技術專輯主編前言|先進製造與量測技術專輯主編前言

作者:

黃萌祺

刊登日期:2022/09/29

臺灣製造業產值受惠於半導體與電子產業需求大幅增加,於2021年達24.33兆元、年成長率達24.23%,並根據工研院產科國際所(ISTI)產業經濟預測趨勢模型(IEK-CQM模型)估算,2022年預估成長率為6.04 %,可達到25.80兆元,其中,資訊電子業產值可達10.32兆元,成長率可達9.28%,為成長最大之產業。臺灣製造業產值可大幅增加,其主要原因受惠於製造業已從原先低成本、高勞力密集的傳統代工業逐漸走向高毛利、少量多樣具特色之技術密集型產業,發展獨特之先進製造技術,以取得市場產品佔有率。先進製造技術是藉由整合製造資訊、感測器、自動化與模擬運算、物聯網等智慧化技術,或整合材料、化學、物理與生物學等新興技術,進行產品研發、生產製造與檢測等,以達到產品或服務具獨特創新性。

虛實整合技術又稱為數位孿生(Digital twin)技術,其為實現智慧製造的關鍵技術,可藉由雲端運算、物聯網、大數據分析等形成模擬運算軟體平台,可進行類比物理或化學等實驗、流程或是系統製造與優化,特別被應用於實驗成本昂貴或高風險之測試中,以減少實驗成本與加速實驗過程,目前廣泛應用於航太、半導體、生醫醫藥、化工等領域。此外,受新冠疫情因素影響,人員溝通與工作也逐漸從實體轉為虛擬化,以避免疫情與交通干擾,亦加速虛實整合技術之發展。

受到先進製造需求大幅增加,檢量測技術與設備將貫穿整個製造過程,從原物料之進料檢測、製造期間的製程品質與製程因子監控、與最終產品之規格與性能檢測,皆需要檢量測技術與設備。根據日商環球訊息有限公司(GII)預估全球檢測、檢驗、認證市場規模將從2019年的2,250億1,800萬美元,預估至2026年可達到3,385億6,700萬美元,年複合成長率可達6.01%。根據VLSI研究報告顯示,2022年整體半導體測試設備規模預估可達99億美元,年成長19.2%,受半導體應用產業廣,高性能、高可靠性、低功耗等目標持續追求,使得半導體測試變得越來越重要,檢測與量測設備產值約佔整體半導體設備產值之17%,隨著半導體製程節點持續縮小、封裝層數持續增加、3D IC封裝與異質整合封裝等均大幅增加半導體檢測與量測設備之需求。

為減少實驗測試成本,與提高製造良率,先進製造與檢測技術已廣泛應用於各產業中,本期專輯將針對先進製造與檢測技術進行介紹與說明,我們很榮幸邀請永進機械工業股份有限公司陳伯佳總經理針對「工具機綠色轉型,提升產業永續力」進行介紹,由於氣候變遷的衝擊、環保議題的抬頭,全球已有136國宣示淨零碳排的目標,政府也在2022年3月公布「2050淨零轉型路徑圖」,藉由發展智慧智造技術,透過實體與軟體整合、應用IoT物聯網、大數據、地端及雲端平台和區塊鏈的結合,提高產品的附加價值,並藉由數位化的管理模式,精準計算減少碳排放,提供盤查碳足跡,可提高產能及效率,減少廢品,實踐綠色轉型。工具機將以設備機聯網為首,搭載電子化派工/報工,透過生產監控數位化、可追溯與取得即時且準確的數據進行分析,瞭解問題發生的原因及出處,思考如何應對問題、解決問題,避免重蹈覆轍,降低製程中每項可能產生的成本。因應ISO 50001:2018新增的要求,能源數據的蒐集將是重點,未來,結合能源管理系統,蒐集各零件、製程所使用的耗能數據加以分析,並確保數據的完整性、可用性及正確性供審查及監督,提高能源效率,發揮能源價值,提升企業競爭優勢。工具機亦可透過虛實整合技術,藉由大數據的蒐集及分析,當模擬符合預期成效及目標後,從而擇優找到相對應的對策,才進行實體的部署,免去大量的試錯成本,也大為減少廢品與減低碳排。「邁向智慧製造路上的數位化與低碳轉型」一文,數位轉型、供應鏈重整將是智動化產業的下一波發展趨勢。在智慧製造的洪流下,目前製造業大多面臨傳承、跨界、整合、國際化及貿易戰的衝擊,除了力求轉型,還必須重新設計產品,建立新的產品核心性能。朝向低碳經濟轉型亦是智動化產業不可逆且會是長期追求的目標,用資通訊技術協助進行數位轉型、綠色轉型會是主流且必經的道路,以ERP做為營運(財務、員工)資訊管理,以MES製造執行系統做為生產線的生產資訊管理,若能結合智慧排程工具(軟體),與有分析功能的數據蒐集平台(軟體),將是製造業把生產經驗與知識量化的重要途徑,以因應從業務交期允諾到生產進度管理的同步,完善生產計畫與產線生產的即時資訊。「濺鍍設備之薄膜應力模擬分析技術」一文,由於氮化鈦具備高密度、低應力且硬度高的特性,目前半導體大廠都選用氮化鈦當作硬質光罩的材料,所以氮化鈦在半導體製程上的需求大幅增加;其中,濺鍍機台是主要用來製作氮化鈦薄膜。然而,氮化鈦鍍製受到腔體內製程溫度、壓力、流量等參數的影響,導致硬質光罩薄膜中會有殘留應力,易在蝕刻製程後變形,造成線路彎曲或圖案坍塌,因此殘留應力和翹曲量是值得深入探討。本文提出了一種製程導向模擬方法,藉由有限元素模型用以估算最終的薄膜應力和翹曲量,透過模擬分析結果和實驗數據的殘留應力進行比較,模擬誤差率僅為2.75%,之後利用薄膜應力數值,即可分析產生翹曲量。「以實驗設計法探討電漿參數對其製備氟碳膜性質之影響」一文,氟化非晶碳膜(Fluorinated amorphous carbon films)因其膜材特性具化學穩定性、低表面能、低折射率,以及良好之電熱性質而廣泛運用於產業界;本文以電漿輔助化學氣相沉積法製備氟碳膜,藉以實驗設計法與其膜材特性分析,了解製程參數與膜材特性間關係,並建立其電漿鍍膜機制。藉由實驗設計法探討CH2F2/CF4電漿製備氟碳膜,CF4流量及沉積溫度為影響成膜速率之最顯著因子;於適當CF4流量、低溫及高電漿功率參數中,可獲得高沉積速率製程;而高F/C比膜材其薄膜之熱穩定性表現較差。「全介電質複合薄膜光學模擬及分析技術」一文,光學薄膜製鍍方式採用複合薄膜技術,除了具有能夠改善單一材料的物理及化學特性外,亦能得到與目標光譜相近之結果。本文介紹多層結構薄膜色度與物理參數變化模擬及鍍膜開發,設計複合薄膜以玻璃/(HL)PH/空氣為主結構,利用各層結構變化可調控青色、橘色、紫色色度。本文利用分佈式布拉格反射方式設計彩色膜片,當不同折射率之膜層交互且有週期性的堆疊時,入射光經過不同折射率之膜層,反射光因相位角的改變而產生干涉,並經由在不同折射率材料之間來回反射,產生分佈式布拉格反射,可使用較少的層數得到各種色彩裝飾鍍膜,同時採用Essential Macleod薄膜設計軟體,進行金屬氮化物及氧化物複合薄膜光學模擬及特性分析。「雷射誘發金屬化 3D電路製造技術與應用」一文,電子產品的體積越來越小,但功能卻在逐漸增加。將電子電路集成到結構部件上的三維結構電子技術已成為必然趨勢,一種新開發的雷射誘發金屬化(Laser Induced Metallization, LIM)技術可直接在塑料、金屬、玻璃或陶瓷製成物體的三維表面上製造電路。LIM技術是在物體表面噴塗一種特殊的雷射活化溶液,然後進行雷射結構化和化學鍍銅;也可以逐層重複步驟,形成三維多層電路,未來亦可整合3D接合等技術,進一步整合主被動元件,形成3D結構電子。本文已將 LIM技術應用於影像感測器的探針卡、仿人機器人手指上的觸覺感測器、手機背蓋上的雙層2G/3G/4G微型天線和NFC 天線等。

量測技術之應用如下,「電漿離子能量分佈量測技術」一文,現代半導體元件製造過程中,舉凡電漿蝕刻、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)等電漿源均扮演重要的角色,故電漿的離子能量大小對製程結果,諸如蝕刻率、蝕刻選擇比及表面輪廓控制等都有顯著的影響。本文將介紹12吋晶圓式多點量測離子能量分析儀模組,此模組共裝置有19個GiEA量測單元,GiEA量測單元基礎結構是由2~3層網狀柵極及電流收集層所構成,藉由量測柵極上能量鑑別偏壓與收集層之離子電流所得到之電流-電壓曲線(I-V curve),經過模型理論公式計算出離子能量分佈情形,此模組可同時量測多點位置之離子能量分佈情形,將有助於深入了解電漿產生特性,除了能夠協助製程開發者掌握製程核心機制,更能夠作為設備開發之重要參考依據。「薄膜應力與光彈應力智慧檢測技術」一文,現今許多光學元件或高精密儀器皆需做鍍膜處理,然而薄膜應力過大時,可能會使得元件產生劇烈變形而導致結構損壞,因而薄膜應力量測非常重要。本文介紹薄膜應力之光學量測方法,可藉由形貌量測法例如:彩色共焦法、條紋反射技術與雷射干涉儀等,一般利用所量測到的形貌透過幾何關係轉換為曲率半徑,最後再將轉換之曲率半徑代入Stoney方程式進行薄膜應力估算,若需獲得不同位置處之薄膜應力時,則需進行多次的轉換與計算,使得分析數據量大且分析時間增長,且此方式通常為假設曲率半徑於同一分析線上為相同,但薄膜應力時常為不均勻之狀態,若假設同一分析線上薄膜應力為相同時,可能會導致薄膜應力估算產生偏差。利用條紋反射技術具有可量測物體之斜率優點,以透過數值方法即可直接獲得全域之曲率,進而計算得整場薄膜應力。另外,若材料為透明時可直接利用光彈法進行鍍膜前後應力量測,再將所量測之應力變化轉換為等效薄膜應力,因此光彈法為最直接可進行應力計算之方法。「卷對卷式鋼帶表面瑕疵智慧光學檢測技術」一文,卷對卷式鋼帶在經過壓延、退火酸洗與分條加工程序後,鋼材表面可能產生刮痕與鑿點的瑕疵。本文發展一套智慧光學檢測技術以取代傳統人力檢測的方式,以高角度與低角度兩種光源形式同時打光,並利用配置不同波長的光源與彩色線型相機光譜響應不重疊的特性,同時拍攝兩種光源特性以強化瑕疵特徵,最後利用卷積運算、影像比對與機器學習中的支援向量機(Support Vector Machine, SVM)進行分類以完成檢測。本文在影像解析度30 μm、最大對應鋼卷寬度490 mm、最大輸送速度2 m/s的情況下,可實現即時全檢的高速智慧檢測。

本期專輯期望能從先進製造與檢測技術中,挑選突破點與建立技術制高點,並與讀者們一同分享與交流,同時也希望能引起產學研各界之共鳴,大家一起投入發展,讓臺灣先進製造與檢測技術能持續進步與應用,帶動臺灣製造業之發展。

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