半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度

文/邢軼斌 徐海濱 康永

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的提升和科技實力的增強(qiáng)，越來越多的領(lǐng)域開始使用半導(dǎo)體材料，這對半導(dǎo)體制造提出了更高的要求。然而，對現(xiàn)如今的科技水平而言，半導(dǎo)體制造仍是當(dāng)前最復(fù)雜、難度最高的制造工程之一，其制造過程主要包括四個環(huán)節(jié)：晶圓加工、中試、封裝以及完成品測試。批加工設(shè)備調(diào)度對于半導(dǎo)體封裝階段調(diào)度有至關(guān)重要的影響，能夠直接決定半導(dǎo)體封裝的效率和質(zhì)量。本文通過分析小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模三種半導(dǎo)體封裝階段仿真實驗?zāi)Ｐ?，對新提出的半?dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度規(guī)則進(jìn)行了仿真模擬以驗證。驗證結(jié)果顯明，半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度規(guī)則對于提高半導(dǎo)體封裝質(zhì)效有著相當(dāng)明顯的作用，能夠提升準(zhǔn)時交貨率、縮短生產(chǎn)周期，也能夠?qū)Ξa(chǎn)品性能的完整性提供一定的保障。

1 批加工設(shè)備調(diào)度

1.1 概述

根據(jù)批加工設(shè)備處的規(guī)定，只要工件的待加工工序與加工設(shè)備上的工藝菜單相符合，就可以使用該設(shè)備對該工件進(jìn)行組批加工。批加工設(shè)備的加工時間通常不是由加工的工件的總數(shù)目決定，且這個時間通常要比非批加工設(shè)備加工時間長許多。最大加工批量是考察批加工設(shè)備性能的重要參數(shù)，反映了設(shè)備的加工能力和加工效率，通常批加工設(shè)備都會明確規(guī)定其最大加工批量，組批工件的數(shù)量不能超過這個規(guī)定的批量，否則可能會引發(fā)設(shè)備的故障。批加工設(shè)備一旦啟動工作，就不能再隨意增減已經(jīng)放置在設(shè)備上等待加工的工件數(shù)量；同時需要注意的是，工件加工是需要分批次的、非搶占式的，即只有將當(dāng)前正在加工的工件加工完成后，才可以使用該設(shè)備進(jìn)行下一批工件的加工。批加工設(shè)備調(diào)度需要考慮兩個主要問題：一是如何組批工件，二是如何確定組批加工工件的順序。目前，針對半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度研究主要從兩個角度展開：一是靜態(tài)調(diào)度，二是動態(tài)調(diào)度。在靜態(tài)調(diào)度研究的過程中，往往只針對批加工設(shè)備本身進(jìn)行研究，而不將其他設(shè)備與其的調(diào)度配合納入考慮范圍，這就難以保證研究成果的全面性和可靠性，從而對提升半導(dǎo)體封裝整體的效果難以產(chǎn)生有效的指導(dǎo)。而在動態(tài)調(diào)度研究中，有學(xué)者提出了最小加工批量規(guī)則，即要求重點關(guān)注如何確定最小加工批量。其中應(yīng)當(dāng)格外關(guān)注作為特例研究的最小加工批量為1或設(shè)備最大加工批量，而實際的半導(dǎo)體瘋轉(zhuǎn)階段往往為了保證設(shè)備的有效運轉(zhuǎn)，會盡可能地保持設(shè)備最大加工能力作為設(shè)備的加工批量；在此之后，有學(xué)者提出了動態(tài)批量調(diào)度啟發(fā)式規(guī)則，在該規(guī)則中，由于需要為后續(xù)的工作進(jìn)行考慮，因此插入了一段固定的設(shè)備空閑時間，不利于設(shè)備最高效運轉(zhuǎn)，也降低了生產(chǎn)的柔性；另外，有學(xué)者提出了考慮為即將加工的工件與下游設(shè)備提供準(zhǔn)備時間以保證工件質(zhì)量和設(shè)備性能都處于正常狀態(tài)的批加工設(shè)備調(diào)度方法，為加工安全性提供保障。然而，在以上研究中，均未對批加工設(shè)備的負(fù)載情況加以考慮，因此，對半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備的調(diào)度應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更加深入的研究。

1.2 工件組批規(guī)則

批加工設(shè)備一旦轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的狀態(tài)，比如由繁忙工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻e狀態(tài)，或由暫停工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎脿顟B(tài)，就要為設(shè)備選擇合適的工件使其開始工作。在批加工設(shè)備調(diào)度中，需要注意的是組批工件數(shù)量不能大于設(shè)備的最大加工批量，否則很可能引發(fā)事故，也會對設(shè)備的性能造成影響。因此，當(dāng)同一時段需要加工的工件數(shù)超過批加工設(shè)備的最大加工批量時，就需要考慮如何組批工件以提高半導(dǎo)體封裝效率。另外，當(dāng)緩沖區(qū)中待加工的工件數(shù)未達(dá)到最大加工批量時，還要考慮將已完成加工但還未運送至相應(yīng)封裝準(zhǔn)備區(qū)的工件及時運送過來，以保證批加工設(shè)備的時間利用率與能源利用率都能達(dá)到最高，從而盡可能減少資源能源損失，提升封裝效率。

2 批加工設(shè)備作業(yè)調(diào)度

2.1 模型假設(shè)

（1）在非批加工設(shè)備的工作過程中，封裝過程以工件(Lot)為加工單位，每次加工一個工件；而在批加工設(shè)備中通常將批(Batch)作為加工單位，每次可對多個工件進(jìn)行封裝；

（2）批加工設(shè)備群中一般由多臺能完成相同工作的設(shè)備組成，可由任意一臺設(shè)備完成同一工序；

（3）批加工設(shè)備存在最大加工工件數(shù)和最小加工工件數(shù)，一個Batch中工件的數(shù)量應(yīng)不超過批加工設(shè)備的最大加工批量；

（4）應(yīng)當(dāng)優(yōu)先加工具有較高優(yōu)先級的訂單；

（5）由于批加工設(shè)備為非搶占式加工設(shè)備，同一個Batch中的所有工件需要同時開始加工同時完成加工，中途不能增加或減少工件數(shù)量；

（6）組成一個Batch的工件需要擁有相同的訂單等級、相同的產(chǎn)品種類、相同的加工工序和加工工藝。

2.2 仿真模型數(shù)據(jù)

2.2.1 小模型

小模型是根據(jù)實際封裝階段簡化而來的一個簡單模型，它包含三個設(shè)備群，五臺批加工設(shè)備，六道加工工序。為了獲得比較有代表性的結(jié)果，各設(shè)備的故障時間和所需要的檢查修理時間設(shè)置為固定的，將原先需要封裝的工件的時間又相等改變?yōu)椴坏取７抡鏁r間設(shè)定為一年，在此過程中觀察封裝的效果變化。

2.2.2 中模型

中模型采用了硅片生產(chǎn)技術(shù)中心開發(fā)實驗室中生產(chǎn)設(shè)備的模型，雖然該模型描述的是一個簡單的半導(dǎo)體封裝系統(tǒng)，但模型的大多數(shù)參數(shù)都是真實的，源于對實際設(shè)備進(jìn)行分析考察而得來的數(shù)據(jù)。在該模型中，所有進(jìn)入封裝階段的工件的加工路徑都是相同的，包含了172道加工程序。仿真實驗時間為一年。

2.2.3 大模型

該模型包含了100多臺設(shè)備，為使仿真過程盡可能簡單清晰、方便觀察，因此只考慮了實際封裝階段上加工的三種主要產(chǎn)品。這三種產(chǎn)品的封裝工序、對應(yīng)的加工設(shè)備及封裝時間都參考了實際封裝階段的真實值，因此各項參數(shù)的設(shè)置基本上是完全符合實際封裝過程的。在該模型的運轉(zhuǎn)過程中，由于設(shè)備數(shù)量較大，為了簡化實驗過程和操作，因此未對設(shè)備的維護(hù)和維修時間加以考慮。仿真時間為一年。

2.3 仿真結(jié)果

由上述三種仿真實驗可以得出，生產(chǎn)環(huán)境越復(fù)雜，半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度規(guī)則越會比傳統(tǒng)的固定調(diào)度模式顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢來。這也提醒了半導(dǎo)體制造商，在其當(dāng)前的實際生產(chǎn)中采用的方法是存在一定漏洞的，例如有時對移動步數(shù)的關(guān)注度過高而忽略了其他一些因素，從仿真實驗的結(jié)果可以看出，當(dāng)移動步數(shù)基本相同的情況下，其他性能指標(biāo)也可能會反映出很大的差異性，因此只對某一單一指標(biāo)進(jìn)行關(guān)注和考察是不夠的，這會導(dǎo)致實驗結(jié)果的不準(zhǔn)確性，也會造成整體實驗偏離實際目標(biāo)。

3 結(jié)束語

批加工設(shè)備在半導(dǎo)體封裝階段運用較廣，因此，批加工設(shè)備的調(diào)度安排對提高半導(dǎo)體封裝效果具有重大意義。本文針對一種新提出的半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度規(guī)則進(jìn)行研究討論，使用小、中、大三種規(guī)模的半導(dǎo)體封裝階段模型進(jìn)行仿真實驗，研究表明，半導(dǎo)體封裝階段批加工設(shè)備調(diào)度規(guī)則與傳統(tǒng)的固定加工批量調(diào)度制度相較而言，前者能夠較大幅度地提升半導(dǎo)體封裝質(zhì)效，有效彌補(bǔ)了后者在靈活性方面的不足，從而為準(zhǔn)時交貨和壓縮工期提供了保障。