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2008年4月19日 星期六

MES Capability Management (一)

當我們建構好生產流程(Process Route)之後,MES 便可以依據此流程開始逐步生產(WIP tracking), 但如果該生產站點需要使用機台(Equipment)來做加工,那麼該如何決定應該使用哪一個機台呢?

最簡單的想法,就是在流程中的每一個站點(Step)直接定義要使用的機台,也就是直接將 Equipment ID 定義在站點中,當WIP tracking到某一個站點時,只要看到Equipment ID, 就知道該派往到哪一個機台去,這樣就解決了。

但是現行的 Equipment多具備多工的能力,一般都是由不同的程式或是參數來決定,我們可以將它定義成不同的Recipe ID, 假使有兩個站點使用同一個機台,但是設定不同,我們只要定義兩個不同的Recipe ID分別設定在這兩個站點中, 如此站點 A的 WIP 使用的是 Recipe a, 而在另一個站點 B的 WIP, 雖然也使用同一個機台,但用的卻是 Recipe b, 這樣即可解決機台多工的問題。

Step_A = (Equipment 1, Recipe_a);
Step_B = (Equipment 1, Recipe_b)

但事實上,工廠的機台不會只有一台,相同的機台也可能同時有很多台;當然我們可以將所有的 Equipment ID都定義在站點中,但這樣做,一方面可能要定義的Equipment ID很多;一方面彈性也不夠,例如,新購入一台機台,那我們就要掃過一遍所有可用此機台的站點,將此 Equipment ID加進去;但是,為避免不必要的誤動作,一般工廠對流程的修改是限制比較嚴格的,這樣的作法是比較不被接受的;所以我們採用的方式是將這些相同的機台給一個類別名稱(Equipment Type), 站點中只定義這個類別名稱以取代個別的 Equipment ID, 這樣,新購入的機台只要加入了這個類別,那麼所有使用該類別的站點就都可以使用這機台了,不必再去逐一修改。

Step_A : (Equipment Type 1);
Equipment Type 1 = { Equipment_A1, Equipment_B1, Equipment_C1, ...}

問題又出現了,這些機台可能是購入的時間不同,也可能是不同的機型或供應商,雖然做一樣的事,但是控制程式可能是不同的,也就是 Recipe ID不同,如何在選擇了不同的機台,還能使用到正確的 Recipe ID? 於是我們將這些在相同製程條件下的機台與它所用的Recipe組合起來成為一個虛擬的 Recipe, 或是稱作 Logical Recipe, 例如:

Logical Recipe A ={(Recipe_a1 | Equipment_A1), (Recipe a2 | Equipment_B1), (... | ...)},

一般實做都是一個mapping table, 當決定了 Equipment ID, 再用 Logical Recipe 去對應真正的 Recipe ID, 是站點中的設定就變成這樣子了:

Step_A = (Equipment Type 1, Logical Recipe A)
Step_B = (Equipment Type 1, Logical Recipe B)

早期在IC Fab, LCD廠所使用的 MES, 很多都是這樣設計的。

但是影響機台製程能力的可能不單單是 Recipe 而已,可能還要考慮所使用的一些工具、配備或是原物料等,以IC 廠為例,Stepper或是 Scanner 機台要再考慮 Reticle 的問題,LCD CF廠的Coater 機台,可能要考慮光阻液 (PR, Photo Resistant)的問題,這些條件慢慢的加到了 Step上 process specification 的定義中,這些後來加上的東西由於是各自獨立設定的,彼此間並未整合,設定上也越來越困難,於是一種新的方式慢慢的出現了。

Capability 的想法,印想中是台積電最早提出來的,逐漸的被各廠採用,新一代的MES也朝向這樣子的設計。許多會影響 Capabilty 的東西被整合起來,我們稱之為 Capability Enabler, 所謂的 Enabler 表示它的狀態直接 enable or disable 機台的 Capability, 在這樣的設計下,Step上只要簡單的定義一個 Capability ID, 剩下的就是這個 Capability 的管控問題了。

2008年4月15日 星期二

MESA White Paper

從事MES專案導入或是MES 相關產品開發的人,應該都要知道 MESA這個大名鼎鼎的組織,他有一份白皮書,簡單明瞭的定義了 MES 的功能與定位,以下是截自他白皮書中有關 MES Functionality 的部份,簡簡單單 11項,清楚說明了一套完整 MES 的產品應該具備的功能。

MES Functionalities

1. Resource Allocation and Status
Manages resources including machines, tools labor skills, materials, other equipment, and other entities such as documents that must be available in order for work to start at the operation. It provides detailed history of resources and insures that equipment is properly set up for processing and provides status real time. The management of these resources includes reservation and dispatching to meet operation scheduling objectives.

2. Operations/Detail Scheduling
Provides sequencing based on priorities, attributes, characteristics, and/or recipes associated with specific production units at an operation such as shape of color sequencing or other characteristics which, when scheduled in sequence properly, minimize setup. It is finite and it recognizes alternative and overlapping/parallel operations in order to calculate in detail exact time or equipment loading and adjust to shift patterns.

3. Dispatching Production Units
Manages flow of production units in the form of jobs, orders, batches, lots, and work orders. Dispatch information is presented in sequence in which the work needs to be done and changes in real time as events occur on the factory floor. It has the ability to alter prescribed schedule on the factory floor. Rework and salvage processes are available, as well as the ability to control the amount of work in process at any point with buffer management.

4. Document Control
Controls records/forms that must be maintained with the production unit, including work instructions, recipes, drawings, standard operation procedures, part programs, batch records, engineering change notices, shift-to-shift communication, as well as the ability to edit “as planned” and “as built” information. It sends instructions down to the operations, including providing data to operators or recipes to device controls. It would also include the control and integrity of environmental, health and safety regulations, and ISO information such as Corrective Action procedures. Storage of historical data.

5. Data Collection/Acquisition
This function provides an interface link to obtain the intra-operational production and parametric data which populate the forms and records which were attached to the production unit. The data may be collected from the factory floor either manually or automatically from equipment in an up-to-the-minute time frame.

6. Labor Management
Provides status of personnel in and up-to-the-minute time frame. Includes time and attendance reporting, certification tracking, as well as the ability to track indirect activities such as material preparation or tool room work as a basis for activity based costing. It may interact with resource allocation to determine optimal assignments.

7. Quality Management
Provides real time analysis of measurements collected from manufacturing to assure proper product quality control and to identify problems requiring attention. It may recommend action to correct the problem, including correlating the symptom, actions and results to determine the cause. May include SPC/SQC tracking and management of off-line inspection operations and analysis in laboratory information management system (LIMS) could also be included.

8. Process Management
Monitors production and either automatically corrects or provides decision support to operators for correcting and improving in-process activities. These activities may be intra-operational and focus specifically on machines or equipment being monitored and controlled as well as inter-operational, which is tracking the process from one operation to the next. It may include alarm management to make sure factory person(s) are aware of process changes which are outside acceptable tolerances. It provides interfaces between intelligent equipment and MES possible through Data Collection/Acquisition.

9. Maintenance Management
Tracks and directs the activities to maintain the equipment and tools to insure their availability for manufacturing and insure scheduling for periodic or preventive maintenance as well as the response (alarms) to immediate problems. It maintains a history of past events or problems to aide in diagnosing problems.

10. Product Tracking and Genealogy
Provides the visibility to where work is at all times and its disposition. Status information may include who is working on it; components materials by supplier, lot, serial number, current production conditions, and any alarms, rework, or other exceptions related to the product. The on-line tracking function creates a historical record, as well. This record allows traceability of components and usage of each end product.

11. Performance Analysis
Provides up-to-the-minute reporting of actual manufacturing operations results along with the comparison to past history and expected business result. Performance results include such measurements as resource utilization, resource availability, product unit cycle time, conformance to schedule and performance to standards. May include SPC/SQL. Draws on information gathered from different functions that measure operating parameters. These results may be prepared as a report or presented online as current evaluation of performance.


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之所以又貼出這11項 MES functionalities, 還是因為有感於現在許多的工程師甚至 SA 人員,都過度專注在 WIP Tracking, 以為只要能順利執行 tracking jobs, MES 的責任已了,結果想管的依然管不好,想看的一樣看不到,大費周章花這麼多時間和精力導入 MES, 只是爽了 Operator, 苦了 Manager, 那導入的效益在哪?

現在的 MES 都充滿了大量客製化的部份,SA 人員在滿足了現場 User各種奇奇怪怪的需求後,卻忘了 MES 最基本的目的與功能;各種異想天開的機制埋在各個 Function 中,其中不乏許多純 IT 思維的東西,甚至到最後連報表都跑不出來(通常只是產生了一堆整理不出什麼有用資訊的資料),這樣的 MES 要他幹麼?還比不上用 Run-Card.

希望SA 人員在設計任何一個 function的時候,都能再 review 一遍以上 11 項 MES functionalities, 思考一下自己的設計是否有違反上述的功能目標? 這樣的設計是如何滿足上述的功能目標?不再是一些似是而非的奇怪設計。
 
 

2008年4月11日 星期五

MES 功能淺談(三)

接下來我們來談 WIP Tracking:

Tracking 的目的有兩個,一個是引導著現場作業人員按著事先 model 好的流程,一步一步完成生產步驟,如此可以避免所謂的 miss operation; 另一個目的,就是藉由 tracking 的 function, 收集現場的資料,以供決策系統(例如: ERP)或是報表系統使用。

一般我們在投產前會有一個 scheduling 的作業,目定在排定生產時程,也可以說是 booking 產能,並且基於此 schedule, 對原物料進行備料(用 Receive Material 來確認)以及生產設備的整備工作,一切前置準備工作都必須在排定的下線時間前完成,然後在MES下達 Start to Build的指令。

MES 在接到Start to Build的指令後,便會將 WIP 移至所對應生產流程中的第一站(實體當然得靠搬送系統搬送),並等待該站作業。

作業員執行 Track In的function, 表示對此 WIP 開始該站的生產加工,直到作業完成後,要再執行 Track Out 的 function, 表示該站生產作業的完成,接著 MES 會將此 WIP 移往流程中的下一個生產站點,如此動作不斷重複直到流程中的站點全部都跑完,然後便可以執行 Ship 的 function, 將此 WIP 及相關資料送往成品倉(ship 是一個相對動作,這裡指的是作業現場和成品倉之間,並非工廠和客戶間的 Ship)。當工單下所屬的 WIP 都完成 Ship 後,這張工單便可以結單,並回報 ERP系統該製令的完成。

每一個生產站點都會有相關的生產規格說明,有時也包括作業的注意事項,這些都會定義在每一個站點的生產規格中,並在適當的時候提示作業人員,要求作業人員必須按照規定進行生產作業。


在 Tracking 的過程中,MES會紀錄幾項資料,用來反應當時的生產狀況:

1. 每一站 Track In, Track Out的時間:表示該站開始生產和結束的時間,兩個時間差即表示該站的作業時間 (Cycle Time), 而 Track Out與下一站 Track In 的時間差,表示 WIP 等待生產的時間和搬送的時間,當然這是較粗略的做法,現在的 MES會設計的更完善,以進行細節的時間分析 (註)。

2. Start to Build 和 Ship的時間:兩個的時間差表示整個生產過程的總作業時間(Total Cycle Time).

3. 各 Function 的操作人員 (ID or Account): 用來追蹤是誰執行各項作業的,通常用來計算作業員績效,當發現生產瑕疵時,也可以用來找出當時的作業人員,以便釐清問題發生的原因 (算帳)。

4. 工程資料(Engineering Data Collection):包括使用的機台設備和相關參數(如果該站有使用機台的話),生產結果,量測的資料等,以便進行相關的監控和統計分析。


到這裡,MES的大致運作的原理已經有了一個基本框架出來,以 WIP Tracking 為核心,在事先建立以生產流程為基礎的模型上,進行生產加工的行為,這已經有了手動作業的雛型。至於其他的功能模組、管理模組、自動化派工與搬運系統,後續再來說明。


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註:一般而言,整體作業時間(cycle time)可以區分成幾種不同的類別:生產時間(process time)、搬送的時間(transfer time)、等待搬送的時間 (waiting time)、等待生產的時間 (queue time)等。對於各類別時間的統計分析,有助於現場作業的改善,以縮短cycle time.

2008年4月9日 星期三

MES 功能淺談(二)

MES 該如何來執行一個製造命令呢?

我們不妨來思考一下,如果要生產某一個產品,就稱作"產品A"吧, 我們必須要知道些什麼? 首先當然要知道它的生產加工步驟與加工順序,我們才能一步一步的完成"產品A"的生產,這個步驟與順序一般稱之為"生產流程(Process Flow or Route)"。再來我們要知道有哪些設備是可用來進行"產品A"的生產加工的,而且必須細到哪一個步驟使用哪些設備,這裡又包括了設備本身的管理與該設備生產能力(capability)的管理,特別是現在很多設備都具備多工的能力。最後我們要知道我們需要哪些原物料(material), 一般而言,我們可以將原物料分成所謂的source material 和 consumed material, 前者好比IC製造的 Wafer, LCD製造的 Glass, 後者就像是Photo製程所使用的光阻液(PR), 濺鍍機所使用的靶材(sputtering target)等。

當這些資料建立完成後(一般稱之為模型,Model),我們就可以下達"產品A"的工單了,MES會依據這建立好的模型,一步一步的引導作業人員完成"產品A"的生產。

這裡可以看到任何一套MES的產品,都會有所謂 configure 的UI, 讓 user 可以建立這些生產模型(modeling),configure 的 function 至少會有下列幾個基本的 Module:

Product: 產品的基本資料;包括產品的名稱,版號,產品描述,產品群組等。
Route (or Process Flow): 生產流程;包括版本控制,狀態,生產規格等。
Equipment: 生產設備;包括製成能力,產能,設備分類,製造商型號等。
Material: 原物料;包括料號,分類,供應商,供應商料號等。
Fab Model: 工廠模型;包括廠區,作業區,工作位置等,目的在將WIP和Equipment各就定位,以方便管理。

此外依據產業別的差異,可能會有下列的 Module:

Carrier: 載具(e.g. Cassette); 包括名稱, 型別,容量(capacity),使用區域,使用限制等。
Reticle (Mask): 光罩;包括名稱,型別,描述,組別(reticle group),集合別(reticle set)等。
Lot type(Lot Template): 批別;例如量產批與實驗批等。

總之,凡是在MES 執行過程中會用到的資訊,都會有相對應的 configure module, 以建立相關資料和管理方式。

MES 功能淺談(一)

MES, Manufacturing Execution System, 製造執行系統,從其名稱即可得知,它是一個執行系統,而不是一個規劃系統,它執行什麼?執行所謂的"製造命令",又稱為"製令"或"工令",一般而言製令是以"工單(Work Order)"的方式下達,工單最基本的要求包括了"要生產什麼?", "生產多少數量?", "什麼時候要?"的資料, MES在接收與確認一張工單後,即開始執行該製造命令,直至滿足了該工單的要求為止。

然而,任一個製造工廠設備有限,資源有限,亦即產能有限,不可能全然滿足工單的任意要求,尤其是插單的要求,所以在確定接收一張工單之前,必須審慎評估該工單的可行性,才不至於造成製造現場的混亂失控,但是如果每張工單都要進行確認,製造部門與生產企劃部門必定需要不停的溝通與工單修改,效率上會大打折扣。因此,最好的辦法就是 MES 可以提供足夠的資訊供生企部門在開立工單時作參考,於是MES 就有一個很基本的要求,就是如何將製造現場的實際狀況反應出來,包括再製品(WIP)的數量與分佈,機台的負載狀況,剩餘產能等等。

另外一方面,製造是一個創造利潤的過程,它的目的就是要賺錢,所以它必須要能滿足客戶對交期的要求,對品質的要求,對供貨穩定的要求,以持續獲得訂單,而且生產的成本必須低於銷售價格,才能持續的產生利潤。所以MES 有了另一項基本功能要求,那就是提供生產週期(cycle time), 良率(yield), 設備使用效率(equipment efficiency), 以及生產成本(cost)等資訊,更進一步,最好能夠有效穩定生產週期,良率與機台使用效率,以利於製造過程的改善與成本控制(註)。

由此來看,製造業導入MES的目的就很明白了,一是能夠提供製造現場實際狀況的有關資訊,包括再製品,設備使用等,二是能夠有效穩定製造的過程,包括cycle time, yield, 以及equipment efficiency.


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註:這裡說"穩定"而不是"改善"原因是,系統根本做不到改善的動作,改善是要靠人的,至多它只能反應出來實際的狀況,並提供相關數據以作為現場改善的參考,但是控制"穩定"卻是一個好的 MES 指標之一,對工程師來說,"穩定的慢"比起"時快時慢"要好管理的多。