面向半導體封測及相關產業鏈企業的工業互聯網應用
引言：深圳市益普科技有限公司，專注于半導體封裝測試行業的工業互聯網應用及解決方案研發，是廣東省工業互聯網供給資源池A類供應商，是廣東省第一批“上云上平臺”供應商，廣東省智能制造生態合作伙伴，獲得數博會工業APP大賽全國20強，公司致力于解決半導體細分行業的數字化車間的需求。目前在半導體封裝測試細分領域服務客戶逾200家，全國占有率第一。被國內多家半導體及數字化知名行業媒體評選為“中國半導體行業優秀服務商”及“半導體數字化轉型年度品牌獎”。
公司以“數據驅動決策Data Driving Decision”為宗旨，致力于在數字化服務的基礎上，打造“半導體行業運營商 Industy Operator”，總部位于深圳市，主要針對半導體封測及相關產業鏈行業，提供MES、CIM、EAP數字化工業軟件及設備集成方案，提供半導體智能制造咨詢、數字化轉型顧問服務。
一、項目概況
半導體制造工業軟件一直由國外公司及臺灣公司提供，國內懂行業know-how又能結合新一代信息技術實現商用產品的公司屈指可數，益普屬于最早一批在行業探索的公司。益普成立時，用基于互聯網技術實現工業軟件的思路，屢次遭到同行的嘲笑和不解，但是還沒有MES的概念，益普艱難探索，在工業軟件的道路上，一直堅持新一代信息技術，堅持工業互聯網的技術路徑迭代產品，堅持采用時序數據庫、微服務架構、數據機器人等產品方向，最終在客戶占有率上戰勝了國外及臺灣的軟件提供商。為國內半導體封裝測試行業提供了高性價比的數字轉型服務，得到了很多客戶的認可，為國內半導體封測行業的數字化轉型做出了自己的貢獻。
1. 項目背景
1）半導體行業數字化轉型需求迫切。國內以華為中興事件為代表的“半導體卡脖子”事件，引起了全國上下的高度關注，半導體國產替代勢在必行，幾年來國內半導體制造業雨后春筍，急需與之匹配的數字化服務商，半導體生產數字化賦能勢在必行。
2）國外半導體軟件價格昂貴。國外的半導體封測MES工業軟件以應用材料AM的FactoryWorks和西門子的Camstar為代表，價格動輒數百上千萬，國內民營企業負擔不起。
3）工業互聯網的發展為企業轉型提供了技術積淀。當前，以 5G、人工智能、大數據、云計算等為代表的新一代信息通信技術多點群發、加速演進，與制造業深度交叉、耦合共生勢不可擋。新技術可以彎道超車，利用工業互聯網平臺+工業APP的技術方案，替代國外傳統的IT軟件。
4）國產半導體工業軟件是發展趨勢。半導體工業軟件實現自主可控成為共識，棱鏡門事件之后，我國政府已經意識到政府數據安全的重要性，也加強了政府數據安全方面的工作。“去IOE”與設備采購國產化、自主研發等逐步成共識。
5）益普具備十年半導體行業Know-how積淀
益普旗幟鮮明地從半導體封裝測試行業數字化車間服務出發，經過10年積淀，打通了很多關鍵技術：SECS/GEM 通信協議、LOE批次作業引擎、STDF數據分析等，并隨著近幾年半導體封測企業數量的迅速增加，也獲得了大量的應用場景進行產品迭代。
2. 項目簡介
本項目基于精益化、知識化、模型化、可視化、數字化的理念及半導體行業Know-how等方面的優勢，構建“面向半導體封測及相關產業鏈企業的工業互聯網數字化車間平臺”，采用新一代信息技術，打通SECS/GEM半導體專用通信協議，基于工業物聯網及微服務架構，研發半導體智能制造執行系統—“SiFactroy半導體數字化工廠”。
“SiFactroy主要服務于半導體上下游產業鏈的大型企業，半導體智能制造執行解決方案主要包括：智能控制（SFA Semiconductor Facotry Automation）、智能生產（SFM Semiconductor Factory MES）、智能分析（SIA Semiconductor Intelligent Analysis）三個核心部分。
SFA智能控制部分，針對半導體封測設備，采用半導體SECS/GEM通訊協議，通過IoT物聯網架構，實現設備的設備的數據采集與控制，實現RMS配方管理、AMS報警管理、UMS稼動率管理、RCM遠程控制、EAP設備自動化接口等功能。
SFM智能生產部分，系統以半導體制造運營邏輯為核心，通過建立半導體工藝路線模型Process Plan、工藝控制參數模型，針對半導體特殊的多工序、流程化作業模式，研發自主可控的半導體批次作業流程引擎LOE（Lot Operation Engine），高可適配半導體產線運行邏輯，實現了半導體流程追溯、在制品WIP管理、產量分析、良率分析、生產進度跟進、質量數據分析、設備數據采集、芯片CP及FT測試數據管理等功能。
SIA智能分析部分，通過對前兩部分數據積累，針對半導體工藝的特點，實現數據模型的建立，實現基于數據分析的數據分析應用，比如：YMS低良率分析系統、STDF測試數據分析BI系統（針對FT測試結果數據的數據分析可視化系統）、智能決策系統等。
3. 項目目標
本項目擬在構建“面向半導體封測及相關產業鏈企業的工業互聯網數字化車間應用解決方案”，針對國內半導體工廠特點：先進封裝制造剛剛興起，仍以傳統封裝為主，規模以中小制造企業為主，以代工制造為主的現狀，擬采用新一代信息技術，利用工業互聯網平臺+工業APP的方式，對行業know-how進行知識化、模型化封裝，可以實現低成本、快交付、高可復用的行業解決方案。在半導體封測及相關產業鏈行業通用性強、推廣價值高，在半導體封測行業之外，可快速復用到LED燈珠封裝測試、元器件（電阻、電容、電感）制造、光伏新能源等行業。
通過本項目的立項和開發以及商用實踐，從理論上證明基于新一代信息技術，基于工業互聯網平臺+工業APP的模式，可以滿足半導體先進制造的要求。對比國外傳統成熟的工業軟件，我們可以用新技術實現數字化的彎道超車。可以實現成本、產品體驗、功能滿足度以及行業應用適配性的統一。
二、項目實施概況
1. 項目總體架構和主要內容
（1）技術路線：
1）系統架構
針對半導體行業特點，底層基于工業物聯網系統架構，上層應用支持私有云與SaaS化部署兩種方式；在全面感知層、產線層、工業控制層、系統集成層、數據存儲層、數據應用層、數據展現層，后續可通過工業互聯網實現產業協同。
2）技術實現路徑
項目以工業物聯網IIoT數據采集技術為基礎，結合以半導體封裝測試行業的工藝特性，益普提出了EIPDF的數字化工廠物聯網架構模型。建設高效的信息集成系統，構建實時高效的工業通信網絡結構。系統集成了數據采集感知、邊緣計算、基于SECS/GEM協議的數據解析、MQTT數據傳輸、工業時序數據庫、數據建模、實時數據流式計算、數據挖掘、治理、數據智能化、可視化等技術。所采用的系統集成與通信網絡架構方案如下圖所示：
美國AMR組織層面給出了典型的企業數字化的三層架構模型，如下圖：包括計劃層ERP、執行層MES、采集層PCS。本項目重點涉及執行層MES、采集層PCS，同時與企業現有或未來的計劃層ERP深度融合:
在執行層MES層和基于半導體設備互聯技術的PCS層，是本案例的重點內容，以人機互聯、人人互聯、機機互聯、機物互聯的理念，基于PCS采集層數據，實施工廠建模、生產執行、質量管理、設備管理、報表與看板等生產功能。工廠建模主要實現半導體產品建模、工藝路線、產品LINK、生產BOM、設備建模和標準工程設定；生產執行主要實現訂單下發、數據采集、效能分析、生產執行、過程監控、完工確認，與現場調度相協調；質量管理實現產品檔案、制程SPC、IPQC巡檢、物料追溯、不良分析、質量預警等；設備管理實現設備綜合效率OEE、設備控制和數據采集；報表與看板實現WIP在制品/OP產品/YLD良率/CT周期/CST成本、測試數據、標簽與條碼、追溯管理、數據導出和移動表表等。最后MES層與ERP的生產排程、生產投料、產品入庫、計件工資等相互聯動。
通過對制造現場數字化，對客戶工單的生產進度也做了詳細跟進，對客戶開放遠程查詢端口，客戶可主動查詢自身訂單進度，做到延遲自動預警。該功能實現了初步的客戶層面的外部協同。下一步，公司正在研發基于工業互聯網協同平臺的矽云SiCloud工業互聯網平臺，搭建深圳IC設計之都和全國半導體封測制造的平臺，為IC設計公司尋源工廠，為半導體封測工廠尋找客戶。
（2）技術方案：
系統采用工業互聯網APP的模式進行開發和部署，基于應用工具箱，各個工業APP子模塊可以獨立運行也可以相互依賴。 針對半導體行業工藝特點，比如：工序多、設備多、訂單量大，如下圖所示：
典型的半導體行業的工藝節點如下圖：
擬解決企業關鍵痛點：
半導體企業由于生產車間設備多、工序長，工藝雜，成本高，多存在以下痛點：
協同：生產制造過程不透明，協同差，浪費嚴重；
效率：設備無實時狀態監測，稼動率OEE低；
質量：質量可追溯性差，生產異常無法及時預警；
庫存：WIP庫存管理亂，在制成本高，堆料嚴重，
成本：人力成本高，績效KPI缺失，劣幣驅逐良幣；
客戶：要求越來越高，審核標準逐年提高。
通過對上述問題的解決，實現“數字化車間精益管理”，從“制造協同”入手，逐漸過渡到“協同制造”，幫助企業客戶實現明顯效率及收益的提升。
基于上述特點，本方案“硅芯似箭”SiFactory工業APP，主要實現的半導體數字化車間解決方案的功能框架圖如下圖所示：
產品打通SECS/GEM半導體專用通信協議，基于工業物聯網及微服務架構，研發半導體智能制造執行系統—“SiFactroy半導體數字化工廠”。
“SiFactroy主要服務于半導體封測及其上下游產業鏈企業，半導體智能制造執行解決方案主要包括：智能控制（SFA Semiconductor Facotry Automation）、智能生產（SFM Semiconductor Factory MES）、智能分析（SIA Semiconductor Intelligent Analysis）三個核心部分。
SFA智能控制部分，針對半導體封測設備，采用半導體SECS/GEM通訊協議，通過IoT物聯網架構，實現設備的設備的數據采集與控制，實現RMS配方管理、AMS報警管理、UMS稼動率管理、RCM遠程控制、EAP設備自動化接口等功能。
SFM智能生產部分，系統以半導體制造運營邏輯為核心，通過建立半導體工藝路線模型Process Plan、工藝控制參數模型，針對半導體特殊的多工序、流程化作業模式，研發自主可控的半導體批次作業流程引擎LOE（Lot Operation Engine），高可適配半導體產線運行邏輯，實現了半導體流程追溯、在制品WIP管理、產量分析、良率分析、生產進度跟進、質量數據分析、設備數據采集、芯片CP及FT測試數據管理等功能。
SIA智能分析部分，通過對前兩部分數據積累，針對半導體工藝的特點，實現數據模型的建立，實現基于數據分析的數據分析應用，比如：YMS低良率分析系統、STDF測試數據分析BI系統（針對FT測試結果數據的數據分析可視化系統）、智能決策系統等。
工業APP的應用模塊如下：
1）產品界面舉例：
2）現場應用情況（舉例）：
3）功能特點及工業APP模塊規劃
2. 網絡、平臺或安全互聯架構（一個或多個均可）
網絡部署架構圖
3. 具體應用場景和應用情況
應用場景
由于半導體制造工藝復雜，工序多，設備密集，管理要求高，客戶質量要求嚴格，其生產制造大多有如下痛點：
（1）人工成本高，且插單、急單無法實時同步，PMC跟單效率低；
（2）現場工序多，在制品WIP管理亂，堆料、丟料嚴重；
（3）生產設備技術員，工資高，工作量不好量化，無績效KPI指標，劣幣驅逐良幣；
（4）其主要客戶為國內一線IC設計公司，要求實現全流程質量追溯保障。且希望實時查看訂單進度，完成高效的供應鏈協同。
（5）生產設備幾百臺，設備綜合利用率OEE低，浪費嚴重；
（6）工藝參數依靠人工，希望打通設備，通過自動采集與監測，實現產品數據的實時質量控制。
應用情況
（1）高效性：
輔助排產優化：通過對生產制品WIP物料實時情況、設備實時狀態、人員情況等生產資料的智能化分析，優化現場排產作業，提高設備利用效率及訂單周轉效率。
（2）協同性：
生產流程優化：生產產品的原物料連同作業指令一起送達相應的加工單元，以指令開始一個工序或工步的操作，極大地提高了生產流程的協同性，減少了“工作中心”的待料時間，提高了“工作中心”的利用效率。
生產人員優化：系統自動跟單，減少PMC跟單人力；現場運維人員績效數字化管理，提高員工積極性；運營分析報表自動輸出，減少管理類文員工作量。
（3）完整性：
可追溯性保障：通過生產過程數字化，實現人機料法環的可追溯性，提高質量保障。
軟件防呆：通過軟件防呆，實現自動打印標簽、物料防呆確認，線邊庫智能管理等，杜絕質量事故。
（4）及時性：
安燈精益管理：設備停機、在制品堆料、CycleTime超期等生產異常自動預警，移動APP逐級提醒，實現協同管理，精益化運營。
設備效率提升：通過設備數據分析，快速找到效率黑洞，異常原因，柏拉圖定律重點解決核心問題。提升設備稼動率、訂單周轉率等管理指標。
4. 安全及可靠性
項目組織管理上，公司通過了ISO9001質量管理體系認證及ISO27001信息安全管理體系認證。
（1）過程控制：ISO9000族標準，特別強調過程控制，即質量是在產品形成過程中形成的，體現了預防為主的質量管理思想。公司每一項工業APP的開發公司都有“立項報告”、階段評審Review點、驗收交付都有明確的流程管理,對產品開發及交付的過程管理
（2）建立文件化的質量體系。質量體系要求各項開發活動都做出詳細的規定，作到工作有章可循，有章必循，違章必糾。實現從“人治”到“法制”的轉變。
（3）風險管理意識：項目開發及交付都會有很多風險，ISO9000讓團隊養成基于風險的思維，確保組織能夠持續穩定地發展。
5. 其他亮點
（1）技術創新：
團隊立足自主研發，挑戰行業空白，開發針對于半導體封裝測試行業的“硅芯似箭”SiFactory半導體數字化工廠解決方案。技術創新包括半導體SECS/GEM協議解析，半導體工藝流程PRE建模器，晶圓地圖Maping與SubMaping映射，半導體STDF 數據解析及挖掘以及DieLevel 的Traceability 系統構建等。
集成數據采集感知、邊緣計算、MQTT傳輸、時序數據庫、實時數據流式計算、數據挖掘治理等技術。基于精益化、知識化、模型化的理念，采用新一代信息技術，采用微服務架構，研發高可復用的系列工業APP應用。
行業深耕：深耕半導體封測行業及上下游產業鏈，典型客戶包括：深圳盛元半導體、佛山國星光電、廣東風華芯電、華大基因芯片等。
（3）產品優勢：
1）易實施：產品基于工業APP開發，功能解耦，分步上線，通用性較強易于部署實施；
2）適配性：產品自主可控，半導體封測數字化長期由國外公司（應用材料的FactoryWorks及西門子的Camstar系統）提供，價格高昂，益普經過10年積淀，實現全面本土化、國產化，并適配國內企業，有獨特的優勢。
三、下一步實施計劃
1. 產品計劃
（1）持續完善“硅芯似箭”SiFactory系統工業互聯網APP應用的開發。半導體客戶群也不斷升級，先進封裝以及自有品牌的半導體工廠持續建設中（比如理想汽車等企業紛紛開設自己的芯片工廠），需要對先進封裝IPM、SIP、FCBGA等行業特性進行APP封裝，豐富完善APP庫。
（2）持續在DataRobot數據機器人投入，堅持“數據驅動決策”的理念，通過數據+算法的模式，結合制造管理及工業機理模型，開發更多能分析數據、治理數據、輔助生產決策的行業通用高可復用的工業APP應用。
（3）探索矽云SiCloud半導體產業鏈行業協同新制造生態，針對半導體行業所面臨的結構性問題和整體發展瓶頸，以半導體終端產品市場需求的供應協同生態進行資源調配，實施數字化轉型所構建的高效協同和智能柔性的新型制造體系。
2. 資金計劃
（1）企業盈利資金的研發再投入。益普堅持研發主導，持續高強度的研發投入。
（2）銀行貸款。深圳市及龍華區有很多關于高新技術企業貸款貼息政策，今年公司也拿到了貼息貸款，感謝深圳市優良的營商和科創環境，低成本的資金，給公司研發的持續投入帶來很大的便利。
（3）風險投資。準備引進新一輪風險投資，引進高端人才及擴展市場渠道。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）技術創新
項目關鍵技術的創新：
（2）相關知識產權
關鍵技術知識產權：
（3）模式創新
基于半導體封測行業服務的特點，根據我們現有的客戶群體及技術能力，益普提出“數據驅動決策Data Driving Decision”的口號，從軟件廠商到數字化廠商，除了軟件授權的收費方式外，真正挖掘軟件產生的數據價值，切實為企業降本增效，通過提供數據服務數據機器人DataRobot的方式，源源不斷給企業提供運營建議及經營分析報告，助力企業持續發展。通過數據服務的收費模式，產生持續的收入來源。做客戶運營商Customer Operator。
并積極探索SiCloud矽云新制造生態運營，針對半導體行業所面臨的結構性問題和整體發展瓶頸，以半導體終端產品市場需求的供應協同生態進行資源調配，實施數字化轉型所構建的高效協同和智能柔性的新型制造體系。
2. 實施效果
該項目在半導體封裝測試行業進行了市場推廣，目前商用客戶逾百家，典型客戶包括：深圳盛元半導體、深圳龍晶微電子、江蘇捷捷半導體、佛山國星光電、佛山藍箭電子、浙江益中智能電氣（吉利汽車芯片封裝測試廠）、深圳三聯盛科技、深圳電通緯創半導體、廣州風華芯電、廣州芯聚能IGBT封裝、上海功成半導體、天水華天科技、華大基因芯片、江門華凱電子、江門中陽光電等企業。
典型案例深圳盛元半導體，與益普建立合作關系后，全面開展半導體封測車間的數字化轉型工作，項目實施后,根據客戶反饋經濟收益如下：
1）通過士蘭微、華潤微等高端審廠要求，并每年能為公司節省成本約300 萬元
2）實現全流程管理，生產過程防呆，質量預警，產品生產效率提高35%左右
3）交期管理效率顯著提升，生產過程進度透明化，生產線產品不良率由原的3%降低為1.5%
4）設備稼動率提升8.8%，并且大數據智能分析，降低人員數據統計時間，提高部門協同效率
5） 本項目的實施，為公司承接高端客戶訂單打下很好的基礎，為公司增加3000 萬元以上的營業收入，公司增加納稅約200萬元，促進公司年經濟增長率達25%以上。
聲明
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