行政院國家科學委員會補助國內專家學者國外參訪計畫出國報告 97 年 10 月 15 日 報告人 姓名 林錫寬 服務機構 及職稱 國立交通大學電機與控制 系 教授 時間 參訪 地點 2008/8/31 ~ 2008/9/12 新加坡/德國 本會核定 補助文號 NSC 97-2217-E-009-002 計畫 名稱 機械固力與自動化學門E化製造技術運用之現況國外參訪計畫 報告內容包括下列各項： 一、參訪經過
二、參訪National University of Singapore 三、參訪Nanyang Technological University 四、參訪Applied Materials, Singapore
五、參訪Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) 六、 參訪UMC Singapore Branch
七、 參訪Qimonda Dresden GmbH 八、 參訪Erlangen Universsity 九、 參訪Simens Erlangen GWE
十、 參訪Institute for Microstructure Technology/ Karlsruhe
十一、 參訪Department of Microsystems Engineering at University of Freiburg
十二、 參訪心得與建議 十三、 攜回資料名稱及內容
機械固力與自動化學門 E 化製造技術運用之現況國外參訪 鄭芳田1、蔡得民2、林士傑3、黃漢邦4、林錫寬5、洪敏雄6、唐永新 7、黃志良 8、 陳仁浩9、陳志鏗10、陳定宇11、敖仲寧12、董必正13、蕭德瑛14、羅裕龍 15 1國立成功大學製造工程研究所 2國立中山大學機械與機電工程學系 3國立清華大學動力機械工程學系 4國立台灣大學機械工程學系 5國立交通大學電機控制工程學系 6國立國防大學電機與電子工程學系 7國立台灣科技大學機械工程學系 8淡江大學電機工程學系 9國立交通大學機械工程學系 10大葉大學機械與自動化工程學系 11國立中興大學機械工程學系 12國立中正大學機械工程學系 13國立中央大學機械工程學系 14國立清華大學動力機械學系 15國立成功大學機械工程學系 一、 參訪經過 2008 年度機電能源領域 E 化製造國外參訪團由鄭芳田教授與蔡得民教授共 同領隊，成員包含林士傑教授、黃漢邦教授、林錫寬教授、洪敏雄教授、唐永 新教授、黃志良教授、陳仁浩教授、陳志鏗教授、陳定宇教授、敖仲寧教授、 董必正教授、蕭德瑛教授、與羅裕龍教授。此次參訪的主要目的是瞭解國外大 學在製造自動化和微系統設計製造和應用之研究現況，以及介紹我國之研究成 果，建立起國際學術合作之管道；另一方面藉由參訪著名的企業，可實際瞭解 自動化生產線之運作和先進技術之使用，也可發展出未來可能之國際產學合作 之機會。此次參訪共訪問新加坡和德國的六所大學和研究所，以及四家國際企 業。參訪團於 8 月 31 日由台灣出發前往新加坡及德國，於 9 月 12 日回到國內， 參訪對象包含：
National University of Singapore：
9 月 1 日上午參訪 National University of Singapore，該大學位於新加坡 西南方，主要之研究特色為智慧型製造系統。
Nanyang Technological University：
西方，主要之研究特色為機器人、微系統設計和精密加工。 Applied Materials, Singapore：
9 月 2 日上午參訪 Applied Materials, Singapore，該公司位於新加坡東 方，主要之產品為半導體廠、平面顯示器廠、太陽能光電廠、軟性電子 廠、及省能玻璃廠相關之製造設備。
Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech)：
9 月 2 日下午參訪 Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech)，該研究所位於新加坡南洋理工大學旁，主要之研究特色為 成型技術、微系統設計、精密加工、精密量測、表面處理等。
UMC Singapore Branch：
9 月 3 日參訪 UMC Singapore Branch，該半導體廠位於新加坡東方，主 要之產品為採用先進製程控制系統生產各種線寬之 IC 晶片。 Qimonda Dresden GmbH： 9 月 5 日參訪 Qimonda Dresden GmbH，該公司位於德國東部的德勒斯 登市附近，主要之產品為採用先進製程系統生產動態記憶體。 Erlangen Universsity： 9 月 8 日上午參訪 Erlangen Universsity，該大學位於德國中南部，主要 之研究特色為製造自動化的研究，強調的是製造單元和自動組裝，同時 對軟性電路板和模造連結裝置也有很好的研究成果。
Simens Erlangen GWE：
9 月 8 日下午參訪 Simens Erlangen GWE，該公司位於德國中南部的 Erlangen 市附近，主要之產品為各種機具設備的 CNC 控制器與驅動 器。同時也使用 Erlangen 大學之相關研究技術以自動化之生產線生產軟 性電路板和模造連結裝置。
Institute for Microstructure Technology/Karlsruhe：
9 月 10 日參訪 Institute for Microstructure Technology/Karlsruhe，該研究 所位於德國西南部 Karlsruhe 市附近，主要之研究特色為物質結構、環 境科學、生物醫學、能源轉換、奈米和微奈米系統。該研究所並擁有一 同步幅射器。
Department of Microsystems Engineering at University of Freiburg：
該大學位於德國西南部 Freiburg 市附近，主要之研究特色為微感測器和 制動器之研發和封裝，生醫微系統之研究，精密加工和先進材料之開 發，教學上強調跨領域和實作。 各參訪行程之詳細資料及參訪心得於本報告之第二至第十一節詳述。整體 參訪心得與建議於第十二節說明，參訪團攜回國內之資料清單於第十三節詳 列。
二、 參訪 National University of Singapore
新加坡國立大學(NUS)為本次參訪行程之第一站，9 月 1 日上午 8:20 一行 16 人從旅館搭車前往 NUS 校區，此行主要拜訪機械系，由系主任周永祥(Prof. Chew Yong Tian)率系上製造組及控制組之資深教授接待與會並簡報，介紹 NUS 之校況及研究方向與特色，見圖 2-1。其中王宗仁副教授(Prof. Ong Chong Jin)負 責控制組介紹，黃玉山教授(Prof. Wong Yoke San)負責介紹製造組研究現況。現 場與會之 NUS 人員包括 Prof. Lu Wen Feng 及 Prof. Marcelo Hang Jr.等人。
圖 2-1 (由左至右)王宗仁副教授、周永祥主任、黃玉山教授 新加坡大學之學校制度為英國系統，其特色為由同組教師組成同領域之研 究中心，共同使用實驗室空間成為研究群組，其優點為能將研究資源集中，建 構成較大的實驗中心，研究中心內有專任技術人員管理，除避免設備重複投資 的浪費，也可以聚集相同研究領域的教師共同投入，以產生更多的論文與豐富 的研究成果。圖 2-2 為 NUS 簡報檔中有關其機械系之組織架構，設有主任一人 及副主任數人，副主任協助行政管理、研究及教學課程等事務。其中系內之教 學與研究領域分為應用力學、控制、製造、流體力學、熱力及材料等領域。圖 2-2 中所示之“智慧型產品與製造系統中心”則是整合應用力學、控制、製造及材 料等領域之教師共同參與投入。 以製造組為例其研究發展重點包括：智慧型整合設計與製造(Intelligent & Integrated Design/Manufacturing) 、 協 同 設 計 與 製 造 (Collaborative Design and Manufacturing)、快速成型技術發展(Rapid Product Development)以及進階材料處 理(Advanced Material Processing)等領域。圖 2-3 所示為製造領域之研究路程圖， 透過此四個研究方向預計將達到下列目標：
具 Internet 網路功能的協同設計與製造平台(Internet-enabled Collaborative Design and Manufacturing)
快速成型產品的實現(Rapid Product Realization)
智慧型創新流程自動化系統(Intelligent/Novel Process Automation System) 微製造系統架構與感測器(Micro Factory Architecture/Sensors)
Manufacturing Group - Collaborators Manufacturing Group
Manufacturing Group --CollaboratorsCollaborators
Head (ME) Head (ME) Deputy Heads
Deputy Heads
(Administration, Research, Academic)
(Administration, Research, Academic)
Applied Applied Mechanics Mechanics Fluid Fluid Mechanics
Mechanics MaterialsMaterials
Manufacturing
Manufacturing ThermoThermo- -dynamics dynamics Control
Control
Center for Intelligent Products & Manufacturing Systems Center for Intelligent Products & Manufacturing Systems
CIPMAS CIPMAS
Laboratory for Concurrent Engineering & Logistics LCEL
Laboratory for Concurrent Engineering & Logistics LCEL DIVISIONAL GROUPS DIVISIONAL GROUPS DEPARTMENTS DEPARTMENTS Dean Dean CE CE ECE
ECE ISEISE ChEChE BioEngrg
BioEngrgDivisionDivision
ORGANIZATION STRUCTURE & COLLABORATING PARTNERS IN MANUFACTURING RESEARCH ORGANIZATION STRUCTURE & COLLABORATING PARTNERS IN MANUFACTURING RESEARCH 圖 2-2 NUS 工學院暨機械系之組織
Manufacturing Group – Research Roadmap Manufacturing Group
Manufacturing Group––Research RoadmapResearch Roadmap
Internet Internet- -enabled enabled Collaborative Collaborative Design Design// Manufacturing Manufacturing Platform Platform Micro Factory Micro Factory Architecture/ Architecture/ Sensors Sensors Rapid Product Rapid Product Realization Realization Intelligent/Novel Intelligent/Novel Process Process Automation Automation Systems Systems Focused Projects Focused Projects
Key Programs Collaborators GOALSGOALS Startup
Research Research Areas: Areas: Intelligent Design/Mfg Advanced Materials Processing Collaborative Design & Manufacturing Rapid Product Development 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Manusoft Rapid Prototyping/ Rapid Prototyping/ Rapid Rapid Tooling/Reverse Tooling/Reverse Engineering Engineering Intelligent Mold & Die Intelligent Mold & Die
Design Design
Virtual/E Virtual/E--MfgMfg Internet Internet--based Designbased Design
U21 Kinergy HUST/HIT Sun-Netscape Penn State GT High High--Speed/MicroSpeed/Micro
Machining Machining Micro fabrication Micro fabrication IMRE Mikrotools Hitachi SIMTech Makino LCEL CIPMAS Control Gp Material Gp Appl Mech Gp 圖 2-3 製造組研究方向之路程圖(Road Map)
NUS 機械系每年皆由學生組隊參加國際方程式 SAE(International Formula Society of Automotive Engineers FSAE)競賽，由車體設計、機構、引擎組裝到外 型設計等皆由老師指導學生完成，圖 2-4 為其系館前所展示之賽車，這個活動類 似國內每年舉辦的環保車競賽，只是舉辦地點在美國的密西根洲，屬於國際級 的競賽，除了能展現團體合作之車輛技術整合外，還可拓展參賽同學之國際視 野，提升學校的知名度。圖 2-5 所示為 NUS 機械系的同學在今年 2008 FSAE 的 競賽中，在 121 個競爭的參賽隊伍中獲得第 22 名的佳績，進入前 20%內，實屬 不易。不過參加此類活動需投入大量的人力與物力，也由此可見新加坡政府與 大學為提升能見度與知名度所做的投入，國內能投資支持此項活動的大學則並 不多見。 圖 2-4 NUS 系館前所展示之賽車 圖 2-5 2008 年 NUS 參加 FSAE 比賽獲得第 22 名(共 121 隊參加)
所參觀的實驗室介紹如下： 機器人實驗室： 機器人實驗室包含許多機器人相關的研究，整合機電、機構設計及動力控制等 領域，圖 2-6 所示為人型機器人之研究，以模擬人體下肢二足運動的方式設計機 構，並進行其行走之運動控制，以進一步研究人體運動之相關題材，還有生醫 方面的應用。 圖 2-6 人形機器人之研究 精密製造實驗室： 精密製造實驗室的研究大部份來說是以傳統加工為其主要的研究方向，有高速 加工、微小精密加工及電補助研磨加工等，所使用的機器有部份是自行設計完 成;由於技術有商業機會故有 spin off 公司的成立；但其 key person 仍是支領新 加坡大學的薪水；公司部份則只領紅利。如圖 2-7 所示為其 spin off 公司的教授 為我們解釋其設計的小型精密加工機具,該教授號稱可達次微米加工；由於未見 其加工過程尚難評估。
三、 參訪 Nanyang Technological University 南洋理工大學是新加坡三個國立大學之一，依照歷史新加坡本來只有一個 大學(即新加坡大學)，後來因語文的關係從新加坡大學分出。其後因學習英語的 人愈來愈多，使得南洋理工大學因召生困難等原因再次併入新加坡大學，但為 了加強理工，又將理工部份分出再次成立南洋理工大學，因此南洋理工大學是 以理工為主，且認為強過新加坡大學。 此次訪問團在 9 月 1 日下午 2:00 抵達南洋理工大學的機械與航空系，在路 上看到許多的樹木，基本上新加坡的大學綠化程度很高，校園裏的花木都相當 的密，而機械與航空系則是建在一山凹內，是一個有八層樓的建築，占地很大。 該系原先是機械與生產工程系，為因應新加坡成為航空維修中心而於今年改 名，並增加航空專長之教授十多名，以合乎系的名稱。據說明新加坡準備成為 全世界三大飛航轉運中心，因而該系配合國家政策而增設航太相關科系，以培 養必需之人才，每年招生八十人，據稱該系所收之學生的成績名列前矛，很受 學生歡迎。 本訪問團到達機械與航空系後受到熱烈的歡迎，工學院院長 Prof. Pan Tso-Chien(見圖 3-1)及機械與航空系系主任 Ling Shih Fu 帶領四個組的組長(Chen I-Ming、Lam Yee Cheong、Du He Jun 及 David Butler)參加系概況介紹。介紹由 系主任 Lin Sher-Fu 博士(見圖 3-2)主持並由五組主任各自介紹各組之研究。
該 系 目 前 有 六 個 組 ， 分 別 為 ： Aerospace 、 Engineering Mechanics 、 Manufacturing Engineering、Mechatronic and Design、System and Engineering Management 及 Thermal Fluid Engineering (分組及系組織圖如圖 3-3 所示)。其教 師及職員組織圖如圖 3-4 所示。該系共有 150 位教師、89 位研究人員、37 位職 員及 98 位技術人員。其組織之大是台灣任何一個大學所無法比擬的，新加坡對 大學的投資台灣任何大學都無法比得過，尤其是職員數與技員的名額台灣差太 多了。
圖 3-1 工學院院長
圖 3-3 分組圖
圖 3-4 師生狀況
進行研究交流如下：
A. 首先由 Prof. Chen I-Ming 介紹該系的 Robotics 研究主題有：
UAV、Biomimetic Systems、Medical Robotics、Assistive and Rehabilitation Technology 、 Micro Manipulation Systems 、 Modular Robots and Parallel Manipulators 及 Wearable Sensors and Novel Actutors。
B. 接著由 Prof. Lam Yee Cheong 介紹該系的 Advance Manufacturing Centere 研 究主題有：
Laser Machining、Microfludics、Polymer Composites 及 Injection Molding。 C. 有關 Mechanics of Micro-System 之研究是由 Prof. Du He Jun 來介紹。其主要
研究項目如下：
Hard Disk Drive Mechanics、Shock Resistance、Simulation and Control of Vibration、Sensing and Actuating、Servo Control、Noise Control and Simulation of Acoustics 、 Mechanism 、 Air Bearing Sliders Modeling and Design 、 Aero-elasticity、Tribology、Mechanics of Materials、Enabling Technologies for Design and Manufacturing of Micro/Nano Systems、Investigation of Mechanism of Micro Joining、Monitoring of Micro Processing、Methods and Software Packages for Topological Optimization of Compliant Mechanisms、Simutaneous Sensing and Actuating、Creak Free Coating SMA and PTZ Thin Films、Micro Fluidics 、 Polymer MEMS 、 Drug Delivery Micro Device 及 Mechanical Characterization of Carbon Nano Tubes。
D. 有關 Ultra-precision Machining 之研究是由 Prof. David Butler 來介紹。這個領 域該系之研究範圍包含了：
Ultra-precision Machining、Simulation of Machining Processes 及 Electro-kinetic Abrasive Removal。
所參觀的實驗室介紹如下：
Robotic Research Center
圖 3-5 為 Robotics 實驗室一景，這是他們今年準備參加國防部的機器人比賽的機 器人，所有的載台均由外面採購再加以改裝，經費充足，且得到人力上的充份 支援。圖 3-6 則是該實驗室所採購的軍用 Segway，也是花大錢買來的。另外這 實驗室還有機器魚(如圖 3-7)、爬行機器人等。至於 Medical Assistance 部份則有 如圖 3-8 的行動輔助架及輪椅的設計。在實驗室裏還有大學部的線吊人偶的機械 系統，其目的在將電動玩具實體化。
圖 3-5 機器人實驗室
圖 3-7 機器魚
圖 3-9 學生實作
Centre for Mechanics of Micro System
這部份我們參觀了 Center of Mechanics and Micro-system，該實驗室主要是以複 材及一些光學檢驗的設備為主，圖 3-10 為光學檢驗的部份實驗設備。
圖 3-10 光學檢測系統
Micromachines (MEMS) Centre
這部份的實驗室參觀由 Prof. Miao Jianmin 介紹。主要是介紹該實驗室的設備與 研發項目，以目前的論文數目而言 Prof. Miao 的論文數在世界排名相當前面。圖 3-11 為 Micro-Machines Centre 部份設施之照片。
四、 參訪 Applied Materials, Singapore
參訪團於 9 月 2 日上午參訪 Applied Materials, Singapore。由美國總部半導體 部門的 Industrial Director Scott Watson 先生出面接待。針對應用材料公司(Applied Materials)簡介、MAS 系統、設備工程系統和智慧型製造等加以說明。Watson 先生常駐美國德州，並隨時支援世界各地之應用材料公司分公司，本次知道我 們來訪，特地安排到新加坡分公司出差。 應用材料公司(Applied Materials)簡介 應用材料公司總部位於美國矽谷，於全世界 18 個國家設立 110 個據點，員工人 數約 14336 人，全年營收約 920 億美元，並在美國、台灣、以色列、和歐洲設 立製造部門。它主要提供半導體廠、平面顯示器廠、太陽能光電廠、軟性電子 廠、及省能玻璃廠相關製造設備。標榜將奈米科技與製造結合，成為奈米製造 技術。主要設備如下： 圖 4-1 半導體設備 圖 4-2 平面顯示器設備
圖 4-3 光電太陽能設備
圖 4-4 軟性電子設備
應用材料公司就以半導體製造設備、顯示器製造設備、能源與光電製造設 備，加上全球服務能力，建構其全球半導體相關設備的王國。該公司經營策略 如圖 4-5 所示。
圖 4-5 經營策略
MAS (Manufacturing Automation Services) 製造自動化服務系統
目前在半導體製造自動化系統方面的趨勢，包括：
(1) 資料處理量必須是可控制的 (Data explosion requires scalable systems) (2) 設 備 工 程 系 統 及 APC 系 統 為 基 本 配 備 (Equipment Engineering
Systems/APC Solutions are now standard)
(3) 減少資源浪費(Environmental concerns requires continuous reduction of resource usage)
(4) 資 料 管 理 系 統 足 夠 應 付 複 雜 的 系 統 (Data management complexity requires manageable systems)
(5) 需 全 套 解 決 的 系 統 (Point-to-point solutions failing –need complete systems)
(6) 全球化(Globalization/Consolidation continues)
應用材料公司為解決上述問題，乃提出其完整製造資訊系統，共分成四階： Level 0 為 儀 器 設 備 (Instrumentation) ， Level 1 為 製 程 自 動 化 (Process Automation)，Level 2 為製程最佳化(Process Optimization)，Level 3 為製造執行系 統 (Manufacturing Execution System) ， Level 4 為 營 運 規 劃 (Business Planning/ERP)。MES Platform、Productivity Platform 及 Equipment Platform 為其 主要三個平台，如圖 4-6 所示。
圖 4-6 MES 平台、生產力平台、設備平台 設備工程系統
設備工程系統涵蓋 E3 企業設備工程(Enterprise Equipment Engineering) 平台及良 率 改 善 與 APC (Advanced Process Control) 。 E3 平 台 由 E3 自 動 化 (E3 Automation)，E3 錯誤偵測與分類(E3 Fault Detection and Classification)，E3 R2R (E3 Run to Run Control)，以及 E3 設備性能追蹤 (E3 Equipment Performance Tracking)等子系統構成。完整的 E3 企業設備工程平台如圖 4-7 所示。良率改善 與 APC 系統的架構分別在圖 4-8 與圖 4-9 中陳述，主要功能包括錯誤偵測，良 率管理，預防維修，及虛擬量測。
圖 4-8 良率改善平台
圖 4-9 APC 平台 智慧型製造系統(Intelligent Manufacturing Systems)
應 用 材 料 公 司 的 智 慧 型 製 造 系 統 以 先 進 生 產 力 家 族 平 台 APF (Advanced Productivity Family Platform)為主軸。APF 涵蓋 APF 通報系統(APF Reporter)、 即時派工系統(Real-Time Dispatch)、事件管理系統(Activity Manager)、高階排程 系統 (Advanced Scheduling)。完整架構圖如圖 4-10 所示。它們在 MAS 四階層 架構裡的相互關係，如圖 4-11 所示。高階排程系統為 Gemini 系統，系統架構與 其它子系統之間的關係，如圖 4-12 所示。
圖 4-10 APF 完整架構圖
五、參訪 Singapore Institute of Manufacturing Technology(SIMTech)
9 月 2 日下午訪問新加坡製造技術研究所(Singapore Institute of Manufacturing Technology, SIMTech)，在雙方進行簡單的自我介紹後，先由鄭教授介紹國內自 動化研究方向的規劃，再由新加坡製造技術研究所的各個個單位介紹相關研究。 製造技術研究所的主管是 Dr. Lim Ser Yong，設有 manufacturing processes, automation 及 industrial information 三個研究群，發展的關鑑技術包括 Forming Technology, Machining Technology, Multi-functional Substrate, Surface Technology, Mechatronics, Precision Measurement, Manufacturing Execution and Control, Planning and Operations Management 。 其 他 計 劃 發 展 的 技 術 有 Equipment Innovation and Development, Microfluidic Devices Manufacturing, Product Innovation and Development, Life Cycle Engineering.
圖 5-1 Micro-gears by nano-PIM Forming Technology 技術包括
1. Forming Ti & Ti/Al/Sn Alloys Articles 2. Advanced Cold Rotary Forming
3. Apparatus for Castingof Thin Magnesium Strip 4. Forming of Magnesium Alloys
5. Micro-moulding of Plastic Parts 6. PIM of W-High Weight
7. Cu Composites Materials
8. Processing of Biopolymers and BioCeramics 9. Printing of Metal Powders
10. Micro-moulding of Ceramic Components 11. Liquid Metal Forging
12. Polymer Modifications by Melt Compounding Technique 13. Processing of Polymer Nanocomposites
圖 5-2 Forming Ti & Ti/Al/Sn Alloys Articles
圖 5-3 Advanced Cold Rotary Forming
圖 5-4 Micro-moulding of Ceramic Components Machining Technology 技術包括
1. Ultra-Precision Cutting of Optical Surface on Steel 2. Dynamic NC Verification and Optimatisation 3. Green WavelengthLaser for Micro-machining
圖 5-5 Ultra-Precision Cutting of Optical Surface on Steel
圖 5-6 Green WavelengthLaser for Micro-machining Multi-functional Substrate 技術包括
1. LTCC Technology
2. Substrate Integrated Circuits & Devices 3. Micro-Patterning for Flexible Electronics 4. Signal Integrity Analysis for Robust Design
圖 5-7 Micro-Patterning for Flexible Electronics Surface Technology 技術包括
1. Integrated Shadow Mask
2. Advanced Decorative Coatings 3. Slip Resistant Coatings
4. Multilayer Coating for Al Alloy 5. Flat Heater
6. UV-Patternable Sol Gel Coatings 7. Super tough Carbon Coatings 8. Solar driven self-cleaning Coatings 9. Thermal Spray Composite Coating 10. Magnesium Duplex Coatings
圖 5-8 UV-Patternable Sol Gel Coatings Mechatronics 技術包括
1. High Precision Motion System
2. Structural Vibration Measurement and Control for Precision Machines 3. Visualisation Tools for Microscale Tasks
5. Mobile Manipulator
6. High-Precision Electromagnetic Actuator 7. Robotic NDT for aircraft wing inspection 8. Robotic welding with walk-through teaching 9. Automated aerofoil restoration
10. Stereo vision for object detection 11. Motorised caster wheels
圖 5-9 High Precision Motion System
圖 5-10 High-Precision Electromagnetic Actuator
Precision Measurement 技術包括
1. Embedded System for Digital Level
2. Interferometry for Nano-Scale 3-D System 3. Toughened Glass NiS Inspection System 4. Surface Measurement Wavefront Sensing 5. 2-D & 3-D Wafer Inspection System 6. In-situ X-ray Internal Defect Inspection
圖 5-12 Embedded System for Digital Level
圖 5-13 Surface Measurement Wavefront Sensing Manufacturing Execution and Control 技術包括
1. Automated Warehouse Control System for Airfreight Terminal 2. Remote Monitoring & Diagnostic System (MDS)
5. RFID Track & Trace for the Retail Industry
6. Performance Prediction Engine for Encapsulation Machine 7. HSM Ball Nose Cutter Characterisation
8. Multi-sensor Error Prevention for Mould Making 9. Stamping Machine Production Control and Monitoring 10. Semi Interface Discovery
11. Plug-and-Measure USB-based Multiple-Sensor Sampling Adapter 12. ARM 9 Linux with FPGA board
圖 5-14 HSM Ball Nose Cutter Characterisation Planning and Operations Management 技術包括
1. Virtual Warehouse Simulator For Rotables Management 2. Gintic Scheduling System
3. SIMForecaster – predicts demand
4. Inventory Network Optimisation for Replenishment
5. Web Services Component Suite – A set of software components
6. Light-weight B2Bi Gateway for SMEs – for Supply Chain Integration 7. A*FBS
六、參訪 UMC Singapore Branch
參訪團於 9 月 3 日上午參訪聯華電子公司新加坡 12 吋晶圓廠(UMC Fab 12i, Singapore)，由該廠廠長、副廠長及數位研發部門人員出面接待(如圖 6-1 所示)， 足見該公司很重視本參訪團之到訪與交流。 廠長 圖 6-1 國科會參訪團與聯電新加坡 12 吋晶圓廠人員交流簡報會場景 該公司對本次參訪之行程安排依序如下(如圖 6-2 所示)： UMC 簡報。 國科會簡報。 交流討論。 工場參觀。
圖 6-2 參訪行程表
以下報告內容將依序說明聯華電子新加坡廠 12 吋晶圓廠(UMC Fab 12i, Singapore)簡介、聯華電子簡報內容重點、國科會簡報內容重點、交流討論內容、 工廠參觀所見及結語。
聯華電子新加坡廠 12 吋晶圓廠(UMC Fab 12i, Singapore)簡介：
聯華電子(UMC)為世界一流的晶圓代工公司，在台灣半導體業扮演著重要 的角色，除身為台灣第一家晶圓製造服務公司外(1980 年 5 月成立)，也是台灣第 一家上市的半導體公司(1985 年 7 月股票上市)。聯電先進製程技術涵蓋電子工業 的每一應用領域，並率先採用嶄新的製程技術，如銅製程技術、90 奈米製程技 術、65 奈米製程技術、45 奈米製程、嵌入式記憶體、混合訊號及射頻元件製程 等，領先全球，並為第一個量產 12 吋晶圓之晶圓代工公司。聯電目前全球員工 約有 13,000 名，在台灣、日本、新加坡、歐洲及美國各地都設有行銷及客戶服 務中心，提供全球客戶 24 小時服務。 聯電之大事記如下：產出業界首批銅製程晶片(2000 年 3 月)、產出第一顆 0.13 微米製程 IC(2000 年 5 月)、產出第一顆 90 奈米製程 IC (2003 年 3 月)、90 奈米製程完全通過驗證並邁入量產(2004 年 5 月)、產出業界第一顆 65 奈米客戶 晶片(2005 年 6 月)、90 奈米晶圓出貨量逾 10 萬片(2005 年 8 月)、產出第一顆 45
12 吋晶圓相對於 8 吋晶圓的可使用面積超過兩倍以上，每片晶圓可使用率 較前期晶圓達到 2.5 倍(如圖 6-3 所示)。目前聯電擁有兩個領先製程且營運中的 12 吋晶圓製造廠，一座位於台南科學園區(Fab 12A)，於 1999 年 11 月正式建廠， 從 2002 年起即運用業界最先進的 0.13 微米及 90 奈米製程為客戶產品量產。另 一座則是本次參訪之 UMCi(位於新加坡白沙晶片園區)，幾乎是 Fab 12A 之複 製，從 2000 年 12 月開始籌建，2004 年 3 月邁入量產階段，在 2004 年 12 月改 名為 Fab 12i。這兩個 12 吋廠之特色在於運用業界最先進的製程為客戶量產產 品，並大量採用可增加產能的先進自動化設備。 圖 6-3 12 吋晶圓擁有較大的晶方使用面積，得以達效率最佳化 隨著晶片的尺寸不斷縮小與功能的大幅提昇，系統單晶片(SoC)設計的普及 性，為智慧型產品創造了一個全新的市場。然而，系統單晶片所帶來的新挑戰， 亦提高了設計公司欲及時滿足市場需求的難度。如圖 6-4 所示，聯電與客戶及工 作夥伴(包括設備，電子設計自動化工具，以及 IP 供應商等)在整個供應鏈上緊 密合作。此項合作為設計公司提供了豐富的資源，包括通過矽驗證的參考流程、 多樣的 IP 組合、免費的設計單元資料庫，以及低成本的原型。聯電同時也熟悉 系統架構知識，所以能為每一個晶片設計提供建議，以達成系統分割的最佳化。 將以上資源結合其先進的 65 奈米及以下製程技術、封裝測試資源，以及尖端的 12 吋晶圓製造能力，即成為全方位的客戶導向解決方案，可幫助客戶以最短的 時間成功產出產品。 系統架構知識 IP與設計規則 製程技術 世界級製造能力 測試與封裝資源 圖 6-4 聯電提供客戶導向解決方案
近十年來，聯電已從之前製程技術的落後，脫穎而出成為業界製程技術的領 導者。如圖 6-5 所示，從 1998 年起，聯電超越了 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)所設立的全球平均值，目前就新製程技術的研發來 說，已經與世界頂尖的半導體公司並駕齊驅。2003 年，聯電是第一個成功以 90 奈米製程技術生產客戶產品的純晶圓專工公司。而 2006 年，聯電也是純晶圓專 工業界第一個產出 65 奈米客戶晶片的公司。
圖 6-5 聯電製程技術能力與全球平均值比較圖
聯華電子簡報內容重點
由於聯電之研發主力在 Fab 12A 廠，因此聯電之簡報係由 Fab 12A 廠研發工 程師從台灣透過網路視訊即時對會場報告，內容說明聯電目前在以下四個主題 之技術能力(部份簡報內容如圖 6-6~圖 6-10)：
(1) PM 品質確保系統(PMQA, PM Quality Assurance System)：
說明有近一半機台嚴重異常與 PM 有關，聯電在 PM 品質確保系統中利用多 變數分析 MVA (Multi Variable Analysis)技術以防止 PM 相關之異常及定義那些 參數導致 PM 相關失效。
圖 6-6 聯電 PM Quality Assurance 簡報 (2) 真空腔體匹配系統(Chamber Matching System)：
說明聯電利用多變數分析 MVA (Multi Variable Analysis)之概念來解決 Chamber Matching Issue。
(3) 虛擬量測(Virtual Metrology)：
說明聯電利用 Partial Least Square (PLS) Function 來發展虛擬量測(Virtual Metrology) 技 術 ， 並 例 示 成 功 地 利 用 Inline Data 預 測 最 終 的 WAT(Wafer Acceptance Test)值，誤差可在正負 3%。
圖 6-8 聯電 Virtual Metrology 簡報(1)
(4) 先進製程控制系統(Advanced APC system)：
以 CUCMPT 機台為例，說明聯電加入虛擬量測 Final WAT Feedback 之先進 APC 系統，可有效改進 WAT 的標準偏差(Standard Deviation)及 WAT CPK。
圖 6-10 聯電 Advanced APC system 簡報
國科會簡報內容重點：
國科會自動化學門在 2007 年所規劃之重點推動領域有三(詳見 2007 國科會自 動化學門研究發展規劃報告)：(1)智慧型機器人(Intelligent Robots)、(2)光機電系 統與檢測技術(Opto-Mechatronics Systems and Inspection Technology)與(3)智慧型 製造系統(Intelligent Manufacturing Systems)。本次簡報由自動化學門召集人鄭芳 田教授介紹智慧型製造系統中聯電比較有興趣之三個主題：機台工程系統 (Equipment Engineering System) 、 智 慧 型 預 測 保 養 (Intelligent Predictive Maintenance)及虛擬量測(Virtual Metrology)，分別說明國科會目前在這三個主題 之研究發展規劃與成果。其中聯電對虛擬量測技術深感興趣，因此簡報中特別 詳細介紹國科會自動化學門所規劃的虛擬量測概念與架構(如圖 6-11 與圖 6-12 所示)，以及相關之演算法流程、虛擬量測系統自動化層級與實際產業導入成果 範例等。
圖 6-11 國科會自動化學門所規劃的虛擬量測概念圖 圖 6-12 國科會自動化學門所規劃的雙階段虛擬量測架構 交流討論內容： 由於在虛擬量測方面，國科會自動化學門所規劃的架構與技術比較完整，且 居於領先地位，也已實際應用於半導體晶圓製造廠及 TFT-LCD 製造廠，因此聯 電對此方面之技術很有興趣。在交流討論中，雙方針對虛擬量測技術發展之現 況與趨勢交換意見，也有意願透過雙方合作方式，將國科會所規劃之自動化虛 擬量測系統導入應用於聯電 Fab 12i 晶圓製造廠。 工廠參觀所見： 交流討論後，該廠人員隨即安排所有參訪團成員，穿著無塵室服裝，進入 Fab 12i 晶圓製造工廠參訪。如圖 6-13 所示，聯電基於對製造效能、彈性及控制的嚴
系統及懸樑式的晶舟自動傳輸系統。晶圓皆經由自動化 FOUP 晶圓傳送盒來傳 送，每盒可容納 25 個晶圓。批次晶圓的運送採用自動化物料搬運系統中的 Interbay 運送法來進行，並利用軌道導引車(Rail Guided Vehicle)進行 Intrabay 之 晶圓運送。令人印象深刻地，Fab 12i 的自動化搬運系統特別強調設備對設備間 晶圓的直接運送，大幅免除了將製造中的晶圓送進與移出貯存器的時間，有效 地增加作業上的效率。相較於標準的 8 吋晶圓廠自動導引車(Automatic Guided Vehicle, AGV)系統，此新系統可增加 3 至 4 倍的效率，也大幅減少人力的需求。
七、參訪 Qimonda Dresden GmbH 本次參訪團行程規劃，除了安排學術機構之參訪活動外，也包含了產業界的 行程，其中在歐洲德國的產業界拜訪為「奇夢達公司」的德勒斯登(Dresden)12 吋晶圓廠(Qimonda Dresden GmbH )。抵達時受到當地公司高層主管歡迎，以下 便介紹其參訪行程： 09:00~09:45 奇夢達內部介紹 09:45~10:45 台灣代表團簡介 10:45~10:55 休息時間 10:55~11:40 參訪奇夢達工廠園區 11:40~12:00 心得討論
奇夢達公司(Qimonda, Inc.)為全球主要的 DRAM 供應商，在 2007 年奇夢達 公司專注於半導體的設計、開發及銷售服務，並採用省電技術及設計，提供各 類型應用的 DRAM 產品，可用於包括個人電腦、伺服器、行動通訊及消費性產 品等。透過奇夢達公司德國 Dresden 12 吋晶圓廠之實地參訪，可以了解整個 DRAM 產品之製造過程。 下列報告主要透過「奇夢達公司簡介」、「德勒斯登廠的特色」及「奇夢達夥 伴廠商與其合作關係」，三大不同面向來說明此次參訪的內容及心得。 奇夢達公司簡介 公司及產品簡介 奇夢達在全球擁有近 13500 名員工，該公司遍佈三大洲，共有五座 12 吋晶圓廠，六個主要的研發機構，其銷售淨值約為 36.1 億歐元。 圖 7-1 奇夢達公司全球分佈圖
主要產品應用於個人電腦及工作站，另延伸市場於基礎建設、繪圖 功能、手機顯示及其他客戶端應用。 圖 7-2 奇夢達公司之延伸市場 主要產品特色介紹： 圖 7-3 512M XDR 512M XDR 目標市場為消費性產品應 用，達 3.2G H z 高速，based on 75 奈米 科技。 圖 7-4 GDDR5 standard GDDR5 standard(與 AMD 合作)主要針對 繪圖卡(繪圖顯示科技?)應用，達 20GB/s 頻寬，based on 75 奈米科技。 圖 7-5 DDR3 Products DDR3 Products- 以高效能著稱，而為引 領市場先驅，應用於工業伺服器，可節 能降低功率消耗及低耗電。
DRAM 近代及未來成長表
預計 2007 年至 2012 年尚有 50%的成長空間。
圖 7-6 DRAM 近代及未來成長表
新 DRAM 未來延展應用
未來預計可應用於 Entry Level Server、多功能印表機、手提電腦、 手機。致力於可節能及降低功率消耗。
圖 7-7 新 DRAM 未來延展應用
未來將搶攻非 PC 市場
奇夢達德勒斯登廠：研究與發展和引領先驅的工廠(PilotFab) 德勒斯登廠座落位置概述 圖 7-9 德勒斯登廠位置概述 奇夢達德勒斯登廠的任務- 快速且成功的研發、躍昇、及轉換新科技。德勒 斯登廠對於奇夢達公司而言，扮演了攸關勝敗與否的重要角色。 奇夢達強調群聚連結的概念，可讓轉換新技能有最快之效率及有事半功倍的 結果。奇夢達以德勒斯登廠為核心進行研發，再移轉至加拿大瑞奇蒙、台灣 華邦、華亞科技做中介技研加工，爾後產線最尾端則由葡萄牙波圖、中國蘇 州及馬來西亞 Senai 廠做出貨前最後步驟。
整合 Pilot Fab 與 R&D 廠得使快速發展與技術躍進。
奇夢達德勒斯登廠的研發環境 德勒斯登廠是全歐洲最具規模的半導體研發中心，有超過 800 位優 秀的工程師在此作最新科技的研發。 圖 7-11 奇夢達德勒斯登廠的研發環境 德勒斯登廠的人力資源 超過 3000 名員工為在地人才，約總數 80%，而國際性人才則約 200 人左右。 員工教育水平分布，大學畢業約 44%、專職教育體系為 7%，而 49% 則為經驗豐富的技術人員。 人力資源配置中，研發科技人才約占 27%，生產部門則占 44%，技 術人員約 14%，而其餘行政及支援部門則有 15%。 圖 7-12 德勒斯登廠的人力資源百分比
德勒斯登廠從來自各國的團隊中取得研發創意靈感 超過 40 個國家以上的人才為奇夢達德勒斯登廠獻上自己的專業。 圖 7-13 德勒斯登廠各國的專業研究團隊 德勒斯登廠提供專業進修教育：晶片學院(chip academy) 20 間公司相互培訓及教育的成果，像一張具規模及系統的資訊網， 讓薩克遜有如美國矽谷般。 圖 7-14 德勒斯登廠提供專業進修教育：晶片學院
德勒斯登廠不斷地研發足以引領先鋒的半導體科技 在記憶體領域有最尖端的長期研發經驗，讓晶片尺寸可越見縮小， 但晶圓技術則從 8 吋躍昇至 12 吋 圖7-15 德勒斯登廠先進的半導體科技開發 介紹最新記憶體技術之里程碑 奇夢達與夥伴廠商爾必達(Elpida)在記憶體領域因發佈了單元面積僅 有 4F²（F 為設計規則）的 DRAM 而締造了最尖端的里程碑。 與爾必達的合作則更促使 4F²單元面積的 DRAM 可提早至 2010 年導 入應用。 圖 7-16 記憶體技術之里程碑
65 奈米技術的埋入式閘極字元線連結（Buried Wordline）可於 1.5V 的電壓 下運作的記憶體設計 圖 7-17 65 奈米技術的埋入式閘極字元線連結的記憶體設計 SO-DIMM 的節能效果 65 奈米的 Buried Wordline 因可有效節能，而將取代先前的 58 奈米 溝槽式 DRAM 技術 圖 7-18 DRAM 溝槽式技術 夥伴廠商與其合作關係 合作良久的夥伴廠商緊密配合，以達到技術交流與資源共享之效果 與之互動深遠的台灣廠商華亞科技與南亞科技，與奇夢達共同合資 300mm 晶圓製造廠；而華邦科技則是奇夢達移轉 90nm、80nm, 75nm 和 65nm 奈米技術至華邦中科的 12 吋晶圓廠使用
圖 7-19 德勒斯登廠之夥伴廠商
與優秀的合作夥伴關係共邁最先進的科技尖端
八、參訪 Erlangen Universsity
9 月 8 日的早晨，Erlangen 大學的 Feldmann 教授非常熱忱的安排一輛大遊 覽車到我們參訪團的旅館，將我們接往他的研究所。我們於 9 點鐘準時到達製 造 自 動 化 暨 生 產 系 統 研 究 所 (Institute for Manufacturing Automation and Production Systems)。進入會議室，我方由召集人介紹團員的背景資料後，就由 研究所的主管 Feldmann 教授介紹他所領導的研究所之研究概況。 製造自動化暨生產系統研究所隸屬於 Erlangen 大學的工學院機械系。該大 學共有 11 個學院，約 24,000 名學生，於 1743 年成立，是一所古老的大學；而 工學院卻是直到 1966 年才成立，到了 1982 年才開始有機械系。機械系從當初 的三個研究所膨脹到 26 年後的今日，有 6 個研究所，每個研究所各設一位正教 授，總理教學、研究、與行政等所有事務。製造自動化暨生產系統研究所的 Feldmann 教授從創立服務以來，已經培養了 99 位博士生，在該所的辦公室一面 牆上貼著所有歷屆博士生的照片，如圖 8-1 左所示。 圖 8-1 Erlangen 大學製造自動化暨生產系統研究所內部圖 這個研究所有一個佔地甚廣的 L 型平房，其中一間是一個模擬一般真實工 廠的實驗室，如圖 8-1 中所示，充滿著工業用機器臂和輸送帶。Feldmann 教授 另外受鈕崙堡市重託，在離 Erlangen 15 公里的 Nordostpark 高科技工業園區，主 管機電整合研究中心(competent center of mechatronics)。他有半週時間在該處上 班，該中心也是模擬一般真實工廠的實驗室，只是重點在軟性電路板和模造連 結裝置(MID, Molded Interconnect Devices)的生產製造，如圖 8-1 右所示。
在大學處的實驗室為製造自動化的研究，強調的是製造單元和自動組裝。物 流與倉儲的改良研究以自動引導車為主，輸送帶的配置與控制也是研究項目。 為了驗證各式策略，電腦引導的自動物流已經整合進此實驗室的範例工廠，工 廠中的各單元都是以工業機械臂為主來從事組裝。工業界最感興趣的是組裝中 處理不同元件的複雜技術，而此實驗室從安裝裕度，材料特性，和分類標準來 著手，進而也從事抓取器的設計，雙機器臂合作運作等的研究。 對電子工業而言，引進高溫的熱塑性材料(thermoplastics)和他們的結構性硬 化過程(structured metallization)，開啟了電路板的新領域：模造連結裝置(MID,
Molded Interconnect Devices)。MID 是在射出成型的熱塑性材質成品上佈上積體 電路(參考圖 8-2 與圖 8-3 中的 3D-MID 由熱塑性基板和積體電路組成圖，與 MID 可以集成的功能示意圖，摘自網頁 http://www.3d-mid.de/english/home/)。MID 除 提供技術和經濟設的潛力外，相較於傳統的印刷電路板，也具有環保優勢。MID 產品以汽車電子和通信器材為大宗，雖然也擴及電腦，家電和醫療設備。整體 而言，每年有 20%成長力。將電路與元件直接塗佈或和接於 3D 基板的整合技術 已經可以達到節省 40%的成本，其主因在材料的減少，邊界條件的簡化，和一 些特殊的生產流程。這是 Nordostpark 高科技工業園區中機電整合研究中心的主 要研究課題。 圖 8-2 3D-MID 由熱塑性基板和積體電路組成圖 圖 8-3 MID 可以集成的功能示意圖 MID 的基板完成後需要數個製造過程，首先塗上導電膠或銲錫，接著元件 就可以被安置其上。由於複雜的 3D 幾合形狀，往往需要研發具特殊技術的安裝 機台，諸如增加能作工件操作的多旋轉軸，和一些可撓性的工具等。將元件與 基板接著所需的高溫焊接方法對基板的材質有耐高溫的要求。如果使用非耐高 溫的熱塑材質，就要改用低熔點銲錫或導電膠，甚至研發新的接著方法。一些 值得研究的課題有材料研發與評估，接著的特性，焊接溫度曲線與控制，和成 品可靠度分析。
MID 可以在使用者定義外形的電器產品上組合電子、機械和光學元件。因 此，引進了新功能和提供電子產品小型化的機會。藉由省掉機械元件的組裝(例 如螺絲和螺帽)，生產鏈可以縮短，進而增加可靠度；此外，基板本身具耐火性， 易於回收處理，也是生態環保的產品。這些優勢正改變電子產品的生產。總結 而言，MID 有三大優勢： 1. 設計彈性化：整合了機電與光學，形狀高變化性，小型化，增加新功能。 2. 經濟性：元件減少，縮短生產鏈，材料縮少，增加可靠度。 3. 環境親善：減少材料混合，材料可回收再用，縮減耗材，廢棄物易處理。 在 Feldmann 教授介紹完後，我們參觀了製造自動化的實驗室；陸續目睹下 列的展示：電腦監控與電腦規劃、雙機械臂作搬運工作、雙機械臂作組裝、機 械臂作餐點服務工作。 之後又用大型遊覽車將我們載往 Nordostpark 高科技工業園區中的機電整合 研究中心，也陸續目睹了一些展示：MID 的製造機台與操作、各式用於汽車儀 表的 MID 產品、軟板的一貫製程、不同材質的軟板、電路板品質檢測技術、Ｘ 射線作電路板 3D 檢測、高達 10000 等級的黃光實驗室作微機電相關研究。 圖 8-4 Erlangen 大學製造自動化暨生產系統研究所製造自動化的實驗室
九、參訪 Simens Erlangen GWE
參訪團於 9 月 8 日參訪 Simens Erlangen GWE，Simens Erlangen 的電子製造 廠（GWE）是 A&D 事業部運動控制系統（MC）的一個部門。 西門子 A&D MC 為工具機、天車設備，以及生產機器提供自動化系統與服務。Erlangen 的電子 製造廠員工超過 900 人，負責為這些應用系統生產 0.7 kW 到 1.5 MW 功率範 圍的 CNC 控制器與驅動器。該廠客戶涵蓋各種產業，包括包裝、紡織、塑膠、 印刷、壓片與木材／玻璃／陶瓷／採石等工業所用的工具機、機器人、特殊機 械，以及機械工程等。不過，該廠產品也使用於轉換、處理及工業用天車設備 的一般性運動控制應用當中。
參訪 Simens Erlangen GWE 當天係由其公關部門之經理進行簡報，敘述 Simens 之管理制度及其自動化製造系統，並實地參觀其印刷電路之自動化製造 系統及電源模組之組裝工廠。 印刷電路之自動化製造系統 PCB 的製造過程包括：影像（成形／導線製作）、塗佈阻劑、光阻劑藉由遮光 罩經過 UV 光曝光、光阻劑顯影、蝕刻、鑽孔與電鍍、多層 PCB 壓合、處理 防焊層、測試、零件安裝與焊接、進行 PCB 的最終測試等皆是藉由動動化設 備完成，惟有較大型之電子元件如大型電容、變壓器、或連接器才需藉由人 工裝配。 電源模組之組裝工廠 該電源模組之組裝工廠係如圖 9-1 所示： 圖 9-1 電源模組之組裝工廠
其所有之物料元件係放置於倉儲區之物料架上之各儲料盒，裝配人員於電腦螢 幕選定工作項目後，倉儲區之物料架置放所需要裝配元件之儲料盒所設置之燈 號會顯示紅燈，以引導裝配人員於選擇所需之裝配元件，裝配人員取出所要之 元件後，按下儲料盒所設置之按鈕，即關閉該儲料盒上之紅燈，藉由該系統不 但可讓裝配人員快速選擇所需之裝配元件及其數量，並可掌控倉儲區各儲料盒 內元件之剩餘量，以利物料之管理。 自動化暨驅動系統 實地參觀之印刷電路之自動化製造系統及電源模組之組裝工廠，所看到的皆僅 是硬體設備，而由西門子公司之網站上可知除了硬體設備外，其相關之自動化 製造系統軟體係扮演重要之整合工作，故由該公司摘錄其自動化暨驅動系統 如下：其自動化暨驅動系統整合了自動化、驅動設備、配電設備及機電 組裝技術及檢驗與測試系統等。它的開放式平台設計，極具前瞻性，符 合製程工業未來之需求，並確保能提供一最新、最經濟的解決方案。 SIMATIC PCS7 的現代化設計及彈性化的架構，可實行對工廠最具成本 效益的規劃及最經濟性的操作，這些優勢涵蓋工廠整個生命週期中的每 個階段；從自動化專案的規劃、設計、施工、試車、訓練、操作、維修、 保養乃至於將來之擴充，皆可輕易達成。 圖 9-2 自動化暨驅動系統整合示意圖 作為現代化製程控制系統的一員，SIEMENS PCS7 組合構成為高整合性之 全方位系統。它的系統特性涵蓋從現場工程至中央操作的各個階層，並且 保證能廣泛地滿足一般製程控制系統的需求。
簡單及安全的製程控制 便利的操作及視覺化介面 快速及一致的全系統工程師介面 廣泛的現場網路 (field bus) 整合能力 彈性化的批次製程解決方案 高度系統開放性與 IT 作業環境直接整合連結 圖 9-3 SIEMENS PCS7 組合構成為高整合性之全方位系統 SIMATIC PCS7 系統功能舉例說明： 定義工廠初始操作 以工廠技術觀點制定操作策略 儀控 (I & C) 警報概念 系統存取保護/控制及操作權限之功能 系統監測及自我診斷功能 時間同步化功能 安全性導向應用之整合功能 從現場階層至操作及監視階層的完全複聯式系統 內建控制系統函數庫 從 CAD/CAE 系統輸入或輸出相關資料之功能
水平整合： SIMATIC PCS7 使用相同的 SIMATIC 標準元件，因此可輕易地與附屬 製程作水平整合，其所使用的 SIMATIC 控制器尤其適用在開迴路控制 及多數儀控需求。 SIMATIC PCS7 製程控制系統，結合所有相關系統之優點： 低廉之硬體成本 經過驗證之品質及穩定度 系統元件之簡便、快速的定義與選擇方式 備份元件及系統擴充所需元件只須極短的交貨期 世界性通用的控制元件
另一方面，藉由完全整合自動化 (Totally Integrated Automation) 的概 念，SIMATIC PCS7 可輕易整合其他系統。 垂直整合： 在企業環境內之系統垂直整合，包括兩方面： 全企業之資訊網路整合 現場系統之整合 在操作管理階層，運用國際性資料交換工業標準，如 Ethernet、TCP/IP、 OPC、@aGlance 或 SAP R3/PP-PI，可使 SIMATIC PCS7 製程控制系統 輕易地與全企業資訊網路作整合。
SIMATIC PCS7 提供可資全企業利用的製程資料給相關之應用系統，例 如：
MIS (Management Information System) 管理資訊系統 MES (Manufacturing Execution System) 生產執行系統 ERP (Enterprise Resource Planning) 企業整體資源規劃 高階製程控制：
SAP R3i-PI 為經過認證之 SAP 介面，可用來連結 SAP/R3 之 PP-PI 模 組。此一介面連結 SAP/R3 至 PCS7 軟體套件 BATCH flexible 作批次製 程的配方控制自動化。
@PCS7 Server 及 其 相 應 之 Web@aGlance/IT client 可 使 製 程 透 過 Intranet 或 Internet 作遠端或全球線上即時監視。這表示高階資訊系統 可透過@aGlane 介面連結至 SIMATIC PCS7。因此 SIMATIC PCS7 可透 過上述簡單的方式，提供至 IT 環境的存取路徑。
現場系統整合：
SIMATIC PCS7 特別適合將現場系統整合到製程控制系統。工廠內之現 場設備是否為傳統或智慧型設備 (如：HART 通訊協定) 或最新科技具 通訊能力之現場設備；並非十分重要。具備通訊能力之現場設備，可透 過符合國際標準 IEC 61158 之 PROFIBUS - DP/PA 連結至製程系統，此 一現場網路 (field bus) 亦具備複聯能力 (Redundant)。
PROFIBUS - PA 亦可將防爆區域 (Ex Zone) 內之現場設備合併納入系 統。PROFIBUS - DP 可藉由分散式 I/O 上之隔離變壓器作信號隔離，應 用於危險區域。於防爆區域內(Ex Zone)亦可將傳統現場設備及具 HART 通訊能力之現場設備整合進來。
SIMATIC PDM (Process Device Manager) 可允許系統透過 PROFIBUS -DP/PA 或 HART 介面，於工程師工作站做全廠現場設備之參數設定工 作。國際通訊標準如 PROFIBUS 及 HART 使本系統更開放，此外，較 簡單之作動器及感測器可透過 AS-Interface 連結至 PCS7，建築物自動 化元件亦可透過 EIB instabus 連結至 PCS7 系統。 可塑性及開放性的系統： 除了針對製程控制系統特定的軟體設計外，SIMATIC PCS7 的硬體亦為特 選之 SIMATIC 標準元件。 根據專案及工廠之需求，可選擇各式各樣功能強大的自動控制系統 逐步地合併分散及集中式 I/O 從單一用戶之初始系統擴充操作及監視功能至具用戶端/伺服器 ( Client / Server) 架構之多用戶系統 藉由外掛各式軟體及硬體以擴充操作者工作站之功能 上述特性，意謂 SIMATIC PCS7 可以最佳之架構及最低之成本符合工廠之系 統需求。Simens 詳細研究資料請參考相關之西門子公司網站及參訪團攜回國內 之檔案資料。
十、參訪 Institute for Microstructure Technology/ Karlsruhe
九月九日全團一行 15 人前往位於德國 karlsruhe 市北郊的卡斯魯爾研究中心 (Forschungszentrum Karlsruhe, FZK)的微機電研究所(Intitute of Microstructure Technology, IMT)訪問，由副所長 Dr. Bacher 親至大門迎接，由所長 Prof. Dr. Saile 全程接待並做簡報。Forschungszentrun Karlsruhe (Research Center Karlsruhe)的前 身是 Nuclear Research Center Karlsruhe (KFZ Karlsruhe)為德國昔日最大之核能研 究重鎮。在九○年代德國自政策上不再發展核能、核電等技術後，迅速轉型成 為尖端科技的研究重鎮。在德國聯邦政府以及巴登符騰堡卅政府大量研究經費 的挹注下，在原址發展出巴登符騰堡科學園區(Science and Technology Park Baden-Wuerttemberg)，而 Karlsruhe 核能研究中心將其研究領域重整並結合新興 科技，在組織架構下改隸財團法人 Hermann von Helmholtz 研究基金會，該基金 會為一財團法人組織轄下共有 15 個研究中心，共有 26500 研究人員與員工。FZK 並與 University Karlsruhe 結合成立 Karlsruhe Intitute of Technology，故 FZK 與 University Karlsruhe 的許多研究所同屬於這兩個單位，既有學術的資源，更有聯 邦與工業界研究經費的廣大來源，並能自謀營利。經多年持續發展已成為歐洲 最大的科學與工程研究中心之一。FZK 的研究重點分為五大領域，分別是 1.物 質結構 2.地球與環境 3.健康 4.能源 5.尖端科技。FZK 的園區照片如圖 10-1，我 們所參訪的 IMT 主要是圖中的〝Microstructure Technologies〞，〝Instrumental Analysis〞及〝ANKA〞(同步輻射中心)三大部門。
圖 10-1 FZK 研究中心空照圖
The Institule of Microstructure Technology (IMT)是 FZK 轄下最重要也是最著 名的研究單位，微機電製程中的 LIGA Process，(Lithographie ,Galvanoformung, Abformung, 英譯 X-ray lithography ,electroforming and molding)即是在 1980 年代 在當時 IMT 的前身 Institule of Nuclear Process Engineering 在 Prof. Becker 及 Prof. Ehrfeld 的領導團隊中所發展出來的。當時利用 X-Ray 深次微米蝕刻技術可以做
到解析度 0.2μm 深寬比達到 5000/1 的圖案。參訪此一研究所即是參訪 LIGA 技 術甚至微機電技術的開山始祖。
在 Helmholtz 基金會下有一大型五年研究計畫稱之為”Nano Mirco”，FZK 研 究中心內共有 16 個研究所參與此一計畫，參與之研究人員達 350 人，每年預算 達 5000 萬歐元，而 IMT 的大多數資源均投入此大型計畫中。為了更有效率地執 行此計劃，在 FZK 的 16 個研究所的架構下成立了一個名為〝Karlsruhe NanoMicro Facility〞的研究資源平台，平台下整合成為三個大的實驗室分別為 1. Laboratory for Micro and Nano Structuring , 2. Laboratory for Microscopy and Spectrascopy ,以 及 3. Laboratory for Sychrotron Radiation and Characterization。
該所目前的研究重點在設計、製造、組裝各類微機電結構應用於科學、生 醫、工業等領域並專研更新的微奈米機電結構與元件的製造方法。該所發表之 論文、獲得之專利、實際上之工業應用以及從中之獲利不論從規模及水準上均 執全世界之牛耳。鮮少有學術研究單位能從基礎研究一路做到工業應用甚至生 產如此徹底者。IMT 分為光學及光電子學 Optics and Photonics，微流體及傳感器 技術(Microfluids and Sensor Technology)，微圖案複製(Replication)及微製造 (Microfabrication)四大研究部門以及 LIGA 旗艦計畫。該研究所之所長為 Prof. Volker Saile，副所長為 Dr. Walter Bacher。所長 Prof. Saile 於 1976 年於慕尼黑大 學取得物理博士後,至 1989 年為止均任職於位於漢堡之德國同步輻射中心至副 主任之職位,並於 1989 至 1998 在美國路易斯安那大學擔任教授，於 1998 年起 回德國任 IMT 所長至今。Prof. Saile 在國際上同步輻射領域，聲譽卓著，一直擔 任國際同步輻射委員會之評議委員，與我國同步輻射學術界甚為熟悉，他也曾 任我國同步輻射中心之評議委員(或顧問)。
訪問開始首先由 Prof. Saile 做有關 FZK 及 IMT 的簡報，詳述了 FZK 的架構 以及 IMT 的組織任務與目前最新的研究方向與研究成果，接者分成兩組分別由 Microfluid 部門主任 Dr. Guber 與 Replication 部門主任 Dr. Worgull 帶領詳細參觀 了該所的各個實驗室。下午並由 Dr. Börner 帶領參觀位於 FZK 的同步輻射中心 ANKA(Å ngstromguelle Karlsruhe,直譯為卡斯魯爾埃米(Å )射源)，直至下午四時 全部參觀結束。以下就重點部門做一扼要性之介紹：
光學及光電子學部門(Optics and Photonics)
該部門主要分成 1.Photonic systems, 2.Biophotonics, 3.X-Ray lithography, 4.X-Ray optics, 5.Electrochemical process 等研究領域。在 Photonic systems 方面的主要研究成果是利用 LIGA 為主的方法製作微光學陣列元件的光電元 件，已有許多模組化的應用包括光電集成板,distance sensor, electrostatic actuator ,array micro-spectrometer 等等，如圖 10-2 所示。在 X-Ray lithography 方面主要是利用 FZK 之同步輻射研究中心 ANKA 之同步輻射源製作高深寬
藉其多年之經驗以及強大之 ANKA 支援設備與人力， X-Ray LIGA 製程之 研究成果，至今仍保持全球領先的地位。在 X-Ray optics 方面，近年主要研 究重點置於發展 X-Ray 用之折射透鏡。對 X-Ray 而言絕大多數材料都是透明 材料，因此該研究所利用 LIGA 製程製作 X-Ray 波長適用之 X-Ray 透鏡，以 鎳為材料製作次微米等級之圖案結構可以做為 X-Ray 聚焦之用，如圖 10-4 所示。以目前之技術已可將 X-Ray 光束聚焦至 450nm 的直徑，未來努力目 標將 X-Ray 聚焦至為 100nm 直徑,其潛在用途為 X-Ray 光譜儀。圖四顯示 IMT 發展的各類複雜微結構的 X-Ray 透鏡，技術先進獨步全球，尚無能出其右者。 圖 10-2 微光電元件 圖 10-3 LIGA 製 程 製 作 之高深寬比微元 件 圖 10-4 複 雜 形 狀 之 X-Ray 微透鏡微 型圖案模組 微流體(Micro-fluids)部門
該部門主要分成 1.Nano/Mico-capillary Systems，2.Biosensor Technologies， 3.Lab-on-chip Systems 三個小組。其中在 Nano/Mico-capillary Systems 的主 要研究成果為發展出毛細電泳之微流體 lab-on-chip 晶片系統，利用 Hot Embossing 或 micro-injection molding 方法製作 μTAS 晶片。其中最大之成 就為已成功製作出一個大面積具有 96 個電泳系統的檢測板，可用於 DNA 檢 測以及生物科技界之大量快速篩檢，其成品如圖 10-5 所示。也可以利用 deep
UV-lithography 製作出生物檢測晶片適用之生物微流道系統如 nanoscale flow cell，如圖 10-6 所示。在 Biosensor 方面則發展出以表面波導氣體分析 儀(SAW Gas sensor)之生物感知晶片或儀器。並已成功的將此研究成果商品 化，稱為「電子鼻」(electroic nose)，並已技轉作為商業用途，如圖 10-7。 在 Lab-on-chip 方面主要仍是以毛細電泳的微型發展為主，其基本原理如圖 10-8 所示。而所發展出之毛細電泳晶片之製造材料有 PDMS , PMMA ,Polyimide 或 PEEK 等材料。並已發展出商業化的可攜式現場監測毛細電泳晶片系統。 如圖 10-9。 圖 10-5 大面積分析用晶片由 96 個相同的微流體毛細電泳構成
圖 10-6 Nanoscale flow cell 圖 10-7 電子鼻(氣體 sensor)之商業廣告
圖 10-9 微細毛細電泳晶片實物照片
Replication 部門
該部門之主要技術為 micro-hot embossing 以及 micro thermal molding，近年 的研究領域則是以 polymers 為主的微米與奈米壓印製程。其技術研究主要 目的是提供微流體、微光電、微機電系統所需之複雜或重複性微結構。能夠 壓製高深寬比微結構是其特點。此外該部門有一部 Wickert 奈米壓印設備可 以大量生產奈米壓印之微結構，噸位雖甚大，但可微調之負荷解析度亦甚佳 可至 0.1N，是甚具特色之奈米壓印設備，如圖 10-10。該研究所製作金屬微 型模具之技術亦甚為紮實，大量製作微電泳所需之精密黃銅模具亦均利用大 面積 LIGA 製程自行製備，是完全工業級的應用，如圖 10-11 所示。 圖 10-10 Wicket 大型微奈米壓印機 圖 10-11 微奈米壓印製作電泳晶片之 大型黃銅模具(LIGA 製程製 作) 微製造部門 該部門是支援 IMT 之研發以及先導生產之最重要部門，其設備包括 Plasma Process 之 CVD,PVD 及 RIE ,光學 lithography 製程，E-Beam writer,電鍍、電 鑄及蝕刻設備，蒸鍍，濺鍍，離子束鍍，X-Ray 及 LIGA 設備以及所有必須 之微米、奈米檢測設備等，圖 10-12 是其部份設備之情況。IMT 之五年型旗
艦計畫藉助微製造部門之協助近年完成了協助精密機械業開發微型鐘錶元 件之 LIGA 製程計畫並以推進至先導生產階段，圖 10-13 與圖 10-14 顯示這 些微型元件以 LIGA 製作之模仁以及成品之部份放大圖。 圖 10-12 微製造部門部分設備 圖 10-13 製作於晶圓上之微型鐘錶 元件模仁及其藍圖 圖 10-14 微型鐘錶元件實體件 ANKA(Angstromquelle Karlsruhe) 卡斯魯爾埃米射源 ANKA 是 FZK 內的同步輻射中心，於 1997 年開始規劃， 1998 年開始興建，2000 年開始第一個實驗，2002 年第一篇研究成果期刊出 刊 ANKA 同步輻射加速器主要用於下列研究領域：(1)condensed matter， Micro and Nano technology ， (2)Environmental Research ， (3)Sychrotron technology and instrumentation.
ANKA 同步輻射加速器之規格如下：
Circumference:~110 m, Beam current: ~180-200 mA , Photon flux @ εc: 5 1012 h/s/0.1%BW/mrad
Energy: 2.5 GeV, Emittance: 88 nm rad, Brilliance @ εc: 5x1013 ph/s/0.1%BW/mm²/mr²
ANKA 加速器有三條 X-Ray beam lines，分別做高解析度之 X-Ray mask making ,deep X-Ray lithography 以及 ultra deep X-Ray lithography。結合 E-beam 與 X-Ray 來製作光澤可以製作達 200nm 線寬之光澤(光阻約 200μm 厚 )這 是 laser lithography 或 uv-lithography 無 法 達到的 IMT 在 X-Ray lithography 技術上有其開創及領先的地位。除此之外 ANKA 加速器也可以提 供紅外線與 X-Ray 之光譜分析光束及紅外線與 X-Ray 之散射與成像光束。 ANKA 之配置圖與全貌分別如圖 10-15 與圖 10-16 所示。
十一、參訪 Department of Microsystems Engineering at University of Freiburg 參訪團於 9 月 10 日參訪 University of Freiburg 之 Department of Microsystems Engineering (IMTEK)，該系自西元 2000 年開始營運，是一個相當年輕的系所。 IMTEK 現任系主任為 Prof. R. Zengerle，全系共有 20 位教授，每位教授所領導 的實驗室另外各約有 4 至 5 位博士後等級的 Group leader。該系的使命為：
Covering MEMS from its foundations via Design and simulation
Fabrication technologies Materials
Systems development to Applications
Develop microcomponents as well as complete Microsystems
Educating new kind of engineers with strongly interdisciplinary expertise 該系在教育上強調：
Interdisciplinarity
Basic education in electrical engineering, physics, computer sciences, chemistry, materials science, technology
Hands-on experiences
Lab classes in the clean room, electronics and chemistry lab classes, ... Systems and application oriented
Broad, encompassing view
Fit for business – non-technical education Project management
Intellectual Property Rights
Technical specialization areas in the masters program Materials and technologies
Systems engineering Life science
International exchange programs, notebook university, inventors club, alumni club
IMTEK 各實驗室的研究方向如下：
Laboratory for Microsystems Materials (Prof. Dr. Oliver Paul) CMOS based MEMS
Technology development Thin film characterisation Physical sensors
High-temperature MEMS Microstructures for life science
圖 11-1 Microstructures for life science
Laboratory for Process Technology (Prof. Dr. Holger Reinecke) Nano imprinting
Ultra-precision-milling
Electrochemical micro-processing µ-wire electro discharge machining Injection moulding
Hot embossing
Laboratory for Materials Process Technology (Prof. Dr. Jürgen Haußelt) Microstructured ceramics
Polymer-nanoceramic composites Suspensions of ceramic nanopowders Screen printing of microstructures Ceramics for dental restorations
圖 11-3 Ceramics for dental restorations
Laboratory for Chemistry and Physics of Interfaces (Prof. Dr. Jürgen Rühe) Polymers for MEMS
Biomaterials & nanoparticles Surface characterization
New microstructuring processes Chemical microstructuring Nanochemistry
Laboratory for Assembly and Packaging (Prof. Dr. Jürgen Wilde) Design-for-reliability in mechatronics
Packaging influences on sensor functions Polymer actuators
High temperature sensors
圖 11-5 High temperature sensors
Laboratory for Electrical Instrumentation (Prof. Dr. Leonhard Reindl) Wireless passive sensors
Smart wireless autonomous MEMS Wireless sensor actuator networks Energy autonomous microsystems System on chip (FPAAs, FPGAs) Surface acoustic wave devices (SAW) Materials for SAW devices
圖 11-6 Materials for SAW devices
Laboratory for Microelectronics (Prof. Dr. Yiannos Manoli) Mixed signal circuits
Analog / digital converters Sensor interfaces
Wireless sensor networks Digital design techniques
圖 11-7 Digital design techniques Laboratory for Microactuators (Prof. Dr. Ulrike Wallrabe)
MEMS actuation principles (electrostatics, electromagnetics, fluidics) Optical MEMS (lenses, interferometers, spectrometers)
Medical MEMS (end effectors, positioning systems)
圖 11-8 Medical MEMS (end effectors, positioning systems) Laboratory for Microsystem Simulation (Prof. Dr. Jan Korvink)
Advanced simulation technology such as topology optimization Low cost affordable MEMS by Inkjetting, wirebonding, flexible
substrates
圖 11-9 Magnetic resonance microsystems for cell & brain imaging Laboratory for Design of Microsystems (Prof. Dr. Peter Woias)
Micro rapid prototyping Micromechanics
Microfluidics Simulation
Computer-aided design (CAD)
Computer-aided optimization (CAO)
圖 11-10 Computer-aided optimization (CAO) Laboratory for Micro-Optics (Prof. Dr. Hans Zappe)
Photonic systems
Optical data communication OXC (optical cross-connects) Biophotonics
Optical medical technology Silicon MOEMS technology Polymer based micro-optics
圖 11-11 Polymer based micro-optics Laboratory for Sensors (Prof. Dr. Gerald Urban)
Bio/chemo-sensorarrays Microflow sensor Nanoparticles Fingerprint sensor Cell assays Plasma technology 圖 11-12 Plasma technology
Laboratory for MEMS Applications (Prof. Dr. Roland Zengerle) Lab-on-a-chip platforms
Nanoliter & picoliter dosage Tools for research on cells Fuel cells (biofuel & DMFC) Drug delivery systems
Flow- & humidity sensors
圖 11-13 Microfluidics modelling & simulation
Laboratory for Biomedical Microtechnology (Prof. Dr. Thomas Stieglitz) Neural prostheses and neuromodulation
Electrical stimulation & recording Flexible multi-channel electrodes Modular micro-implants
Polymer-based substrates and systems Biostable coating and encapsulation Biocompatible assembling and packaging
圖 11-14 Biocompatible assembling and packaging
Laboratory for Optical Measurement Technology (Prof. Dr. Alexander Rohrbach)
Optical trapping
High-speed interferometry Novel microscopies
Wave optical simulations Cell biological dynamics
Fluctuation-dissipation systems Molecular motors
