半导体封装阶段批加工设备调度

文/邢轶斌 徐海滨 康永

随着社会经济水平的提升和科技实力的增强，越来越多的领域开始使用半导体材料，这对半导体制造提出了更高的要求。然而，对现如今的科技水平而言，半导体制造仍是当前最复杂、难度最高的制造工程之一，其制造过程主要包括四个环节：晶圆加工、中试、封装以及完成品测试。批加工设备调度对于半导体封装阶段调度有至关重要的影响，能够直接决定半导体封装的效率和质量。本文通过分析小规模、中规模、大规模三种半导体封装阶段仿真实验模型，对新提出的半导体封装阶段批加工设备调度规则进行了仿真模拟以验证。验证结果显明，半导体封装阶段批加工设备调度规则对于提高半导体封装质效有着相当明显的作用，能够提升准时交货率、缩短生产周期，也能够对产品性能的完整性提供一定的保障。

1 批加工设备调度

1.1 概述

根据批加工设备处的规定，只要工件的待加工工序与加工设备上的工艺菜单相符合，就可以使用该设备对该工件进行组批加工。批加工设备的加工时间通常不是由加工的工件的总数目决定，且这个时间通常要比非批加工设备加工时间长许多。最大加工批量是考察批加工设备性能的重要参数，反映了设备的加工能力和加工效率，通常批加工设备都会明确规定其最大加工批量，组批工件的数量不能超过这个规定的批量，否则可能会引发设备的故障。批加工设备一旦启动工作，就不能再随意增减已经放置在设备上等待加工的工件数量；同时需要注意的是，工件加工是需要分批次的、非抢占式的，即只有将当前正在加工的工件加工完成后，才可以使用该设备进行下一批工件的加工。批加工设备调度需要考虑两个主要问题：一是如何组批工件，二是如何确定组批加工工件的顺序。目前，针对半导体封装阶段批加工设备调度研究主要从两个角度展开：一是静态调度，二是动态调度。在静态调度研究的过程中，往往只针对批加工设备本身进行研究，而不将其他设备与其的调度配合纳入考虑范围，这就难以保证研究成果的全面性和可靠性，从而对提升半导体封装整体的效果难以产生有效的指导。而在动态调度研究中，有学者提出了最小加工批量规则，即要求重点关注如何确定最小加工批量。其中应当格外关注作为特例研究的最小加工批量为1或设备最大加工批量，而实际的半导体疯转阶段往往为了保证设备的有效运转，会尽可能地保持设备最大加工能力作为设备的加工批量；在此之后，有学者提出了动态批量调度启发式规则，在该规则中，由于需要为后续的工作进行考虑，因此插入了一段固定的设备空闲时间，不利于设备最高效运转，也降低了生产的柔性；另外，有学者提出了考虑为即将加工的工件与下游设备提供准备时间以保证工件质量和设备性能都处于正常状态的批加工设备调度方法，为加工安全性提供保障。然而，在以上研究中，均未对批加工设备的负载情况加以考虑，因此，对半导体封装阶段批加工设备的调度应当进行更加深入的研究。

1.2 工件组批规则

批加工设备一旦转变现有的状态，比如由繁忙工作状态转变为空闲状态，或由暂停工作状态转变为可用状态，就要为设备选择合适的工件使其开始工作。在批加工设备调度中，需要注意的是组批工件数量不能大于设备的最大加工批量，否则很可能引发事故，也会对设备的性能造成影响。因此，当同一时段需要加工的工件数超过批加工设备的最大加工批量时，就需要考虑如何组批工件以提高半导体封装效率。另外，当缓冲区中待加工的工件数未达到最大加工批量时，还要考虑将已完成加工但还未运送至相应封装准备区的工件及时运送过来，以保证批加工设备的时间利用率与能源利用率都能达到最高，从而尽可能减少资源能源损失，提升封装效率。

2 批加工设备作业调度

2.1 模型假设

（1）在非批加工设备的工作过程中，封装过程以工件(Lot)为加工单位，每次加工一个工件；而在批加工设备中通常将批(Batch)作为加工单位，每次可对多个工件进行封装；

（2）批加工设备群中一般由多台能完成相同工作的设备组成，可由任意一台设备完成同一工序；

（3）批加工设备存在最大加工工件数和最小加工工件数，一个Batch中工件的数量应不超过批加工设备的最大加工批量；

（4）应当优先加工具有较高优先级的订单；

（5）由于批加工设备为非抢占式加工设备，同一个Batch中的所有工件需要同时开始加工同时完成加工，中途不能增加或减少工件数量；

（6）组成一个Batch的工件需要拥有相同的订单等级、相同的产品种类、相同的加工工序和加工工艺。

2.2 仿真模型数据

2.2.1 小模型

小模型是根据实际封装阶段简化而来的一个简单模型，它包含三个设备群，五台批加工设备，六道加工工序。为了获得比较有代表性的结果，各设备的故障时间和所需要的检查修理时间设置为固定的，将原先需要封装的工件的时间又相等改变为不等。仿真时间设定为一年，在此过程中观察封装的效果变化。

2.2.2 中模型

中模型采用了硅片生产技术中心开发实验室中生产设备的模型，虽然该模型描述的是一个简单的半导体封装系统，但模型的大多数参数都是真实的，源于对实际设备进行分析考察而得来的数据。在该模型中，所有进入封装阶段的工件的加工路径都是相同的，包含了172道加工程序。仿真实验时间为一年。

2.2.3 大模型

该模型包含了100多台设备，为使仿真过程尽可能简单清晰、方便观察，因此只考虑了实际封装阶段上加工的三种主要产品。这三种产品的封装工序、对应的加工设备及封装时间都参考了实际封装阶段的真实值，因此各项参数的设置基本上是完全符合实际封装过程的。在该模型的运转过程中，由于设备数量较大，为了简化实验过程和操作，因此未对设备的维护和维修时间加以考虑。仿真时间为一年。

2.3 仿真结果

由上述三种仿真实验可以得出，生产环境越复杂，半导体封装阶段批加工设备调度规则越会比传统的固定调度模式显现出更大的优势来。这也提醒了半导体制造商，在其当前的实际生产中采用的方法是存在一定漏洞的，例如有时对移动步数的关注度过高而忽略了其他一些因素，从仿真实验的结果可以看出，当移动步数基本相同的情况下，其他性能指标也可能会反映出很大的差异性，因此只对某一单一指标进行关注和考察是不够的，这会导致实验结果的不准确性，也会造成整体实验偏离实际目标。

3 结束语

批加工设备在半导体封装阶段运用较广，因此，批加工设备的调度安排对提高半导体封装效果具有重大意义。本文针对一种新提出的半导体封装阶段批加工设备调度规则进行研究讨论，使用小、中、大三种规模的半导体封装阶段模型进行仿真实验，研究表明，半导体封装阶段批加工设备调度规则与传统的固定加工批量调度制度相较而言，前者能够较大幅度地提升半导体封装质效，有效弥补了后者在灵活性方面的不足，从而为准时交货和压缩工期提供了保障。