移動MES系統(tǒng)在半導體制造中的設計應用

（無錫華潤微電子有限公司，無錫 214000）

0 引言

隨著科技的進步和發(fā)展，21世紀以來，我國的制造行業(yè)逐步進入智慧制造應用階段，以數(shù)字化、網絡化、智能化為特征的智能制造成為中國制造業(yè)的主攻方向[1]。MES系統(tǒng)是智能制造的典型應用，特別是在半導體行業(yè)已經全面鋪開，發(fā)揮了高效的作用。

MES即制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，簡稱MES）是美國AMR公司（Advanced Manufacturing Research，Inc.）在90年代初提出的，旨在加強MRP計劃的執(zhí)行功能，把MRP計劃同車間作業(yè)現(xiàn)場控制，通過執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系起來。MES側重在車間作業(yè)計劃的執(zhí)行，充實了軟件在車間控制和車間調度方面的功能，以適應車間現(xiàn)場環(huán)境多變情況下的需求。

半導體制造業(yè)是一個典型的技術密集型的科技制造行業(yè)，其過程是一個離散的制造生產過程。半導體光電子器件的生產過程具有產品種類多、周期短、多批次等特點[2]。MES在半導體的生產應用中通過采集數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和管理生產現(xiàn)場，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供給底層的生產控制系統(tǒng)。

PDA（Personal Digital Assistant），又稱為掌上電腦。按使用來分類，分為工業(yè)級PDA和消費品PDA。工業(yè)級PDA主要應用在工業(yè)領域，常見的有條碼掃描器、RFID讀寫器、POS機等。將MES系統(tǒng)融入到PDA中將其使用到工業(yè)現(xiàn)場中是智能制造的一個新的趨勢，不僅可以將繁雜的人力工作簡化為手持掃描輸入，同時可以更高地降低出錯率，在半導體行業(yè)中條碼掃描器在倉庫揀配，物流收發(fā)貨等領域都有著廣泛的應用。

1 MES系統(tǒng)在半導體制造業(yè)中的傳統(tǒng)應用

在信息化時代，半導體企業(yè)普遍應用了PROMISE系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)、供應商系統(tǒng)、客戶管理系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)等計算機集成制造系統(tǒng)[3]。以無錫某半導體企業(yè)某生產車間為例，該車間的MES系統(tǒng)為GUI系統(tǒng)，采用B/S架構，對生產車間的流水線上的各批次進行生產管理，車間架設了有線局域網與全廠區(qū)的網絡設備進行互聯(lián)，便于各級工程師在車間網絡內調度安排。

以該車間封裝測試步驟為例，批次進行作料或作料完畢后，凈化間內的作業(yè)員從產線上走到車間臺式電腦上進行快速過賬操作（TrackIn/TrackOut），即MES轉賬；批次上架時需要將批次放入指定貨架然后在臺式電腦上進行上架入庫操作；機臺狀態(tài)和批次狀態(tài)查詢時也需要走到指定位置的臺式電腦前進行對GUI系統(tǒng)的步驟操作，由于凈化間內設備繁雜，種類繁多，一直想采用無線網絡的鋪設來替代有限網絡，無奈2G、4G無線網絡對各機臺的通信產生了干擾，因而一直未架設無線網絡設備。

2 基于PDA的移動MES系統(tǒng)的提出

1）傳統(tǒng)的GUI系統(tǒng)Track In/Out在線操作均是用臺式電腦來完成，使用臺式機操作的幾個弊端是：

（1）帳料不符

由于凈化間內的有線網絡架設的限制導致車間內臺式電腦數(shù)量少，不可能配到人手一臺，作業(yè)員使用過程中有等電腦用的情況造成批次過賬不及時，即批次作料與MES轉賬不同步，也就是帳料不符。這是在制造行業(yè)中最“忌諱”的事情。當一個批次已經在某個機臺上做完之后，該批次信息還在等待轉入（TrackIn）MES的狀態(tài)，這樣容易造成批次混亂（即混料）和管理上的缺陷。

（2）作業(yè)效率低

由于凈化間內臺式電腦位置固定，離作業(yè)機臺有一定的距離，作業(yè)員往返次數(shù)頻繁，且每次都要重新切換GUI賬戶，加上系統(tǒng)刷新存在一定延時，影響作業(yè)效率。

以該車間光刻導軌為例，在線共51臺設備，日平均MOVE達到64000（折合3200批次），人力配置每班次11人（全天22人），算下來每人每天過賬批次達到3200÷22=145.5批（人均MOVE2900），作業(yè)員要經常往返機臺與臺式機之間，且經常發(fā)生等用情況，導致作業(yè)效率低。

（3）批次輸入風險大

凈化間內的臺式機中的MES操作過程中需要手動鍵入批號，身穿厚重防塵服及佩戴防塵手套的作業(yè)員存在敲錯批次的風險。

2）5G WIFI的出現(xiàn)使PDA上融合MES系統(tǒng)成為可能。

隨著科技的進步，5G WIFI的誕生很好地解決了現(xiàn)在WIFI面臨的問題，它運行在5GHz以上的高頻段，帶寬能提高到40MHz甚至80MHz或更高，傳輸速度最高提升到了1Gbps，每秒可以傳輸約125MB的內容。良好的穿透性不會對凈化間內的機臺設備產生任何干擾，為凈化間鋪設無線網絡奠定了技術基礎。同時，PDA（條碼掃描槍）配有當前先進的Android系統(tǒng)，并支持各種無線網絡連接，只需要開發(fā)相應的APP即可實現(xiàn)車間內移動MES的智能化改造，實施起來簡單，方便，操作起來高效，便捷。用PDA來替代現(xiàn)有的臺式機Track in/out，特別是一些SPT時間較短的工藝段，可以減少作業(yè)員在機臺和臺式電腦間的往返，從而提升作業(yè)效率，同時PDA掃描機臺或批次條碼，徹底杜絕了手工輸錯的風險。

3 基于PDA的移動MES系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

由于PDA裝有先進的Android系統(tǒng)，只需要采用Java語言進行相應APP的開發(fā)即可。將PDA接入5G無線網絡，并將該無線網絡并入當前廠區(qū)已有的局域網絡中，PDA上的數(shù)據(jù)與已有的GUI系統(tǒng)即可進行數(shù)據(jù)的交互。為了更好地融合到當前的GUI系統(tǒng)又不影響當前使用，考慮GUI的B/S架構模式，則采用HttpClient方式跟GUI進行數(shù)據(jù)的傳遞。通過POST方式傳遞參數(shù)給GUI，獲得XML格式的數(shù)據(jù)文件，將文件解析，通過類似爬蟲技術獲得所需的數(shù)據(jù)信息在PDA界面上展示給用戶，同時將實時數(shù)據(jù)交付GUI處理保存。

3.1 移動MES的人機界面交互流程

圖1 移動MES人機界面交互流程

3.2 移動MES各項操作流程指示

表1 操作流程指標表

3.3 移動MES的安全與維護

移動MES的使用必須要求作業(yè)員進行登錄，由于每個作業(yè)員的負責的片區(qū)不同因而權限也會有所不同，登錄的驗證通過跟GUI的信息交互完成，實時獲取。

移動MES通過5GWIFI將Android系統(tǒng)的APK程序布局在服務器上，當更新或修改APK程序后，只要將其發(fā)布在服務器上，凈化間內的任意PDA在連上5G WIFI后就可收到更新提示，實時更新軟件，減少了之前PDA更新程序需點對點更新的麻煩，同時也減少了維護人員的工作量。

3.4 移動MES在凈化間的實際使用

5G WIFI的鋪設：

在線共鋪設無線AP共20個點；覆蓋凈化間中間層99%區(qū)域（不包括上下夾層）；

AP上指示燈長亮綠色表示正常但無設備接入，長亮藍色表示正常但有設備接入。

說明：作業(yè)員手持PDA進入凈化間，用自己的工號通過PDA登錄到GUI系統(tǒng)，在產線上根據(jù)工序操作TrackIn/Out，不必再往返于機臺與臺式電腦之間。

圖2 5G WIFI的AP布置

圖3 PDA融合移動MES在凈化間的操作使用示例

圖4 光刻導軌產線配置PDA后人力資源配備對比圖

4 效益對比

4.1 優(yōu)化工作方式，活化人力

PDA融入了MES系統(tǒng)后，減少了作業(yè)員在機臺和臺式機間的無效走動。以光刻導軌車間為例，PDA上線后導軌崗位的標準作業(yè)時間由原來的作業(yè)方式減少30秒，光刻導軌房間的人力配置平均活化0.4人。綜合評估，原先S1房間需要的2.8的人力配置，活化0.4人力后只要2.4人即可，而光刻導軌QC人員本身Loading只有60%，所以把靠近B走廊的3臺TEL設備交給QC人員負責，S1房間剩下機臺的人力配置從原先的3人減到2人，這樣整個光刻導軌車間崗位人力需求從10人可以減少到9人。

4.2 降低質量風險

2017年8月份，涂膠崗位發(fā)生一起本該作業(yè)涂膠的批次，結果誤加到了顯影設備機臺上做了顯影菜單，最終PCM參數(shù)異常報廢。

事件原因分析中提到：作業(yè)員為圖方便，推車上Track in批次較多，有待涂膠和待顯影的批次，加上核對執(zhí)行力不夠，導致上錯機臺。

移動MES上線后，PDA操作簡便，作業(yè)員可以推車推到哪做到哪，快速過賬，MES實時配料沒有后顧之憂。

手動輸入批次出錯的情況，在產線上也經常發(fā)生，使用PDA通過掃描輸入后則有效杜絕此類風險的發(fā)生。

5 結束語

目前，該半導體產業(yè)的凈化間在線操作像導軌崗位模式的工序還有干法去膠、RTA、UV、SCRUB、烘箱這些崗位，也已經開始陸續(xù)推行使用PDA來進行過賬及貨架掃描上架，后續(xù)計劃APP開發(fā)多腔體機臺作業(yè)、濕法槽和EAP設備的使用等。

隨著物聯(lián)網技術和智能制造技術的飛速發(fā)展，依托無錫先進的物聯(lián)網技術平臺，智能制造可做的事情還很多，比如在半導體產業(yè)中，實時監(jiān)測動力系統(tǒng)的各項指標如溫度，流量，電量等上送到物聯(lián)網云平臺進行監(jiān)測和分析對控制產業(yè)鏈中的各個工序有著非常重要的意義，而智能制造技術人員則需要更深入地挖掘和研究各個產線上的自動化技術，結合自身的專業(yè)技術優(yōu)勢在智能制造領域發(fā)揮更大的作用。