A Method of Bottleneck Detection of Semiconductor Assembly and Test Production Line*

ZHANG Guohui，LIU Chang，YAO Lili，SHI Haibo

(1.Chinese Academy of Sciences R＆D Center for Internet of Things，Wuxi Jiangsu 214135，China;2.Jiangsu Research and Development Center for Internet of Things，Wuxi Jiangsu 214135，China;3.Wuxi CAS Ubiquitous Information Technology R＆D Center CO．，LTD．，Wuxi Jiangsu 214135 China;4.Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 1100161，China; 5.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

A Method of Bottleneck Detection of Semiconductor Assembly and Test Production Line*

ZHANG Guohui1，2，3，LIU Chang3，4*，YAO Lili4，5，SHI Haibo3，4

(1.Chinese Academy of Sciences R＆D Center for Internet of Things，Wuxi Jiangsu 214135，China;2.Jiangsu Research and Development Center for Internet of Things，Wuxi Jiangsu 214135，China;3.Wuxi CAS Ubiquitous Information Technology R＆D Center CO．，LTD．，Wuxi Jiangsu 214135 China;4.Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 1100161，China; 5.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Bottleneck exists in all semiconductor production system．In order to improve the production capacity of the entire production system，we only improve the production capacity of the bottleneck．In the past，the method of bottleneck detection is too single，to apply difficultly to more complex semiconductor production system．The production model of semiconductor assembly and test production system is set up based on the previous researches．It overcomes the disadvantages of the previous method and comes to a method of bottleneck detection of semiconductor assembly and test production line．It demonstrates the effectiveness and robustness of the method by some examples．

semiconductor assembly and testing;bottlenecks in production;bottleneck detection;identify indicators

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，各種制造思想不斷涌現(xiàn)，如，并行工程，智能制造，敏捷制造，知識(shí)化制造，以及多品種、小批量的半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)等。半導(dǎo)體生產(chǎn)線具有不確定性、可重入、混合加工、設(shè)備負(fù)載不均衡等明顯區(qū)別于其他制造業(yè)的顯著特點(diǎn)［1－2］，通常需用到幾百臺(tái)設(shè)備，上百道甚至千余道加工工序［3］，其生產(chǎn)線的瓶頸分析問題也受到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。本文為半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)的瓶頸分析提出了一種解決辦法。

根據(jù)TOC約束理論，在企業(yè)產(chǎn)品的制造過程中，瓶頸單元的生產(chǎn)能力決定了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力［4］，所以提高瓶頸單元的生產(chǎn)能力，將能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，因此，對(duì)半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)線的瓶頸進(jìn)行分析對(duì)于提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本具有很重要的意義。

瓶頸分析是現(xiàn)今生產(chǎn)計(jì)劃中不可缺少的一部分，國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)做出了相當(dāng)多的努力，例如文獻(xiàn)［5－7］。除此之外，在國外的研究中有兩種比較常用的方法，一種是衡量不同設(shè)備的利用率［8］，盡管設(shè)備利用率在制造業(yè)起著非常重要的作用［9］，但很多時(shí)候不同設(shè)備的利用率經(jīng)常很相似，不能確切的說，哪一臺(tái)設(shè)備是瓶頸，同是該方法僅限于穩(wěn)定的狀態(tài)系統(tǒng);二是分析加工設(shè)備的隊(duì)列長(zhǎng)度［10］，確定有最長(zhǎng)的隊(duì)列或等待時(shí)間的設(shè)備被認(rèn)為是瓶頸。該方法有能通過簡(jiǎn)單比較隊(duì)列或等待時(shí)間判斷出暫時(shí)的瓶頸的優(yōu)點(diǎn)［11］，但同時(shí)也有缺點(diǎn)。當(dāng)生產(chǎn)實(shí)體只有一個(gè)有限的隊(duì)列或根本沒有隊(duì)列時(shí)，或者在一個(gè)飽和的生產(chǎn)系統(tǒng)中該方法將會(huì)失效。此外有文獻(xiàn)［12－15］提出通過實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)中單元的堵塞和饑餓狀態(tài)來判斷生產(chǎn)瓶頸單元，但經(jīng)過分析，此方法只是適應(yīng)于串行生產(chǎn)系統(tǒng)，并且在這種串行生產(chǎn)系統(tǒng)中，即使是阻塞或饑餓狀態(tài)，也不能判斷此單元就是瓶頸單元，也可能是其前后的單元的生產(chǎn)能力不足造成的，單從這一方面來說，并不能直接確定瓶頸，本文中的方法在這方面有很好的體現(xiàn)。在串聯(lián)制造系統(tǒng)中的瓶頸指示器為?其中，RP是系統(tǒng)產(chǎn)出率，Ci是機(jī)器i的產(chǎn)能，ΔPR表示一個(gè)(或一批)訂單引起的系統(tǒng)產(chǎn)出率，ΔCi表示該訂單所消耗的機(jī)器i的產(chǎn)能。該評(píng)價(jià)指標(biāo)是對(duì)只包含添加或除去加工的非裝配制造系統(tǒng)提出的。而實(shí)際的制造系統(tǒng)通常是裝配子系統(tǒng)和串聯(lián)子系統(tǒng)的組合，因此瓶頸指示器的定義必須考慮到生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝，尤其是裝配工藝。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)可以看出，已有很多方法用于確定生產(chǎn)瓶頸，但這些方法的判定條件單一，并缺乏對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)條件的考慮。使得這樣得出的生產(chǎn)瓶頸難以適應(yīng)條件的改變，同時(shí)也對(duì)瓶頸的改善造成困擾。

本文建立的半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模型，克服了以往瓶頸識(shí)別方法的弊端，并且得出一種有效求解生產(chǎn)制造系統(tǒng)中瓶頸的方法，該方法不僅適應(yīng)一般情況，還能夠針對(duì)突發(fā)情況做出一定程度的改進(jìn)。

1　半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)模型

為了適應(yīng)市場(chǎng)需求的多樣性，大多企業(yè)采用能夠進(jìn)行多品種、小批量的制造系統(tǒng)。由于生產(chǎn)產(chǎn)品的品種、次序和批量都存在許多的不確定性，企業(yè)很難設(shè)計(jì)出一種對(duì)任意品種組合、任意的批量、任意生產(chǎn)次序都能夠消除瓶頸的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此根據(jù)生產(chǎn)條件的變化，同時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)中各個(gè)單元的生產(chǎn)能力或者生產(chǎn)任務(wù)，就顯得格外重要。一般的半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1　

由圖1可以知道，半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)是由多道串行的工序組成，每道工序中又有多個(gè)不等的工位，每個(gè)產(chǎn)品都要經(jīng)過相同順序和相同數(shù)量的工序加工，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中不同工件的加工路徑不一樣，并且每一個(gè)工序上的不同工位可以同時(shí)加工不同的工件，因此，半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)。為了確定生產(chǎn)系統(tǒng)中的瓶頸工位，每一個(gè)工位mij(表示第i道工序中的第j個(gè)工位)可以構(gòu)建成如圖2所示的制造單元:

圖2　

每個(gè)工位都有前置緩沖區(qū)bf和后置緩沖區(qū)br以及一個(gè)處理器組成，且不同工序之間的工位之間的緩沖區(qū)之間可能重合，如mi，a的和的重合，則。若工位mi，a和mi+1，a之間沒有緩沖區(qū)，則默認(rèn)存在虛擬緩沖區(qū)，且當(dāng)mi，a加工完成時(shí)認(rèn)為和緩沖區(qū)狀態(tài)為滿，而mi，a加工時(shí)認(rèn)為和緩沖區(qū)為空。

假設(shè)半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)系統(tǒng)中有N道工序，且每個(gè)工序i有Mi個(gè)工位

定義1在半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)系統(tǒng)S中，有工序i和工序j，且，則稱工序i為工序j的前驅(qū)工序，工序j為工序i的后繼工序。即工序i→工序j，若j=i+1，則稱工序i為工序j的直接前驅(qū)工序，工序j為工序i的直接后繼工序，即工序工序j。每一道工序最多只有一個(gè)直接前驅(qū)工序和一個(gè)直接后繼工序。第1道工序沒有前驅(qū)工序，最后一道工序無后繼工序。

定義2在定義1中的工序i和工序j中分別有工位mi，a和mj，b，其中a≤Mi，b≤Mj，且這兩個(gè)工位可以同時(shí)加工工件pk，則稱工位mi，a是mj，b關(guān)于pk的前驅(qū)工位，mj，b是mi，a關(guān)于pk的后繼工位，即，若工序工序j，則。每一個(gè)工位可以有多個(gè)前驅(qū)工位，也可以有多個(gè)后繼工位。第1道工序中的工位無前驅(qū)工位，最后一道工序中的工位無后繼工位。

定義3在半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)S中，假設(shè)現(xiàn)階段加工的產(chǎn)品集合為，當(dāng)前的瓶頸工位mi，a，則稱mi，a為生產(chǎn)系統(tǒng)S關(guān)于工件P的生產(chǎn)瓶頸，記為。

在制造系統(tǒng)中每個(gè)訂單都可以分解成多個(gè)子訂單，我們將每個(gè)子訂單可以完全看成一個(gè)沒有被拆分的訂單，因此假定每個(gè)訂單都是一次性全部加工完成，該類型的產(chǎn)品pk的加工時(shí)間tk為第1個(gè)工件k加工開始到最后一個(gè)工件加工結(jié)束的時(shí)間差。在這段時(shí)間內(nèi)所有被加工的訂單的集合就是P，每當(dāng)一個(gè)訂單投入生產(chǎn)線或者離開生產(chǎn)線時(shí)，都將引起P的變更，我們通過p的變更為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)加工時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間段，若新訂單的加入并沒有引起工位之間前驅(qū)和后繼關(guān)系變化，則將這些訂單的加工確定為同一個(gè)時(shí)間段。

對(duì)于一個(gè)工位中的前后緩沖區(qū)的不同情況，本文將其劃分為4中不同的狀態(tài)，以工位mi，a為例，且其狀態(tài)為ZTmi，a，若其前后緩沖區(qū)都一直就緒，則ZTmi，a=FF，若前置緩沖區(qū)為一直就緒，后置緩沖區(qū)為非一直就緒，則ZTmi，a=FE，若前置緩沖區(qū)為非一直就緒，后置緩沖區(qū)為一直就緒，則ZTmi，a=EF，若前后緩沖區(qū)都為非一直就緒，則ZTmi，a=EE。

2　瓶頸檢測(cè)與分析

因每次訂單集合P的變動(dòng)，都有可能引起瓶頸設(shè)備的變更，設(shè)可能的瓶頸工位的集合為BN，接下來分析在訂單集合為P的情況下，每個(gè)工位的緩沖區(qū)的模式的4個(gè)狀態(tài):FF、FE、EF和EE。當(dāng)狀態(tài)為FF時(shí)，由于后置緩沖區(qū)中工件對(duì)于直接后繼工位來說是一直就緒狀態(tài)，說明生產(chǎn)能力足夠大，即次工位不可能是瓶頸單元。當(dāng)狀態(tài)為FE時(shí)，則可能由于生產(chǎn)能力不足而使其一直處于生產(chǎn)狀態(tài)，也可能是工位設(shè)備在某一段時(shí)間出現(xiàn)了故障，若是一直處于生產(chǎn)狀態(tài)，其是否是生產(chǎn)瓶頸還要看其直接后繼工位的狀態(tài)(最后一道工序中的工位無直接后繼工位，默認(rèn)其直接后繼工位狀態(tài)始終為EE)，若其直接后繼工位的狀態(tài)為FF、FE、EF時(shí)，則也不是生產(chǎn)瓶頸，只有當(dāng)其的直接后續(xù)單元中有一個(gè)工位出現(xiàn)EE的狀態(tài)，此工位才是生產(chǎn)瓶頸，并將此工位加入到瓶頸集合BN中。當(dāng)狀態(tài)為EF和EE時(shí)，由于其生產(chǎn)能力是已經(jīng)剩余的，所以也不會(huì)是生產(chǎn)瓶頸。若BN集合中的元素個(gè)數(shù)大于1，我們先查看設(shè)備的在此訂單集合P時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際負(fù)荷，與該工位的理論負(fù)荷相比，是不是有相當(dāng)大的差值，若出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)工位的實(shí)際負(fù)荷要比理論負(fù)荷小的多的情況，此工位則是由于設(shè)備故障導(dǎo)致的瓶頸。若沒有上述情況，比較每個(gè)工位中工件的平均等待時(shí)間長(zhǎng)度，等待時(shí)間最長(zhǎng)的工位是限制生產(chǎn)的最關(guān)鍵因素，稱次工位是由于投料不合理或者調(diào)度不合理導(dǎo)致的瓶頸工位。有上述分析可知，半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)線中，一個(gè)工位是瓶頸單元的必要條件是次工位的緩沖區(qū)狀態(tài)是FE，但緩沖區(qū)狀態(tài)是FE不是瓶頸單元的充分條件。

所述的瓶頸檢測(cè)方法的具體步驟如下:

步驟1初始化臨時(shí)瓶頸集合BN=φ。

步驟3判斷該生產(chǎn)線上未經(jīng)過檢測(cè)的工位的緩沖區(qū)狀態(tài)ZTmi，a，若ZTmi，a=FE，執(zhí)行步驟4，否則循環(huán)執(zhí)行步驟3，直至所有工位全部檢測(cè)完畢，。

步驟4確定工位mi，a關(guān)于訂單中的直接后繼工位，并判斷直接后繼工位的緩沖區(qū)狀態(tài)，設(shè)為ZTmi+1，b，若ZTmi+1，b=EE，將此工位mi，a加入到臨時(shí)瓶頸集合BN中。否則跳回執(zhí)行步驟3。

步驟5對(duì)于得到的臨時(shí)瓶頸集合BN，若集合中元素的個(gè)數(shù)大于1，執(zhí)行步驟6。否則執(zhí)行步驟9。

步驟6則首先查看該集合中每一個(gè)工位的實(shí)際負(fù)荷和理論負(fù)荷，并比較兩者的大小，若出現(xiàn)有的工位的此差值相當(dāng)大(默認(rèn)超過5%)，執(zhí)行步驟8。若沒有出現(xiàn)差值過大的情況，執(zhí)行步驟7。

步驟7比較每個(gè)工位中工件的平均等待時(shí)間長(zhǎng)度，等待時(shí)間最長(zhǎng)的工位是限制生產(chǎn)的最關(guān)鍵因素，并將其他工位從集合BN中刪除，執(zhí)行步驟9。

步驟8判斷此工位是由于設(shè)備故障導(dǎo)致的瓶頸問題，并結(jié)束瓶頸檢測(cè)，請(qǐng)求上層解決問題。

步驟9判斷工位是由于投料不合理或者調(diào)度不合理導(dǎo)致的瓶頸工位，可通過投料策略或調(diào)度算法進(jìn)行解決。

3　實(shí)例與分析

實(shí)例對(duì)應(yīng)某半導(dǎo)體企業(yè)，半導(dǎo)體芯片的加工過程，某一次的加工任務(wù)共有8個(gè)訂單，加工工序有裝片、鍵合和塑封3道工序，并且每個(gè)工序有兩種設(shè)備類型，具體參數(shù)如下。

表1為周投產(chǎn)計(jì)劃中投產(chǎn)品種信息，其中包括品種的投產(chǎn)量和交貨日期因素;表2生產(chǎn)線中各個(gè)工序中每個(gè)工位對(duì)應(yīng)每個(gè)訂單的加工速率(萬個(gè)/min)。

表1　投產(chǎn)品種信息

表2　加工速率(萬個(gè)/min)

根據(jù)最早提交訂單作為加工順序的優(yōu)先級(jí)，可以確定該8個(gè)訂單的加工順序序列為A=［6，5，2，3，1，4，7，8］。設(shè)備的分配規(guī)則采用FAM(原有最先空閑機(jī)器規(guī)則)。由MATLAB R2007b編程實(shí)現(xiàn)，獲得各個(gè)設(shè)備的加工時(shí)間表如表3和表4所示。

表3　

表4　

瓶頸檢測(cè)的過程如下

(1)訂單集合為P={6，5，2，3，1，4，7，8};

(3)由表3確定各個(gè)工位的緩沖區(qū)狀態(tài)，且每個(gè)工位之間的后置緩沖區(qū)和其直接后繼工位的前置緩沖區(qū)重合，M3和M4的加工時(shí)間段內(nèi)存在空閑的時(shí)間，ZTM1=FE，ZTM2=FE。M5和M6的加工時(shí)間段內(nèi)存在空閑時(shí)間，ZTM3=EE，ZTM4=EE。M5和M6以及它們的直接后繼工位的緩沖區(qū)狀態(tài)都為EE;

(5)工位工作正常，判斷工位的平均等待時(shí)間，M1的平均等待時(shí)間長(zhǎng)度為此訂單集合內(nèi)最后一個(gè)工件加工結(jié)束的時(shí)刻，即629．7，M2的平均等待時(shí)間長(zhǎng)度為343．5;

(6)此生產(chǎn)線的瓶頸工位為M1。

4　結(jié)論

瓶頸檢測(cè)與分析是半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)線中制定生產(chǎn)計(jì)劃中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)好的瓶頸檢測(cè)方法，不僅可以明顯的優(yōu)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)性能，提高生產(chǎn)效率，而且對(duì)于一個(gè)企業(yè)的效益有很大提高。

本文建立了半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)的瓶頸分析的模型，提出了利用緩沖區(qū)的狀態(tài)，工位的負(fù)荷，以及工件的平均等待時(shí)間長(zhǎng)度這3種指標(biāo)來確定出瓶頸的種類，并提供了相應(yīng)的可選擇的解決方案。該解決方案克服了以往單個(gè)瓶頸識(shí)別指標(biāo)確定瓶頸的弊端，進(jìn)而得出求解生產(chǎn)制造系統(tǒng)中瓶頸的方法，并能夠針對(duì)不同的突發(fā)情況明確哪些環(huán)節(jié)需要改進(jìn)。并且該方法并不僅僅局限于半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)系統(tǒng)，還可以運(yùn)用在Jop Shop，F(xiàn)low Shop以及混合流水生產(chǎn)線等生產(chǎn)系統(tǒng)中，而且對(duì)于越復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，此方法具有越大的優(yōu)越性。本文中的實(shí)例分析證實(shí)了該方法的有效性。

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張國輝(1988－)，男，漢族，山東省濰坊市人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樯a(chǎn)排產(chǎn)調(diào)度;

劉昶(1973－)，女，漢族，博士，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樯a(chǎn)排產(chǎn)調(diào)度。

EEACC:0170J10．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．010

半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)線瓶頸檢測(cè)的一種方法*

張國輝1，2，3，劉昶3，4*，姚麗麗4，5，史海波3，4
(1.中國科學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇無錫214135;2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心，江蘇無錫214135; 3.無錫中科泛在信息技術(shù)研發(fā)中心有限公司，江蘇無錫214135;4.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽1100161; 5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

所有的半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)都存在生產(chǎn)瓶頸，只有提高瓶頸單元的生產(chǎn)能力才能提高整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。由于以往的瓶頸檢測(cè)方法過于單一，常常難以適用于比較復(fù)雜的半導(dǎo)體生產(chǎn)系統(tǒng)，為此通過對(duì)前人的工作的努力研究，建立了半導(dǎo)體封裝測(cè)試制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模型，克服了以往單個(gè)瓶頸識(shí)別指標(biāo)確定瓶頸的弊端，進(jìn)而得出生產(chǎn)系統(tǒng)中一種半導(dǎo)體封裝測(cè)試生產(chǎn)線瓶頸檢測(cè)的方法。并通過實(shí)例證明了該方法的有效性和魯棒性。

半導(dǎo)體封裝測(cè)試;生產(chǎn)瓶頸;瓶頸檢測(cè);識(shí)別指標(biāo)

TN306

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:1005－9490(2015)01－0044－05

2014－03－05修改日期:2014－03－31

項(xiàng)目來源:國家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX02601－005)