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大赛成果 | 新一代半导体智能制造解决方案

时间:2022-07-12浏览量:422字号:AAA

服务商简介

埃克斯工业(广东)有限公司成立于2017年,是一家拥有创新性核心技术的国家高新技术企业,其基于“ROPN+AI”核心技术研发的一系列智能工业解决方案,已在数十家龙头半导体厂商成功部署。


一、解决方案概述

1.找问题:半导体智能制造需求强烈

智能制造是制造业转型升级的关键,而半导体制造过程是当今世界工艺最复杂,自动化和集成度最高的生产系统,随着科技水平的不断提高,物联网、云数据、“互联网+”加速促进半导体制造业向数字化、网络化与智能化发展。

问题1:生产系统具有高度不确定性。小批量、多品种的生产模式以及其他多变的生产环境导致影响因素错综复杂,企业在生产过程中产线调试、设备运维、资源调度等成本较高,不能最大化地释放产线的产能潜力。

问题2:生产不确定性影响产品质量一致性。产品质量与设备及工艺约束参数等方面的关联计算难度大,产品质量难以预测,产品成品率难以控制。

2.设目标:助力工业智能化转型升级

本解决方案旨在解决半导体高复杂生产环境控制与优化面临的生产成本高昂等问题,用更短的时间、更低的成本,找到最优且能实时分析调整的生产方案;致力于实现半导体智能制造解决方案领域全方位的自主可控,助力半导体产线提高产能,提高良品率。


二、创新点

1.技术优势

本解决方案通过采集半导体生产过程中的相关数据,应用大数据、互联网、人工智能等先进技术,根据国内半导体产业实际需求,从生产计划制定、产线和设备调度、资产运维、质量检测等多层面落地,对相关层面的生产活动和资产状况实现预测,并在一定的场景内实现针对不同生产状况的自适应。

与国外厂商利用的单一大数据或AI技术不同,本解决方案创新性地集成了ROPN(Resource-Oriented Petri Net)工业系统建模和AI技术,突破了传统人工智能技术在工业领域实际应用中效率及适应性不佳等问题,形成了更适合当前高复杂半导体生产环境的智能制造技术体系。该技术体系通过自动化控制与智能优化方法相结合的方式,解决具有复杂约束的制造系统建模、实时调度与控制难题,在极短的运算时间内找到最优且统一性强的智能生产方案,且能够根据生产动态变化智能调整,为系统提供最佳决策;同时,具备强大的自进化和自适应能力,出色的鲁棒性使其能够适用于多种不同生产场景。

本解决方案在生产效率提升、生产时间降低、产能增加、良率改善等方面效果显著,填补了国内在半导体设备智能服务系统领域的空白,目前已获得国内发明专利。

2.产品化优势

本解决方案采用“模块化+定制化”的方式进行部署。以设备智能化、产线智能化和良率智能化三类场景为主线划分为智能排程(APS)、故障检测分类(FDC)、生产调度(RTD)等数十种功能模块,结合客户实际需求进行组合与优化,同时深入分析产业特性,找出痛点,开发出有针对性的功能模块,为客户提出个性化定制的解决方案。


三、解决方案做法

本解决方案根据中国半导体企业特点进行开发,能够模块化部署于云端和本地,通过与产线现有的CIM系统深度集成,形成完善的业务生态体系,将生产相关的人员、设备、业务规则、物料等全面整合、协调管控,帮助企业解决关键生产问题,提高生产力和综合竞争力。

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图1 技术架构图

本解决方案采用面向资源的ROPN底层建模技术,模型的复杂度随着系统的资源增多呈线性型上升,与传统建模方法的指数型上升相比,模型复杂度增长速度大幅度降低,使底层模型更为简洁、紧凑。在该底层模型之上,融合AI技术,使得决策系统的算法成本更低、耗时更短、效果更佳。

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图2 解决方案功能图

1)设备智能化——智能设备监控及维护预警(PdM)、智能设备调度与控制(ToolSimu)

智能设备监控及维护预警(PdM)通过实时收集各维度设备生产数据,建立设备预测性维护模型,实时对设备进行监控和诊断,预测设备故障。

智能设备调度与控制(ToolSimu)对半导体设备进行业务分析和工业系统建模,通过ROPN+AI智能算法对设备进行智能化动态优化,实时为设备在高复杂生产状态下提供最优调度方案,提升了设备生产效率和稳定性。

2)产线智能化——智能生产模拟、计划与排程(APS)、智能数字孪生(DigiTwin)、智能实时生产调度(RTD)

智能生产模拟、计划与排程(APS)通过采集大量产线数据(如ERP订单数据、MES生产路径数据等)建立有复杂约束、考虑各种资源制约的完整产线ROPN模型,并通过智能算法精确快速地得到综合考虑多种因素(交期、产线负载等)的最优生产计划,提高在高混合生产状态及极其复杂情况下计划与排程的效率。

智能数字孪生(DigiTwin)通过建立资产和生产环境的实时交互数据平台、生成3D可视化模型,全面模拟过去和目前的生产情况,进行动态呈现,并对未来情况进行有效预测,帮助企业提高生产效率,有效解决传统产线资源种类繁多、运维复杂、突发事件通知处理不及时、生产调优成本高昂等问题。

智能实时生产调度(RTD)针对光刻机等核心瓶颈工位进行实时生产数据的采集,并通过智能分析工站、人、机、物等众多因素找到在当前可用设备和人员资源配置下最佳实时生产调度方案。

3)良率智能化——AI质检和量测(SQIM)

AI质检和量测(SQIM)基于先进的人工智能视觉技术对半导体生产环节进行质量检测、数据分析和问题归类。通过对传统质检和量测设备采集的晶圆图像进行AI影像分析,迅速对晶圆缺陷进行自动标注、分类和溯源,对关键图形尺寸进行精确量测,并将知识和经验集成于智能化系统中,形成完善的溯源、缺陷应对体系;与产线现有生产系统深度整合,可根据业务需要对产线设备参数进行调整(RtR)、对生产进行干预(OCAP),最终建立一个完善的AI质检生态体系,实现智能化缺陷分析、溯源,高效良率管理和预测,显著减少对人工的依赖。


四、解决方案赋能成效

1.应用场景及成效

本解决方案面向半导体及泛半导体行业,覆盖半导体全产业链如晶圆制造、封测、设备、耗材等各个领域,帮助企业搭建自动化、信息化基础,打造新一代半导体智能制造综合统一平台,实现智能化改造升级。对半导体生产关键流程进行全方位的数据采集、分析、预测等,实现多方协作,提高行业整体研发和生产效率,助力半导体行业智能化发展。

1)降低生产时间:通过智能产线及设备调度,瓶颈设备优化等,提高生产效率,降低生产时间约25%;

2)降低成本:通过智能物流、设备及产线优化,减少生产变化性,降低耗材及废品率,降低成本约20%;

3)提高产能:通过整厂模拟仿真,动态产能规划,智能调度等,实现工厂产能提升约20%;

4)提高质量:通过智能生产分析及监测,智能设备维护,AI质检等,提高产线整体稳定性,提升良品率约15%。

2.标杆应用案例

应用企业名称:国内某头部芯片厂商

主营业务

芯片设计、晶圆制造、封装测试

应用场景

基于数字孪生理念,对工厂环境、设备、管线、人物角色等进行三维建模和虚拟化呈现,集成设备资产、生产运行、安全监控等业务系统数据,围绕设备可进行资产全周期的管理、状态和性能的监测,以及生产运营数据的可视化展示应用。

应用效果

降低运营成本>10%;提高资产运维效率>15%;提高生产问题定位效率>60%;生产调优成本降低>20%;返工率降低>10%;产品质量提升>1%。


五、应用推广情况 

1.推广情况

本解决方案服务于半导体和泛半导体产业链中的制造、封测及设备等环节。目前埃克斯工业已经与数十家知名半导体制造企业、封测企业、设备提供商、光电公司等细分领域龙头客户建立合作关系,已有智能设备调度与控制(ToolSimu)、智能数字孪生(DigiTwin)等多项产品实施落地,帮助客户实现了智能化转型升级。

2.市场空间

据世界半导体数据公司IC Insights的统计显示,2020年中国半导体市场规模达到1434亿美元,占全球总量的28.13%,而自给率仅有15.9%,国内对半导体需求强烈。根据目前标杆客户的设备、产线数量等情况,本解决方案国内市场空间突破百亿级别:

1)设备智能化,以预测性设备维护(PdM)、智能设备调度与控制(Toolsimu)等为代表,预计年市场空间为近百亿元,并以每年60%左右的高速增长。

2)产线智能化,以智能生产模拟、计划与排程(APS)、智能数字孪生(DigiTwin)等为代表,预计市场空间为20亿元,并以每年40%左右的增速增长。

3)良率智能化,以AI质检和量测(SQIM)等为代表,预计市场空间为20亿元,并以每年40%左右的增速增长。


推荐语:


新一代半导体智能制造解决方案采用拥有自主知识产权的ROPN+AI技术,为用户提供了更简单、更紧凑的模型算法,给最终的生产资源调度带来更低成本、更高效率的决策路径,通过提高产能和良品率,推动半导体及泛半导体行业智能化转型升级。


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