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鱼和熊掌不可兼得?这家工厂亮出了“智能、低碳”两张王牌

作者:何思思
2021/06/21 19:00

智能、绿色成为了当前工业制造业发展的主旋律。 

众所周知,我国一直以来都是工业大国,工业制造业一直都是我国经济发展的重头戏。 

在国家对外公布的制造领域长期规划中,提出了“坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展”的理念。自这一个理念公布后,许多传统工厂走上了智能、绿色、节能的探索道路。 

理念是美好的,但现实却是残酷的。 

由于工业本身就是碳排放大户,所以要想实现低碳工厂的建设可谓“难于上青天”。同时,在工业互联网发展的驱动下,数字化、智能化转型也被提上了日程。

换言之,“智能、绿色”将成为工业发展的主要目标,要想实现双腿走路,现在的工厂该怎么做?为此我们实地走访了英飞凌无锡工厂。 

人、机、料、法、环五大生产要素,彰显智能风采

英飞凌是德国一家半导体芯片设计、生产制造商,于1995年进入中国市场,落户无锡,致力于分立器件和智能卡的后道制造。2015年,英飞凌新增投资3亿美元在无锡建立了第二座工厂,以满足日益增长的功率半导体需求。 

鱼和熊掌不可兼得?这家工厂亮出了“智能、低碳”两张王牌据雷锋网(公众号:雷锋网)了解,英飞凌将半导体芯片分成了前道工序和后道的封装测试。就前道工序来看,几乎所有的半导体芯片工厂实现了高度的自动化、智能化,比如英飞凌在德国德累斯顿的300毫米和200毫米的晶圆工厂,100%实现了自动化,完全依靠机器人操作。 

近年来,无锡工厂作为英飞凌半导体的后道工序,当仁不让,也在不断进行着智能制造的实践。英飞凌无锡工厂的主营产品包括分立器件、智能卡芯片和功率半导体。 

众所周知,半导体分立器件既是电力电子产品的基础,也是构成电力电子变换装置的核心器件之一,主要用于电力电子设备的整流、稳压、开关等,具有应用范围广、用量大等特点,目前,已在消费电子、汽车电子、工业及自动控制以及网络通讯等领域得到了广泛应用。

从制造工艺来看,半导体分立器件制造的工艺链较长,对刻蚀、光刻、氧化等工艺的均匀性、一致性要求很高,尤其是背面减薄、金属化等特殊工序有特殊的生产工艺要求。

此外,封装测试环节也对器件整体电学性能、可靠性和质量有着重要影响,对于这种多工艺环节的产品,先进成熟的工艺是降低过程产品不良率和提升产品质量稳定性的关键。

对于研发设计企业来说,不仅需要在技术研发和产品设计阶段提规范工艺文件等核心技术文档,还需要通过与工厂不断沟通、确认以共同克服工艺难点,从而保证产品的整体性能和质量。

鱼和熊掌不可兼得?这家工厂亮出了“智能、低碳”两张王牌 

数据来源:中国半导体行业协会、中商产业研究院整理

从分立器件整体市场发展来看,据相关调查数据显示,2019年中国半导体分立器件(该分类还包含光电器件、传感器)的销售收入为2851.8亿元,同比增长5%。

据中商产业研究院预测,2021年中国半导体分立器件市场规模将达3228.7亿元。

工艺水平难度的提高加之市场需求的持续攀升,对半导体分立器件的生产带来了双重考验。这就意味着,无论是生产、检测包装、运输等方面都要进行效率的提升。 

英飞凌科技副总裁范永新介绍到,为了在保障产品质量的基础上,满足市场供应需求,2003年起,英飞凌无锡工厂就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,显著提高了运营效率。 

通过提供数据分析、智能决策等手段,从“人机料法环”五大关键生产要素环节(即人员、机器、材料和方法、设备、环境)入手,在生产周期、生产效率、自动化程度等方面均有了很大的提升。

在参观分立器件测试车间时,雷锋网观察到,相比于其他的传统工厂来说,英飞凌分立器件测试车间的员工明显少得多。 

英飞凌无锡工厂信息技术总监曹翃表示,之前的器件检测基于人工,每颗器件的X光图片经过人眼判断是否有塌线,接触脱离等现象,费时费力,为了弥补人为工作的不足,2018年后采用了电脑专家系统,只有电脑判别不太确定的才需要人工检查,大大减轻了工作量和工作强度。

鱼和熊掌不可兼得?这家工厂亮出了“智能、低碳”两张王牌

曹翃告诉雷锋网,目前,无锡工厂通过深度神经网络的人工智能方法进行检测,过杀率实现了极大的降低,减少了浪费。 

不仅在生产环节实现了自动化智能化管理,在包装车间,我们可以清楚地看到,从产品的入库、包装、分类,通过一台机械臂就可以轻松地完成。

曹翃特别强调道,这是根据工厂的流程定制的自动包装机,每7秒可以完成折纸盒、放料盘、打标签粘贴、封盒子,和根据目的地自动分配数量和分流,打印物流出关、运输所需要的文档等,直接交给运货商。每出一个包装,目的地收货方会收到在途信息,并做好相应的收货、自动调整计划,和客户交货的物流准备。

目前,工厂自动化程度已达到80%,在货物搬运方面,由于产品众多,种类形态差异极大,传送带难以实现标准版,因此无锡工厂目前仍采用叉车搬运,未来将持续探索向自动化、数字化、智能化方向转型升级。

光伏发电+节能产品双拳出击,打开绿色大门 

相比于其他传统工厂的自动化、数字化、智能化转型,英飞凌无锡工厂开辟出了另一条可持续发展道路——打造低碳工厂。

如今,英飞凌无锡工厂被贴上了英飞凌全球最大的IGBT最大制造中心之一的标签。

众所周知,IGBT模块作为新能源汽车电机电控系统和直流充电桩的核心器件,成本占到新能源整车成本的8-10%,占到充电桩成本的20%。 

在国际节能环保的大趋势下,IGBT下游的新能源汽车、变频家电、新能源发电等领域发展迅速。

数据显示,2020年中国新能源汽车累计产量完成136.6万辆,同比增长7.5%,在这一情况下,IGBT作为新能源汽车核心零部件,需求量也将大幅度提升。这主要是基于IGBT功率半导体具备节能优势,传统的功率半导体损耗非常大,需要多个器件才能达到电能转换的效果。IGBT通过调节电机的转速来提升能源转换效率,从而达到节能的作用。

范永新表示,如今,英飞凌IGBT模块在新能源汽车行业已经有了很大的市场需求和广泛的落地应用。 

在参观工厂的时候,雷锋网发现,IGBT模块从生产、分类,包装以及检测等环节均采用自动化、智能化方式。 

据了解,无锡工厂除了具备自动化、智能化能力外,绿色节能也是其最大的亮点。 

众所周知,国家强调力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。 

在双碳方面,英飞凌也身体力行,范永新主要从五个方面阐述了碳中和的具体措施: 

  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。

中国工程院院士、清华大学环境学院教授贺克斌曾指出,要实现碳中和目标,2050年光伏装机总量将达到2020年的19倍,光伏发电需要多晶薄膜材料,制造这种材料需要的关键稀缺元素如铟、碲等,其需求量也将大幅增加。

光伏发电作为工厂实现低碳的重要手段,其重要性早已不言而喻。 

鱼和熊掌不可兼得?这家工厂亮出了“智能、低碳”两张王牌 据了解,2020年英飞凌无锡工厂在生产制造环节中,碳排放主要集中在直接排放和间接排放两个方面:

范永新告诉雷锋网,由于半导体制造对于恒温恒湿无尘以及制造工艺的要求极其高,所以碳排放主要集中在电力方面,2020年电力方面的碳排放占整体碳排放的97%,达16388吨。 

范永新表示,之前无锡工厂并没有修建车棚,为了减少工厂的碳排放,修建了车棚,创造方便,还可用于光伏发电,目前光伏发电系统已经在分布式屋顶和车棚等可用区域实现了100%覆盖,100%使用废热循环加热水处理系统,同时还采用能源合同管理的方式,利用更高能效的先进设备进一步降低能耗。此外,还实现了包装材料的100%循环利用。

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%,范永新举例补充道。

除了为自家工厂赋能外,目前,英飞凌的IGBT模块、SiC模块,分立器件等多款产品也为工业驱动、数据中心、汽车等众多领域提供了服务,通过这些产品的应用减少能源转换和分配中的损耗,让能源得到高效的利用。 

范永新特别强调道,目前,无锡工厂已于2015完成了碳达峰,接下来将努力实现碳中和的目标,力争在2025年碳排放较2019年减少70%,2030年实现碳中和。 

写在最后

在社会环境和经济发展所需下,各行各业都将面临着不同程度的挑战。在这其中,工业作为国民经济的支柱性产业所面临的挑战尤为严峻。 

从目前来看,一方面,自工业互联网被纳入新基建范围后,可谓进入了发展的快车道。在这些因素的影响下,传统企业有了迫切的自动化、数字化、智能化转型的需求。另一方面,国家双碳目标提出后,工厂的低碳排放、绿色运营也成为了建设重点。 

未来,传统工厂既要实现智能化转型的升级,又要实现绿色节能的目标,这是一条漫长且艰难的道路。

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