半导体工厂测试车间布置研究

上海交通大学硕士学位论文半导体工厂测试车间布置研究姓名：孟明宇申请学位级别：硕士专业：工业工程指导教师：蒋祖华;李树刚20080101上海交通大学工程硕士学位论文摘要I半导体工厂测试车间布置研究摘要随着半导体产业的不断发展与壮大，诞生了很多基于半导体生产的新鲜产业。MEMSIC，就是这样一家从事微机电系统设计与生产的企业。经过8年的艰苦创业，工厂不断扩大，于是工厂实施的科学布局问题并应运而生。车间布局设计是制造系统设计的重要内容之一，车间布局的优劣直接决定着产品质量、生产率和经济效益。SLP(系统布置规划)是工业工程领域中工厂设计的一项技术。它在设计过程中将各单元的相互关系通过量化的指标表现出来，并以此为基础安排布局。作为一个特殊的半导体工厂，MEMS测试车间的布局，因为其特殊的工艺设备因而具备一定的特殊性。本课题正是针对这一项目背景，从系统设施布局（SLP）这一基本的理论体系出发，展开了对半导体测试车间布局需求、要素、物流关系、非物流关系等方面的分析，给出了几个布局的预选方案，同时采用系统因素评价法对三个方案进行评估，优选，最后对最优方案进行了详细布局。实践证明，这样的思路和方法是正确的，成功的。我们可以将这样的研究进一步拓展到整个MEMS半导体工厂，乃至相似的行业。关键词：车间布局，半导体工厂，微机电产品，测试车间上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACTIIRESEACHONTESTWORKSHOPLAYOUTOFSEMICONDUCTORFACTORYABSTRACTQuiteafewnewproductlinescomeforthwiththerapiddevelopmentofsemiconductorManufactory.Asoneofthem,afterenjoyingthegrowingpainfor8years,MEMSIC,acompanyfocusingondesign&producingMicro-Electronic-Mechanical-System(MEMS),nowbecomesaworldleadingMEMSproducingcenter.AsoneofthekeyissuesoftheManufactoryDesign,goodworkshoplayoutwillleadtobetterproductquality,betterlineefficiencyandmorerevenue.SLP(SystematicLayoutPlanning)isatechniqueforfacilitydesigninIEfield,whichrunsthelayoutprocessbydigitalizingalltherelationshipsamongallthecellsassociated.Asaspecialsemiconductorfactory,layoutforMEMStestworkshopownsitsspecialtyforitsspecificprocessesandmachines.Basedonthat,thisprojectstartedwiththeSLPtheory,analyzedalltheaspectsaboutthelayout:requirements,factors,logisticrelations,non-logisticrelations,etc.,cameouttoseverallayoutsolutions,andfinally,finishedthedetailplacementaftersystematicevaluation.Thewholemethodologyisprovedbypractice,andisvaluableforextendingtothewholemanufactoryandsimilarindustry.Keywords:SLP,SemiconductorManufactory,MEMSProduct,TestWorkshop上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1半导体车间布局概述设施规划发源于早期的制造业，是伴随着工业生产产生的，一直以来都是工业工程的重要分支[1]。自泰勒时代开始，管理工程师就关心制造厂的设施规划问题，开始把“机”和“物”的管理提到一定的地位上来。二战以后，被战争破坏的国家重建工业的时期，工厂的规模和复杂程度明显增大。由于这些变化，工厂的设施规划也日益显示出现代的特征。近几年来，由于半导体芯片在电脑，通信等领域的广泛应用，半导体制造业也在全球得到了飞速发展。在半导体制造业中，由于其昂贵设备的敏感性和制造过程的复杂性，工厂的布局变得不可以轻易更改，初始的不良布局结果会导致庞大的物料搬运成本、无效的生产以及重新布局时所需要的大量成本。因此，工厂的设施规划已经成为半导体制造商们最关心的问题，在建厂初期以及扩产过程中，我们必须对工厂进行谨慎详细的规划。这样，工厂投产以后整体生产系统才能发挥最大的生产效能。制造业中，把设施规划定义为对一个生产系统进行全面的、系统的规划和安排，这种规划和安排是有目的的，这就是要确定经济合理的投入，使设施得到优化的配置，以支持整个系统实现有效的运行，获得期望的产出。从工业工程的角度考察，半导体设施规划的范围被界定为场址选择和设施设计两个组成部分。车间的设备布局设计就是对机器、设备、运输通道、场地，按照物流、人流、信息流的合理需要，做出有机组合和合理安排。1.2课题提出的背景和意义1.2.1企业概况美新半导体有限公司是一家从事研发、制造和销售微电子机械集成（MEMS，IC）科技芯片的半导体企业，诞生于1999年11月。美新公司是全球首家将微机械系统（MEMS）和混合信号处理电路集成于单一芯片的惯性传感器公司。通过结合标准CMOS流程，美新公司已经成功生产出20多种更低成本、更高性能并处于世界领先水平的加速度传感器。此外，通过运用标准CMOS工艺技术，使得嵌入附加功能或创造新产品显得更加容易；并且使产品能够延伸至除加速度传感器之外的其他更多的MEMS应用领域。美新公司的加速度传感器又被称为惯性传感器，可用来测量倾角、倾斜、振动以及惯上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论2性加速度。任何要求对动作进行控制和测量的应用都是加速度传感器潜在的应用范围。美新的加速度传感器以优异的性能和低廉的价格成功地打开了许多前所未有的新兴市场。良好的性价比是美新公司打开新传感器应用领域的制胜法宝，并且由于产品优异的性能和良好的可靠性，美新公司已经成为世界消费类电子市场的主要惯性传感器供应商。美新公司被许多世界知名公司所承认，列如联想-IBM,索尼,松下,Autoliv,INFocus,TOMTOM和三菱等企业。经过8年的艰苦创业，2007年12月，美新公司在美国纽约纳斯达克成功上市了。2008年，公司的发展进入了一个全新的阶段，公司将以多种产品的姿态重新定位自身。除了加速度计之外，公司将推出诸如磁传感器、流量传感器、压力传感器等一系列MEMS产品。1.2.2课题背景和意义在公司不断壮大的过程中，有两件事是同时进行的，那就是生产和扩产。一方面，现有的厂房和设施需要最大程度的利用起来应付不断加大的订单，另一方面，针对中长期的销售战略，要对厂房和设备进行能力扩充。2007年，公司制造产能为2Million颗/月，根据销售战略计划，2008年需要把全线制造产能扩充为6Million颗/月，也就是今年的3倍。那么，当基建完成后，设施如何进行规划呢？车间如何才能相对科学合理的布局呢？这就是本论文需要研究的课题。本课题研究的意义是多方面的。其中主要包括以下两点：1)采用科学的方法进行设施的布局，可以提高生产效率，减少不必要的浪费，降低成本，通过过程的优化，最终达到生产精益的目标；2)走出一条属于MEMS半导体工厂布局的独特的道路来。公司的产品是基于标准CMOS工艺的，但是他又不是完完全全的半导体FAB，他有自己独特的工艺、设备，有些设备公司还拥有专利。那么，这样的车间布局理论和方法并不能完全套用通用的半导体工厂布局的程式，必须采用科学的方法走出自己独特的路子来。引进SLP系统布置理论体系是一个很好的开端。上海交通大学工程硕士学位论文第二章车间布局的研究现状3第二章车间布局的研究现状2.1车间布局的内容和意义车间“设施”是指一个企业所拥有的有形资产，其中包括实体建筑、机器设备、物品物料、工作人员。“规划”是指如何将一个系统中的资产做最有效的分配、安排，使系统达到最佳的绩效表现，包含下列内容[2]：1)它是针对组织营运的未来目标而制定的执行计划，期望达到最佳化的表现。2)在规划实际进行时，不只是考虑静态的系统安排，更需要提供系统可随时应变的弹性能力。3)它必须和组织结构充分且完整地结合，并配合专业人员负责此项工作，以便在规划内容付诸实施时能持续追踪改进，达到最佳的绩效表现。结合上述三点，规划对于组织的产出绩效进行最后步骤的评估；亦即针对不同的系统资源及使用方式，归结出关联属性最密切的因素，而使整体表现能达到成本最低、质量最好、空间运用效率最佳和人员士气最稳定等多重目标。车间的布局，即设施规划，是在企业经营策略的指导下，针对企业个体中的生产或服务系统的生产或转换活动，从投入到产出的全部过程中，将人员物料及所需的相关设备设施等，做最有效的组合与规划，并与其他相关设施协调。以期获得安全、效率与经济的操作，满足企业经营需求。总之，车间布置是影响深远的一项工作，一个良好的车间布置可以用埃普尔(Apple)的“良好布置标志”来衡量[3]。“良好布置标志”主要包括：围绕某一预先计划好的布置设计建造建筑物；通道笔直、清楚、有标记；保持最低限度的后退倒行；有关作业紧靠在一起；生产时间可以预测；安排进度计划的困难最小；最少量的在制品；条件改变时容易调整，具有高柔性；扩展计划时容易编制；实际加工时间对生产总时间之比最大；检查最少而质量最好；材料搬运距离最短；手工搬运最少；无不必要的材料重复搬运；材料放在负载单元中搬运；作业之间的搬运最少；材料能及时传递给工人；材料能从工作区域及时搬开；由间接工人来做材料搬运工作；有秩序地搬运和储存材料；工人能以最高效率工作等。上海交通大学工程硕士学位论文第二章车间布局的研究现状42.2车间布局的输入信息“产品或生产计划应该是工厂设计的出发点，并从中推导出它的全部设计基础。”[4]缪瑟将产品、生产路线、时间、辅助服务部门作为设施布置分析的原始资料，并将产品和数量列为最重要的资料。因为从生产计划的角度来讲，产品产量分析是产品组成问题的基础和库存控制的基本概念。而对工厂设计人员而言，则是决定基本布置分析的基础。布置决策问题，可以定义为确定生产系统内各物质部分的最优安排。设施布置的依据主要有以下几个方面：1)产品（P，Product）和产量（Q，Quantity）。产品及其产量是指工厂要生产的产品型号、系列、规格、产量和年生产量，这些因素影响到设施的组成及其相互关系、选用设备的类型、物料搬运的方式等，各类产品的产量由年度生产纲领提供，常用件数、重量或销售价值来表示。这一因素对设施规模、设备数量、运输量、建筑面积均产生重要影响。在图2-1所示的P-Q曲线中[5]，a)Q/P比值大（A区域），适用于大量生产方式，工序设备按产品原则布置。b)Q/P比值小（C区域），适用于单件小批量生产方式，工序设备按工艺原则布置。c)Q/P比值适中（B区域），适用于中小批量生产方式，工序设备按成组原则布置。ABC图2-1P-Q曲线Fig.2-1P-QCurve2)工艺过程（R，Route）。由熟悉本行业先进生产工艺的工程技术人员或专业咨询公司提供的工艺过程表、工艺路线卡、装配工艺卡等工艺文件。工艺过程将对生产单位的物流系统组成、物料搬运路线、仓库位置等有重要影响。3)辅助服务部门（S，Service）。是指支持生产运行的工厂各辅助部门，如工具领取和维修部门、动力部门、各公用设施管理部门等。需要的辅助