潘春榮，梁家瑋，謝斌暉

（1.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.福建晶安光電有限公司，福建 泉州 362000）

1 引言

生產(chǎn)周期的長(zhǎng)短對(duì)生產(chǎn)成本的高低起著非常重要的作用，是企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素?？s短藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期，能夠?qū)?zhǔn)時(shí)交貨，提升顧客滿意度，樹(shù)立企業(yè)良好口碑，提高資金周轉(zhuǎn)率起到積極作用。然而藍(lán)寶石襯底制造系統(tǒng)具備大規(guī)模、多重入、混合加工等加工特性［1-3］，且其制造過(guò)程復(fù)雜，工序繁多，導(dǎo)致藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期管理非常困難。同時(shí)藍(lán)寶石襯底在生產(chǎn)過(guò)程受到返工，機(jī)器故障，工藝路線變更，人員作業(yè)疏忽等不確定因素的影響，導(dǎo)致生產(chǎn)周期發(fā)生波動(dòng)，甚至出現(xiàn)產(chǎn)品交貨時(shí)間不準(zhǔn)的情況。

關(guān)于生產(chǎn)周期改善，已有的研究主要集中于在制品控制，瓶頸控制，生產(chǎn)周期預(yù)測(cè)，設(shè)備符合分配，生產(chǎn)安排和優(yōu)化等方面［4-6］，考慮生產(chǎn)周期不確定影響因素并量化影響程度的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)［7］通過(guò)建立針對(duì)變動(dòng)性（動(dòng)態(tài)不確定影響因素）的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備利用率的變動(dòng)性來(lái)縮短生產(chǎn)周期。文獻(xiàn)［8］將變動(dòng)性來(lái)源分為設(shè)備類、產(chǎn)線結(jié)構(gòu)類、產(chǎn)品類和運(yùn)行控制類，通過(guò)量化變動(dòng)性來(lái)提升系統(tǒng)生產(chǎn)性能。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為工件提前或拖期到達(dá)、加工時(shí)間的不確定性，以及由于緊急任務(wù)插入或工人操作失誤導(dǎo)致的“排隊(duì)規(guī)則出錯(cuò)”，機(jī)器故障等不確定因素會(huì)影響多品種小批量離散制造系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度能力，提出了結(jié)合離散仿真和層次分析法的混合遺傳算法來(lái)實(shí)現(xiàn)總流程時(shí)間短，任務(wù)分配均衡，設(shè)備平均利用率高的目標(biāo)。文獻(xiàn)［10］提出了一種考慮不確定因素的作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度動(dòng)態(tài)算法，避免不確定性隨機(jī)突發(fā)事件對(duì)生產(chǎn)的干擾，保證產(chǎn)品的交貨期。

以某光電企業(yè)為例，運(yùn)用失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）方法識(shí)別藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化分析，并制定相應(yīng)的改善對(duì)策，從而達(dá)到縮短生產(chǎn)周期的目的。

2 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期組成及現(xiàn)狀

藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期是指從原材料投入，加工至產(chǎn)出的全部時(shí)間，即藍(lán)寶石襯底加工時(shí)間與非加工時(shí)間的總和［11-12］，其中，加工時(shí)間作為藍(lán)寶石襯底制備的增值部分，在整個(gè)生產(chǎn)周期中占比較?。欢羌庸r(shí)間包括等待時(shí)間、搬運(yùn)時(shí)間、檢測(cè)時(shí)間和儲(chǔ)存時(shí)間，其在生產(chǎn)周期過(guò)程中占比較大，受到不確定因素影響，導(dǎo)致生產(chǎn)周期發(fā)生波動(dòng)。因此藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期改善主要集中在非加工時(shí)間上，對(duì)非加工時(shí)間進(jìn)行分析并采取改善措施，能有效地縮短藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期。

某光電制造企業(yè)主要生產(chǎn)4寸和6寸藍(lán)寶石襯底，其制造工藝主要分為平片和圖形化藍(lán)寶石襯底（Patterned Sapphire Sub?strate，PSS）。相對(duì)于PSS工藝，平片工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，目標(biāo)周期達(dá)成率低。企業(yè)7月至11月的藍(lán)寶石襯底平片生產(chǎn)周期分布情況，如表1所示。其中，符合目標(biāo)生產(chǎn)周期（小于7天）的平均比例為77.75%，不符合目標(biāo)生產(chǎn)周期的比例高至22.25%，且部分藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期大于14天。平片工藝流程包括長(zhǎng)晶、掏棒、切片、研磨，拋光、清洗、品檢和包裝，加工過(guò)程由線切、研磨、倒角、退火、銅拋、拋光及檢測(cè)七個(gè)工作站共同完成，其中每個(gè)工作站包含多道加工工序，如圖1所示。

表1 藍(lán)寶石襯底平片工藝的生產(chǎn)周期分布Tab.1 Production Cycle Distribution of Sapphire Substrate Flat Wafer Process

圖1 藍(lán)寶石襯底平片工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Sapphire Substrate Flat Wafer Process

3 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期FMEA分析

FMEA 是一個(gè)識(shí)別、控制和改善失效模式的管理過(guò)程［13-16］，在風(fēng)險(xiǎn)分析中占重要位置。運(yùn)用FMEA方法對(duì)藍(lán)寶石襯底平片工藝生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析，識(shí)別平片工藝生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件并進(jìn)行改善，具體步驟如下：

（1）確定分析范圍為藍(lán)寶石襯底平片階段的生產(chǎn)過(guò)程；

（2）列舉平片工藝生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件，分析影響后果及產(chǎn)生原因；

（3）制定失效模式評(píng)級(jí)表，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)估，并按照風(fēng)險(xiǎn)度大小進(jìn)行排序；

（4）依據(jù)評(píng)價(jià)優(yōu)先序，確定關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件，制定相應(yīng)的改善對(duì)策。

3.1 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)藍(lán)寶石襯底平片工藝流程，通過(guò)實(shí)地調(diào)研及企業(yè)產(chǎn)線組長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)分析與討論，從5M1E（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)）角度，列舉藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)過(guò)程中影響生產(chǎn)周期的事件，共得到7 項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件及17項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)起因，其中風(fēng)險(xiǎn)事件包括機(jī)臺(tái)影響，人員影響，工藝不穩(wěn)定，調(diào)度方式影響，物流不均衡，物料影響及藍(lán)寶石襯底滯留，具體風(fēng)險(xiǎn)事件與代號(hào)，如表2 所示。為了表示風(fēng)險(xiǎn)事件與風(fēng)險(xiǎn)起因之間的邏輯關(guān)系，運(yùn)用故障樹(shù)的形式進(jìn)行表示。將藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期超期事件作為故障樹(shù)中的頂事件，導(dǎo)致頂事件的風(fēng)險(xiǎn)事件作為中間事件放在第二階，與各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)起因，作為底事件放在第三階。最后采用邏輯門(mén)符號(hào)將頂事件，中間事件與底事件連接起來(lái)，直到所有底事件都得到描述，如圖2 所示。為了確定各個(gè)生產(chǎn)階段存在的具體風(fēng)險(xiǎn)，用表格的形式將藍(lán)寶石襯底各個(gè)生產(chǎn)階段與風(fēng)險(xiǎn)事件一一對(duì)應(yīng)，其中集合S＝｛S1，S2，…，S｝i表示藍(lán)寶石襯底的生產(chǎn)階段，集合M＝｛M1，M2，…，M｝j=｛機(jī)臺(tái)影響，人員影響，工藝不穩(wěn)定，調(diào)度方式影響，物流不均衡，物料影響，藍(lán)寶石襯底滯留｝表示風(fēng)險(xiǎn)事件，符號(hào)“○”表示工作站Si存在風(fēng)險(xiǎn)事件Mj，如表3所示。

表2 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期風(fēng)險(xiǎn)事件及風(fēng)險(xiǎn)起因Tab.2 Sapphire Substrate Production Cycle Risk Events and Risk Causes

表3 風(fēng)險(xiǎn)事件與各生產(chǎn)階段對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.3 Relational Table between Risk Events and Each Production Stages

圖2 藍(lán)寶石襯底超期故障樹(shù)分析Fig.2 Sapphire Substrate Overdue Fault Tree Analysis

在FMEA分析過(guò)程中，根據(jù)失效模式評(píng)級(jí)表對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的嚴(yán)重度（S），頻度（O），被檢出程度（D）分別進(jìn)行評(píng)分，通過(guò)計(jì)算S，O，D三項(xiàng)指標(biāo)的乘積得到風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN［17-19］，計(jì)算表達(dá)式如式（1）所示。RPN數(shù)值越大，表示存在的風(fēng)險(xiǎn)越高，反之，則表示存在的風(fēng)險(xiǎn)越低。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期的影響程度，發(fā)生頻率及被檢測(cè)出難易程度的情況，將失效模式評(píng)級(jí)表的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)依據(jù)及細(xì)則，如表4所示。

表4 失效模式評(píng)級(jí)表Tab.4 Failure Mode Rating Table

3.2 風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)排序及原因分析

通過(guò)計(jì)算各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件的RPN值，并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。M4調(diào)度方式影響、M5物流不均衡、M1機(jī)臺(tái)影響和M7藍(lán)寶石襯底滯留四項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件的RPN數(shù)值高，對(duì)生產(chǎn)周期影響程度大，是影響生產(chǎn)周期的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件，如表5所示。對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)一步分析如下：

（1）藍(lán)寶石襯底在加工過(guò)程中實(shí)際進(jìn)行調(diào)度的是作業(yè)人員，受作業(yè)人員主觀意愿影響，藍(lán)寶石襯底的加工順序發(fā)生改變；同時(shí)藍(lán)寶石襯底加工受到固定機(jī)臺(tái)作業(yè)，多品種共線加工等因素影響，藍(lán)寶石襯底未能完全遵循既定的先進(jìn)先出規(guī)則進(jìn)行作業(yè)，增加了藍(lán)寶石襯底等待與滯留時(shí)間；

（2）藍(lán)寶石襯底在搬運(yùn)過(guò)程中受到緊急訂單，投料策略不合理，返工及良品率波動(dòng)等因素影響，出現(xiàn)大量藍(lán)寶石襯底集中搬運(yùn)，等待加工的情況，增加了其等待時(shí)間。因此優(yōu)化藍(lán)寶石襯底投料，確定工作站間合理的搬運(yùn)量，實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石襯底流通過(guò)程均衡化；

（3）部分工序機(jī)臺(tái)故障頻繁，預(yù)防性維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致藍(lán)寶石襯底無(wú)法正常加工，造成大量堆積。因此，在藍(lán)寶石襯底加工過(guò)程中需要確保機(jī)臺(tái)穩(wěn)定地運(yùn)行，減少對(duì)藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)造成影響；

（4）由于作業(yè)人員未及時(shí)加工，扣留等因素造成藍(lán)寶石襯底出現(xiàn)滯留情況，增加了生產(chǎn)周期。

3.3 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件改善對(duì)策

針對(duì)影響藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期四項(xiàng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件：M4調(diào)度方式影響，M5物流不均衡，M1機(jī)臺(tái)影響，M7藍(lán)寶石襯底滯留，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)起因，分別制定相應(yīng)的改善對(duì)策。

（1）對(duì)于藍(lán)寶石襯底調(diào)度問(wèn)題，各個(gè)工作站嚴(yán)格落實(shí)藍(lán)寶石襯底先進(jìn)先出（First In First Out，F(xiàn)IFO）調(diào)度規(guī)則。將藍(lán)寶石襯底暫存區(qū)劃分為多個(gè)區(qū)位，作業(yè)人員根據(jù)藍(lán)寶石襯底進(jìn)站的先后順序?qū)⑵浯娣旁诓煌膮^(qū)位，并用記號(hào)筆標(biāo)明進(jìn)站時(shí)間，指導(dǎo)員工按照先進(jìn)先出調(diào)度規(guī)則進(jìn)行作業(yè)，保證最早進(jìn)站的藍(lán)寶石襯底優(yōu)先加工；對(duì)于藍(lán)寶石襯底前段加工站點(diǎn)，如研磨站，運(yùn)用最小加工時(shí)間（Shortest Processing Time，SPT）調(diào)度規(guī)則，優(yōu)先加工數(shù)量少的藍(lán)寶石襯底批次，進(jìn)一步減少平均流程時(shí)間。

（2）對(duì)于物流不均衡問(wèn)題。在藍(lán)寶石襯底投料過(guò)程中，運(yùn)用固定在制品（CONWIP）投料方法，先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合利特爾公式（在制品數(shù)量=平均產(chǎn)出率*平均加工時(shí)間）設(shè)置合理的在制品數(shù)量，再依據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)中的實(shí)際在制品狀況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)投料。當(dāng)在制品水平高于合理在制品數(shù)量時(shí)，則暫停投料，避免藍(lán)寶石襯底堆積造成長(zhǎng)時(shí)間等待，增加生產(chǎn)周期；對(duì)于加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的工序，如線切，退火等，通過(guò)調(diào)節(jié)不同機(jī)臺(tái)的開(kāi)機(jī)時(shí)間，避免藍(lán)寶石襯底大批量集中產(chǎn)出，造成藍(lán)寶石襯底堆積；同時(shí)在搬運(yùn)過(guò)程中，各個(gè)工作站固定時(shí)間間隔均衡搬運(yùn)，避免藍(lán)寶石襯底大批量集中到達(dá)，增加其等待時(shí)間。

（3）對(duì)于機(jī)臺(tái)故障問(wèn)題，運(yùn)用全面生產(chǎn)維護(hù)（Total Productive Maintenance，TPM）策略，在日常例行維修的基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)測(cè)機(jī)臺(tái)的潛在故障和機(jī)臺(tái)故障發(fā)生規(guī)律來(lái)對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，減少機(jī)臺(tái)的故障發(fā)生頻率；同時(shí)根據(jù)ECRS（取消、合并、重排、簡(jiǎn)化）原則對(duì)機(jī)臺(tái)的維修流程進(jìn)行優(yōu)化，縮短機(jī)臺(tái)的維修時(shí)間。

（4）對(duì)于藍(lán)寶石襯底滯留問(wèn)題，加強(qiáng)員工培訓(xùn)，提高作業(yè)人員先進(jìn)先出作業(yè)意識(shí)，避免由于人員因素造成藍(lán)寶石襯底滯留，影響生產(chǎn)周期。對(duì)于已經(jīng)滯留在工作站內(nèi)的藍(lán)寶石襯底，通過(guò)制造過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）查詢工作站內(nèi)滯留的批號(hào)，采取優(yōu)先處理的方式進(jìn)一步消除滯留的藍(lán)寶石襯底。

同時(shí)在生產(chǎn)周期管理中運(yùn)用MES系統(tǒng)，還可以對(duì)藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期進(jìn)行監(jiān)控，如表6所示。通過(guò)對(duì)MES記錄的藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到藍(lán)寶石襯底工作站滯留時(shí)間，滯留數(shù)量，工序周期超期比例與超期數(shù)量等周期信息，為產(chǎn)線作業(yè)人員生產(chǎn)周期管理提供決策支持。

表6 藍(lán)寶石襯底周期監(jiān)控信息導(dǎo)出表Tab.6 Sapphire Substrate Production Cycle Monitoring Information Derived Table

藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期改善是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化的過(guò)程，F(xiàn)MEA表格需要不斷地進(jìn)行更新與維護(hù)，才能保證其在藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期管理中的有效性。對(duì)于新出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)事件，需要進(jìn)一步分析并添加到FMEA表格中；對(duì)于出現(xiàn)過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)事件，做好預(yù)防工作，當(dāng)日后再次出現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)MEA表格可提供改善參考。

4 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期改善效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證改善措施的有效性，將改善前（2018年7 月～2018年11月）與改善后（2018年12月～2019年4月）不同時(shí)間段藍(lán)寶石襯底目標(biāo)生產(chǎn)周期達(dá)成率情況進(jìn)行比較。改善前符合目標(biāo)生產(chǎn)周期（<7天）的平均比例為77.75%，改善后達(dá)到89.25%，整體提升11.5%，且改善后符合目標(biāo)生產(chǎn)周期的比例趨于平穩(wěn)，如圖3所示。同時(shí)改善后不符合目標(biāo)生產(chǎn)周期（7～14天及>14天）的比例出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，且生產(chǎn)周期波動(dòng)范圍逐漸縮小，如圖4、圖5所示。由此可知，通過(guò)FMEA方法對(duì)藍(lán)寶襯底平片生產(chǎn)周期進(jìn)行改善可以取得良好的效果。

圖3 藍(lán)寶石襯底目標(biāo)生產(chǎn)周期達(dá)成率情況Fig.3 Achievement Rate of Sapphire Substrate Target Production Cycle

圖4 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期（7～14天）占比情況Fig.4 Proportion of Sapphire Substrate Production Cycle（7～14 Days）

圖5 藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期（>14天）占比情況Fig.5 Proportion of Sapphire Substrate Production Cycle（>14 Days）

5 結(jié)論

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的半導(dǎo)體制造行業(yè)中，短生產(chǎn)周期是企業(yè)必備的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。在某光電企業(yè)藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期管理中應(yīng)用FMEA方法，確定了藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)周期的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)事件為生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)度方式影響，物流不均衡，機(jī)臺(tái)影響及藍(lán)寶石襯底滯留問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的改善策略；同時(shí)將改善策略應(yīng)用于藍(lán)寶石襯底實(shí)際生產(chǎn)中，改善結(jié)果顯示藍(lán)寶石襯底目標(biāo)生產(chǎn)周期達(dá)成率提升了10%以上，驗(yàn)證了FMEA方法的有效性。