半導體封裝階段批加工設備調度

文/邢軼斌 徐海濱 康永

隨著社會經濟水平的提升和科技實力的增強，越來越多的領域開始使用半導體材料，這對半導體制造提出了更高的要求。然而，對現如今的科技水平而言，半導體制造仍是當前最復雜、難度最高的制造工程之一，其制造過程主要包括四個環節：晶圓加工、中試、封裝以及完成品測試。批加工設備調度對于半導體封裝階段調度有至關重要的影響，能夠直接決定半導體封裝的效率和質量。本文通過分析小規模、中規模、大規模三種半導體封裝階段仿真實驗模型，對新提出的半導體封裝階段批加工設備調度規則進行了仿真模擬以驗證。驗證結果顯明，半導體封裝階段批加工設備調度規則對于提高半導體封裝質效有著相當明顯的作用，能夠提升準時交貨率、縮短生產周期，也能夠對產品性能的完整性提供一定的保障。

1 批加工設備調度

1.1 概述

根據批加工設備處的規定，只要工件的待加工工序與加工設備上的工藝菜單相符合，就可以使用該設備對該工件進行組批加工。批加工設備的加工時間通常不是由加工的工件的總數目決定，且這個時間通常要比非批加工設備加工時間長許多。最大加工批量是考察批加工設備性能的重要參數，反映了設備的加工能力和加工效率，通常批加工設備都會明確規定其最大加工批量，組批工件的數量不能超過這個規定的批量，否則可能會引發設備的故障。批加工設備一旦啟動工作，就不能再隨意增減已經放置在設備上等待加工的工件數量；同時需要注意的是，工件加工是需要分批次的、非搶占式的，即只有將當前正在加工的工件加工完成后，才可以使用該設備進行下一批工件的加工。批加工設備調度需要考慮兩個主要問題：一是如何組批工件，二是如何確定組批加工工件的順序。目前，針對半導體封裝階段批加工設備調度研究主要從兩個角度展開：一是靜態調度，二是動態調度。在靜態調度研究的過程中，往往只針對批加工設備本身進行研究，而不將其他設備與其的調度配合納入考慮范圍，這就難以保證研究成果的全面性和可靠性，從而對提升半導體封裝整體的效果難以產生有效的指導。而在動態調度研究中，有學者提出了最小加工批量規則，即要求重點關注如何確定最小加工批量。其中應當格外關注作為特例研究的最小加工批量為1或設備最大加工批量，而實際的半導體瘋轉階段往往為了保證設備的有效運轉，會盡可能地保持設備最大加工能力作為設備的加工批量；在此之后，有學者提出了動態批量調度啟發式規則，在該規則中，由于需要為后續的工作進行考慮，因此插入了一段固定的設備空閑時間，不利于設備最高效運轉，也降低了生產的柔性；另外，有學者提出了考慮為即將加工的工件與下游設備提供準備時間以保證工件質量和設備性能都處于正常狀態的批加工設備調度方法，為加工安全性提供保障。然而，在以上研究中，均未對批加工設備的負載情況加以考慮，因此，對半導體封裝階段批加工設備的調度應當進行更加深入的研究。

1.2 工件組批規則

批加工設備一旦轉變現有的狀態，比如由繁忙工作狀態轉變為空閑狀態，或由暫停工作狀態轉變為可用狀態，就要為設備選擇合適的工件使其開始工作。在批加工設備調度中，需要注意的是組批工件數量不能大于設備的最大加工批量，否則很可能引發事故，也會對設備的性能造成影響。因此，當同一時段需要加工的工件數超過批加工設備的最大加工批量時，就需要考慮如何組批工件以提高半導體封裝效率。另外，當緩沖區中待加工的工件數未達到最大加工批量時，還要考慮將已完成加工但還未運送至相應封裝準備區的工件及時運送過來，以保證批加工設備的時間利用率與能源利用率都能達到最高，從而盡可能減少資源能源損失，提升封裝效率。

2 批加工設備作業調度

2.1 模型假設

（1）在非批加工設備的工作過程中，封裝過程以工件(Lot)為加工單位，每次加工一個工件；而在批加工設備中通常將批(Batch)作為加工單位，每次可對多個工件進行封裝；

（2）批加工設備群中一般由多臺能完成相同工作的設備組成，可由任意一臺設備完成同一工序；

（3）批加工設備存在最大加工工件數和最小加工工件數，一個Batch中工件的數量應不超過批加工設備的最大加工批量；

（4）應當優先加工具有較高優先級的訂單；

（5）由于批加工設備為非搶占式加工設備，同一個Batch中的所有工件需要同時開始加工同時完成加工，中途不能增加或減少工件數量；

（6）組成一個Batch的工件需要擁有相同的訂單等級、相同的產品種類、相同的加工工序和加工工藝。

2.2 仿真模型數據

2.2.1 小模型

小模型是根據實際封裝階段簡化而來的一個簡單模型，它包含三個設備群，五臺批加工設備，六道加工工序。為了獲得比較有代表性的結果，各設備的故障時間和所需要的檢查修理時間設置為固定的，將原先需要封裝的工件的時間又相等改變為不等。仿真時間設定為一年，在此過程中觀察封裝的效果變化。

2.2.2 中模型

中模型采用了硅片生產技術中心開發實驗室中生產設備的模型，雖然該模型描述的是一個簡單的半導體封裝系統，但模型的大多數參數都是真實的，源于對實際設備進行分析考察而得來的數據。在該模型中，所有進入封裝階段的工件的加工路徑都是相同的，包含了172道加工程序。仿真實驗時間為一年。

2.2.3 大模型

該模型包含了100多臺設備，為使仿真過程盡可能簡單清晰、方便觀察，因此只考慮了實際封裝階段上加工的三種主要產品。這三種產品的封裝工序、對應的加工設備及封裝時間都參考了實際封裝階段的真實值，因此各項參數的設置基本上是完全符合實際封裝過程的。在該模型的運轉過程中，由于設備數量較大，為了簡化實驗過程和操作，因此未對設備的維護和維修時間加以考慮。仿真時間為一年。

2.3 仿真結果

由上述三種仿真實驗可以得出，生產環境越復雜，半導體封裝階段批加工設備調度規則越會比傳統的固定調度模式顯現出更大的優勢來。這也提醒了半導體制造商，在其當前的實際生產中采用的方法是存在一定漏洞的，例如有時對移動步數的關注度過高而忽略了其他一些因素，從仿真實驗的結果可以看出，當移動步數基本相同的情況下，其他性能指標也可能會反映出很大的差異性，因此只對某一單一指標進行關注和考察是不夠的，這會導致實驗結果的不準確性，也會造成整體實驗偏離實際目標。

3 結束語

批加工設備在半導體封裝階段運用較廣，因此，批加工設備的調度安排對提高半導體封裝效果具有重大意義。本文針對一種新提出的半導體封裝階段批加工設備調度規則進行研究討論，使用小、中、大三種規模的半導體封裝階段模型進行仿真實驗，研究表明，半導體封裝階段批加工設備調度規則與傳統的固定加工批量調度制度相較而言，前者能夠較大幅度地提升半導體封裝質效，有效彌補了后者在靈活性方面的不足，從而為準時交貨和壓縮工期提供了保障。