移動MES系統在半導體制造中的設計應用

（無錫華潤微電子有限公司，無錫 214000）

0 引言

隨著科技的進步和發展，21世紀以來，我國的制造行業逐步進入智慧制造應用階段，以數字化、網絡化、智能化為特征的智能制造成為中國制造業的主攻方向[1]。MES系統是智能制造的典型應用，特別是在半導體行業已經全面鋪開，發揮了高效的作用。

MES即制造執行系統（manufacturing execution system，簡稱MES）是美國AMR公司（Advanced Manufacturing Research，Inc.）在90年代初提出的，旨在加強MRP計劃的執行功能，把MRP計劃同車間作業現場控制，通過執行系統聯系起來。MES側重在車間作業計劃的執行，充實了軟件在車間控制和車間調度方面的功能，以適應車間現場環境多變情況下的需求。

半導體制造業是一個典型的技術密集型的科技制造行業，其過程是一個離散的制造生產過程。半導體光電子器件的生產過程具有產品種類多、周期短、多批次等特點[2]。MES在半導體的生產應用中通過采集數據實時監控和管理生產現場，通過系統數據分析提供給底層的生產控制系統。

PDA（Personal Digital Assistant），又稱為掌上電腦。按使用來分類，分為工業級PDA和消費品PDA。工業級PDA主要應用在工業領域，常見的有條碼掃描器、RFID讀寫器、POS機等。將MES系統融入到PDA中將其使用到工業現場中是智能制造的一個新的趨勢，不僅可以將繁雜的人力工作簡化為手持掃描輸入，同時可以更高地降低出錯率，在半導體行業中條碼掃描器在倉庫揀配，物流收發貨等領域都有著廣泛的應用。

1 MES系統在半導體制造業中的傳統應用

在信息化時代，半導體企業普遍應用了PROMISE系統、GUI系統、供應商系統、客戶管理系統、人力資源系統等計算機集成制造系統[3]。以無錫某半導體企業某生產車間為例，該車間的MES系統為GUI系統，采用B/S架構，對生產車間的流水線上的各批次進行生產管理，車間架設了有線局域網與全廠區的網絡設備進行互聯，便于各級工程師在車間網絡內調度安排。

以該車間封裝測試步驟為例，批次進行作料或作料完畢后，凈化間內的作業員從產線上走到車間臺式電腦上進行快速過賬操作（TrackIn/TrackOut），即MES轉賬；批次上架時需要將批次放入指定貨架然后在臺式電腦上進行上架入庫操作；機臺狀態和批次狀態查詢時也需要走到指定位置的臺式電腦前進行對GUI系統的步驟操作，由于凈化間內設備繁雜，種類繁多，一直想采用無線網絡的鋪設來替代有限網絡，無奈2G、4G無線網絡對各機臺的通信產生了干擾，因而一直未架設無線網絡設備。

2 基于PDA的移動MES系統的提出

1）傳統的GUI系統Track In/Out在線操作均是用臺式電腦來完成，使用臺式機操作的幾個弊端是：

（1）帳料不符

由于凈化間內的有線網絡架設的限制導致車間內臺式電腦數量少，不可能配到人手一臺，作業員使用過程中有等電腦用的情況造成批次過賬不及時，即批次作料與MES轉賬不同步，也就是帳料不符。這是在制造行業中最“忌諱”的事情。當一個批次已經在某個機臺上做完之后，該批次信息還在等待轉入（TrackIn）MES的狀態，這樣容易造成批次混亂（即混料）和管理上的缺陷。

（2）作業效率低

由于凈化間內臺式電腦位置固定，離作業機臺有一定的距離，作業員往返次數頻繁，且每次都要重新切換GUI賬戶，加上系統刷新存在一定延時，影響作業效率。

以該車間光刻導軌為例，在線共51臺設備，日平均MOVE達到64000（折合3200批次），人力配置每班次11人（全天22人），算下來每人每天過賬批次達到3200÷22=145.5批（人均MOVE2900），作業員要經常往返機臺與臺式機之間，且經常發生等用情況，導致作業效率低。

（3）批次輸入風險大

凈化間內的臺式機中的MES操作過程中需要手動鍵入批號，身穿厚重防塵服及佩戴防塵手套的作業員存在敲錯批次的風險。

2）5G WIFI的出現使PDA上融合MES系統成為可能。

隨著科技的進步，5G WIFI的誕生很好地解決了現在WIFI面臨的問題，它運行在5GHz以上的高頻段，帶寬能提高到40MHz甚至80MHz或更高，傳輸速度最高提升到了1Gbps，每秒可以傳輸約125MB的內容。良好的穿透性不會對凈化間內的機臺設備產生任何干擾，為凈化間鋪設無線網絡奠定了技術基礎。同時，PDA（條碼掃描槍）配有當前先進的Android系統，并支持各種無線網絡連接，只需要開發相應的APP即可實現車間內移動MES的智能化改造，實施起來簡單，方便，操作起來高效，便捷。用PDA來替代現有的臺式機Track in/out，特別是一些SPT時間較短的工藝段，可以減少作業員在機臺和臺式電腦間的往返，從而提升作業效率，同時PDA掃描機臺或批次條碼，徹底杜絕了手工輸錯的風險。

3 基于PDA的移動MES系統的設計與實現

由于PDA裝有先進的Android系統，只需要采用Java語言進行相應APP的開發即可。將PDA接入5G無線網絡，并將該無線網絡并入當前廠區已有的局域網絡中，PDA上的數據與已有的GUI系統即可進行數據的交互。為了更好地融合到當前的GUI系統又不影響當前使用，考慮GUI的B/S架構模式，則采用HttpClient方式跟GUI進行數據的傳遞。通過POST方式傳遞參數給GUI，獲得XML格式的數據文件，將文件解析，通過類似爬蟲技術獲得所需的數據信息在PDA界面上展示給用戶，同時將實時數據交付GUI處理保存。

3.1 移動MES的人機界面交互流程

圖1 移動MES人機界面交互流程

3.2 移動MES各項操作流程指示

表1 操作流程指標表

3.3 移動MES的安全與維護

移動MES的使用必須要求作業員進行登錄，由于每個作業員的負責的片區不同因而權限也會有所不同，登錄的驗證通過跟GUI的信息交互完成，實時獲取。

移動MES通過5GWIFI將Android系統的APK程序布局在服務器上，當更新或修改APK程序后，只要將其發布在服務器上，凈化間內的任意PDA在連上5G WIFI后就可收到更新提示，實時更新軟件，減少了之前PDA更新程序需點對點更新的麻煩，同時也減少了維護人員的工作量。

3.4 移動MES在凈化間的實際使用

5G WIFI的鋪設：

在線共鋪設無線AP共20個點；覆蓋凈化間中間層99%區域（不包括上下夾層）；

AP上指示燈長亮綠色表示正常但無設備接入，長亮藍色表示正常但有設備接入。

說明：作業員手持PDA進入凈化間，用自己的工號通過PDA登錄到GUI系統，在產線上根據工序操作TrackIn/Out，不必再往返于機臺與臺式電腦之間。

圖2 5G WIFI的AP布置

圖3 PDA融合移動MES在凈化間的操作使用示例

圖4 光刻導軌產線配置PDA后人力資源配備對比圖

4 效益對比

4.1 優化工作方式，活化人力

PDA融入了MES系統后，減少了作業員在機臺和臺式機間的無效走動。以光刻導軌車間為例，PDA上線后導軌崗位的標準作業時間由原來的作業方式減少30秒，光刻導軌房間的人力配置平均活化0.4人。綜合評估，原先S1房間需要的2.8的人力配置，活化0.4人力后只要2.4人即可，而光刻導軌QC人員本身Loading只有60%，所以把靠近B走廊的3臺TEL設備交給QC人員負責，S1房間剩下機臺的人力配置從原先的3人減到2人，這樣整個光刻導軌車間崗位人力需求從10人可以減少到9人。

4.2 降低質量風險

2017年8月份，涂膠崗位發生一起本該作業涂膠的批次，結果誤加到了顯影設備機臺上做了顯影菜單，最終PCM參數異常報廢。

事件原因分析中提到：作業員為圖方便，推車上Track in批次較多，有待涂膠和待顯影的批次，加上核對執行力不夠，導致上錯機臺。

移動MES上線后，PDA操作簡便，作業員可以推車推到哪做到哪，快速過賬，MES實時配料沒有后顧之憂。

手動輸入批次出錯的情況，在產線上也經常發生，使用PDA通過掃描輸入后則有效杜絕此類風險的發生。

5 結束語

目前，該半導體產業的凈化間在線操作像導軌崗位模式的工序還有干法去膠、RTA、UV、SCRUB、烘箱這些崗位，也已經開始陸續推行使用PDA來進行過賬及貨架掃描上架，后續計劃APP開發多腔體機臺作業、濕法槽和EAP設備的使用等。

隨著物聯網技術和智能制造技術的飛速發展，依托無錫先進的物聯網技術平臺，智能制造可做的事情還很多，比如在半導體產業中，實時監測動力系統的各項指標如溫度，流量，電量等上送到物聯網云平臺進行監測和分析對控制產業鏈中的各個工序有著非常重要的意義，而智能制造技術人員則需要更深入地挖掘和研究各個產線上的自動化技術，結合自身的專業技術優勢在智能制造領域發揮更大的作用。