基于半导体行业的mes设计与实施 49页

'基于半导体行业的|IEs的设计与实施第一章MES介绍1．1企业制造系统发展历史制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中占据中心地位。伴随中国加入WTO和经济全球化，中国正在成为世界制造业的中心。中国的制造业企业面l临日益激烈的国内外竞争，如何迅速提高企业的核心竞争力，很重要的一点，就是以信息化带动工业化，加快信息化进程，走新型工业化道路，实现全社会生产力的跨越式发展。制造管理系统的历史并非是随着MRFII(制造资源计划；ManufacturingResourcesPlanning)才开始的，当电脑开始发展时，制造管理系统也因此开展了。第一个电脑化的商业系统是用于会计方面。在二十世纪六十年代晚期以及七十年代初期，从原本的会计系统发展成为“MRP(MaterialRequirementsPlanning；物料需求计划)”一此系统用来协助工厂对物料需求做好规划。在二十世纪七十年代晚期或八十年代初期，电脑对资料处理的能力越来越强。渐渐地，物料需求规划逐渐发展成制造资源计划(MRPII)⋯此MRPII包含了现场报表系统(ShopFloorReportSystem)、采购系统(PurchasingSystem)，及更多相关功能的增加。在这段时间，许多公司开始认为他们需要更多的系统去管理其他的事物，因MRPII不强调预测(forecasting)及需求分配(distribution)上的管理，对现场的管理功能也较缺乏：为了改善这些缺失，预测、配销资源计划(Distributed)。MES(强调追踪WIP9WorkInProcess：在制品)与单一功能的系统(如品管功能)等相关系统就因应而生，但这些系统却未完成整合，所以系统间资料的交换非常困难。在二十世纪八十年代晚期或九十年代初期，产生出另一个电脑系统，提供更广泛性的解答，试图去解决“资讯孤岛问题(islandsofinformationproblem)"．于是制造资源计划(MRPII)演变为企业资源计划(EnterprisingResourcePlanning,ERP)，配销资源计划(DistributionResourcePlanning。DRP)演变为供应链管理(SupplyChainManageme眦SCM)pA及现场问题解决发展成为整合性的制造执行系统(ManufacturingExecutionSystem,MES)．自上世纪八十年代以后，伴随着消费者对产品的需求越加多样化，制造业的生产方式开始由大批量刚性生产转向多品种少批量的柔性生产，以计算机网络、大型数据库等IT技术和先进的通讯技术的发展为依托，企业的信息系统也开始从局部的、事后处理方式转向全局指向的、实时处理方式。1991年11月美国的IT(InformationTechnology；信息技术)咨询公司AMR(先进制造研究AdvancedManufacturingResearch)首次提出制造执行系统(MES)的概念，为解决企业信息集成问题提供了一个被广为接受的思想。图1．1，显示了MES的演进过程。第5页／共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施图1．1．MES演进过程1．2为什么需要MES20世纪90年代以来，经济全球化的趋势日益增加，信息技术的发展极为迅速，市场环境发生了根本性的变化。顾客驱动已成为市场的主要特征，市场竞争的要素涉及到工控时间、质量、价格、服务和环境。而信息技术的广泛采用，使得以顾客订货和市场需求为轴心的生产活动已可以不受时间和地域的限制，竞争的高科技含量因此大大提高了。面对激烈竞争，企业界的重要对策就时采用将制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术和系统科学技术有机融合的新一代先进制造技术。以此为契机，企业资源计划ERP和制造执行系统MES从理念发展到软件平台，再形成完整的系统，并开始了较为广泛的应用。它们或以软件平台形式出现，或以系统形式出现，或以应用服务的形式出观，这预示着人类正在进入电子商务和电子制造完美结合的新时代。ERP立足于经济全球化的环境，面向正在迅速形成的供应链，从企业全局的角度对经营和生产进行全面计划，并实施企业资源的一体化管理。它以财务管理为核心，将资金流、物流与信息流加以有机结合，使整体价值链管理的概念得以实现。它集成了供应链管理功能，强调供应商、制造商与分销商之间的新型伙伴关系，支持企业后勤管理，形成对市场快速响应的能力。它强调企业流和半制成品的管理，通过对半制成品的管理实现企业的人员、财务、制造与销售之闻的整第6页／共53页 基于半导体行业的脏s的设计与实施合，支持企业业务过程重组。在典型的ERP软件平台中，财务管理(包括会计核算，财务管理)、生产控制(包括生产计划，制造)、物流管理(包括采购，库存管理，销售)和人力资源管理等是基本功能模块。过去的若干年来，ERP在国内得到了较广泛的重视，一些企业花了大量资金上ERP。但就一般情况而言，商业企业从ERP中获得的利益比较明显，而工业企业却没有那么幸运，甚至受到不同程度的损害。这一现象并非我国独有，在工业发达国家也是如此。美国ARC公司调查结果显示，53％的客户反映ERP对工厂生产存在负面影响。怪不得有人说：不上ERP是等死，上了ERP找找死。这里反映出在ERP实施过程中确实存在一些不可忽视的问题，其中最主要的是光有ERP并不能帮助和指导工厂分析其生产的瓶颈，改进和控制产品的质量，以及对具体的产品生产进行排产；比如面对以下车间管理的典型问题，它们就难以给出完善的解决手段：出现用户产品投诉的时候，能否根据产品号码追溯这批产品的所有生产过程信息?能否立即查明它的：原料供应商、操作机台、操作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数?同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，能否自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和货品交接错误?目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各是多少?要分别供应给哪些供应商?何时能够及时交货?生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空转?影响设备生产潜能的最主要原因是：设备故障?调度失误?材料供应不及时?工人培训不够?还是工艺指标不合理?能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分产品质量的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中?能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码?ERP不但没有调动工厂管理人员的积极性，反而把他们降格为一种信息的收集者；ERP虽有生产控制模块，但难以真正在工厂层中使用。如果不加分析和改进这些问题，其结果则是将rr推离、而不是融入工厂的生产活动。MES的定位，是处于计划层和现场自动化系统之间的执行层，主要负责车间生产管理和调度执行。一个设计良好的MES系统可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库和通过网络联接可以同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。系统通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化和实时化的生产信息系统体系。如图1．2所第7页／共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施示，说明了制造业实施MES前后的信息模型对比。图l-2．制造业实施MES前后的信息模型对比当然，对于一个企业，如果仅仅从生产工厂的视角来分析其在竞争中所处的地位，显然是短视的。即使是最好的MES解决方案，对于整个企业来讲，也不过是提供一个相对狭窄的视角，缺乏在管理层为进行决策支持所需要的生产执行数据的广度和深度。这就启示我们，完整的、能够引导一个企业保持长期的业务利益和价值的企业信息系统，必须是控制、制造执行系统MES和企业规划系统ERP三者协同作用的整合。如图1．3所示，演示了完整企业信息系统模型。图1-3．企业信息系统模型第8页，共53页 基于半导体行业的-圯s的设计与实施1．3什么是MES1．3．1MES的定义按照国际MES协会所给出的定义，MES提供从接受订货到制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息。它采用当前的和精确的数据，对生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变化的生产状态和条件作出快速反应，重点削减不会产生附加值的活动，从而推动有效的工厂运行和过程。MES改善运行设备的回报，以及改善及时交货、库存周转、毛利和现金流通性能。MES通过双向通信，提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的(missioncritical)信息。其关键词是精确的实时数据，这是以业务为基础的(h"ansagtion．based)ERP和MRP．II系统未曾加以考虑的。美国AMR研究公司对IVIES也有自己的定义：姬S是一个常驻工厂层的信息系统，介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员／管理人员提供生产过程的全部资源(人员，设备，材料。工具和客户要求)的数据和信息。美国的国家标准研究所(NIsD有关MES定义的表述是：为使从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化，采集硬件嗽件的各种数据和状态信息。由上可知，关于MES的定义存在一些不同的表述。但是，以下几点共识还是普遍被接受的：‘●MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。·MES采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息，目的在于优化管理活动。它强调是当前视角，即精确的实时数据。●从对实时的要求而言，如果说控制层要求的实时的时间系数为l，那么，MES的时间系数为10，ERP的时间系数为100。如图1．4所示，演示了企业数据流程图第9页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施图1．4．MES企业数据流程图1．3．2MES在信息系统中的位置主要的制造信息系统有：ERP(企业资源计划)、SCM(供应链管理)、SSM(销售和服务管理)、P／PE(产品和过程工程)，以及MES(铜J造执行系统)和控制。(见图1-6)这些系统每一个都有其一定的功能，包括若干不同的模块。它们间存在一些重叠，如调度可能出现在MES和ScM；劳务管理出现在MES、SSM、ERP中的人力资源(HR)功能模块中；文件管理出现在MES和P／PE；过程管理出现于MES和控制中。ERP包括财务、订货管理、生产和材料计划，以及相关功能；SCM包括预测、分配和后勤、运输管理、电子商务以及高级计划系统；SSM包括销售力自动化、产品配置、服务报价、产品返回等；P／PE包括计算机辅助设计／制造(CAD／CAM)、过程建模以及产品数据管理(t10PDM)：控制包括DCS、PLC、SCADA、DNC(分布式数控)，以及其它计算机化控制装置。第10页／共53页 基于半导体行业的WES的设计与实施jl圣iMESConll：exll：Moclel图1-5．MES在系统中的位置1．33MES与其它系统的关系MES和ERP、SCM、SSM、P／PE，以及控制系统之间实施数据交换的相互关系，主要是：MES作为生产制造系统的核心向其它系统提供有关生产的数据：口MES向ERP提供实际生产数据，如成本、周期时间、产出和其它生产数据。口MES向SCM提供实际订货状态、生产能力和容量、班次间(shift-to．shif0的约束等。口MES向SSM提供在一定时间内根据生产设备和能力成功进行报价和交货期的数据。口MES向P／PE提供有关产品产出和质量的实际数据，便于CAD／CAM作适当调整。口MES向控制提供在一定时间内使整个生产设备以优化的方式进行生产的工艺规程、配方和指令等，将其下载。MES也从其它系统取得数据，以保证工厂的智能化操作运行。例如，口ERP的生产计划模块供给MES作工作调配；口供应链向MES提供计划和调度是为了确定工厂生产活动的时间表；口销售／服务的配置和报价模块为MES提供生产信息的底线；口P／PE向MES发出工作指令、配方(recipe，泛指一组相互关连的工艺数据，也可能是一组材料的比例)、工艺规程和运行参数：第1l页供53页 基于半导体行业的MES的设计与实施口来自控制的数据用作测量实际性能和操作条件。1．3．4MES的功能模型照MESA的定义，MES共有11个功能模块(见图1．6)。图1-6MES的功能模型包括：(1)资源(包括机械设备，工具，熟练劳工，材料，其它设备及文挡等)配置和状态模块为了启动运行，资源必须是可供使用的。该模块提供资源的详细历史记录，确保设备已做好加工处理的准备，并能提供实时状态。资源管理包括为满足生产调度目标的储备和调配。(2)生产单元(以任务、订单、批次、批量和工作命令等形式表达)调度模块调度信息以必须完成的工件的顺序予以表述，而且当工厂级有事件发生时要实时修改。本模块具有改变工厂级规定计划的能力。还提供返工处理和废品处理，以及在任何具有缓冲管理的点控制生产流程中工件数量的能力。(3)文件，文挡控制模块按生产单元控制和保存，包括工作指令、配方、图纸、标准操作规程、零件计划、批量记录、工程变更通知、交班记录等在内的记录文件：以及具有将上述文件以计划形式和以完成形式进行编辑的能力。该模块还要向生产执行部门下达指令，包括向操作人员提供数据，或向设备控制提供配方。它还包括对环境、卫生保健和安全法规的控制和完善，以及ISO9000的相关信息(如纠正动作程序)。存储历史数据。(4)数据采集／获取模块第12页，共53页 基于半导体行业的旺s的设计与实施此模块提供为采集／获取生产操作的内部数据和参数的链接接口，这些数据将分发至有关文件和记录中。数据以“分钟”为刷新单位，直接从装置自动采集，或由人工输入。(5)质量管理模块(6)维护管理模块(7)性能分析(提供不超过以“分”为计时单位的实际制造运行结果的报告，包括SPC／SQC)模块(8)运行细节计划编制与调度模块(提供按“分钟”为时间单位编制的基于优先级、属性、特性和／或与具体特性相关的配方、工艺等的安排顺序)为了详细计算精确的时间或装置的负荷，该模块应识别交替操作和重叠／并行操作。(9)劳务管理模块(10)过程管理(监控生产，并自动校正或向操作人员提供决策支持，以校正和改善生产流程中的活动)模块(11)产品跟踪模块1．4MES面临的挑战MES面临着许多挑战，这些挑战相互有关，而且因各别环境而相互关连的权重也存在差异。就其典型情况而言，在这些挑战中，90％属于企业文化的范畴，只有20％才属技术范畴。这些挑战主要是：(1)如何取得工厂和企业形成双赢局面如果工厂人员拒绝引入MES和拒绝对自动化系统作相应的改造，或者如果企业领导层不理解或不支持工厂的改造，再好的MES的应用也会沦为失败。(2)建立有效的管理改变机制为了有效地处理MES的许多改变，需要把一种专门的改变管理机$1J(CMS，changemanagementsystem)和指导委员会纳入企业的组织之中。MES指导委员会应进行全面的决策和在规范的基础上使改变活动得到优先处理。(3)正确地评估症结所在在一个企业开始其漫长的管控一体化进程时，最艰巨的任务是在实现MES的第一阶段识别出效率最差的流程。一般来说，工厂人员仅以一种定性而又带有一定的主观臆断的方式了解生产的瓶颈和浪费所在，缺少充分的数据予以验证。为了证明MES项目的可行性和确定投资回报周期，必须对制造过程作定性分析和评估，找出瓶颈和优先解决的范围。(4)不同行业之间的MES应用存在巨大差异对不同行业的MES的形态结构，应该抓住对MES系统维护的矛盾。MES第13页，共53页 基于半导体行业的啦s的设计与实施是一种应用于工厂的动态的IT解决方案，经常因产品、流程、以及新老产品的产出比例发生变化而不断地有所改变。因此，解决维护的矛盾，要求用系统方法通过建立公用的语言、业务过程和协议进行工厂和企业的纵向集成。为降低对工厂侧MES维护所要求的IT专业水平，可把MES分成两个相互依存的层次。·集中的基于WEB的上层它不存在与设备或系统的接13问题，其功能主要包括有限的生产能力的调度，以及工作流／工作命令管理构件。·工厂生产管理优化层其功能包括工厂效率(设备利用率、停产时间及废品跟踪)控制，统计过程控制，法规符合控制，批次／批量生产安排等。这样有助于MES在纵向和横向将数据集结时具有明晰的界线。由于MES软件正在向Microsoft．NET的基于WEB的结构和JavaJ2EE标准靠拢，MES的集中层IT技术将变得很普通。但在工厂侧的维护仍需rr专家的支持。(5)建立一种共同语言MES的整合不是轻而易举的。问题出在工厂和企业的应用软件的数据结构不尽相同。企业和MES的应用程序要求共同的规格，以便于在引入新产品和新流程时，能有效地处理业务管理的改变，从而确定标准的工厂侧流程。(6)建立一种共同的通信协议随着新一代以XML为基础的应用软件．可重用基本设计架构(A2F，Application-to-Framework)的企业应用软件接n(EA0f司世，IT的亚结构为建立企业和工厂接口可减少50％的成本。(7)对事务负荷和数据模型的要求作出定量分析和配置一旦完成制造过程评估，在选择软件之前首先要把各种要求加以确定并冻结。在分析数据库事务和数据负载中选择软件，结果导致数据模型的确立。此分析勾画了在最坏的情况时的数据长度、发生最坏情况的次数，以及在一个生产进行过程中同时出现的事务类型，在此时MES不致造成生产周期时间变慢。一旦确定了数据模型和事务规范，便可以选择软件的体系结构，以使这些规范达到最佳。1．5MES技术发展趋势及产品介绍为了帮助用户认清自己的实际情况，谨慎选取产品和实施的合作伙伴，MESA协会在其发表的4号白皮书中对整个MES项目的选型流程进行了建议性的描述，整个流程需要对产品、供应商和需求进行详细的分析、过滤和评估等工作，第14页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施而其中产品的技术走向与公司发展的一致性则作为三大选择依据之一。技术的更新永无止境，但是市场认可的大规模应用系统平台屈指可数，对于生产管理系统而言，其核心应用建立在数据库基础上已毋庸置疑，但是生产底层高速数据采集存储的要求与关系数据库中建模和生产分析的要求各异，只有通过实时数据库的结合才能更好地满足高速生产过程的需求。而一些国际领先的rr软件厂商提出的面向服务的架构(ServiceOrientedArchitecture)SOA也开始为自动化厂商所采用。GE的Proficy软件平台就是较早采用面向服务的生产管理软件平台，这样结构的一大好处就是通过系统服务来对整个网络上应用客户的安全管理、软件许可证服务、工作流、信息发布和报警、数据采集和处理、对象模型和操作审计等进行服务器统一管理，以此优化了系统结构，提高了系统维护的效率。鉴于GE和微软紧密的合作伙伴关系，上层的模型分析则建立在SQL系列数据库上并支持最新的SQL2007。同时，而在新技术的采用上，微软即将推出的LonghOlll操作系统和新的图形引擎均在其支持之列，而．NET技术和BizTalk2006的应用和支持在ProfiT的企业集成软件和报表服务中也早已采用。第15页，共53页 基于半导体行业的gES的设计与实施第二章半导体行业的介绍2．1半导体技术概述随着传统的两大动力，PC、通讯需求的迅猛发展，以及消费电子日益普及，近年来半导体行业呈现出快速的增长。2006年，手机进入3G、多媒体及智能化，PC从32位时代进入64位以及双核心CPU时代，数字家庭设备进入高速增长期，LCDTV、DVD录放机、数字STB等需求大幅增长，多点开花的应用领域更是推动半导体行业稳步增长。半导体产品包括微处理器，存储器，微控制器，IC，晶体管，二极管等等几十年来半导体技术一直以极高的速度发展。著名的摩尔(Moore)定则指出，芯片的集成度(每个芯片上集成的器件数)，每3年左右为一代，每代翻两番。对应于半导体制作工艺中的特征线宽则每代缩小30％。根据按比例缩小原理(ScalingDownPrinciple)，特征线条越窄，工作速度越快，单元功能消耗的功率越低。所以，芯片的每一代发展不仅使集成度提高，同时也使其性能(速度、功耗、可靠性等)大大改善。与芯片加工精度提高的同时，加工的硅园片的尺寸却在不断增大(现在直径已达到8英寸，已有企业达到12英寸)，生产硅片的批量也不断提高。以上这些导致了半导体产品发展的一种奇妙景观：在集成度一代代提高的同时，芯片的性能、功能不断增强，而价格却不断下跌。2．2半导体行业的背景介绍受投资及世界经济的影响，全球半导体行业的发展呈现周期性的变化。从1980年至今，半导体市场共经历了五次景气循环(未计入1998年因亚洲金融风暴所致的半导体市场衰退)，其中三次是由于全球性经济衰退造成的(1981年、1990年及2001年)，两次是由于明显产能供过于求导致的(1985年及1996年)。人们容易看到半导体芯片一代代发展所推动的计算机、通信和消费电子产品的快速更新换代，而忽视了正是这些电子信息产品的发展需要推动着IC技术的高速进展。当前，要建立一条8英寸硅园片、O．9～0．65微米的生产工艺线需要约10亿美元以上的投资，这一投资必须在3～5年内收回，因为3～5年后将用新一代技术。新一代的投资将不是lO亿，而或许是20亿美元。不仅如此，在这3～5年内还必须投入更大(几十倍)的研究、开发资金，才能保持技术领先。很显然，如果没有蓬勃发展的市场需求，这种几乎是无止境的连续投入是不可设想的，而一旦投入减缓或终止。技术进步也就停止了。技术进步促进市场需求，市场需求推动技术进步，这是当今社会技术发展的明显规律。当前半导体产品世界市场约为2500亿美元，预计2010年可达到10000亿美第16页／共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施元以上，更重要的是，正是半导体技术支撑着近7倍左右的电子工业市场和数十倍乃至百倍的信息产业市场。而又正是这些市场的驱动，使人们有意愿不断地向半导体技术进行高额的科技和工业设施投入，从而促成了半导体行业的良性循环。容易看出，经济和信息产业市场的发展是半导体行业增长的关键因素。而半导体行业具有投资大，产品周期短，系统复杂性高的特点。目前半导体行业的形势正在发生着变化，具体体现在：半导体行业日趋成熟，市场力量推动行业缓慢增长；技术和产品开发成本剧增；系统复杂性不断增加；产业周期日益缩短；新行业形势需要新的模式。2．3我国半导体行业的现状及发展据调查统计，2006年中国半导体市场规模突破5800亿，其中集成电路市场实现销售额4863亿元，继续保持了快速增长的发展势头，同比增长27．8％。中国集成电路产业规模首次突破千亿元大关，达到1006．3亿元，同比增长达到43．3％：中国集成电路产业规模从上个世纪90年代初的10亿元发展到2000年突破百亿元用了近10年的时间，而从百亿元扩大到千亿元，则用了仅仅6年时间。在市场需求方面，2006年中国半导体市场跃居世界首位，在全球市场中的份额已经达到四分之一强。数据表明，从应用结构来看，计算机、消费电子和通信是中国半导体市场位居前三位的市场领域，合计占据78％的市场份额。长期以来，中国半导体产业一直是芯片封测业占据绝对统治地位，芯片制造业和设计业的发展相对滞后，影响了中国半导体产业链的完善。但是，这种局面在近几年有所改变，呈现出三业并举的良好局面，芯片设计业和制造业的水平大幅提升。2006年中国半导体产业IC设计、制造和封测三业同步快速发展，其中设计业的比重不断增加，IC设计业在产业整体销售额中所占份额已经由2001年的8％提高到2006年的18．5％。国内集成电路企业规模逐步扩大，2006年首次出现销售收入过百亿元的集成电路制造企业。相比芯片设计和制造业，封测业的发展毫不逊色。2006年中国半导体封测业的加速发展，产能的提升、多个大型项目投产直接拉升了产业规模，行业销售收入的年度增幅由2005年的22．1％大幅提高到48．3％。可以看到，全球电子信息产品制造业中心正持续向中国内地转移。许多业内跨国巨头显然看到了我国的市场潜力和低廉的人力成本，竞相转向中国内地寻找机会。未来我国半导体行业必将面临更大的发展。半导体产业作为尖端技术及高附加价值产业对其他产业的影响极大，是在整个国民经济中具有巨大战略意义的关键性技术产业，因此世界各国政府都将其视为国家的骨干产业。一国想走在世界经济的前列或是为了保卫国家安全，都必须第17页，共53页 基于半导体行业的lIES的设计与实施要进入这个耗资巨大而又发展极为迅速的技术领域。在其中，政府干预的影子在世界各国的半导体产业发展中随处可见。无论是美国、欧洲还是日本，没有一个国家的政府对半导体产业的发展采取放任政策，而是通过一系列政策手段进行扶植。即使是同一国家，政府在半导体工业发展的各个时期都制订了不同的策略。我国的半导体产业总体水平与这些发达国家比较，在生产能力、设备水平、开发手段、工艺水平、产品技术指标、市场开拓等方面均存在很大差距。中国本土芯片制造企业目前只能满足芯片市场大约20％的需求量，而其他近80*4的需求都不得不通过进口产品来补充。与此同时，中国所有半导体企业的总销售额仅占世界半导体总销售的1．5％。因而我国应通过发达国家的发展经验，并结合中国半导体业现阶段发展现状，明确在半导体领域的定位和战略，并相应的改进或调整该产业的政府管理模式和政策体系，以更好的促进中国半导体产业的发展，提升我国半导体产业的国际竞争力。2．4目前半导体行业现状和发展方向集成电路产业链是半导体产业链的典型代表，主要包括设计、制造、封装测试三大部分。在半导体生产的各个环节中均需要支撑产业的存在，产业链上按技术要求的高低排序，依次是设计—制造—封装测试(如图2．1)，在半导体行业全球分工的大背景下，产能的转移是从低档次开始的，因此形成了当前封装测试、芯片制造到设计的产业规模依次递减的局面。图2-1IC产业链简图半导体行业本身有着复杂的价值链，而且市场波动性大，一般公司很难在一个季度内做出调整。表现为昂贵的和不够弹性的成本架构；客户对产品价值和购买经验的漠视；对整个行业的垂直整合。目前还在面临市场的变化及压力，包括，⋯激烈的竞争：市场越来越透明，现有玩家和新进入着竟相为客户提供增值服务，竞争越来越激烈。一持续的变革：客户需求，技术创新和政府法规的变化越来越突然和戏剧性。～强大的财务压力：经济环境越来越不确定，投资者要求越来越高，收入和利润的成长和可预测性越来越不确定。第18页，共53页 基于半导体行业的lⅡ!S的设计与实施一无法预测的威胁：全球性企业越来越多地暴露在自然灾害，不稳定的政治和外交环境以及其他市场震荡中，大范围的危机变得越来越真实和普遍。对于市场这些新的趋势，传统业务模式需改变但同时又面临着非常大的困难。我们来逐一分析一下。一激烈的竞争：企业企图成为整个行业价值链的最佳实践，并对附属活动保持很强的控制力，以满足各种类型的终端购买者的各种需求。但是副作用在于削弱了竞争优势，使资源分配不够优化，非差异化的客户价值定位以及缺乏清晰地组织集中力一持续的变革：企业根据预测到的机会和感知到的威胁建立相应的运作模型，同时引导客户去接受这种价值定位。不足之处在于提供了客户权力不接受引导的业务模式，激烈的竞争不断挑战行业模型，无法对市场需求和产品定位变化作出迅速反映。⋯强大的财务压力：企业需要围绕一个稳定的模型巩固运作和组织结构，通过固定资产投入企图在整个业务中建立规模。但是这个造成不灵活的价值链和流程，不可预测的成本导致运作风险增加及过高的固定成本和资产。一无法预测的威胁：公司需要对所能预测的风险做一些可能的防范及风险管理。但是往往并不能对全部的威胁进行预测，而影响业务，未知因素大。因此，对于这些困难，半导体企业需要做出大的改变，以应对行业变化，而核心则在于对新的现实环境做出实时响应，专注自己的核心能力，以可变的成本和坚决的态度面对机会。具体的建议有，1)加速产品开发，制造产能提升，缩短生产周期，2)减少制造成本的比例3)改进资产管理特别是半导体特有的高端制造设备4)按市场需求保持更准确的库存，减少库存周转5)对于OEM厂商一具备管理由合同制造商生产的产品的能力6)减少由生产错误，瓶颈／生产周期与供应链不匹配引起的成太可以看到，大部分的建议与生产有关，这也是与半导体行业自身资本密集型特点相对应的，优化生产，合理控制，降低成本将更好的帮助半导体行业在新的趋势中领先一步。第19页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施第三章基于半导体行业的MES的功能及系统设计3．1半导体制造业务流程概述半导体制造厂是公认生产管理最为复杂的工厂之一，因为其生产过程有许多异于传统的工艺特性，例如工件再回流的现象、成批加工、作业等候时限、高良率要求、机台高当机率等，以至于一般都将交期不准、在制品(Work．in．process／WIP)过高、周期时间过长等问题归咎于其生产管理的复杂度高及系统的不稳定。同时，晶圆制造属于资本密集型产业，其设备投资庞大，运作成本高昂，使得投资者极为重视投资效益，不愿任何一台设备闲置而浪费产能，于是不断追求所有设备的完全利用，其绩效指标的追求除了交期、WIP及周期时间外，还要求机台的使用率。半导体制造横向来说，一个半导体制造工厂在制造wafbr(晶圆)的过程中，一般都要经过几十到几百步的复杂制造工序，大致包括硅提纯，切割晶圆，影印(Photolithography)及蚀刻(EtcIling)，重复、分层，封装和多次测试。纵向来说，每一步都涉及到长期生产能力的安排和分配，到产品工艺流程的确定和生产计划的细化和实现，然后到物料的适时分发以及机器设备的直接控制。总的来说，从MES的层面看，所操作的主要对象就是晶圆，Lot(AbatchofUnits，一批产品)。在一批半导体产品被制造前，我们总是要根据产品为其定义生产工艺流程，每个工艺流程可能包括一连串的处理步骤，每一佃处理步骤会由指定的机器或机器组来做处理。由于半导体的制造过程是以逐层建构的方式进行，因应不同层次的制造需求，在生产过程中可能会经过同种类的机器做多次处理。(如下图3．1)。同时每一个操作步骤也会针对于一个相对于产品和机器的recipe(制造菜单)。第20页，共53页 基于半导体行业的8ES的设计与实施图3．1工艺流程步骤演示图为了更好的理解半导体行业MES系统的流程，我们来分析一下Lots的处理流程的典型情况。在半导体制造工厂中，一个操作员要负责一组机器设备，负责监控在其上的Lots的制造。通常有以下步骤：(1)操作工检查是否有相应机器设备可用。(2)如果有机器空闲，操作工通过查看记录WIP(work．in．process,半成品)的表格，确定哪些等待的Lots可以在这个新空闲下来的设备上生产。(3)在这些等待的Lots中，操作工必须决定把那些Lots组合成一个Batch(theunitofLots，Lots的组合)在这个设备上生产。(4)接着，操作工把选定的Lots运到设备上，进入设备准备生产。(5)操作工通过文档察看该批Lots所需要用的recipe，接着在设备上载入并执行recipe。(6)在recipe执行过程中，操作工监控是否有异常情况发生。如果有异常情况发生，异常处理流程将被启动，包括中止生产、继续生产、停止生产。(7)如果这批Lots被正常生产完毕，操作工将会把设备提供的制造过程参数数据手工记录，用于以后的质量跟踪。(8)操作员运出这批Lots，结束这一步地生产。第2l页，共53页 基于半导体行业的lIES的设计与实施(9)操作工把这一步产生的半成品运到执行下一步操作的设备旁的分发台上去。3．2半导体MES系统设计基于3．1的业务流程分析和半导体行业的特点，以下进行MES系统的功能分析及设计：3．2．1制程控管让我们先进入这样一个场景，一家半导体工厂的总监张先生在陪一家国际级的大客户在产线上检查。稽核员很少说话，走路很慢，哪怕一个简单的岗位也会被他盯着看很久，张先生怀疑是不是这个工位有什么问题?终于，稽核员手按下巴，慢吞吞地开始提问了：“怎么可以证明每件产品都被这个操作员检查过?”“如何保证不良品不会被流到下一站?”“怎么可以保证不良品维修后回到第一个检测站?”张先生想拍胸脯保证，但是他知道没有用，他该如何回答呢⋯⋯是的，在传统制造半导体厂里，张先生无法非常有底气回答这些问题。操作工根据手工单子甚至于经验进行操作。但是由于半导体行业产品周期短，产线扩线及更新快，生产流程复杂(至少有80道工序，多则超过300道工序)，以及特有的工件再回流的现象，往往会因人为疏忽，跳过操作步骤或者将不良品也流入正常操作。这样的问题会直接影响产品质量，造成工期增长，不良品率增加。这还不是最复杂的，如上述，由于半导体的制造过程是以逐层建构的方式进行，因应不同层次的制造需求，在生产过程中可能会经过同种类的机器做多次处理。也就是说，相同的产品在不同的阶段可能要用相同的机器，而操作步骤可能会有一个不同recipe，如果选错recipe，同样会造成质量问题。再加上同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，机器设备需要做转换来应对具有微小差别的细分化产品，你就会发觉，单单依靠人力是很难执行如此复杂多变的生产流程。那MES是如何解决这个问题呢?其实很简单，就是进行产品及工艺管理：整个MES生产管理功能的实现是建立在工厂模型和产品模型的基础上。所有的生产对象，包括各组装工位，料架，质量检测站，所有的产品型号，相关属性，材料组成和工艺规格等均通过MES软件建立数字化模型，通过内部的各种生产第22页／共53页 基于半导体行业的脏s的设计与实施事件和模型进行实时管理。还有，这些产品和生产规格的定义正是质量跟踪和报告的基础，下文会专门提到质量管控。有了MES，张先生可以自信的回答这些曾经为难的问题，问：“怎么可以证明每件产品都被这个操作员检查过?”答：“我们对每个操作都有系统记录”问：。如何保证不良品不会被流到下一站?”答：“上一站没检查的产品，系统会卡住，只能退回前一站。”问：“怎么可以保证不良品维修后回到第一个检测站?”答：“我们为维修后回流的产品设置了专门流程，指定了回流站点，其它站无法操作。”同样的，当产品及工艺都已经进行过预定义，MES可以帮助操作员或自动控制系统按正确的工艺流程、在正确的机器、按正确的时间，用正确的recipe去处理相关Lots。在制程控管，我所设计验证范畴包括：1)人员授权验证。只有通过授权验证后。才可以执行某岗位的操作，并可以限定可操作的产品或设备。这样可防止非相关人员进行lots处理，减少出错概率，并凭此查历史纪录(在后文详述)。2)条码规则验证，对企业的条码规则进行防错。3)流程验证，保证产品按照事先设计好的流程流转，减少跳站、漏测等行为。4)物料验证，保证产品在岗位操作上使用规定的物料。5)完整性验证，保证每一岗位的操作动作都完整执行。6)可用性验证，对物料的有效期，ECN的变更生效时间进行验证。7)存在性验证，验证产品序号是否是存在的，防止非法的产品序号被抽检或入库8)冲突性验证，防止多个产品实物使用同一产品序号，确保实物与产品序号对应的唯一性9)状态验证，防止产线上产品误流转，如尚在抽检过程中的产品被误入库。10)兼容性验证，根据产品配置来保证是否允许产品的混单，混箱，混料等情况。因为验证会耗用较大的系统计算资源，对于小型公司的MES来说，可以选择性挑选几个指标进行验证。而大型半导体公司，可以涵盖上述的所有验证工作，以防止错误。制程控管可获得的效益是：通过工程人员、生产一线管理人员或品质人员在MES生产模型中将生产工艺规则固定下来，系统就可以辅助操作人员严格按照设定的规则进行操作，保证把事情第一次就做对。这样大大避免人为操作错误，第23页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施降低产品不良率，进而缩短产品生产周期。据统计，仅此项功能，就可节省产品生产周期25％以上。3．2．2数据收集为什么要数据收集?收集些什么数据?IVIES怎样收集数据，好在哪里?收集后派什么用处?对企业又有怎样的好处?这些可能使读者的一些问题，在这节里面我会一一作答。呆过工厂的人可能知道，管理人员靠什么来管理工厂，答案就是数据，形形色色非常大量的数据。因为管理人员不在车间操作，大部分甚至都不会操作，当然也不知道车间操作详细的情况。但是在管理时，高层，中层和基层都是靠数据来说话，用数据来发现问题，解决问题，避免问题。当然各个管理层的角度不一样，所关心的数据也不一样，但是数据的重要性，是不言而喻的，特别是对于高层的管理者来说。所以，在一个半导体制造厂，如果要提高产品质量，减少产品生产成本，掌握数据是最基本的管理基础。这里我可以举一些关于数据的问题，如问：“目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各是多少?要分别供应给哪些供应商?何时能够及时交货?”问：“每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码各是什么?”问：。过去12小时之内生产线上出现最多的5种产品缺陷是什么?次品数量各是多少?”可以看到，这些数据对于管理者的工作，对于工厂运作的管理，都非常重要。如果没有，直接导致车间状况不透明，管理无法做到实时控制。采集的数据包括：工单归属信息；工单脱离信息；IQC信息；备料信息；上料信息；下料信息；良品，不良品信息：测试数据信息；维修情况信息；重工情况信息；序号转换信息；软件版本信息；包装信息；OQC信息；老化信息；入库信息：出货信息等。在谈IVIES怎样收集数据之前，我们先来看一下传统的数据收集，人工收集。从原材料投入开始，将相关信息都记录到一张被称之为传票的卡片上。这张传票随着产品一站一站往后传递，并由每一站的工作人员将各站的信息记录到传票上，直到最后一战将成品转入库并将船票收集起来。在半导体厂里面，大大小小产品数30种，20几道工序，还有产品的分拆与合并，可以知道统计时间是非常巨大的。这种方法主要的问题在于：1．手工统计成本高，时间长，出错率高。除了负责统计的人工成本，纸张和打印成本也是细水长流，无法省下来。时间消耗大，每个站点都需要记录相关信息，第24页／共53页 基于半导体行业的tiES的设计与实施大大增加产品的生产周期。2、数据获取严重滞后。虽然有专人负责统计，但是看到了是事后的信息，管理层不能及时发现问题，以便制定改善措施。3、整个生产过程中的信息记录不完整，而且手工记录极不方便查找。另一方面，这些数据不能很好地被用来进行产量和质量等方面的统计分析，数据的利用率低。我们现在再看看MES的方法。在生产的开始，通过MES系统打印出代表该产品的LotID条形码(Barcode)并贴在制品上，意味着该产品在系统中获得了身份，后续的站点作业中，只要像在超市买东西一样简单的刷一下该产品的条形码，并在系统中movein，便可以过到下一站，MES系统会记录下你的完成时间，机器号码，操作人员，产品种类等一系列该制品的详细资料。另外由于半导体生产行业的自动化程度较高，设备控制级大量采用DCS、PLC。过程控制则广泛采用以小型机为主的自动控制系统。这些自动化设备，能自动准确记录各种生产现场信息。整个作业过程不需要人员手工记账，大大减少了作业人员的资料录入时间。数据收集的主要目的为追踪工厂现场生产批(Lot)或者产品的生产历程，使得现场资料可实时地、正确地被纪录下来，提供现场主管与业务单位最准确的生产信息，以期达到现场决策与业务决策准确与快速化的目标。通过此功能，我们可以：a)实时性的wIP资料搜集(包括人员、设备与料品)与流程管制。∽可依据客户需求产生实时之wIP报表。c1生产实时状况收集与统计，有助于交期的掌握与在制品(WIP)数量的降低。d1随时掌握现场资源及异常状况，提高异常状况反应处理速度。e)管理报表之实时产生，可掌握生产与品质信息。fl减少人为资料记录错误，提升现场管理素质。运用MES数据收集可以大大提高操作时间，节省产品生产周期40％以上。而准确的生产数据作为实施控制及后面会提到可追溯功能的基础，更是对生产过程起到关键的作用，无法用数字简单估量。MES系统的数据采集及分析与ISO9000有类似之处，都强调对过程的记录以及产品鉴别与追溯。有人曾用“写我所做，做我所写，记我所做”来总结ISO9000，相应地，MES的特点也可以用12个字来描述一“记我所做，知我所记，溯我所为”：“记我所做”是指MES收集制造过程中的生产与品质数据，这些数据是计划执行的过程数据，这个在这节已有介绍；那“知我所记”是指什么呢?让我们带着这个问题进入下一个功能讨论。第25页／共53页 基于半导体行业的MES的设计与实威3．2．3品质管制SPC在开始介绍功能之前，我们也谈一下半导体产品的良品率(Ⅵeld)的问题，在前文提到的半导体制造属于资本密集型产业，其设备投资庞大，运作成本高昂，使得投资者极为重视投资效益。因此半导体行业对良品率的要求非常高，这也是与其他行业的主要区别之一。大家可以设想一下，如果A工厂的良品率是80％，而B工厂为40％，这表明两个工厂其他条件一样的情况下，最终成品A厂是B厂的1倍。也就是说，A厂产品的成本只是B厂的一半，或者说，A厂产品的单位产出数量是B厂的1倍。无论哪种说法，在竞争激烈的半导体行业，都证明了A厂比B厂具有巨大的竞争优势。我们再看一下实例，当今，世界两家电脑芯片的超级巨头，INTEL和AMD，一直以来，除了技术领先，INTEL的生产一直力压AMD，而高良品率是两家制造商的主要差距之一。特别是最近AMD技术突飞猛进，已接近INTEL甚至在某些领域已超过INTEL。但INTEL仍然以生产技术领先而在市场是占居主动地位。由此可以看到，高良品率是半导体行业生产的核心竞争力之一。传统的半导体生产过程中，基本上以工艺检测和产品检验为主要手段进行产品的质量监控，很明显，这是一种事后检测的方法。而半导体生产的制造过程数据都存放在各个测试设备上，成为孤立的数据存在着，没能发挥出对产品品质改善的帮助作用，实在是可惜。研究表明，纠正成本是预防成本的lO倍。因此如果使工艺过程始终处于统计受控状态，将会更有效地提高产品质量和可靠性，SPC技术正是适合了这样一种需求。那么SPC到底是什么呢?SPC，StatisticalProcessControl，即统计过程控制是基于统计理论的技术和方法，通过对生产过程中的工艺参数质量数据进行统计分析和描图，实现对工艺过程稳定性的实时监控和预测，从而达到发现异常、及时改进、减少波动、保证工艺过程稳定、降低产品不良率、产品总体质量稳定可靠之目的。对异常波动的及时预警是SPC的最大特点，预警原理为：应用SPC对检测数据进行统计分析能够区分生产过程中产品质量的正常波动和异常波动，从而对生产过程的异常趋势及时提出预警。即：SPC能够在异常因素刚一露出苗头，尚未造成不合格产品之前就能及时发现，指导管理人员采取措施消除异常，从而极大的减少了不合格产品的产生，保证了生产的顺畅进行，最终提高生产效率及产品质量。正因为如此，尽管有些行业的MES系统，特别是离散性行业，不重视甚至没有SPC(统计过程控制1，但是本文会作重点介绍。而我们上一节数据收集结束提到的“知我所记”，即是指将采集到的数据通过报表及SPC控制图为管理及技术人员提供制造执行过程的一手资料，甚至这些信息可以开放给下游大客户；第26页，共53页 基于半导体行业的I伍s的设计与实施由于半导体生产流程非常复杂，而且大多数半导体企业又从面向库存的生产方式转向了面向订单的精益生产方式，使晶圆车间的生产模式也由以前大批量的单一品种的生产转为批量的多品种，更增加了生产过程的复杂性。由于生产过程的复杂性带来了大量的质量数据以及对这些数据及时分析的需要，仅依靠手工控制的方法是根本无法体现SPC技术的及时预瞀性。因此必须利用计算机辅助SPC技术来实现质量控制的。SPC主要通过对生产过程中的产品质量数据进行在线、离线的采集，实现对生产质量有关的数据进行及时，准确，有效的处理和统计分析，使质量人员能在生产过程中及时掌握产品质量的动态，及时反馈控制，最终达到企业保证生产质量，降低生产成本的目的。简单来说，就是数据实时收集一数据实时分析一故障实时报警来实现产品质量管控的。整个计算机辅助SPC系统包括SPC数据采集网络系统和数据分析系统两个部分。SPC数据采集网络系统，以客户／服务器结构(C／S结构)为基本模型，包括数据库服务器，数据采集／监控站点，SPC监控分析站点，SPC监控查询站点，SPC异常报警装置等几大组成部分，见下图3．2所示。图3—2SPC数据采集网络系统架构图从模型可以看出，数据采集是以设备自动采集为主和人工键盘输入为辅两种可并发的数据采集方式，极大的加强了采集数据的及时性。这些采集到的数据将存储在SPC数据库服务器中并由SPC监控和分析点对这些数据进行分析，同时把结果反馈到SPC回馈调整装置或报警装置来监控生产工艺过程。数据分析系统模型SPC分析系统(如图3-3)可提供十几种控制或监视图表，计量型图表有均值一级差图(x—R图)，均值一标准差图(X—S图)，单值一移动极差图(X--MR图)，运行图，指数加权移动均值图(EwMA图)等等，计数型图表包括不合格品率图(P图)，不合格品数图(Pn图)，单位缺陷图(u图)等，还有排列图，直方图等，同时可提供大量统计参数值：总体均值，总体标准差，样本均值，样本标准差，Cp，Cpk。第27页，共53页 基于半导体行业的-Ⅱ苎的设计与实施豳2图3-3SPC分析系统功能图根据统计要求，一般情况下，需要积累多于25组数据才能进行SPC分析，每组数据最好不少于5个，在日常生产中，应保持数据采集的连续性，并对每组数据进行SPC分析，及时发现异常，而这些异常都说明工艺过程发生了变化，均应进行质量分析，采取措施，直到确认工艺过程又处于统计受控状态；有了完善的SPC系统来收集品管检测资料，并整理成为有用之管理信息后，便可协助品管工程师随时掌握线上产品制程能力之情形，实时掌握制程异常讯息，追踪制程品质状态；另一方面，可提供客户详细的品管信息，建立与客户之问之品质信赖关系；通过SPC系统我们可以：a)得到更快更准的品管分析图表。”完整掌握生产品质状态，实时掌握异常讯息，防止不良品之产生，降低出厂产品之不良率。c)减少对常规检验的依赖性，定时的观察以及系统的测量方法替代了大量的检测和验证工作：d)减少人为错误，提升现场管理素质与竞争力。3．2．4追溯管理在前文提到，MES数据采集的特点也可以用12个字来描述一“记我所做，知我所记，溯我所为”：我们已解释了“记我所做，知我所记”，而追溯管理功能模块就是实现第三句话，‘溯我所为’是指对历史数据进行追溯及分析，从众多的数据中理出线索，重现产品制造的历程。让我们看一个事件了解MES系统追溯管理有什么功能。某年12月31日，CPU包装车间一位检验员，抽检中发现在一个批次的多个被抽检的某种CPU存在性能问题。加严抽检发现，大多数CPU也都存在同样问题。扩大排查面发现，正在生产的产品和抽检后等待入库的产品中也发现了同样的问题。检验员惊出了一身冷汗。这个问题是什么时候出现的，上一班次是否有这个问题，是否有产品第28页，共53页 基于半导体行业的旺S的设计与实施已出货给经销商了，现在产线上需要隔离多少这些有问题的产品。明天就是元旦，如果有问题的产品流到消费者手里，弄不好会对公司造成较大的声誉影响。另外产线的问题如不能及时解决，一定会影响到供货，然后一定会影响到以后的节日销售，公司重兵力争的好节，重兵力争的利润可能要打折扣了。事关重大，检验员不敢怠慢，紧急将情况汇报给QA经理，制造经理、工程经理并一起到达现场。如果没有使用MES：制造经理首先要求相关CPU产品全部停止生产，并从产线上移出，进行隔离。如果问题涉及到包装之前的车间，还会要求前面车间针对问题CPU进行停止生产，并进行隔离。然后通知仓库对这2天入库的该CPU进行处理，仍在仓库的就进行隔离，已出货的就通知销售部门进行协调经销商，要求经销商扣留产品，如果对于那些卖给客户，也需通知暂停装配。QA经理要求所有检验员加班，配合工程部对仓库的半成品和成品进行全面检验。同时要求产线的检验员对其他CPU针对该问题进行加严检验。工程经理要求产品工程师对问题产品进行细节排查，抓出造成问题的根本原因。一定尽快找出问题并定义出此次问题的影响范围。因为影响到的是一款热销的产品，仓库一般都没有什么存货的，结果经销商一下子就断档了，己买进产品的客户不能装配，影响客户公司的生产及销售计划，抱怨声很大。车间里制造人员、检验人员、工程人员也连续加班了好几天，寻找原因并确定范围。尽管大家都加倍的努力，争取弥足此次事件所带来的损失，但是当月的生产计划还是没完成，连带影响了公司在旺季销售，并使公司的声誉造成一定影响。如果使用MES：1)通过产品分析师故障分析，已发现这些问题CPU都是由于一个元件的连接问题。需要MES系统查询这些元件都是谁生产的，这时候就需要使用MES产品追溯的功能。2)通过将检验员发现的问题产品的序列号输入到系统，查询到了这些产品的所使用的元件序列号。3)然后对这些元件序列号进行细节分析，得出这些元件操作的人员都是同一个人员，同时生产的时间都落在前天的晚班，由此就很清楚问题就是由该员工的误操作造成的。根本原因一下子就找到了。4)接着要做的事情是获取到该员工在前天的晚班生产的元件机头的序列号清单，在输入员工代号、时间之后，所有的问题元件的清单就出来了。5)接着要做的事情，在物料追踪中输入问题元件的序列号清单，会列出有哪些产品使用了问题元件。并列出哪些产品落在包装产线上，哪些产品已入库。第29页／共53页 基于半导体行业的UF,S的设计与实施6)在出货查询中，输入问题产品序列号清单，获取出货到各经销商的问题序列号。整体问题的解决思路是：产品追溯一一>问题元件都是谁组装的，什么班次的一一>该员工当班同时组装的问题元件有哪些一一>问题元件已被使用到哪些产品上一一>哪些问题产品仍在包装线生产一一>哪些问题产品已入库一一>哪些产品已出货，出货给哪些经销商。无需全面停产，无需将对CPU半成品和成品进行全面检验，更无需将所有经销商及客户产品扣留。有了通过MES的追溯管理，问题就被在短时间内，控制在一个正确的范围内，通过一个正确的行为所解决了。以上仅是从一个例子中折射出如果半导体企业不能做好追溯管理，有限的问题处理及改善能力，将为生产管理带来难度。而更进一步说，如果这些问题产品出货后引起客诉，做好问题根源分析及避免问题再次发生是挽回客户信心的重要手段，这时更加需要高效准确的问题判定体系。因此对于半导体企业来说，做好追溯管理也是整个制造管理中的非常重要一环。什么是可追溯性?即通过在生产过程中的实时数据收集，以及强大的报告功能来追溯产品和过程信息，以此来提升过程分析及解决问题能力。从生产问题分析和检查所需要的历史数据类别来看，要做好生产追溯，需要采集的数据可以分为三大类，分别是：过程数据、产品数据、物料(原材料)数据。过程数据是从生产的四大要素人、机、法、环的角度来对产品全生产过程的数据进行采集。其包含的内容比较广泛，如设备的运转、检修、抛料状况等，操作人员和生产相关的信息，制造车间的温度、湿度、净化度，QA人员定期抽检项目所产生的数据等。这些数据在半导体制造行业中工程和制造分析中的典型应用可能包括：通过检索操作员的历史作业信息，了解一批不合格的产品是否由某个操作员导致，这在上述例子中已有体现；察看某台设备历史的制造记录，了解某些周期性的不良是由于设备零部件异常损耗所造成的等：而产品数据是依据产品序列号，查询产品的历史生产过程，当时是谁生产的，哪个班次生产的。可查看到产品的最新状态，是良品还是不良品，是处于在制还是处于在修，可查看到产品目前所处的位置，是在产线上，在仓库里或出货到了客户。同时可查看产品的用料记录、测试记录、维修记录，返工记录，抽检记录，号码转换记录等。物料数据即指成品所使用原材料相关的所有数据。而之所以把物料数据和其他四大生产要素分开单独来看，不仅是因为物料数据贯穿了采购与制造业务，更加是因为从应用角度来说，物料是导致品质问题的多发根源a制造企业的物料数第30页，共53页 基于半导体行业的皿s的设计与实施据，所需要收集的内容不仅来源于采购与存储过程，在制造过程也有很多内容需要收集。最简单的来说，制造者必须掌握原物料的基本信息，如供应商、物料类别(编号)、原料批次、特性数据等。而当材料从库房或者线边仓输送到产线后，原物料变身成为一个产品组成部分的历程就开始，在这个过程中，原物料被发到了哪个工位，什么时候被组装到哪个产品上了，何时被维修过等详细信息都应该被记录下来，这些数据在做品质分析的时候也会被经常用到。其他还包括了出货查询，供应赏查询，客户查询等等。可追溯性可以帮助我们：1)对于企业内部发现的问题产品，可通过生产历史和品质信息的获取，分析对于同样问题是否出现在其他产品上，进行快速的界定。对于问题物料，可以快速定位到其所影响到的产品以及产品所在的位置。使产品召回和内部返工的范围降到最低。2)对于客诉，可借助详实的数据，很快定位到RootCause，给予客户快速回应，并且现场改善效果明显。快速达至外在客户要求并提高客户满意度。3)作为基础，可以扩展至整个生产控制，因而改进关键绩效指标。这里第三点谈到生产控制，读者不禁会问，不是制程控管已有了这样的功能了吗，为何这里又有呢?其实制程控管是对于产品的工艺流程管理，进行是流程管理，包括操作步骤，recipe的选择，机器的设置等等。但是半导体行业作为一个复杂的流程性行业，其生产中需要的监控还不止这些，例如确定一些特定的组件正确性，或者产品的闲置研制时间等等，这样更容易通过追溯管理直接控制，一旦不符合规定，就拒绝生产。3．2．5生产排程PsS生产排程不是在ERP里有吗?怎么MeS又有一个，这不是功能重叠吗?有些读者可能会有这样的疑问。其实如上文MES介绍的所说的，ERP虽有生产控制模块，但难以真正在工厂层中使用。它处于计划层，并不紧贴生产，更并不能帮助和指导工厂分析其生产的瓶颈。MES的定位，是处于计划层和现场自动化系统之间的执行层，主要负责车间生产管理和调度执行。因此，ERP的订单仍需MES对其进行生产排程。当然，MES作为这样一个连接层，对其与其他的系统连接性和集成性有非常高的要求，在下文我会着重阐述。让我们对比一下在MES系统实施前后的不同工厂生产排程方式，可以帮助我们更好的理解ERP为什么不能完成排程，而必须由MES做?MES又是怎么完成的?在传统半导体生产中，计划员小王每天从ERP系统得到销售订单，读取产第3l页，共53页 基于半导体行业的蚝S的设计与实施品信息，需求数量，需求日期等数据。假设需A产品，100个，2星期后完成。然后，在进入库存系统，察看相关产品的目前库存量多少，在扣掉安全库存量后，便是可用数量。如A产品在库量50个，扣掉安全库存量30个，可用数量为20个，那么100—20=-80。下一步通过制造人员了解生产线上目前有多少可用WIP。生产人员告诉小王，生产线上目前有30个WIP，但是10个有问题，需特别处理，不知何时结束。然后小王将20个在制品统计在内，A产品所需数量变为80．20=60。之后，小王需要BOM查A产品的原材料，假设A产品是由2个B，3个C组成。也就说，60个A需要120个B，180个C。之后将物料人员查询现在各有B，C多少个。结果是B有足够的料，而C只有了100个。因此，小王只先下30个A的生产计划，然后联系采购人员，向供应商定购80个C，安排好日期，一等C到达之后，马上开始另外30个A的产生。可是小王还是忘记联系了行业工程师，第一批30A的生产单子被推迟，因为生产线上的SMT机器因为在生产一批重要的产品，近两天没有空闲。小王马上根据这个产品的工艺路线查了一遍所用机器的可用性，总算预定第一批30A的生产单子在3天后开始，而第二批30A的生产单子在6天后C原料到货开始。算上7天产品生产周期，刚好够时间。但是麻烦事还在后面，没想到三天后，工程人员告诉SMT机器有故障，原先的单子不能生产，又要推迟。而采购人员也打电话，C原料供应商也要推迟送货时间。小王心里急啊，不免抱怨道，你们怎么都这么晚才说，这样我订单都要取消了。而工程和采购人员也不买账，我们各有自己忙的事情，修机器的修机器，采购还需保证其他原料的进行，哪能这么及时沟通。小王只能在相应修改工作计划，并联系销售人员，又免不了被抱怨几句，真是有苦说不出。如果有了MES生产排程，这些手工工作全部由系统完成，快速准确，自动得出工作计划及采购单。再加上MES系统包含了设备，原材料的信息，通过每天1．3次自动确认，有任何变化，会通过系统告知相关人员，采取相关措施。从例子中可以看到，因为EPR不贴近生产，也没有详细工艺路线，设备的容量及状态和WIP的准确信息，很难对车间的生产进行精确的掌控，只能由MES系统来进行生产排程。而且在实际生产中的复杂性与多变性远远超过所举的例子，没有MES生产排程，工厂人员就深深陷入一个纷乱不清，效率低下的局面之中。生产排程系统是极复杂之决策支持系统，它用系统从外部导入主生产计划，根据通过自动化收集的资料，经过系统内部的处理和业务规则分解，将计划分解为详细的批次。计划在执行过程中，系统将自动对组装产品进行统计，实时监视生产计划的偏差和完成状态。实时监视的计划信息包括了产品号，计划状态，批次计划和相关的主计划号，时间，数量等多种信息。计划管理员可以通过客户第32页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施端手工天加紧急插入计划，对计划量进行修改等操作。当生产现场出现紧急订单、设备故障、返工返修、原料拖期等情况时，采用合理的优化技术和方法进行生产调度，调整作业计划和调度资源，使之与实际生产条件相适应，从而提高生产过程的连贯性，确保生产高效运行。在尤其是生产周期短之高半导体行业，每日所面临之生产与下单状况变化快速而不可预测，这里介绍一种作业排序优化技术来应对变化的情况。作业排序优化在生产排程中决定了工件在设备或工作中心上的最佳加工顺序。采用启发式算法的优先调度规则法进行作业排序优化，以预先定义好的优先规则作为启发条件，从等待的作业中选取优先级最高的作业安排加工。而在加工优先级的设定中，将交货期、零件、设备三者综合考虑，以交货期先后设定模具优先级，交货期在前的当然设为高，时间越往后，优先级越低；根据实际情况和经验人为设定零件优先级，如将供应商交货期长，零部件稳定性差的为高优先级，这样可以更多的时间来应变；按照已排定的任务原则设定设备优先级，排定的任务少为高优先级，反之亦然。这种方法易于实现、计算复杂度低，并且加工优先级具有人工系统干涉的功能和接口，可以必要时刻由资深生产管理人员人为调整，并验证排程结果的合理性和效率，使得排定的作业顺序更符合生产实际。．因此有了生产排程(PSS)进行统一运算并有定期的确认及应变能力，我们可以：a)提高制令交期准确性，增进顾客服务品质。b)优化机器使用率并减少在制品数量。c)迅速反应变动因素，加强工厂应变能力。d)降低人力需求，提高生产效率。e)增强工厂通明度，部门间相互监督，避免扯皮现象3．2．6设备控管EMS这里我们又会谈到一个半导体特殊的行业特征，机器的高利用率。其他行业，特别是离散行业，并不是看重机器设备的使用率。而在半导体行业中，如前文介绍，其设备投资庞大，运作成本高昂，使得投资者极为重视投资效益，不愿任何一台设备闲置而浪费产能，于是不断追求所有设备的完全利用。资源闲置是投资方竭尽全力要消灭的“首要大敌”。让我们来看几个例子，在半导体行业中，功能测试机器的投资非常的昂贵，一般都要几百万美金，但是由于测试是umtsbyumts，所以机器的工作工作量非常的小，需要非常多的机器同时进行测试，也就形成了平时我们谈的生产瓶颈。例如，在IlNTEL的工厂中，需要超过100台这样的机器进行产品测试。那如果第33页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施我们有办法可以帮我们的设备利用率提高5个百分点，也就是意味着我们可以节省约5台机器，用95台就可以完成以前100台所作的事情。那5台的节省就意味着这节约上千万美金。这还不止，大家知道，机器设备的维护费是非常贵的，节省了5台就少了5台的机器每年的维护费用，另外，机器维修人员，可能发生的故障备件费用，包括线上生产人员都可相应减少。从这里就不难理解为什么高机器使用率是每个投资方都全力准求的。在从另外一个层面去看，因为在半导体生产行业的生产中，每台设备都是关键设各，不能发生故障，一台设备的故障会导致整个工艺流程的终止，所以的产品都会堆积在问题设备，极大影响了产量及出货计划。因此设备控管也是MES的一个重点功能模块。其实在企业内部，由于每个人担任角色不同，他所关切的机器设备重点也不尽相同。如，。a)现场部门主管关切的是设备目前状况、现场哪些设备可以加入生产；b)维护部门主管关切的是哪些设备发生故障，最主要原因是什么，如何改进、哪些设备该实施预防保养影响；c1生管部门主管关切的是哪些设备可以在排订时程内生产、哪些设备稼动率较高；d)至于管理阶层则较关心哪些设备逾时仍未维修、原因为何以及设备多少时间在生产，多少时间在停转和空转、产量查询和稼动查询等功能。如果没有MES系统，只能通过信息层层传递，一方面影响生产计划，另一方面也造成机器维修时间长，利用率低。此外，没有设备相关数据，维护部门很难进行故障分析及改进措施，而管理部门对设备使用及维护情况也是一知半解，直接导致设备使用率低，冗余设备多，增加生产成本。那么在MES中是怎么帮助工厂提高设备管理呢?EMS模块的目标就是能建立一完整的厂区设备监控与管理系统，能满足各部门人员对于设备状况获得的需求。基于以上需求分析，我们认为EMS主要功能应该有如下四个部分：11透过监控计算机与生产设备的直接联机，设备的运转状态、产出、使用率与生产周期均可以随时收集、记录与显示于监控计算机屏幕上，这样现场部门主管可以随时掌握现场生产设备的实时数据状态，进行均是生产管理排程与派工的重要依据；2)执行故障管理：设备如果发生故障，设备维修工程师可以在监控室透过监控计算机直接获得设备故障的讯息，然后依据维修处理的程序来修护设备并作故障登录的动作以输入维修信息，由于此故障讯息能实时被察觉，所以维护人员便可第34页／共53页 基于半导体行业的gES的设计与实施以在最短的时间内开始检修设备；3)执行设备预防保养，机器是否需要保养，保养时间长度等等，生管部门可以掌握哪些设备可以在排订时程内生产；41设备信息的统计及分析：透过设备联机收集而来的设备信息均存放在数据库，透过历史记录查询，‘设备的产品良率、维修逾时清单、设备维修频率、设备MTBF(MeanTimeBetweenFailure)、设备MTTR(MeanTuneToRepair)、设备稼动率、设备故障原因分析等统计信息均可以随时查询，这可以帮助管理人员与维护人员提高设备利用率；在谈一下EMS如何实现的，依据上述4部分功能，整个EMS系统分成两大子系统：设备联机资料收集与设备信息管理。1)设备联机资料收集：设备联机资料收集计划透过通讯协议来与设备通讯，自动得收集设备之状态、产量及错误代码，并将这些资料存放在DatabaseServer内以便设备管理信息系统所使用。2)设备信息管理：。乱首先能够设备实时数据显示，藉由设备联机所获知的设备状况，配合生产线LAYOUT画面来动态显示各设备实时数据及状况，以供管理阶层及线上维修工程师作参考。b．然后能够提供维修作业界面，藉由设备联机所获知的设备故障讯息，实时自动显示故障原因，并提供登修人机界面让维修工程师进行登修作业。c．其次是预防保养，由维护部门依据排订的设备保养日程实施设备预防保养作业。d．最后是设备资料查询、统计分析及报表／图表打印。提供管理阶层较准确的设备统计结果，如：稼动率、MTBF、MTTR、各班产品产量、故障前十大原因⋯等等。整个系统实质上通过自动化的设备数据收集，然后用设备管理系统来进行设备的实时监控，历史统计数据分析来帮生产设备安排、缩短机台叫修时间，提高机台使用率。3．2．7系统集成如上文MES介绍所述，MES在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁。企业资源计划(ERP)系统需要实时的生产信息辅助进行经营决策和订单管理。但是来自生产现场的状态信息和生产数据并不能直接反映经营者所关心的生产进度和质量变化等信息。因此，需要MES在企业资源计划和过程控制之间提供信息的转换。第35页，共53页 基于半导体行业的MEs的设计与实施MES(执行)---ERe(计划)：MES执行由ERP制定的计划，根据实时生产信息调整生产作出快速调度和调整，以减少无附加价值的生产活动，提升工厂的生产效率。同时将有关资源利用和库存情况的准确信息实时地提供给ERP系统。MES(执行)⋯DCS／PLS(控制)：MES能将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值，并对应到阀门、泵等控制设备的参数设置。同时，MES将从DCS采集来的生产数据与质量指标进行对比和分析，可以提供闭环的质量控制。可见，MES是ERP和DCS之间的信息纽带。这是一个典型的信息传递过程，。为了做到这一类的信息传递，ERP与MES系统、MES与PLC系统间的集成性有着相当高的要求。但是由于国内外目前尚未有一个详细的、标准的、被广泛应用的MES接口标准，因此在MES项目的实施中，由于涉及不同软硬件供应商，系统间接口往往成为定义的难点，很容易影响到项目的成果。如果MES与其它管理系统之间存在集成的问题难以解决，导致整个企业在使用数据的时候出现衔接断层的现象，“信息孤岛”问题难以彻底解决，与其它系统间必须要通过手工作业进行数据传递，导致了传递速度、准确性、及时性等问题，系统的成果将事半功倍。让我们用ERP来举例，如果需要人员对数据的手工输入来连接两个系统的数据。这样导致的一个最大的问题就是每一次盘点时，ERP系统有一个应盘数，MES也有一个应盘数，理论上两个应盘数应该一致，但是由于为两个独立的系统，当某个系统内的作业存在不规范的行为时，将导致了两个系统数据的不一致，影响到整个公司的系统帐的准确性。ERP根据生产定单产生工单，通过工单发料单将物料发到制造，制造作业人员于MES系统进行操作，并通过机台备料将相关物料信息登录到MEs，伴随着作业流程一站一站过帐进行记录。每批产品制造完成后，MES通过将该批产品的相关记录传送到备份的Database中，实物则进入仓库，仓库收到成品后手工录入ERP帐，冲抵工单。之所以在系统间出现数据流不连贯的现象，是因为，第一，虽然ERP系统庞大，使用部门众多，但由于该系统ERP公司收费按帐号数量计算。费用昂贵，因此系统登录人员有限。而MES系统连接到车间作业过帐等使用，登录系统作业人员众多，且过帐交易频繁，系统数据存取量太大，为确保系统过帐速度，database需要用到单独的及服务器进行数据储存和处理；第二，由于MES用户帐号太多，基本上每一位作业员都要有自己的帐号进行作业，如果人员过帐作业不安规范进行，导致系统内产生帐物不符，导致系统中易产生虚假帐；第36页，共53页 基于半导体行业的LIES的设计与实施第三，人员的手工作业必然会有疏失，导致ERP的输出与MES的输入不一致，以及IVIES的输出与ERP的输入不一致，使得系统间数据产生了差异，随着差异的日积月累，无法确认数据的准确性，导致管理信息可利用价值的降低。针对MES在半导体行业中应用的不足之处，结合作者多年的工作经验，对MES应用所存在的问题分别提出了相应的改善方法或设想。1)如果需要短期内予以提高我建议针对ERP的输出与MES的输入不一致，以及MES的输出与ERP的输入不一致的现象，导入了两只自动对帐程式，对ERP的输出与MES的输入以及MES的输出与ERP的输入数据进行监控，每日启动该程式，对前一日系统间数据的数据输入输出进行统计，ERP的输出与MES的输入必须一致，MES的输出与ERP的输入必须一致，对存在的差异立即进行调查纠正，避免差异因日积月累而增加到最后无法确认。．当然对帐程式的导入只能算是治标，并没有治本，要想彻底解决系统数据不一致的问题，必须标本兼治，要找到问题产生的根源，从源头进行防堵．2)长期方案首先，规范系统资料维护，必须对在制品信息进行筛选及保证数据正确。建立严格的标准系统作业规范，严格控制特殊作业的功能权限，防止作业人员任意拉帐，导致系统帐物不符。这样就为两个系统能够进行系统集成提供基础条件。ERP的输出数能够自动通过系统过帐到MES系统成为MES的输入，同样，MES的输出能够自动过帐到ERP系统成为ERP的输入。其次，可考虑采用XML(可扩展标记语言)技术解决MES与ERP和底层控制系统之间的数据异构问题，使系统更具开放性、可集成性，融合的更紧密；XML技术具有开放性、易扩展性等特点，能够在不同程序之间交换和共享数据。MES与ERP系统集成的信息包括生产计划、BOM信息、工艺信息和物料信息等。这种集成方式，不仅能够提高系统之间传递数据的正确性和一致性，还能够提高信息的反馈速度，有利于信息共享。再次，为了避免不确定性及追求高度系统高度集成，我们可以在选择MES就对MES接口评估就采取稳妥的做法，如选择提供开放软件接口的模块化ERP和MES软件供应商，在MES项目中囊括了ERP软件接口和PLC标准软硬件接口的产品，在选型期便集合软件技术与业务专家，对接口的业务实现流程与技术实现过程做出了详细的模拟和设计论证。3．2．8MES其余功能模块因为篇幅所限，对MES功能只进行简单陈述。第37页，共53页 基于半导体行业的MEs的设计与实施(8)资源分配及状态管理(ResourceAllocationandStatus)机械，工具，工作者的熟练度，资财及文档等。可用于别的工作者的资源管理，资源分配及状态管理功能是提供资源的详细的历史。这样的资源管理包括符合作业日程目标的预约和分配(9)文档管理(DocumentContr01)文档管理功能是，作业指示，处方，图面，标准作业步骤，部分程序，配制记录，技术上变化的要求事项，Team和Team之间的交谈意见。及已经计划好的和有什么组成。编辑这些信息的能力，和生产单元一起管理的记录形态等的控制。文档管理功能提供给作业者提供数据或给设备控制的处方，使作业指示下达到作业现场，还包括环境的控制及联合和健全，安全的规定几正确的操作步骤包含ISO等信息。(10)劳动人员管理(LaborManagement)劳动管理功能是以分为单位提供每个人的状态。以时间对比，出勤报告，坚定跟踪，及行为为基础的费用为基准，包含资财及工具准备作业，等这样的间接的行为跟踪能力。以上功能是和为决定最佳分配的资源分配相互作用。(11)执行分析(PerformanceAnalysis)执行分析功能通过过去记录和预想结果的比较提供以分为单位报告实际的作业运行结果。执行分析结果包含资源活用，资源可用性，生产单元的周期，日程遵守，及标准遵守的测试值。可以包含PC／SQC。具体化从测试作业因数的许多异样的功能收集的信息。这样的结果应该以报告的形式准备或可以on．1ine提供对执行的现在评价。3．3MES系统框架结构3．3．1硬件架构Cluster(群集)是紧密连接的一组计算机，用来持续性地提供高性能的计算服务【J91。把一组计算机连在一起并非难事，但要让它们获得很高的性能就不那么容易了。Cluster的初衷在于以没有单点故障的体系结构来达到系统的高可用性和可伸缩性，而且要求采用通用标准的计算机，而不是特殊专用的计算机部件，从而能以较低的成本获得较好的可伸缩性。Cluster中的计算机应当具有非常好的协同性。如果其中一台发生故障，马上就有另一台去接替它的工作，如果一台计算机的性能不足以完成某项任务，其他的系统成员就会加入进来，共同执行这项任务。应用实践证明，由通用的计算机部件协同工作，完全可能使其运算能力超过大型主机、超级计算机和容错系统，而且具有更低的成本。可用性是指系统正常运行的比例，最高的理论指标值是100％，而常用的表第38页，共53页 基于半导体行业的LIES的设计与实施征方法是‘‘9”的数量。例如‘‘3个9”就是指99．9％的可用性，‘‘4个9，’是指99．990的可用性。一套具有“3个9”的可用性系统，只有0．1％的时间处于不能正常运行的状态。这看起来似乎不错，但实际上意味着在一年的时间里有9个小时系统不能正常工作。如果能够让这9个小时的停机时间都安排在非业务高峰时段，也许问题并不十分严重。但是如果一家半导体制造商的MES系统在意外停机9个小时，那对半导体制造商来说简直无异于一场噩梦。因为半导体制造所采用的设备都是极其昂贵的，每小时的整条生产线的折旧都很大，而且对因此而产生的对供货的影响也是相当恶劣的。所以说，用户需要更多的‘9’。对于不能停顿的关键业务应用，要达到更高的可用性就应该选择Cluster。因为即使是在最坏的情况下，严重的系统故障在Cluster之中也只会表现为几分钟内系统性能的略微降低，服务的反应速度稍微慢一点。利用多通道I／O特性使存储或网络控制器发生故障的节点可以方便地切换到其他备用控制器上。3．3．2系统架构FA300是客户端适配器，负责接收从其它MES系统发过来的请求。中间层由应用逻辑组成，有事件服务器，路由服务，以及COM+应用群集。数据库层采用OracleFailSafe群集，并对数据库采用双机热备份，并且运用Oracle的snapshotReplication功能将运行数据库的瞬间数据保存到数据仓库中去。这样的架构能够极大的保证MES系统运行的连续性，把非正常当机减少到最小，具体如图3．4：图3．4面向半导体行业MES的框架结构图第39页，共53页 基于半导体行业的衄s的设计与实施3．3．3软件结构基于面向半导体行业的MES系统在逻辑上也分为四层，如图3．5：(1)FactoryModel：包含工厂的工序流程定义，类似于工作流定义。(2)ApplicationComponents：应用组件，有EquipmcmManagement(设备管理)，负责给设备建模以及预防性的维修；有WIPManagement(排程管理)，负责Lot和产品的建模和管理；有AdvancedDispatching(高级Lot分发管理1，负责Lot的自动分发：有QualityManagement(质量管理)，．负责设置控制质量的参数，并能看到统计报表；有和设备集成的接口ToolIntegration；最后还有RecipeManagement负责产品工艺菜单的管理。(3)FrameworkComponents：框架组件包括上下文解析管理组件、事件管理组件、工作流组件以及安全组件和定时器组件。(4)支持服务有控制对象池对象版本的组件，有提供对象关联的组件⋯例如，哪个Lot在哪个设备上处理。图3．5软件结构层次图第40页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施第四章基于半导体行业的MES系统实施4．1实施背景实施MES如果不讨论拟实施MES企业的定位是不够的企业应用MES成败或实施后效益的大小与企业现有的制造执行能力的水平有关与企业准备提升哪方面的制造执行能力有关。因此企业选择MES产品及MES功能之前需要对企业自身状况做出理性的分析以确定采用MES的必要性和可行性为此MESAInternational给出了MES成熟度模型见表4．1表4-1MES成熟度模型内差尚可有效好未来容制没有制造战·有文档化战·．完整战略·清晰制造战略·制造成为竞争造略·实施与战略一与提供服务完力的一个方面战·实施与战略致全集成·制造战略支持略不一致·战略与企业整·战略支持电子企业扩张·面向功能体战略相关联商务方向·实绩超常制·变化无常·质量过程文·质量过程与其·作为产业质量’执行6Signn造·行业落伍档化它运作相集成领导者过程质·无过程文档·有效地使用·高级工具·全面参与测·质量水平使得量·偶尔培训了简单工具·质量水平不断量和改进产品新产品应用和‘出错和返工提高及过程质量业务增长供·激励与目标·跟踪库存和·规范服务和运·制造能快速响·领先创造新应不一致服务水平面营过程应且柔性能力链·功能陷阱·理解并执行·连续的业务和·关注关键性能·实时制造驱动协·制造能力差基本工作供应链指标供应链调大量库存·跟踪转变次·足够的制造柔·高水平库存周·按小时或天进数性转行响戍测量数·分离的系统·系统未集成·系统能力很·系统集成了全·通过互联网，据和手工过程但能提供准强企业的信息内部网。外部收·很多联系点确信息·能获取关键制·一致的编码体网，把制造，库集信息很少造数据系存。后勤和客户·制造人员跟踪信息与供应商第4l页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施绩统计伴联系起来实·缺乏测量或·部门有测量·系统提供实时·集成测量并实·完全集成实绩绩未与企业目标相测量时更新管理管·关注完全不联系·有各层次测量·高效团队·系统业务目标理相关的系列·预算没有面并与其它部门峙}续过程改进与企业年度目和任务向过程集成标和改进目标改·没有目标·实绩是透明的相磺系进·没有进步制·设备陈旧缺·维护良好的·维护和投资高·行业领先的可·从广义的供应造乏足够维护设备强度靠性和能力链角度考虑协基·落后的IT·足够的过程·rr能力高经*IT计划与业作制造础环境能力验丰富务和制造计划设·良好的技术·主要产品过程完全集成施环境能力高通过以上MES成熟度模型企业可以根据目前的状况结合竞争环境对本行业制造执行能力的要求确定自己努力的方向针对性地实施MES以达到关键实绩指标。4．2实施的管理基础要想充分发挥MES系统的功效，企业需要先健全自身的管理体系——没有严格的管理约束机制，MES系统信息的及时维护就难以保证；没有先进的管理模式，MES整理出来的信息就不能得到有效利用，从而也不能产生效益。因此，信息技术可以成为提高企业管理水平的有效手段，但不会自动地解决企业的管理问题。要想成功实施MES，企业必须先在管理上下功夫——与MES密切相关的工作，包括车间环境、职责分工以及人员保障等方面。定置，改善车间环境定置，是指通过对生产和工作环境的分析，把生产和工作需要的物品按照工艺的需要科学地确定位置。定置管理，则是指对现场物品定置的设计、组织、实施、控制，使现场管理达到科学化、规范化、经常化的全过程。定置管理为生产者在较短的时间内用较低的成本制造出高质量产品提供良好的客观条件。通过定置管理，理顺物流，可以为MES的实施提供良好的车问环境。合理分工、明确责职“计算机能够解决一切管理问题。’"_一这是相当一部分企业领导在实施MES时的一个误区。事实上，许多企业面临的管理问题是不可能靠计算机来解决的，第42页，共53页 基于半导体行业的壮S的设计与实施必须靠企业自身通过科学的组织、严格的规章及有效的控制来解决。计算机只能通过信息的获取与加工、一定的流程控制来支持企业管理思想的贯彻。有些企业的组织结构不合理、职能相互重叠，其结果是责任不清、相互扯皮。这一方面妨碍了MES的顺利实施，另一方面也难以保证MES正常高效地运行。因此，在实施MES时，必须对企业的业务流程进行合理重组，去除重叠的部门责能，减少无效劳动，合理分工、明确责职。这样既可以简化MES软件的权限设置和流程控制，又能够保证信息处理的及时性，为MES的实施提供组织保证。提供人员保证。MES系统实施，通常涉及到计算机人员、企业管理人员、车间现场操作人员和具体业务人员等方面。不仅涉及面广，而且各类人员的文化水平、业务能力、计算机应用水平也参差不齐。因此，为了保证MES的顺利实施，必须对相关人员进行足够的培训。对不同类型、不同层次人员的培训方式应有所不同。实际上，在整个IVIES实施过程中，培训工作是贯彻始终的。不仅要在实施准备阶段进行原理培训，而且在实施准备、模拟运行与试运行、切换运行、新系统运行过程中也要进行有关培训，如软硬件产品培训、系统管理员培训和持续扩大培训等。只有企业员工对MES软硬件产品有了一定的了解，才能够保证系统最终的顺利实施和应用。4．3MES软件选型目前，国内市场上的大部分MES软件还不是很成熟。因此，软件选型对MES项目的成败有重要影响。MES软件通常可分为三类：具有标准功能的、成熟的商品化软件：为满足特定需要而专门设计开发的软件；标准产品和其它系统的集成软件。在选型过程中，首先要“知己知彼”。知己，就是要弄清楚企业的需求，即先对车间(分厂)本身的需求进行细致的分析和充分的调研；知彼，就是要弄清MES软件的管理思想和功能是否满足企业的需求。这两者是相互交织进行的，可以通过软件先进的管理思想来找出企业现有的管理问题。企业要调查好行业、企业或车间(分厂)的特殊要求，根据这些要求来设计流程和功能，从“用户化”和“本地化”的角度来为MES选型。下面这些因素，需要重点注意：厂商能力要过硬MES产品，需要一个复杂的过程才能生产出来。如同我们考察制造企业一样，我们同样要看MES厂商的性质和开发能力，看看厂商的管理是否规范，工作是否严谨等，看看厂商是否有一支完整的开发队伍、实施队伍和系统维护队伍第43页，共53页 基于半导体行业的MES的设计与实施一从系统分析师、系统设计师、软件编程员、系统测试员、实施顾问直到系统维护人员。产品要简单易用MES软件产品，主要是为车间(分厂)的现场管理人员所使用的，这些现场管理人员不是rr人员，他们的文化水平通常也不高。所以，MES产品的使用要很方便，几乎要做到只要熟悉自己的业务就能使用软件系统，要将技术屏蔽在后台。适应性要好通常，成熟的产品常有较多的应用，其适应性也相对较好。适应性较好的MES软件，用户可以根据需要自行进行系统配置，以协调企业在应用范围、组织结构、用户权限甚至业务流程等方面的变化。因此，企业最好选择有一定成熟度的产品，至少在本行业是有过应用的，哪怕是失败的应用。因为失败的教训也是财富，这点不仅对软件公司，对用户也是一样。扩展、集成要可靠现在，企业实施信息与自动化系统都不是单一的一套系统，从制造业早期的财务管理软件、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺(CAPP)、产品数据管理(PDM)到企业资源计划(ERP)、办公自动化(OA)、集散控制系统(Dcs)，企业或多或少都会使用其中多套软件系统。为了防止出现信息孤岛问题，MES软件产品不仅在功能上要满足企业现在的需求．还要能尽可能满足未来的需求，这就要求软件具备一定的扩展性，将来能够和其他的系统(如ERP、DCS等)进行集成，以适应企业信息化整体的需求。产品升级要保障IVIES软硬件产品的升级，是一项必须要考虑的因素。rr技术发展速度日新月异，从开发平台到网络技术都在迅速改变，所以软硬件的更新速度也非常快。能否及时给企业使用的MES产品升级，而且是在不影响正常工作的前提下平滑升级，是判断产品好坏的基本条件之一，也是企业日后持续稳定应用的基本保障。价格体系要明晰大型软件产品的价格，很难说单一价格，大多数都是有一个体系构成的，分别包括软件产品价格、实施指导价格、客户化价格、二次开发价格、年服务费等。所以，一定要搞清楚供应商的价格体系，其中具体包括哪些项目。软件产品价格方面，各个厂商的数据都是比较明晰的。而其他部分的价格，就各有千秋了。现在行业内还没有统一的标准，基本上是各家软件公司自己定的，有的按人天计费，有的按人月计费等等。以下图4．2是对MES软件的评估，选择流程建议第44页／共53页 基于半导体行业的Ⅲ强的设计与实施图4．2MES软件的评估／选择流程建议4．4实施进程完善了管理环节，就可以考虑实施MES项目了。一个典型的MES实施进程，主要包括前期工作、实施准备、模拟运行与试运行、切换运行以及新系统运行几个阶段．如图4．3所示。第45页，共53页 基于半导体行业的liES的设计与实施图4-3典型的MES实施进程项目前期⋯打好基础项目前期，是指MES软硬件安装之前的阶段。这个阶段非常重要，关系到项目的成败，但往往为实际操作所忽视。这个阶段的工作主要包括前面提到的MES培训、车间现场问题诊断、需求分析以及软件选型等方面的工作。车间现场问题诊断，是指由企业的高层领导、车间(分厂)领导和项目组人员用MES的思想对车间(分厂)现行业务流程和存在问题进行评议和诊断，寻求解决方案，用书面形式明确预期目标，并确定评价实现目标的标准。需求分析方面，企业需要理智地进行分析以下问题：◆企业当前最迫切需要解决的问题是什么，MES系统是否能够解决?◆MES系统的投资回报率如何?◆在财力上，企业能不能支持MES的实施?◆上MES的目的所在，系统到底能够解决哪些问题、达到哪些目标?◆基础管理工作有没有理顺或准备在上MES之前让咨询公司帮助理顺?人员的素质够不够高?认真考虑以上问题之后，企业应该将分析结果写成需求分析和投资效益分析正式书面报告，从而做出是否上MES项目的正确决策。实施准备一“软“‘硬”兼顾在运行MES系统之前，要准备并录入一系列基础数据，部分基础数据是在运用系统之前往往没有或未明确规定的，故需要做大量分析研究的工作。基础数据通常包括产品结构、物料(包括物料编码规则、零件、毛坯、在制品、刀具、工装、工具、量检具等)、工艺路线、加工工时、物料库存、设备与人员资源、第46页，共53页 基于半导体行业的tiES的设计与实施各种例外代码与原因代码等信息。在MES系统安装和实施之前，必须把网络系统建设好。MES所需的网络，除了一般的局域网外，还涉及车间现场数据采集与控制网络。车间现场网络可采用多种形式，如工业以太网、现场总线、RS-485网络或RS-232网络等。具体的网络形式，应根据数据采集系统的要求来确定。在人员、基础数据和网络基本准备好的情况下，可以将系统安装到车间(分厂)和相关的业务部门中，并进行一系列原型测试。原型测试用企业的典型数据对软件功能进行测试，也称计算机模拟。由于MES系统是信息集成系统，所以在测试时，应当是全系统的测试，相关部门的人员都应该同时参与，这样才能理解各个数据、功能和流程之间相互的集成关系，找出不足的方面，提出解决问题的方案，以便接下来进行补充开发、二次开发或用户化。由于行业与企业的特殊性以及MES系统的成熟性问题，在系统原型测试后常常会发现许多问题以及部分功能上的不足，需要对系统进行补充开发与二次开发。由于MES与ERP、数据采集系统、DCS系统等有数据集成要求，因此，为了简化数据准备时间，必要时应在系统二次开发的同时进行系统的集成开发。运行阶段的管理在用户基本掌握系统功能的基础上，企业可以将各种必要的数据录入或导入系统。带着车间(分厂)日常工作中经常遇到的问题，组织项目小组进行实战性模拟。此时，要对测试和模拟中发现的不合适系统界面与报表进行用户化。图4．4MES系统运行前后业务人员的工作量对比在模拟运行和制定工作规程的基础上，可以对系统进行试运行。试运行时既第47页，共53页 基于半导体行业的tiES的设计与实施要按原来的手工管理模式进行操作，同时又要按MES的管理模式进行操作。此时，相关业务人员的工作量就会增加，特别是那些需要进行大量人工数据录入的工作岗位，工作量会大大增加，如图4．4所示。对此，企业领导需要采取相应的对策。切换运行是指把原来并行运行的业务切换到只有MES单系统运行。系统切换要根据企业的条件来决定应采取的步骤，可以各模块平行一次性实施，也可以先切换一两个模块。在这个阶段，所有最终用户必须在自己的工作岗位上使用终端或客户机操作，处于真正应用状态。原则上，系统并行运行的时间不宜过长，在条件合适的情况下尽早切换。一个新系统被应用到企业后，实施的工作其实并没有完全结束，而是将转入到业绩评价和下一步的后期支持阶段。这是因为我们有必要对系统实施的结果做一个小结和自我评价，以判断是否达到了最初的目标，从而在此基础上制定下一步的工作方向。由于市场竞争形势的发展，将会不断有新的需求提出，再加之系统的更新换代，数据量的快速增加，IT技术的进步都会对原有系统构成新的挑战。所以，无论如何．都必须在巩固的基础上；通过自我业绩评价，制定下一目标，再进行改进，不断地巩固和提高。4．5实施效益(1)使企业在新的管理和创新平台上求得企业更大的发展空间，并促进企业员工更新观念，全面提高员工的素质。(2)明显降低库存，减少流动资金，加快物流速度并有助于提高管理效率。改善产品质量，降低生产成本，使企业的运营有明显的提高质量。(31可明显提升企业形象，对企业综合环境建设提高企业对国内外客户的吸引力，减少对资源的索取都有非常现实的意义。(4)基于MES用户的经验，使用MES所带来的效益很可观。相比于其它任何制造软件，MES应该是最具吸引力的。见下表，第48页，麸53页 基于半导体行业的lIES的设计与实施表415MES效益数据统计第49页，共53页 基于半导体行业的gES的设计与实施第五章结论与展望5．1结论社会信息化和互联网正在对人类经济和社会生活产生革命性影响，而半导体产业则是互联网和信息化的基础和核心。进入2l世纪，信息产业己成为世界经济中规模最大、发展最为迅猛的产业。2003年初在瑞士达沃斯召开的“世界经济论坛年会”上，许多经济学家认为，人类正在进入以信息网络为核心的“新经济”时代。而“网络”是以计算机和通讯为依托的，其生存和发展的每一步都离不开半导体芯片技术的支持与更新。谁拥有了半导体产业，谁就拥有了世界的未来。因此，发展半导体产业对我国来说具有重要的战略意义。以往的生产模式将“材料转变为产品”的过程简单地视为黑匣子的观念，这对于现今学习生产管理的人来说已经不可取了，因为这种生产会带来很多人工作业，频繁的错误以及极大的资源浪费。对我国半导体发展是非常不利。因此，引进MES，将这一过程予以透明化，具体化将变得非常重要。本人结合具有多年来在跨国半导体公司的经验，提出针对于半导体行业的MES系统的功能设计及系统设计，结合半导体的行业特征及论述了MES系统如何帮助半导体制造企业优化生产流程，提高生产质量。同时，在MES的软件选型，系统实施方面也作了详细地论述。希望能够起到抛砖引玉的作用，促进半导体行业企业信息化建设的步伐，并对其他类型的制造企业提供有价值的辅助参考。5．2展望随着科学技术的发展和制造工艺的精细，半导体制造企业的投资越来越高，竞争越来越激烈，企业急需能够灵活多变的适应企业发展的MES系统。下一代半导体行业的MES系统将是以高度自动化为核心的，对生产计划和机器设备的运行状况具有学习功能。下一步的工作应该是对以下的问题进行研究：(1)如何从机器设备的运行状况中学习机器设备的维修曲线(2)如何更好的管理与控制recipe(制造配方)以避免误用引发质量问题(3)如何在世界范围内进行异地生产集中管理及调度，资源共享。(4)如何在更好利用rr投资，降低MES系统的IT成本(5)如何引导中小企业应用MES以提高核心竞争力第50页供53页 基于半导体行业的衄s的设计与实施参考文献[1]MESAInternationalWhitePaper6，MESExplained：AHighLevelVision，1997．[2]MESAInternationalWhitePaper3，Controlsdefinition＆MEStocontrolsdataflowpossibilities。2000．[3]MESAInternationalWhitePaper2，MESfunctionalities＆MRPtoMESdataflowpossibilities。1997．[4]黄河清<>2003[5]MESAInternationalWhitePaper1，ThebenefitsofMES：Areportfromthefield，1997．[6]曹社辉．王宁生制造执行系统的现状与发展趋势[7]陈宇制造业车间级管理系统(Ms)及其典型结构，[8]ChungShengLuen，JengMuder。AnoverviewofsemiconductorFabautomationsystems，2004．[9]王意洁，肖侬，MES关键技术研究，2002．[10]DavidDeRoure，YmrkA．Bake，NicholasR．Jennings，andNigerR．Shabolt，TheevolutionoftheMES，2005．[11]南京航空航天大学叶文华教授MES系统的实施准备2004[12]PeterCsatary，KlausKumerle，300mmFabConversions＆theChemisphericalChallenge—aModelCaseStudy，2002．[13]MichaelMcClellan，ApplyingManufacturingExecutionSystem，2003．[14]S．W．Jeng，Designandimplementationofmanufacturingexecutionsystemforvirtualfabs，1999．]戴勇曹江辉，让制造与计划相统一”中国计算机用户一赛迪网]马万太戴勇，专题Ms的行业应用”中国计算机用户一赛迪网]Andrew6reasley，Asimulationofworkflowmanagementsystem，2003．[18]J．L．Caro，A．Guevara，Workflow：asolutionforcooperativeinformationsystemdevelopment，BusinessProcessManagementJournal，2003．[19]05203年上半年中国制造业企业信息化发展研究报告．[20]ChengFanTien，ShenEric。DengJunYan，NGUYENKevin，Computer第5l页／共53页 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