上政府積極推動台灣半導體設備及零組件產業升級,以及企業建構在地採購供應鏈吸引國際大廠投資建廠,帶動台灣半導體設備產值自2012年起連續8年正成長。並分別於2017年、2019年分別突破500億元和600億元規模大關,預計2020年全年產值可達650億元以上,連續9年創新高。


其中台製半導體設備分為生產、檢測兩大類,又以生產設備及關鍵零組件居多,滿足約占70%內需市場,成為貢獻台灣半導體設備產值連年成長的主要來源。加上近年來因生產設備廠商積極投入研發製造,陸續接獲台灣龍頭大廠訂單,產值從2012年起連續8年呈二位數成長,占總體產值比重亦逐年攀升,2019年已達75%;另檢測設備及零件內外銷市場比重約占各半,隨著台灣半導體廠擴建產能需求熱絡,內銷比重突破60%。



圖1 : 根據經濟部最新統計,台灣半導體設備產值自2012年起連續8年正成長,預計2020年全年產值可達650億元以上,連續9年創新高。(source:經濟部統計處)
圖1 : 根據經濟部最新統計,台灣半導體設備產值自2012年起連續8年正成長,預計2020年全年產值可達650億元以上,連續9年創新高。(source:經濟部統計處)

但台灣雖然擁有全球最完整的半導體產業聚落及專業分工,始終位居半導體設備市場前一、二名,但主要生產設備及材料多須仰賴國外。依國際半導體產業協會(SEMI)統計,截至2020年全球半導體OEM設備銷售金額將創下689億美元的新紀錄,較2019年的596億美元成長16%。預計明、後年成長力道持續走強,2021年將達到719億美元、2022年甚至會攀上761億美元,成為半導體設備產業搶攻的新市場。


為提高半導體供應鏈自給率,政府現也積極推動台灣成為全球半導體先進製程中心,期盼吸引更多國內外設備及材料大廠來台投資,去年台積電資本支出創史上新高約170億美元(新台幣5,100億元),其中便有80%用於研發先進製程;加上美光、華邦電、力積電等擴大投資總金額已超過2.7兆元。


同時厚植台灣廠商研發及技術量能,落實供應鏈自主,協助台廠開發設備再導入台積電實測驗證、推動關鍵材料供應在地化等,以提升產業的國際競爭力;同時避免對手透過外商取得半導體業最佳化參數,成為台灣半導體先進製程技術外流的破口,預計2030年產值將從目前2.6兆元增至5兆元。


工具機群切入半導體產業鏈 建議由後往前逐夢踏實

現已吸引包含工具機在內的台灣智慧機械產業聚落積極投入,2020年便有台灣機械工業同業公會(TAMI)、工研院與德國創浦集團正式簽署三方合作意向書(MOU),將結合獲ASML在EUV採用的德國先進雷射源核心,搭配大銀微平台與工研院的製程光路模組,為台灣半導體設備商提供關鍵升級技術。


台灣工具機暨零組件工業同業公會(TMBA)年底更廣邀4大協會:台灣智慧自動化與機器人協會(TAIROS)、國際半導體產業協會(SEMI)、台灣電子設備協會(TEEIA)、光電科技工業協進會(PIDA),以及4大法人單位:金屬工業研究發展中心(MIRDC)、精密機械研究發展中心(PMC)、工業技術研究院(ITRI)、資策會(III)共9個單位簽署《推動半導體設備在地化跨產業聯盟合作備忘錄》,先從半導體周邊自動化設備切入供應鏈,再逐步掌握核心環節,預估最快2年內可望增加20~30%產值。


據TMBA透露,目前已接獲6~7家半導體產業外商表達有意與工具機刀具業者合作,公會也陸續提供刀片類:正河源、益詮精密、萬事達切削科技、帝固鑽石及仁武正順車刀;銑刀類:七駿科技、城市精密科技、立新精密刀具、虹鋼富及景明精密各5家廠商,期盼促進雙方私下加強多聯繫。


惟若依上銀集團總裁卓永財分享自身投入半導體產業近30年經驗指出,上銀過去主要供應國際主要半導體設備的定位系統,但由於半導體設備精度大都達到奈米(nm)等級,定位系統採用的是直接傳動的線性馬達,就連滾珠螺桿都無用武之地,一般工具機廠要直接跨入更難,直到他併購旗下大銀微系統,才在半導體應用比重一舉超過30%。


所以他認為工具機切入半導體設備供應鏈著實不易,為免誤導市場而呼籲廠商務必長期投資,有步驟逐步踏實、超前部署,當成產業長期經營指標,也許會等待漫長的驗證時間,而不能只想著賺「快錢」。卓永財建議想切入半導體產業的工具機廠最好先從周邊設備下手,再逐步轉型升級,切入封裝、測試等後段製程供應鏈。



圖2 : 工具機要切入半導體設備供應鏈不易,建議想切入半導體產業的廠商最好先從周邊設備下手,再逐步轉型升級,切入封裝、測試等後段製程供應鏈。(source: kcbsolutions.com)
圖2 : 工具機要切入半導體設備供應鏈不易,建議想切入半導體產業的廠商最好先從周邊設備下手,再逐步轉型升級,切入封裝、測試等後段製程供應鏈。(source: kcbsolutions.com)

根據市調機構日前發布今年台灣封測業產值最新調查,受到電子供應鏈積極拉貨、5G相關應用的電子新品上市帶動下,相關晶片、面板驅動IC、記憶體封測等需求快速回溫,帶動台灣封測業產值重回成長軌道。


日月光、力成、京元電、頎邦、南茂等台灣主要封測大廠皆決定將調漲封測報價5~10%不等,促使業者持續擴產,供給缺口達30~40%的打線封裝機台更是擴充重心,業者形容這是封測業15年來罕見榮景,預估今年產值將從185億美元,衝高至200億美元新猶,年增近10%。


工具機挾軟實力加值 打通半導體製程最佳化環節

另有其他整機會員廠商的產品也開始被引進加工半導體設備的關鍵零組件,包含百德機械董事長謝瑞木指出,該公司近年來便透過旗下Winbro集團成功切入美系半導體設備龍頭廠供應鏈,係利用Winbro過去主要用於加工能源或航太產業燃氣渦輪引擎熱鍛零組件冷卻孔的機械設備,改為鑽削加工半導體前段晶圓製程的斜孔、硬脆材料。百德再將台灣生產的放電加工機後運送到英國廠,組裝雷射與電腦控制系統出貨後,每部機器單價可上看100萬美元,由於進入門檻高,目前市場尚無其他競爭對手。


值得一提的是,即使是半導體先進製程產生的晶片,也須安裝在IC載板上才能使用,為因應高階產品的強勁需求,印刷電路板(PCB)機械/雷射鑽孔加工機也是台灣傳統工具機產業的強項,包括東台、友嘉、台灣瀧擇科技都已提早布局。


根據經濟部公布最新產業數據顯示,PCB產業今年受惠伺服器、網通設備廠商持續回臺投資擴增產線,以及疫情推升遠端應用產品接單活絡、電信業者5G基礎建設加速布建,催生另一波需求動能下,2020年產值將可望突破3,000億元,回到金融海嘯前的水準。


其中IC載板為推升成長的主要動能,硬質及軟板等主要產品因受惠5G、人工智慧等新興科技應用擴展,帶動資訊、通訊等消費性電子產品需求增加;以及高階運算晶片與高速記憶體需求暢旺,使之產值達711億元(占31.3%),年增25.6%的增幅最大,二項產品合占印刷電路板業約80%。今年還有歐美汽車大廠搶購車用晶片的利多因素,展開報復性拉貨與備貨之下,單一車用電子占比較去年同期雙位數提升,包含車用HDI(高密度連接板)與汽車用PCB等關鍵零組件需求,也將水漲船高。



圖3 : 即使是半導體先進製程產生的晶片,也須安裝在IC載板上才能使用,PCB機械/雷射鑽孔加工機也是台灣傳統工具機產業的強項,包括東台、友嘉、台灣瀧擇科技都已提早布局。(source:東台集團)
圖3 : 即使是半導體先進製程產生的晶片,也須安裝在IC載板上才能使用,PCB機械/雷射鑽孔加工機也是台灣傳統工具機產業的強項,包括東台、友嘉、台灣瀧擇科技都已提早布局。(source:東台集團)

專業CAD/CAM軟體系統開發商達康科技(DARCAM),則除了既有高速、二~五軸、車銑複合、放電及線切割CNC加工機專業CAM軟體,並透過Autodesk Fusion 360雲平台提供即時、高效率的技術服務。近期還大力推廣該公司開發的機上智慧量測補償、工業機器人離線編程、數位銲接、雷射切割、積+減法加工應用、機台製造資訊即時化等客製化外掛程式,可望協助工具機廠商打通與半導體設備效能、加工製程最佳化的關鍵環節!


面對現今PCB軟板加工趨勢,傳統由日本、中國大陸客戶提供加工路徑,再交由台廠代工的模式已遭遇因PCB專用CAM軟體越來越老舊又不易更新升級,導致運算速度過慢,無法自主達成製程最佳化的痛點。


達康科技也特地為此開發外掛程式,當客戶釋出加工路徑分析或控制器程式碼時NC-code,即可透過PowerMILL(二~五軸銑車加工)、FeatureCAM(自動特徵辨識)系統軟體,協助台灣代工廠將PCB鑽孔順序最佳化並完成測試,將能縮短4~5%,甚至是8%加工時間,待大規模量產後成效驚人。


還能搭配Fusion 360平台的PCB layout功能,未來隨著Fusion 360將逐步走向雲端,加強協同操作,只要透過其中AnyCAD功能即可接受、讀取所有品牌CAD圖檔,即使前端CAD軟體設變也不必再重編加工路徑,而會主動重新計算修改。


以及因應加工LED封裝模具時的路徑,雖然比起用一般CAM系統軟體規劃路徑簡單卻麻煩,達康科技也提供PowerMILL外掛程式,以協助客戶自動快速產生路徑、線段來銜接加工位置,估計可縮短40%編程時間。甚至已與國內外刀具、刀把品牌製造或貿易廠商合作建立資料庫,並納入PowerMILL加工鑄鐵、鋼、鋁、銅等不同參數參數供初學者快速套用,或在完成運算路徑後判斷是否干涉路徑


最新發表「智慧機上量測加工補償」功能程式,則能進一步改良PowerINSPECT線上量測功能,不必人工介入,即可在加工前先利用各式測頭定義量測、加工座標,以便運算,補償3D加工座標角度偏斜、中心位移等問題,再回到不同品牌的CNC控制器內修正或旋轉。等到完成規劃加工路徑之後,可搭配Fusion 360檢測如圓、凸島、孔等不同特徵,考慮是否須叫回程式,自動回修補償加工路徑和刀具磨耗造成的誤差。



圖4 : 達康科技最新發表「智慧機上量測加工補償」功能程式,則可在加工前先定義量測、加工座標,以便於運算,補償3D加工座標角度偏斜、中心位移等問題,自動回修補償誤差。(source:達康科技)
圖4 : 達康科技最新發表「智慧機上量測加工補償」功能程式,則可在加工前先定義量測、加工座標,以便於運算,補償3D加工座標角度偏斜、中心位移等問題,自動回修補償誤差。(source:達康科技)

未來還能藉此克服以往如加工複合材料過程,必須耗時循邊去除;以及一旦鑄/鍛造件經過熱處理後,造成變形或孔位偏移、毀損模具焊補;甚至是不同量產的工件、夾治具,或經RT夾持工件,都會造成難以定義加工座標的問題,未來都可利用PowerINSPECT系統自動補償。


此外,半導體產業前段晶圓擴散製程的石英加工應用,主要用來承載晶圓,產生高溫反應、氣體輸入等用途。由於須採取特殊加工路徑,達康科技還為此特別加入外掛程式;以及因為IC導線架可用刀徑極小D=0.3mm、硬度HRC 60又高,若依客戶原有CAM軟體運算7天僅完成26%,幾乎無法完成。待改用了達康科技PowerMILL軟體,再搭配Vortex高效率旋風擺線加工之後,僅花費了19mins運算時間。


半導體機加工業者建言 工具機產業還應落實理念互通

然而,由於半導體業要求快速生產少量多樣產品,每年都會有客戶500~1,000件新品須經過開發評估,所以為了促進加工業提高量產速度、開發效率就變得很重要,可能每次生產10~20件就要換線;且為了避免工法生變,一旦設備、環境改變就可能須要重新認證,半導體產業的機加工廠商現也期盼能引進五軸、複合工具機,來降低搬運工件次數、誤差風險,滿足客戶對於省時、高效率的需求,期許能讓工件一上機就直到加工完成、品檢、出貨。


業者也認同,目前半導體產業前段製程已幾乎不可能有新供應商可介入空間,後段封測設備機會相對較大,惟半導體設備業者尋求供應鏈廠商首要有半導體領域知識、經驗,否則寧願找上大陸、東南亞等人力成本更便宜地區加工;何況是利潤高,也更複雜的表面陽極處理,不容每日色差標準不一,還須要用化學藥劑徹底清潔表面才能交貨。


另隨著現今加工材料越來越多樣,有別於以往客戶毛利不過18%,為了怕影響管控工廠成本,只能要求刀具cost down。當接單的價值越來越高,就越不敢採用廉價刀具,以免產生NG不良品。與台製工具機製造廠商的觀念最大差異,在於半導體設備主攻多樣少量開發應用市場,無法比照大批量加工產品的固定模式思考,還不如選購較貴的國外品牌,較能及時滿足需求。


**刊頭圖(source: elmomc.com)


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