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英飞凌无锡工厂在低碳、互联、零缺陷的探索和实践

作者:王莹时间:2021-06-30来源:电子产品世界收藏

、数字化、高良品率是现代追求的目标,需要一系列的技术和管理手段来保障。作为世界十大半导体公司之一,英飞凌科技拥有自己的芯片,堪称制造业的典范:是第一家承诺实现“”的半导体企业;自主研发的制造执行系统(MES)使生产周期缩短50%;产品缺陷率低至每10亿中有2.9个。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202106/426665.htm

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图:英飞凌无锡广场外景

近日,英飞凌在无锡举办了“低碳互联’凌’距离 英飞凌无锡工厂媒体沟通会”,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,携英飞凌无锡工厂的信息技术总监曹翃与高功率半导体制造部总监张向东,向电子产品世界等媒体介绍了无锡工厂在绿色、智能和方面的方法、探索及思考。

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1   目标,建设绿色工厂

1.1 为何热衷“碳中和”

当前,“气侯变化”是一项全球性的挑战,需要整个社会一致行动。英飞凌一直是把让生活更加环保作为使命之一,认为这是企业的责任。同时,英飞凌的产品恰恰能够在这方面做出贡献,因此,英飞凌也是希望能够起到示范作用,通过自己的带动,让全社会都能够参与进来。

为此,英飞凌致力于持续减少碳排放,并在2020年制定了“有约束力的减排目标”,成为第一家承诺实现“碳中和”的半导体企业。其目标是到2030年实现碳中和。在此之前的2025年,把二氧化碳排放量较2019年降低70%。

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在践行碳中和方面,英飞凌有五大战略举措:①通过废气净化,延续并完善减少温室气体排放的自愿措施,②不断提高能源效率,并在制造领域采用最现代化的工艺技术,③中期过渡到使用具有来源保证的100%绿色电力,④通过扩建工厂的充电基础设施来推广电动汽车,⑤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等。

英飞凌的信心其实也是源于其历来的良好节能减排记录,例如:在生产过程中,英飞凌的资源利用效率远高于半导体行业的全球平均水平。在生产晶圆方面,英飞凌生产每平方厘米晶圆的耗电量比全球平均水平要低约47%,耗水量比全球平均水平要低约29%,产生的废弃物比全球平均水平要低约56%。

历史上所取得的良好成绩,以及英飞凌的先进技术给了其充分信心,去实现碳中和目标。

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在碳中和方面,前道工厂对工序的要求稳定性特别高,因为它的产品周期很长,中间有成百甚至上千道工序,所以从整个自动化、节能化方面来看,前道工厂走得比后道快。对于后道工厂, 使用最先进的技术 ,需要企业有胆识、魄力与专业的知识判断。作为英飞凌中哟的后道工厂,无锡工厂采取了与第三方合作进行能源合同管理的方式,这是开创性的探索,相信这也是体现了很多中国人的特点,敢用新东西,敢于尝试。

1.2 实现碳中和的具体措施

在降低碳排放、走向绿色工厂之路上,英飞凌无锡主要聚焦于覆盖产品周期的五大重点领域。

1)低碳制造设计。主要表现在使用低碳材料,并提高材料使用效率;持续改进工艺设计;开发智能制造技术、提高设备利用率;还有就是利用本土的生产材料和设备,减少设备、材料从供应商到无锡工厂之间运输所消耗的能源。

2)提高能源效率。英飞凌无锡工厂成立于1995年,在发展过程中运用能源合同管理模式,不断采用先进的节能技术和产品对制冷系统、空压系统、加热系统、照明系统进行能源改造,一方面能够保持工厂顺利运营,另一方面也大幅度提高了能源利用效率。此外也运用神经网络,进行智能的能源监测。

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3)减少直接排放。例如,使用清洁无氟制冷材料,采用电动叉车,甚至公司的班车也采用新能源大巴等。

4)资源循环利用。例如,将废热循环利用于空气处理、水处理等系统;包装材料循环利用;生产的废弃物循环利用等。

5)使用清洁能源。在这方面,无锡工厂的举措包括建立分布式屋顶和停车棚光伏发电系统,采用绿色电力等。无锡工厂的布局都是楼宇式的,所以相对可用的面积不多。英飞凌无锡在所有可用区域安装了光伏发电系统,到目前为止,有28%的办公用电是由光伏驱动的,未来还要继续开发新的节能方式。

实际上,无锡工厂早在2015年已经实现了碳达峰,2020年碳排放较2015年减少了27%。并且,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、在可用区域100%安装光伏发电系统。根据2021年中国船级社质量评估机构数据,英飞凌无锡工厂的绿色绩效处于半导体行业的前5%。接下来,无锡工厂希望跟随总部的决策,在2025年实现碳排放较2019年减少70%,并且在2030年达到碳中和。

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1.3 引入第三方合作

此外,英飞凌无锡工厂的特色还在于引入第三方,跟很多伙伴进行能源合同管理的合作方式。如果第三方愿意投资,英飞凌会要求他们采用最新的技术,即能效最好的方案,以减少电能消耗。通过这样的方式,英飞凌实现了对冷冻机和空压机的升级。光伏也是用了同样的思路。这种方式的好处是与业务伙伴实现双盈,甚至是多赢的合作。

2   智能工厂的实践

2.1 打造智能工厂

工业互联网和智能工厂是英飞凌物联网战略的重要组成部分。英飞凌是“德国工业4.0”执行和指导委员会初创成员,而且也加入了工业互联网联盟(IIC)和德国“工业4.0”平台,在“工业4.0”相关规则和标准的制定中发挥着非常关键的作用。同时,英飞凌也在研制工业4.0所需的核心器件和领先的半导体解决方案。除了是倡导者之外,英飞凌也是工业4.0的赋能者。英飞凌能够提供值得信赖的安全解决方案、高级感测能力、跨应用控制以及高效电源管理,这些对于实现工业4.0具有非常重要的作用。

除了作为倡导者跟赋能者之外,更是工业4.0的实践者。英飞凌把覆盖生产、供应链和技术开发全流程数字化,作为实现工业4.0的一个目标。

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2.2 MES

2013年起,英飞凌无锡通过自主研发的制造执行系统(MES),实现了制造的自动化和智能化,显著提升了运营绩效。该系统能够对人员、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,从而降低成本,提升速度和质量。例如,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%。在MES之上, 英飞凌无锡有“缺陷探测和管理系统”。

MES对行业的参考和借鉴如下。

1) 从产品的流转方面来看,如果产品在生产线放的时间长,除了资金占用之外也产生质量风险。特别是对于半导体这种对灰尘、环境要求很高的产品而言,堆的时间越长,对应的风险也会越大。毫无疑问,流转速度快对此是有帮助的。如果生产过程出现经常性的停顿,停顿就意味着存在隐患,在这种机台生产的产品隐患也会上升。若要实现的MES系统的智能管控,其实来源于对人、机、料、法各个方面所做的大量工作。

2) 从人员培训方面来看。为了保证合规人员的操作,员工在操作机台之前首先要扫描、刷卡。刷卡之后,系统会自动判别员工是否具备操作这台设备的资格。当然,在进行这个操作之前,首先需要保证员工正常的培训。英飞凌的员工基本上要3~6个月的培训时间,这样他们才能够独立地去操作。

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3) 在原材料方面,更多的是与供应商的合作管控。除了像很多企业做的来料检验之外,英飞凌在跟供应商,特别是新供应商的合作过程中,英飞凌投入了大量的人力物力。不仅要到现场看,而且会派出质量人员、技术人员、项目经理定期地到工厂去,希望能够把英飞凌的管理思路和理念分享给他们。最近,英飞凌拜访了几家供应商,他们都表达了同样的看法:虽然英飞凌目前在他们企业的业务中所占的比例并不高,可是他们认为英飞凌对于他们的管理理念、管理方法的改进,能够帮助他们提升在同行业的竞争力,从而促进他们的业务发展。

4) 在设备方面,英飞凌无锡也在不断地升级改造,淘汰一些老旧设备,并引入最新的自动化设备,例如IGBT产品线。现在有很多的企业开始做IGBT产品,据了解其中有些工序是手工进行的。通常认为手工对质量控制会有影响,因为人会有情绪不好、打瞌睡等情况。在所有的工序上,英飞凌都是采用最先进的全自动设备操作。所以投资更大,但是产品是有保证的。因为IGBT对于发电、输配电、用能、储能等各方面的作用都非常关键,英飞凌也不会让客户承担质量风险。

5) 从方法上,要做到完善的质量管控。首先的基础来源于人们对所做工作的理解。例如现在无锡工厂的工程师对器件的理解非常深,从技术层面来看,他们已经谈到了芯片晶圆的结构、震动到底是哪个方向会对工件更好等非常细致的问题。正是得益于工程师对技术的进一步掌握,才能使英飞凌的产品达到目前的水准。

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2.3 无锡工厂的工业4.0蓝图

展望未来,英飞凌提出了:英飞凌无锡工业4.0蓝图。从四个方面把这个“蓝图”加以阐述:1)集成化、数字化敏捷生产和制造系统。这里主要是基于MES系统对“人机料法环”的管控。2)还有利用大数据分析对质量的自动异常检测、预测。3)生产智能化和自动化。希望工程师的生活、所有办公人员的生活也实现数字化,那就是实现高效自我管理的数字化工作和生活。4)物料方面,希望能实现优化集成的材料处理。

英飞凌在工业4.0的推进过程中的思路是:实现制造系统的稳定化、数字化是基础。在此之上,要把所有的信息“人、机、料、法”等变成数字化、让系统能够帮助人们将现实世界与数字世界联系在一起。希望通过基于大数据分析、深度分析等方式,让系统自动做匹配,从而实现“人、机、料”等各方面有机统一与资源利用最大化。

2.4 安全的保障

提到“工业4.0”,其实就是要万物互联。要联网就存在安全性的问题,特别是对于英飞凌这样的高科技企业,知识产权是非常重要的。如何防止甚至降低联网之后的风险?英飞凌无锡的安全解决方案能够帮助进行安全的身份认证、安全的物品识别、安全的权限控制以及安全的通讯连接。在这个过程中,能够满足安全需求的智能卡芯片恰恰是无锡工厂主营的产品之一。它的应用领域十分广泛,包括:支付、娱乐、政府身份识别、个人识别、物品识别、通讯联系等。

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图 无锡工厂是英飞凌全球后道制造MES能力中心

那么,企业、工厂如何构建一个安全的环境应对现在已有的安全挑战?

曹翃总监称,英飞凌非常关注自有知识的保护。物理级的安全方面,智能卡车间有四层安保。从网络层面,现在在尝试上公有云,例如客户关系系统是在云上的。但是涉及自己的一些专有的知识还主要在公司内部,会分很多保护等级,有保密网络。保密网里每一台测试机的测试程序是直接从德国的主程序服务器上下载的。测试完的结果,就直接去做分析,不在机器上保留。无锡工厂的办公区域跟车间是分离的,由虚拟路由来做应用之间的分离。关于电脑,每一个客户端都有TPM (可信计算平台模块),硬盘都是加密的。无锡工厂的任何一台智能设备,包括笔记本电脑和台式机都有公司颁发的证书, 没有证书的设备是没法接入网络的。无锡工厂主要采用虚拟技术来部署自己的私有云。客户端安装软件比较自由和人性化,在批准的情况下,用户可以从自有的应用商店自助安装,但是无F锡工厂会尊重知识产权保护,没有盗版,所有安装数量有自动统计。网络中的设备有实时的病毒、木马检测,实时报警,及采取措施。关键数据统一存储到数据中心。数据中心为了保护它的安全, 访问是受限的。为了防止保护数据的丢失,数据还会同步拷贝到新加坡、德国备份。

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图 无锡工厂外景

在软件方面,无锡工厂的用户环境非常好,想用什么软件都可以自己安装,但是要提出申请。英飞凌是非常遵守法律,不使用任何的盗版软件。员工要对自己的行为负责,软件都会被实时检测。如果检测到安装一些非法或者有危险的软件,都会有人直接来做处理。还有非常重要的一点是防病毒。防病毒是每秒钟监控PC的,只要上传了不安全的网络、下载了不安全的软件,就会采取措施。这些支持基本上都做到了自动化、无人化、远程化。

还有员工的电脑只要几分钟不用,会自动锁屏。无锡工厂会提高员工的安全意识,例如无锡工厂的USB在公司里面是受限的,不允许使用自己的U盘,只允许使用公司发放的,经过定期清洗和加密的U盘。

3   如何实现

3.1 追求

从产品角度看,英飞凌用品质领导地位实现了差异化竞争。英飞凌承诺从功能、可靠性、交期、产量和成本等方面,实现零缺陷。在此基础上,英飞凌通过了很多国际质量标准认证,包括:ISO9001、IATF16949、AS9100、IEC17025、ISO26262等,保证了是在符合体系的要求下全面稳定运行。

在多年的努力下,截至2020年,英飞凌已经达到了2.9个DPB,即每生产10亿个器件的缺陷数量不足3个,树立了全球半导体的质量标杆。这是一个非常高的水准,因为在很多行业还是以“每100万中有多少个缺陷”衡量,英飞凌已经到了“每10亿”。如果做形象的比喻,意味着全中国每年仅有约4人生病,1个人平均94万年才生病1次,1万个黄种人每年掉头发总量不足3根!

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实际上,“零缺陷”首先是汽车电子提出来的。无锡工厂并没有区别对待“消费电子、工业”跟“汽车”行业的客户,是用同样的最高标准、汽车行业的标准做所有的生产。

其实在MES基础上,无锡工厂有DDM(偏差实时探测管理系统)。这个系统能够随时把所有工序中输入、输出的信息收集起来,通过系统的自动判断,从而做出评估。所谓的“输入”,是指机器的功率、速度、力等信息;“输出”是,指实际完成的结果怎么样。DDM一方面能够把这些问题落在审判员的状态;另一方面,即便万一有问题,也能够在第一时间把它剔除掉。

除此之外,英飞凌也用了很多先进技术,例如对产品的智能检测。例如,半导体后道封装里会有“打线”,经常会出现“塌线”的情况,“塌线”就很容易有短路的风险。无锡工厂对于这样的产品有以电脑专家系统为基础的100%的X光检测。以前有几十个员工负责看这些图像,但是几年前替换成了用智能化的方式做自动识别,同样把一卷放到X光机里面,系统会自动分割成一张一张照片送到后台来判断,线的形状究竟好不好也是由系统判断。采用这个系统之后,大大节省了人力。这些技术的应用,也能帮助保证产品质量。

提到质量,为了实现这样的质量,在初期代价也不少。例如塌线的问题。在一个批次可能是(5~10)万颗大的批次,哪怕发现1颗,无锡工厂就认为其它产品也有风险,对应的批次全部报废。

3.2 运营管理的措施

无锡工厂打造了“卓越质量3-2-1”管理模式。一个核心, 即卓越质量;两个支柱,指的是持续稳定和精进创新;三个基石,,也就是系统和工具、组织、人才;持续稳定始终是无锡运营工厂的指导思想。在此基础上,快速反应,敏捷管控。通过一些最佳实践分享,集思广益,无锡工厂也会进行项目评估、竞赛,来推进智能工厂数字化。最终希望能够实现在质量、效率上的卓越。

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图:质量3-2-1管理模式

“纵有迟疑处,坚持质量先”,零缺陷无处不在,不论是在无尘室、实验室还是办公室。英飞凌一直希望能够成为质量的领导者,实现“零缺陷”也意味着每个人对自己工作的承诺,从而来保证产品功能的可靠性、交期及产量、成本能够实现零缺陷。

4   英飞凌及无锡工厂概览

4.1 英飞凌概况

在与赛普拉斯合并之后,英飞凌已成为全球十大半导体公司之一,也是汽车电子、电源管理和驱动系统、传感器系统、安全互联系统、无线combo、差异化存储等领域的领导者。据第三方研究机构发布的数据显示,英飞凌在汽车电子、功率半导体和安全IC领域的市场份额位居全球第一。

英飞凌有自己的前道和后道工厂,它们遍布全球。其中,约1/3是前道工厂,其余是后道工厂。后道工厂有超过一半分布在亚太地区,包括:泰国、马来西亚、印度尼西亚、新加坡、菲律宾、韩国、中国无锡。

4.2 无锡工厂概况

无锡工厂成立于1995年,目前员工数超过1300人,是英飞凌在大中华区最大的制造基地。英飞凌正在把无锡工厂打造成其全球最大的IGBT制造中心之一。

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图:部分媒体参观工厂的合影(笔者在左二)



关键词: 碳中和 零缺陷 工厂

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