半导体封装测试生产线CONWIP建模与仿真

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第9期2013年 9月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture半导体封装测试生产线 CONWIP建模与仿真赵 潇 ，熊 斐 ，李 晶 ，李敬敏 ，姚 进(1．四川大学 制造科学与工程学院，NJll成都 610065；2．四川大学 商学院，l~1)ll成都 610065)摘 要：针对A企业半导体封装测试生产线CONWIP投料策略在实施过程中长期依靠人工经验估算来确定恒定健康在制品控制范围，从而导致在制品库存定量不恰当的问题 ，建立了半导体封装测试生产线仿真模型，以 CONWIP控制范围为变量，以生产周期为系统评价指标进行仿真实验。仿真结果表明，建立的仿真模型在一定程度上较好地模拟了半导体封装测试生产线的特性。通过该模型可以确定恒定健康在制品库存数量的合理范围，为半导体封装测试生产活动提供可靠的数据支持，提高了生产决策的效率。

关键词：半导体封装测试；在制品；建模；仿真；生产周期中图分类号：TH16；TN606 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)09—0001—04Semiconductor Assembly and Test Production Line Modelingand Simulation Based on C0NWI PZHAO Xiao ，XIONG Fei ，LI Jing ，LI Jing-min ，YAO Jin(1．The School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Sichuan Chengdu 610065，China；2．The Business School，Sichuan University，Sichuan Chengdu 610065，China)Abstract：Constant healthy work in process quantity is usually calculated by engineers based On their experiences whenCONWIPpolicy is applied in semiconductor assembly and test production line ofthe A corporation，which may cal~e thequantity of work process is not appropriate．In view ofproblem above，it models the semiconductor assembly and testproduction line(ATPL)and simulates the model with independent variable CONWIP and dependent variable cycle time．Thesimulation result suggests that the simulation model have established Can excellently~ ects the characters of ATPL andconstant healthy work inprocess quantity scope and COlt be decided by the model simulation．which c觎 ofer data suppoa toproductionactivities andimprove decision-making eficiency.

Key W ords：Semiconductor Assembly and Test；W ork in Process；Modeling；Simulation1引言随着全球需求的增加，半导体制造业面临着剧烈的竞争，导致了半导体制造企业通过各种方式降低生产周期来提高市场响应速度1。半导体封装测试属于半导体制造的下游工序，直接面向客户，因而降低封装测试过程产品的生产周期显得尤为重要。投料策略是影响生产周期的重要因素之一 ，C0NwIP(恒定在制品)投料策略以生产线在制品数量为控制变量，使每条生产线的在制品数量保持恒定值，当生产线的在制品数量达到或超过该值时，则停止投料，当制成品离开生产线时投入新的物料。由于其易于实施，适应产品品种变化，人力成本要求低，相比其他策略能够保有较低的在制品水平和较高的产出率等特点得到了广泛的应用。

实际应用中，因为制造系统自身的变动性大，允许控制的在制品数量值在某一确定值的一定范围内波动，但对于控制范围的确定通常是由经验丰富的工程师通过一定的经验算法给出，结果并不科学。因此，针对某公司半导体封装测试生产线CONWIP实施过程中WIP水平控制范围不准确的问题，用Flexsim仿真软件建立了半导体封装测试生产线模型，通过仿真实验来确定合适的恒定在制品数目的波动范围，为生产实践中在制品数量的控制提供了可靠的依据。

2 CONWIP投料控制策略国外科研 、^员于 1990年提出了CONWIP生产控制模式。这种生产控制方法核心在于保持生产线上的 WIP水平恒定，通常使用流通卡的方式来实现。仅仅在生产线的开始阶段投入流通卡，流通卡是产品进入生产线的通行证，跟随产品在所有加工工站流通，直到最终产品离开生产线后才回到开始阶段。流通卡与产品一一对应起来，这样控制流通卡的总数就可以控制在制品的总数，根据瓶颈工站资源的情况来调整整个生产线的流通卡数目，就可以实现生产能力平衡目。对于开始投入生产线的产品来说，收到生产线终端产品离开信号新产品才会投人生产，属于拉式控制策略，而对于已经进入生产线的品来说，产品在各个工序按顺序等待加工，属于推式控制策略，所以，CONWIP通常被称为推拉结合的控制策略。CONWIP投料策略示意图，如图 1所示。

来稿日期 ：2012一l1—14基金项目：国家 自然科学基金(51205264)作者简介：赵 潇，(1986-)，男，湖北襄阳人，硕士研究生，主要研究方向：制造系统建模与仿真2 赵 潇等：半导体封装测试生产线 CONWIP建模与仿真 第9期、 ＼
— ／ I口排队物料 。工序 —／卡片信图 1 CONWIP投料策略Fig．1 CONWIP Release PolicyCONWIP投料策略结合了推式和拉式的特点，无论是与推式系统相比，还是与 Kanban(拉式)系统相比较，CONWIP系统都具有许多独特的优势。

(1)CONWIP系统实施起来更简便，整个生产线只需要设置一 套卡片，而看板系统每道工序前都要设一套卡片；(2)CONWIP系统更能够适应不断改变的产品品种；(3)CONWIP系统能够适应由于产品不同或机器意外故障造成的生产瓶颈飘移，因为它的固有属性之一就是工件会 自然聚集到实际瓶颈工序前 ，而总的库存数量不变；(4)CONWIP系统能减轻各工序劳动力数量的压力，这是由其灵活的生产节奏控制而决定的131。

3半导体封装测试生产线建模与仿真过程3．1半导体封装测试生产线工艺过程描述实地调研了A企业半导体封装测试生产线，半导体封装测试生产线工艺步骤繁多，机器数目量大，同时生产的产品种类一般多达十几种，而这十几种产品的工艺步骤又会出现不同程度的差异，假设机器设备故障等的不确定性因素的发生，使得半导体封装测试制造系统的状态异常复杂。

在工厂中，产品以Lot为基本单位从库存 TRDI放出进入生产线，通过各个操作站点(OPERATION)，每个站点中有并行的多台设备(EN哪 )，而每台设备中一般都会有若干个连续的加工丁艺；对于某些站点内的并行设备是不选择产品的，任何一种产品都可以加工，而对于另外一些站点内的设备明确地规定了机器所对应的产品类型，那么该台机器只能等待指定的产品；在操作站点前有特定的区域(WIP)供产品等待加工；lot在系统中按照一定的规则向终端仓库流动，最终包装入库I41。A企业半导体封装测试生产线的操作站点包括 ：打电容，去焊剂，环氧树脂固化 ，烘烤，加工载体转换，焊球倒贴，电性能测试，系统性能测试，激光刻饰，目检，包装载体转换，真空包装等阁。生产线简化示意图，如图2所示。

图2半导体封装测试生产线简化示意图Fig．2 Simplified Schematic Diagram of ATPL3．2条件假设由于半导体封装测试生产线的复杂性，需要对生产线进行简化处理，以便于在较好模拟生产线特性的前提下降低仿真难度。现对生产线仿真模型提出以下假设：(1)产品类型。在实际生产线中同时有多种产品同时进行着生产，生产周期是针对一种产品而言的。只针对当前该企业封装测试的主流产品CPT作为研究对象，该产品分为DT(针对台式机)和MB(移动设备)两种子类型，只讨论半导体封装测设生产线上上述两种产品混合加工情况下的情景。

(2)生产单元。实际生产中一个生产单元(1ot)中的具体芯片数量是不确定的．假定每个生产单元中的芯片数量都是相同的，都是标准数值2625颗。

(3)生产方式。实际生产中，每个 1ot中的芯片是按照特定的数量装载在托盘中依次进入操作站点进行加工，完成一系列加工工艺，在模型中我们假设每个 lot中的所有芯片同时进入机器加工，加工完毕同时离开，每一个操作站点中连续的一系列工艺视为在一台机器中完成。

(4)物料搬运。实际生产中，工人在站点之间起到物料搬运的作用，模型中忽略人的因素对制造系统的影响，假设人员充足，工作状态良好。

(5)生产线特殊事件的处理。实际生产中，工程师团队对生产线的各项指标进行着监控，实时调控生产策略 ，在模型中我们不考虑机器切换生产(CONVERSION)、产品损失(YIELD LOSS)、产品重加工(REw0RK)等复杂事件对生产流动的影响。

3．3 Flexsim仿真模型的建立及控制逻辑实现3．3．1生产线布局FLexsim中有大量的实体对象，对象包含各种特定的属性和参数，可以很好地模拟实际生产线上的元素 。按照实际车间情况一比一比例，直接拖选合适的对象建模，对象与实物对应关系，如表 1所示。

表 1仿真模型与实际生产线对应表Tab．1 Mapping Table of Simulation Modeland Practical Production Line生产线设施 Flexsim映射实体机器设备WIP区域LotTRDI放料仓库最终储存仓库处理器(Processor)暂存l~(Queue)临时实体(BOX)发生器(Source)吸收器(sink)生产线仿真模型俯视图，如图3所示。

图3半导体封装测试生产线仿真模型Fig_3 Simulation Model of ATPLNo．9Sept．2013 机械设计与制造 33．3．2生产线投料控制。

实际生产中CONWIP策略是将电性能测试操作站点视为整条生产线的约束站点(加工时间长，故障频率高，机器加工昂贵)，将第一操作站点打电容作为调节站点，控制产品进入生产线的速度，二者之间的在制品数目作为要控制的对象，基于约束理论，该在制品数目应该优先保证电性能测试站点不缺料，CONWIP的投料控制策略，如图 4所示。

制品图4 CONWIP投料策略控制示意图Fig．4 Schematic Diagram of CONWIP Release Policy为了模拟上述的控制机制，通过在仿真模型对象 自带的各种触发器中编写逻辑程序来实现。本模型通过Flexsim自带全局表做为中间媒介写入和输出数据，以触发器中的逻辑程序为驱动，实现模型与仿真人员的交互。

实际生产中，工程师可以实时监控在制品数量，做出投料决策，在计算机仿真程序中需要做出一定的转换。仿真模型CONWIP逻辑实现，如图5所示。

Source < 暂存区> 打电容?电性能测试 < 暂存区> 下游站点关闭输出端 口流人产品数目一流出产品数目+初始产品数大于设定的上限值 小于设定的上限值打开输出端口图 5仿真模型 CONWIP实现逻辑图Fig．5 Realization Logic Diagram of SimulationModel CONWIP Release Policy实现逻辑程序如下所示：(1)CONWIP过量判断。在打电容对象实体前的暂存区离开触发器中写入。

treenodeitem pamode(1)；treenode curent=ownerobjeet(c)：int port=parval(2)；treenodequeue1-node(“／PPV—LM—DT”，model)；treenode Source
_ DT=node(“／Source DT”，model)；int throughputl=getoutput(curent)；int throughput2=getinput(queue1)：int input1=getinput(curent)；int throughput=throughputI-throughput2+gettablenum(“control”.

84，4)；if(throughput>getablenum(“control”，2，7))sendmessage(curent，current，1，O，0)；(2)CONWIP不足判断。在电性能测试对象实体后的暂存区进入触发器中写入。

treenodeitem parnode(1)；treenode curent ownerobjeet(e)：int port=parval(2)；treenodeTRDI
_ DT=node(“／TRDIDT”，model)；double throughput1 getoutput(TRDl_DT)：double throughput2 getinput(curent)；doublethroughput=thmughput1-thmughput2+getablenum(“control”，84，4)；if(throughput

treenode curent ownerobject(c)；int uservalue=msgparam(1)；switch(uservalue){case l：closeontput(curent)；break；case 0：openoutput(curent)；break；}3．3．3生产周期的跟踪在模型中，给每个流动实体(产品)打上标签以作为区别，同时在模型的首尾实体的触发器中写入程序，记录每个产品进入离开生产线的时刻值，经过数据导出处理后我们就可以得到每个产品的生产周期，这里不在详细列出相应代码。

3．4模型输入数据模型运行前需要确定相应的输入数据：(1)加工时间。对于某操作站点对一个标准Lot的加工时间，通过企业工业工程部门对每种产品在该站点的 EuPH(每小时产品芯片数量)标准值换算得到。

(2)计划停机时间。对于计划之内的停机事件即可以预期停机时刻以及停机时间长短，可以在按照实际情况输入模型，在Flexsim生产模型中可以通过 calendar(日历)的形式来规定机器的工作时间。

(3)非计划停机时间。对于在生产过程中的各种原因导致的故障停机，我们可以通过 MTBF(平均故障间隔时间)和 MTI'R(平均故障修复时间)来进行模拟罔，这两组数据可以从生产线制造系统中直接抓取，经过统计拟合后即可使用。

(4)初始在制品数目。按照实际情况在模型运行开始时在各个工作站点前的WIP区预置一定数量的产品。

(5)参与加工的机器台数。根据生产任务以及各个站点设备的产能，可以计算出各个工作站点需要的机器台数。

(6)仿真时间。实际生产中每周都会下达新的生产任务，根据新的生产任务来安排机器生产。设定仿真时间为一周时间，便于与实际情况相比较。

(7)放料速度。模型中发生器以固定的频率进行放料，我们4 机 械 设计 与 制造No．9Sept．2013通过逻辑程序进行了CONWIP模拟控制，这里的放料只是起到一 个提供产品来源的目的。根据对实际放料频率的统计分析，近似设置放料速率为每 10s放出一个产品。

以A企业2011年某周的历史数据为依据，该周生产任务DT是 365个 ，MB是 343个。经过处理后得到模型的输入数据，如2表所示。

表2仿真模型输入数据Tab．2 Input Data of Simulation Model3．5仿真结果分析输入上述数据之后，运行模型，仿真结束得到生产线的产出量(模型对象中自带屙『生会有输入输出量的记录)和生产周期(通过编写逻辑程序记录模型进出生产线的时间点进而处理之后得到)，统计分析 ，如图5、图 6所示。

咖{L0 删．}LWIP Level控制范围(个)+ 产量+ 生产周期图6 CONWIP仿真结果 (DT)Fig．6 CONWIP Simulation Result(DT)+ 产量+ 生产周期WIP Level控制范围(个)图 7 CONWIP仿真结果(MB)F培7 CONWIP Simulation Result(MB)DT和 MB两种产品当周的生产任务分别为 365个和 343个。在完成生产任务的前提下，降低在制品水平从而降低产品生产周期是我们所期待的结果。由上述两图我们直观的看出，对于产品 DT，(25—35)的 WIPlevel控制量在完成生产任务的情况下可以取得较低的生产周期指标；对于 MB，(32-42)的 WIP Level控制量在完成生产任务的情况下可以取得较低的生产周期指标。

4结论在对某半导体封装测试工厂实际调研的基础上，针对生产线 CONWIP投料控制策略在实施过程中 WIP水平控制范围不准确的问题，利用 Flexsim仿真软件建立了生产线仿真模型进行仿真。通过仿真实验表明，该模型在一定程度上模拟了半导体封装测试生产线的特性，为工程师在CONWIP控制机制实施过程中在制品数量的控制提供了可靠的数据支持 ，同时对于应用 Flexsim仿真软件进行复杂制造系统的仿真应用进行了有益的探索。

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