半導(dǎo)體制造的派工法則之探討

王美珍

（中芯國際集成電路〈上?！抵圃煊邢薰?，中國 上海 201203）

0 前言

摩爾定律告訴我們：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，當(dāng)價格不變時；或者說，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。電子產(chǎn)品市場更新節(jié)奏快速，客戶除了選擇制造商代工下單的質(zhì)量和價格考量因素外，允諾的產(chǎn)品交貨日期也成為客戶下單的另一主要考量因素。如何快速交貨已成為半導(dǎo)體制造業(yè)爭取客戶的重要因素之一。

半導(dǎo)體晶圓制造工廠的生產(chǎn)線十分復(fù)雜，制造過程達(dá)900多道，且有多次重復(fù)加工的過程，設(shè)備分單片和批次作業(yè)方式，某些站點(diǎn)還有返工等不確定因素，生產(chǎn)規(guī)劃十分困難。為縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期時間快速交貨，可能造成產(chǎn)出降低、生產(chǎn)周期時間變化增大的不良影響。目前晶圓代工廠在客戶交期急迫時，經(jīng)協(xié)商后以緊急插單的方式處理。為避免緊急插單造成管理上的失序，一般控制極少量的緊急訂單（約為產(chǎn)能的10%以下）。晶圓代工廠在正常狀況僅提供客戶正常生產(chǎn)周期時間的服務(wù)。然而，在激烈的市場競爭情況下,勢必提供多種生產(chǎn)周期時間產(chǎn)品之服務(wù)。

多種生產(chǎn)周期時間產(chǎn)品例如正常生產(chǎn)周期時間的服務(wù)為該產(chǎn)品理論加工的4倍，稱之為正常產(chǎn)品。快速交貨的短生產(chǎn)周期時間的服務(wù)為該產(chǎn)品純加工的2倍，稱之為短生產(chǎn)周期時間產(chǎn)品。例如：短生產(chǎn)周期產(chǎn)品占產(chǎn)能的30%，并將其視為正常訂單的一部份。如同飛機(jī)座艙有經(jīng)濟(jì)艙、商務(wù)艙與頭等艙之別，以迎合客戶不同的需求。對于快速淘舊換新的代工產(chǎn)品，客戶可選擇快速交貨的服務(wù)；對于市場較穩(wěn)定之產(chǎn)品，客戶可以較低的代工價格換取較長的允諾交期。晶圓代工廠提供多種生產(chǎn)周期時間產(chǎn)品，滿足客戶在交期與價格間，選擇合適的代工服務(wù)。這樣不僅可以爭取更多的顧客，而且可減少緊急插單對產(chǎn)線的不利影響，因此提出對多種生產(chǎn)周期時間的服務(wù)之探討。

晶圓代工廠為接單式生產(chǎn)，接到客戶訂單時進(jìn)行接單規(guī)劃，承諾可以交貨的日期。因此在晶圓代工廠規(guī)劃了不同生產(chǎn)周期時間所對應(yīng)產(chǎn)品的投料和完工時間后，必須有一套好的派工法則，以確保工單能在預(yù)定的完工時間完成。

本課題探討之目的在于對已完成規(guī)劃工單（含預(yù)定的投料時間和完工時間）之下，發(fā)展一個控制多種生產(chǎn)周期時間的派工法則，期望能使不同生產(chǎn)周期產(chǎn)品都能在規(guī)劃的完工時間產(chǎn)出。

1 常用的派工法則

半導(dǎo)體制造生產(chǎn)依據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造流程，設(shè)備的加工特性，和客戶的交貨日期對設(shè)備進(jìn)行加工安排。目前，常見的一般設(shè)備派工法則如下：

1.1 先進(jìn)先出的法則(Fist In Fist Out—FIFO)

設(shè)備依照產(chǎn)品的到達(dá)時間先后順序進(jìn)行加工，優(yōu)先安排先來的產(chǎn)品生產(chǎn)。

1.2 生產(chǎn)周期比例法（Cycle Time Ratio）

有些也稱關(guān)鍵比例 （Critical Ratio,CR）,距離要求交貨的時間與理論的實(shí)際加工時間的比值，比例越小的優(yōu)先級越高。 按此法安排生產(chǎn)，可以按產(chǎn)品要求的時間順序交付，確保產(chǎn)品的準(zhǔn)時交付。

1.3 最短加工時間法（Shortest Processing Time，SPT）

加工時間越短，優(yōu)先級越高。即優(yōu)先加工時間耗時短的產(chǎn)品批。

1.4 最早交期法（Earliest Due Date,EDD）

交期越早的優(yōu)先級越高，即優(yōu)先加工交期早的產(chǎn)品批。

1.5 最短剩余加工時間法（Shortest Remaining Processing Time,SRPT）

剩余的加工時間越短，優(yōu)先級越高。即優(yōu)先加工剩余加工時間最短的產(chǎn)品批。

1.6 最小寬裕時間法(Least Slack,LS)

距產(chǎn)品交期的時間減去剩余加工所需的時間，為寬裕時間。寬裕時間越短的，優(yōu)先級越高。即優(yōu)先安排寬裕時間最短的產(chǎn)品批。

2 課題探討的建立與分析

2.1 現(xiàn)況

為確保產(chǎn)品如期交付，晶圓代工廠無法用單一的設(shè)備派工法則進(jìn)行管理。剩余加工時間沒有考慮后面設(shè)備的利用率狀況，實(shí)際產(chǎn)品流經(jīng)高利用率和低利用率的設(shè)備實(shí)際的等待時間各有差異。如單一按最小寬裕時間進(jìn)行派工，可以確保最小寬裕時間的產(chǎn)品批最早加工，準(zhǔn)時或提前交付，但一定程度上影響到其他產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。所以需針對此不足，進(jìn)行適當(dāng)修正。本課題就是在此派工規(guī)則的基礎(chǔ)，結(jié)合后續(xù)設(shè)備的利用率高低狀況，對派工的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)整，以確保全線產(chǎn)品的如期交付，減少短生產(chǎn)周期產(chǎn)品對全局的派工影響。提升公司的市場競爭力。

2.2 派工法則分析與修正

本探討在已經(jīng)完成規(guī)劃每個工單的投料和預(yù)定完工時間之下，討論出控制多種生產(chǎn)周期時間的派工法則。

以傳統(tǒng)的優(yōu)先級控制不同等級的工單，給予短生產(chǎn)周期產(chǎn)品較高的優(yōu)先權(quán)，使得短生產(chǎn)周期產(chǎn)品可以在既定的規(guī)劃時間內(nèi)產(chǎn)出。然而給予短生產(chǎn)周期產(chǎn)品較高的優(yōu)先權(quán)會使得在任何情況下，短生產(chǎn)周期產(chǎn)品都比長生產(chǎn)周期產(chǎn)品優(yōu)先加工，容易使短生產(chǎn)周期產(chǎn)品提前產(chǎn)出而長生產(chǎn)周期產(chǎn)品延遲產(chǎn)出。

最小寬裕時間派工方法是計(jì)算工單的剩余時間 （工單交期-目前時間-剩余步驟的加工時間），剩余時間小的工單優(yōu)先加工。最小寬裕時間派工方法可以讓剩余時間較短的工單優(yōu)先加工。即使不給予短生產(chǎn)周期產(chǎn)品優(yōu)先權(quán)，在一般的情況下因?yàn)槎躺a(chǎn)周期產(chǎn)品的交期較早。如果短生產(chǎn)周期產(chǎn)品的剩余時間比長生產(chǎn)周期產(chǎn)品還長時，也可以讓長生產(chǎn)周期產(chǎn)品優(yōu)先加工，因此不會造成短生產(chǎn)周期產(chǎn)品提前產(chǎn)出而長生產(chǎn)周期產(chǎn)品延遲產(chǎn)出的情形。 寬裕時間派工法只考慮剩余加工時間并不合理，列舉情況如下：（見圖1最小寬裕時間派工的缺點(diǎn)）

圖1

比較圖例Prod1和Prod2的剩余加工時間，用最小寬裕時間的派工會讓Prod2優(yōu)先加工。然而此種派工則不太合理。Prod1和Prod2在機(jī)臺A前等候，Prod1經(jīng)過機(jī)臺A后要經(jīng)過一個加工時間為50分的瓶頸機(jī)臺B和加工 時間為20分的瓶頸設(shè)備D,而Prod2經(jīng)過機(jī)臺A后要經(jīng)過一個加工時間為40分和加工時間為30分的非瓶頸機(jī)臺E、F。雖然Prod2的寬裕時間40分較Prod1 45分短，但因?yàn)镻rod1之后要經(jīng)過兩個瓶頸機(jī)臺，需要較長的等待時間，因此此情形下用最小寬裕時間派工方法，會讓Prod2優(yōu)先在機(jī)臺A加工。

由上例可知，最小寬裕時間派工方法無法考慮剩余加工步驟機(jī)臺利用率的影響。因此本研究提出一個修正寬裕時間的派工法則，考慮剩余加工步驟的機(jī)臺前等待時間修正寬裕時間，讓剩余加工步驟會經(jīng)過較多高利用率機(jī)臺群的工單可以優(yōu)先通過。

工單派工順序T=工單交期-當(dāng)前日期-剩余步驟需要的加工時間-剩余步驟在設(shè)備前的等待時間，T越小的，設(shè)備加工的優(yōu)先級越高。

圖2

這樣，利用估計(jì)設(shè)備的等待時間來修正分類的結(jié)果，瓶頸設(shè)備因利用率高等待時間長，次瓶頸設(shè)備也受設(shè)備數(shù)量，工藝限制和利用率的影響有不同的等待時間。 綜合這些考量因素，修正設(shè)備的最小時間寬裕派工法則，可以將剩余步驟中需要等待較久的工單優(yōu)先加工。

2.3 法則修正的績效評估

派工法則之績效評估指標(biāo)：

1）延遲的工單比例及總延遲時間；

2）OTDT on time delivery準(zhǔn)時交貨率：

3）各產(chǎn)品的平均生產(chǎn)周期時間、生產(chǎn)周期時間標(biāo)準(zhǔn)差

2.4 以半導(dǎo)體先期策劃系統(tǒng)APS來模擬派工法則改善前后之績效

利用修正前和修正后最小寬裕時間的派工法則模擬得到每個工單的產(chǎn)出時間，比較模擬的產(chǎn)出時間與接單排程規(guī)劃的預(yù)定完工時間來分析各種派工法則的績效。

仿真模式構(gòu)建：

a）機(jī)臺資料的建立和維護(hù)

建立工藝和量測機(jī)臺群組104種，共530臺機(jī)臺

b）設(shè)備稼動率OEE設(shè)定

稼動率OEE是設(shè)備的綜合使用效率，設(shè)備的有效產(chǎn)出比。按設(shè)備組預(yù)測利用率來分，利用率在90%以上，設(shè)備的OEE設(shè)置在85%，利用率在50%～90%，OEE設(shè)置為75%；利用率在50%以下的，OEE設(shè)為50%。

c）產(chǎn)品資料

維護(hù)五種不同產(chǎn)品P1、P2、P3、P4、P5。各種產(chǎn)品投料比例皆為1：1：1：1：1，其中P1產(chǎn)品有兩種的生產(chǎn)周期時間（短生產(chǎn)周期時間設(shè)定為長生產(chǎn)周期時間產(chǎn)品的0.6倍），分別為P1短及P1長，其比例為1：3。

d）需求資料

依據(jù)規(guī)劃出各產(chǎn)品的投料時間和產(chǎn)品的交貨日期，每個lot皆為25片wafer時間區(qū)段：時間區(qū)段設(shè)定為天。

表1

e）設(shè)定模擬時間段為8個月，連續(xù)等量投料3個月后，設(shè)備的開機(jī)利用和全線WIP分布趨于穩(wěn)定后開始搜集資料，搜集資料的時間為8個月。搜集資料期間長生產(chǎn)周期產(chǎn)品6085個lots，短生產(chǎn)周期產(chǎn)品236個lots。為了考量機(jī)臺當(dāng)機(jī)的影響，比較法則修正前后生產(chǎn)周期的不同績效表現(xiàn)。

3 結(jié)果

本研究首先提出探討控制多種生產(chǎn)周期時間產(chǎn)品派工方法的問題。本研究所構(gòu)建的修正余裕時間派工法則，藉由分析剩余加工步驟機(jī)臺群的利用率及機(jī)臺數(shù)等資料，利用等候理論計(jì)算lot在機(jī)臺群的平均等待時間。需要等待較久時間的機(jī)臺群，給予較高的權(quán)重，由此修正余裕時間派工法。本研究所提的派工法則較FIFO、Least Slack、EDD和CR派工法則，有較好的績效。

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