Björnham, Kajsa; Marklund, Camilla
Simulering av produktionskapacitet, ledtider och PIA vid kiselkretstillverkningen på Ericsson Components AB
1997:125
EXAMENSARBETE
Civilingenjörsprogrammet
FÖRORD
Detta examensarbete avslutar vår utbildning Industriell ekonomi på Tekniska Universitetet i Luleå.
Efter ett halvår på Ericsson Components AB i Kista, vill vi nu tacka alla som på olika sätt hjälpt oss i vårt arbete. Särskilt vill vi tacka vår handledare Dimitri Olofsson för att ha handlett oss med intresse och en positiv attityd.
Slutligen ett stort tack till vår handledare Ulrika Persson på avdelningen för Industriell logistik vid Tekniska Universitetet i Luleå, för att på ett bra sätt handlett oss.
Datum: 1997-02-11
Kajsa Björnham Camilla Marklund
SAMMANFATTNING
Ericsson Components AB i Kista tillverkar kiselkretsar i ett antal fabriker. Den fabrik som studien berör är ”Plan 3”. I framtiden ska produktionskapaciteten ökas och processmixen (mix av
tillverkningsflöden) förändras för fabriken. För att undersöka hur produktionskapaciteten påverkas av en förändrad processmix och hur produktionskapaciteten kan ökas har simulering valts som verktyg.
Syftet med studien är att med hjälp av produktionssimuleringsprogrammet Automod simulera kiselkretstillverkningen i fabriken ”Plan 3”. Simuleringarna ska visa dels hur
produktionskapaciteten påverkas av en ändrad processmix, dels hur produktionskapaciteten kan ökas. Simuleringarna ska även besvara hur mycket antalet satser i produktionen (PIA) teoretiskt kan minskas, med bibehållen maximal produktionskapacitet och hur detta påverkar ledtiderna.
Simuleringsresultaten visar att produktionskapaciteten drastiskt kommer att sjunka vid den förändring av processmix som är planerad om inga förändringar i maskinparken görs. Vidare har simuleringsförsök gjorts för att undersöka hur produktionskapaciteten kan ökas med den
planerade processmixen. Detta har gjorts genom att på olika sätt avlasta flaskhalsar genom att minimera ställtider, använda befintliga utrustningar på andra sätt än idag och att investera i en ny utrustning. De förändringar som har undersökts i simuleringsmodellen för att öka
produktionskapaciteten är realistiska då dessa planeras i verkligheten. Det krävs dock ytterligare förändringar i maskinparken för att uppnå dagens produktionskapacitet.
Simuleringsförsök tyder på att antalet satser i produktionen kan minskas utan att
produktionskapaciteten påverkas. Ledtiderna är i försöken proportionella mot antal satser i produktionen, vilket beror på att ledtiderna till största delen utgörs av väntetid. Antal satser i produktionen hade kunnat minskas mer om ”icke-flaskhalsar” vore trasiga mindre ofta och under kortare perioder.
Slutligen kan nämnas att simuleringsmodellen har vissa begränsningar och approximationer, vilket leder till att simuleringsresultaten avviker från verkligheten. Simuleringsresultaten kan dock tolkas relativt, eftersom de olika simuleringsförsöken har haft samma begränsningar. En begränsning i modellen är att den inte tar hänsyn till brist på operatörer, vilket innebär att modellen förutsätter att operatörer alltid finns tillgängliga vid de utrustningar som är begränsande för
produktionskapaciteten.
ABSTRACT
Ericsson Components AB situated in Kista manufactures silicon chips in a number of factories.
This thesis concentrates on a factory called ”Plan 3”. An increment of a production capacity and a change of a process mixture (mix of production flows) are planned in a near future. Simulation has been chosen to study how the production capacity will be affected by a change of a product mixture and how the production capacity can be increased.
The purpose of the study is to simulate the manufacturing process using the computer-simulation program Automod. The goal of the simulations is to determine the factory’s production capacity due to a process mixture and how the production capacity could be increased. The simulations will also give a theoretical estimation of how the number of lots can be decreased without changing the production capacity and how it effects the cycle times.
The results of the simulations show that if you change the process mixture as planned the
productivity will decrease drastically unless the factory is modified. Simulations with modifications have been made to study how the production capacity can be increased.The modifications studied are of realistic nature, such as reducing the load on bottlenecks by minimising time for setting up equipment, using present equipment in other ways and investing in new equipment. Some of these modifications are planned to be carried out in the future. The simulations show that these
modifications are not sufficient to maintain the current production capacity.
The simulations also show that the current production capacity can be maintained with fewer lots.
The cycle times in the simulation proved to be proportional to the number of lots in the
production, which is due to the fact that the cycle times for the most part consist of time waiting.
The number of lots in production could be even more reduced if ”non-bottlenecks” were not malfunctioning so often and for long periods.
Finally, the simulation model has certain restrictions and assumptions, which cause the simulation results bad conformity to reality. Since the simulations were performed with the same restrictions they can be compared relatively. One of the restrictions of the model is that it does not consider operators, which means that the model is built with the assumption that operators are always present at equipment that limits the production capacity.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INLEDNING... 6
1.1 BAKGRUND... 6
1.2 SYFTE... 6
1.3 AVGRÄNSNINGAR... 6
1.4 ARBETSGÅNG... 7
1.5 LÄSANVISNING... 8
2 NULÄGESBESKRIVNING... 9
2.1 FÖRETAGSPRESENTATION AV ERICSSON COMPONENTS AB... 9
2.2 PRODUKTSORTIMENT MOT KUND... 9
2.3 BESKRIVNING AV EN KISELKRETS... 10
2.4 KISELKRETSTILLVERKNINGEN... 12
2.4.1 Översiktlig beskrivning av hela tillverkningsflödet ... 12
2.4.2 Detaljerad beskrivning av kiselkretstillverkningen ... 14
2.5 BESKRIVNING AV PRODUKTIONSPLANERING OCH NUVARANDE PRODUKTIONSKAPACITET.. 20
2.5.1 Huvudplanering... 20
2.5.2 Detaljplanering ... 20
2.5.3 Dagens produktionskapacitet ... 21
3 TEORI FÖR ÖKAD PRODUKTIONSKAPACITET ... 22
3.1 OPT - OPTIMIZED PRODUCTION TECHNOLOGY... 23
3.1.1 ”Trumma-buffert-rep”-konceptet... 23
3.1.2 Tillämpning av OPT i analysen... 24
4 UTVECKLING AV SIMULERINGSMODELLEN ... 25
4.1 ATT ARBETA MED SIMULERING... 25
4.1.1 Simuleringssteg... 25
4.1.2 För- och nackdelar med simulering ... 26
4.2 PRODUKTBESKRIVNING AV AUTOMOD... 27
4.3 STATISKA BELÄGGNINGSBERÄKNINGAR... 27
4.3.1 Beräkningar utifrån prognostiserad processmix för kvartal 4, 1996... 27
4.3.2 Beräkningar utifrån prognostiserad processmix för kvartal 1, 1998... 28
4.4 MODELLSTRUKTUR... 29
4.5 DATAINSAMLING... 31
4.6 INFÖR ANVÄNDNING AV SIMULERINGSMODELLEN... 32
4.6.1 Inläggningstakt av satser i produktionen... 32
4.7 VALIDERING AV SIMULERINGSMODELL... 33
4.7.1 Valideringsförfarande... 34
4.7.2 Valid simuleringsmodell ... 34
5 ANALYS MED HJÄLP AV SIMULERINGSMODELLEN ... 36
5.1 ANALYS AV HUR EN FÖRÄNDRAD PROCESSMIX PÅVERKAR PRODUKTIONSKAPACITETEN. ... 36 5.1.1 Simulering av produktionskapacitet för prognostiserad processmix kvartal 4, 1996. 36
5.1.3 Simuleringsresultat ... 37
5.2 ANALYS FÖR ÖKAD PRODUKTIONSKAPACITET... 37
5.2.1 Prognostiserad processmix kvartal 4, 1996... 37
5.2.2 Prognostiserad processmix kvartal 1, 1998... 38
5.2.3 Simuleringsresultat ... 40
5.3 ANALYS AV LEDTIDER OCH PIA ... 41
5.4 SAMMANFATTADE RESULTAT... 42
6 DISKUSSION ... 44
7 REFERENSLISTA... 45
BILAGOR:
1. OPT:s nio beslutsregler
2. Beläggning på utrustningar som är begränsande för produktionskapaciteten 3. Beräkning av konfidensintervall
4. Simuleringsresultat - köstorlekar
5. Simuleringsresultat gällande kvartal 4, 1996 - produktionskapacitet, ledtider och PIA 6. Simuleringsresultat gällande kvartal 1, 1998 - produktionskapacitet
7. Definition av ord
1 INLEDNING
1.1 Bakgrund
Ericsson Components AB i Kista tillverkar kiselkretsar i ett antal fabriker. De olika fabrikerna tillverkar olika typer av kiselkretsar och använder olika processer (tillverkningsflöden). I den fabrik som analyseras i studien, ”Plan 3”, tillverkas det mycket av en process. Denna process ska i framtiden flyttas till en annan fabrik, vilket medför att processmixen (mixen av tillverkningsflöden) successivt kommer att förändras. Samtidigt som processmixen kommer att förändras ska
produktionskapaciteten ökas. För att undersöka hur produktionskapaciteten påverkas av en förändrad processmix och hur produktionskapaciteten kan ökas har simulering valts som verktyg.
Anledningen till att simulering valts som verktyg är att kiselkretstillverkningen är belastad med många processer som är svåra att överblicka. Att processerna är många försvårar planeringen.
Materialflödet passerar flaskhalsarna flera gånger under tillverkningen av kiselkretsar, vilket försvårar planeringen ytterligare. Det är dessutom väldigt kostsamt att göra förändringar i fabriken för att undersöka hur olika faktorer inverkar på produktionskapaciteten.
Produktionssimuleringsprogrammet Automod har valts som verktyg då det är ett fungerande verktyg för andra kiselkretstillverkare.
1.2 Syfte
Syftet med studien är att med hjälp av produktionssimuleringsprogrammet Automod simulera kiselkretstillverkningen på fabriken ”Plan 3” som är en av Ericsson Components fabriker i Kista.
Simuleringarna har tre syften:
- Ett syfte är att undersöka hur produktionskapaciteten påverkas av en förändrad processmix (mix av tillverkningsflöden) som planeras i framtiden.
- Ett andra syfte är att undersöka hur produktionskapaciteten kan ökas.
- Ett tredje syfte är undersöka hur mycket antalet satser i produktionen kan minskas med bibehållen maximal produktionskapacitet och hur detta påverkar ledtiderna.
1.3 Avgränsningar
Ericsson Components har behov av ett verktyg för produktionsplanering av
kiselkretstillverkningen. Därför vill man nu som ett första steg använda ett simuleringsverktyg för att få en uppfattning om hur stor produktionskapaciteten är. Man har valt ett händelsestyrt simuleringsprogram, Automod. Programmet har valts för att det är utvecklingsbart och har fungerat för andra kiselkretstillverkare. Andra simuleringsprogram har således inte beaktats i studien.
Denna studie är avgränsat till en del av tillverkningsflödet i fabriken ”Plan 3”. Produktionen är indelad i två typer av processer (tillverkningsflöden) som till stor del använder olika utrustningar.
Det är en av dessa processtyper som studeras (stepper-processerna). Att dessa processer valdes beror på att de är de längre processerna som är svårare att få en överblick över utan hjälpmedel.
Fyra stepper-processer ingår i studien (CS11S, P28, P27 och P27L). Övriga stepper-processer utgör uppskattningsvis endast 5 % av kiselskivomsättningen.
I simuleringsmodellen finns ingen operatörsbegränsning, vilket medför att det är utrustningarna som begränsar produktionskapaciteten. Så är inte fallet i verkligheten, då operatörerna ibland är begränsande. För att använda studiens resultat krävs det att det alltid finns operatörer tillgängliga vid de utrustningar som är mest begränsande för produktionskapaciteten.
1.4 Arbetsgång
Arbetsgången kan delas in i följande steg:
1. Förståelse av produktionen och kiselkretsens uppbyggnad.
2. Avgränsningar.
3. Statiska beräkningar på beläggning av utrustningar som begränsar produktionskapaciteten.
4. Uppbyggnad av simuleringsmodell.
5. Validering av simuleringsmodellen.
6. Analys med hjälp av simuleringsmodellen.
FÖRSTÅELSE AV PRODUKTIONEN OCH KISELKRETSENS UPPBYGGNAD
För att implementera fabrikens egenskaper på ett bra sätt i en simuleringsmodell har information inhämtats om hur produktionen fungerar. För att det ska vara möjligt krävs en viss förståelse för hur en kiselkrets är uppbyggd.
AVGRÄNSNINGAR
Samtidigt som information inhämtades om produktionen så iakttogs de problemområden som finns i produktionen. Med detta som grund gjordes anlysens avgränsningar.
STATISKA BERÄKNINGAR PÅ BELÄGGNING AV UTRUSTNINGAR SOM BEGRÄNSAR PRODUKTIONSKAPACITETEN
De utrustningar som är mest begränsande för produktionskapaciteten kartläggs noggrannast i simuleringsmodellen. För att ta reda på vilka utrustningar som är mest begränsande har statiska beräkningar på beläggning gjorts. Beräkningar har gjorts för prognostiserade processmixar för kvartal 4, 1996 och kvartal 1, 1998. I beräkningarna framgår det också hur de olika processerna (tillverkningsflödena) belägger begränsande utrustningar, vilket är bra att veta inför förändringar i produktionen.
UPPBYGGNAD AV SIMULERINGSMODELL
Automods möjligheter undersöktes för att på ett bra sätt kunna implementera produktionens förutsättningar i programmet. Vilka filer som simuleringsmodellen skulle bestå av bestämdes samtidigt som indata till modellen bestämdes.
Till en början bestod en stor del av modelluppbyggnaden av att kartlägga de olika processerna (tillverkningsflödena). Kunskapen om hur kiselkretsen är uppbyggd och hur det hänger ihop med produktionsmetoderna har varit en stor hjälp för att kartlägga processerna. När kartläggningen var gjord tog tidsinsamlingen vid. Informationskällor vid datainsamlingen var operatörer, uppmätning av tider, databasen ”Promis” och processinformationsbeskrivningar.
VALIDERING AV SIMULERINGSMODELLEN
Kriterier som simuleringsmodellen skulle uppfylla ställdes upp. Ändringar i modellen gjordes tills dess att kriterierna uppfyllts.
ANALYS MED HJÄLP AV SIMULERINGSMODELLEN
Simuleringsmodellen har använts för att simulera hur produktionskapaciteten påverkas av ändrad processmix samt hur produktionskapaciteten kan förbättras. Modellen har även använts för att simulera hur mycket antal satser i produktionen kan minskas med bibehållen maximal
produktionstakt, och hur detta påverkar ledtiderna.
1.5 Läsanvisning
Den resultatinriktade läsaren som känner till tillverkningen av kiselkretsar på Ericsson Components AB i Kista kan inrikta sig på kapitel 3-6 som beskriver simuleringsmodellen, användning av modellen samt resultat och slutsatser.
För att få en bild av materialstyrningen i tillverkningen samt av Ericsson Components AB hänvisas till kapitel 2, nulägesbeskrivning.
Produktionskapaciteten är konfidentiell. Därför redovisas inte produktionskapaciteter med
verkliga värden. I rapporten har produktionskapaciteterna multiplicerats med en faktor så att olika kapaciteter kan jämföras relativt men värdena kan inte tolkas absolut.
Företagsinterna ord och facktermer har förklarats i möjligaste mån, men i vissa fall står dessa ord i parentes för att rapporten ska vara lättläst för personal på Ericsson.
2 NULÄGESBESKRIVNING
I detta kapitel beskrivs vilka verksamheter som ingår i Ericssons affärsområde komponenter, kiselkretsarnas användningsområden, en kiselkrets uppbyggnad, översiktlig beskrivning av hela tillverkningsflödet av en kiselkrets och slutligen beskrivs en mer detaljerad beskrivning av kiselkretstillverkningen.
2.1 Företagspresentation av Ericsson Components AB
Ericsson är ett av de ledande internationella företagen inom telekommunikationsbranschen med verksamhet i mer än 100 länder. Koncernen utvecklar avancerade system och produkter för fast och mobil kommunikation, för såväl allmänna som privata nät. Koncernen har en personalstyrka på runt 80 000 personer och tillverkningen bedrivs i ungefär 45 produktionsenheter i ca 30 länder.
Största marknaden finns i Europa följt av Asien och Nordamerika. Asienmarknaden är den marknad där Ericsson har störst tillväxt.
Ett av Ericssons affärsområden är komponenter. Verksamheter som ingår i affärsområdet är kabel, energisystem, mikroelektronik och distribution. Kiselkretstillverkning tillhör verksamhetsområdet mikroelektronik.
Komponenter
Mikro-
elektronik Distribution Energi-
system Kabel
Kiselkrets- tillverkning
Figur 2.1 Verksamheter som tillhör affärsområdet komponenter.
Huvudkontoret finns hos Ericsson Components AB i Kista som ansvarar för mikroelektronik och energisystem. Under mikroelektronik ligger en affärsenhet som arbetar med forskning och
utveckling och förser hela koncernen med tekniker och metoder för konstruktion av mikrokretsar.
Halvledarfabrikerna i Kista tillhör detta affärsområde. Fabriken ”Plan 3” är en av dessa halvledarfabriker och analyseras i studien.
2.2 Produktsortiment mot kund
I detta kapitel beskrivs vilka användningsområden de olika kiselkretsarna som ingår i studien har.
Denna indelning har dock inget att göra med processerna (tillverkningsflödena) i produktionen.
behov av kiselkretsar som har bestämt inriktningen på kretsutveckling och produktion.
Produktsortimentet som ingår i studien kan indelas i fyra delar:
- Terminalkretsar som sitter i telefonapparater. Har tidigare varit en stor produkt men har minskat sedan konkurrensen ökat från Fjärran Östern.
- Radiokretsar som används inom mobiltelefonin. Det har hittills inte tillverkats så många av dessa men efterfrågan väntas öka snabbt.
- Industrikretsar som skiljer sig mycket från andra kretsar eftersom de ofta säljs till många kunder i små kvantiteter. Många av industrikretsarna har ingenting med telefoner att göra, men de som kallas kraftkretsar har utvecklats för att användas till strömförsörjning av telefonstationer.
- ASIC:ar som är en förkortning av application specific integrated circuit. ASIC syftar på att man snabbt och enkelt ska kunna konstruera en kiselkrets för något ändamål och tillverka den i små volymer. De flesta ASIC:ar används i Ericssons telefonstationer.
2.3 Beskrivning av en kiselkrets
I detta avsnitt beskrivs översiktligt en kiselkrets uppbyggnad för att läsaren lättare ska förstå tillverkningen av en kiselkrets i avsnittet om kiselkretstillverkningen.
En kiselkrets innehåller många komponenter såsom transistorer, resistorer, dioder och kondensatorer. Kondensatorer läggs dock ofta utanför kiselkretsen för att de är stora.
Komponenterna är alla uppbyggda i en kristall av kisel som är en halvledare. En kiselkristall leder ström dåligt eftersom valensskalet hos atomerna är fullt då varje kiselatom binder till fyra andra kiselatomer. Tillsätts ett ämne med fler eller färre valenselektroner så får gittret för många eller för få valenselektroner för att vara stabilt. Gittret är då dopat. Tillsätts ett ämne med för många valenselektroner, t ex fosfor, så blir kislet n-dopat och valenselektronerna kan lätt vandra i gittret.
Tillsätts däremot ett ämne med för få valenselektroner, t ex bor, så blir kislet p-dopat och hålen kan lätt vandra i gittret. Genom att dopa kislet med rätt dos av rätt typ (n-typ/p-typ) och på rätta ställen, så kan man åstadkomma de elektriska egenskaper som komponenterna kräver.
En kiselkrets komponenter och hur de fungerar bygger på en djup vetenskap och beskrivs därför förenklat. Den vanligaste komponenten är transistorn, varför denna valts att beskrivas. Först beskrivs funktionen av en diod, som är en komponent i transistorn.
När man låter ett ”n-dopat” område gränsa mot ett ”p-dopat” så får man en så kallad diod där små strömmar bara kan gå igenom i en riktning.
N P N P
+ +
-
-
Figur 2.2 Leder strömmmen. Figur 2.3 Leder ej strömmen.
Strömflödet i en kiselkrets styrs genom att använda sig av två motkopplade dioder i serie. Nedan visas en illustration av en NMOS-transistor, där man använder sig av motkopplade dioder i serie.
N N
+
-
A B
P
Kiselsubstrat Styre
Emitter Isolator
Kollektor
Figur 2.4 NMOS-transistor.
Med styret (metallelektroden) styrs strömmen mellan A och B i transistorn genom att reglera spänningen enligt figuren ovan. Isolatorn är ett isolerande skikt på ytan av kiselsubstratet.
Emittern och kollektorn är områden i kiselsubstratet som har överskott på valenselektroner dvs n- dopat kisel och kiselsubstratet är p-dopat, dvs har underskott av valenselektroner.
Om man i NMOS-transistorn ovan försöker leda ström mellan A och B utan att ha en spänning pålagd på styret så går det inte bra, eftersom den ena dioden enligt föregående figurer spärrar för strömmen. Lägger man däremot på en tillräckligt hög spänning på det sätt som är markerat i figuren, så att elektroner dras loss ur kiselkristallbindningarna i det ”p-dopade” kiselskiktet och kommer upp mot styrets isolator, kommer man att där skapa ett område med tillgång på
elektroner, alltså likt ett ”n-dopat” kiselskikt, och strömmen kommer att kunna gå mellan A och B.
Med ovanstående och liknande transistorer tätt packade på kiselskivor kan man idag både utföra en mängd olika instruktioner och lagra stora mängder data på en kiselkrets. Idag görs
transistorerna så små att avståndet mellan de två N-områdena i figuren ovan inte är större än en
2.4 Kiselkretstillverkningen
Tillverkningen av kiselkretsar kan delas in i sex huvudaktiviteter (Se figur 2.5). Tonvikten kommer att ligga på kiselkretstillverkningen eftersom studien är begränsat till denna aktivitet. Men för att ge en helhetsbild kommer även övriga aktiviteter att beskrivas översiktligt.
Konstruktion
&
planering
Kiselkrets- tillverkning
Provkrets-
mätning Skivmätning Sågning och Slutmätning
kapsling
Skivkassering Kretskassering Kretskassering
Figur 2.5 Tillverkning av kiselkretsar.
2.4.1 Översiktlig beskrivning av hela tillverkningsflödet
KONSTRUKTION & PLANERING
Det första steget i hela tillverkningen är en specificering av vad kretsarna ska användas till och vad de ska kunna utföra. Detta är kundens ”input” till designavdelningen, som har till uppgift att ta fram ett elektriskt kretsschema för hur de önskade funktionerna ska erhållas.
KISELKRETSTILLVERKNING
Kiselkretsar tillverkas på kiselskivor. Det finns flera hundra likadana kiselkretsar på varje
kiselskiva. Det elektriska kretsschemat överförs till en kiselskiva och komponenterna byggs upp.
Genom att dopa kislet, deponera ledare och isolatorer, oxidera kislet och etsa olika
ämnen åstadkoms de komponenter som det elektriska kretsschemat innehåller. De viktigaste stegen i tillverkningen återkommer flera gånger och förklaras schematiskt i avsnittet 2.3.2. Här nedan visas en förenklad bild på en kiselskiva med kiselkretsar. Varje inrutad fyrkant kommer att bli en kiselkrets.
Figur 2.6 Kiselskiva med kiselkretsar.
Efter kiselkretstillverkningen genomföres provkretsmätning som innebär att mätningar på skivans provkretsar utförs. Det som mäts är bl a olika lagers resistivitet, oxidtjocklek och funktionen hos
(tillverkningsflöde) kan en kiselskiva få fortsätta till skivmätningen för att fungerande kretsar ska kunna tas ut. Om testkraven uppfylls fungerar tillverkningen processtekniskt.
SKIVMÄTNING
Nästa huvudaktivitet är skivmätning då alla kiselkretsar på skivan mäts. I detta steg kontrolleras funktionen för varje krets. Principen är att sända signaler till kretsens ingångar och mäta på utgångarna om kretsen fungerar som den ska. De kretsar som inte fungerar tas ur produktionen och kasseras.
SÅGNING OCH KAPSLING
När kiselskivan lämnar tillverkningen och är färdigtestad skickas den ofta till fjärran Östern för kapsling. Ibland kapslas kretsar på företaget, men det gäller enbart testkapsling under
utvecklingsfasen av en process, innan en serieproduktion kan startas.
Kiselkretsarna på kiselskivan sågas isär, därefter förses dessa med ben och till sist gjuts kretsarna in i en kapsel. Efter detta så böjs benen till den önskade formen. Kapslar tillverkas i bl a plast och keramik och i vissa fall av metall.
Figur 2.7 Inkapslade kiselkretsar.
SLUTMÄTNING
Denna aktivitet påminner mycket om skivmätningen, med skillnaden är att kretsarna är kapslade och mätningen sker på kapselns ben. De kretsar som inte kasseras är färdiga godkända kretsar.
2.4.2 Detaljerad beskrivning av kiselkretstillverkningen
I det här kapitlet förklaras på en teknisk nivå de viktigaste stegen i kiselkretstillverkningen som återkommer flera gånger i en process (tillverkningsflöde). Tekniken i produktionen är viktig att känna till för att förstå materialflödet och vilka förändringar i produktionen som är lämpliga. I figuren nedan framgår det var kiselkretstillverkningen kommer in i tillverkningsflödet.
Konstruktion
&
planering
Kiselkrets- tillverkning
Provkrets-
mätning Skivmätning Sågning och Slutmätning
kapsling
Skivkassering Kretskassering Kretskassering
Figur 2.8 Var kiselkretstillverkningen kommer in i tillverkningsflödet.
För att tillverka kiselkretsar utgår man från en kiselskiva (substratskiva) som är en kristall så gott som utan störatomer. Denna kiselskiva ska efter tillverkningen bli 150 till 2 000 st kiselkretsar.
Varje kiselkrets kan i sin tur bestå av 100 - 10 000 000 komponenter.
På den fabrik som analyseras i studien, ”Plan 3”, tillverkas olika typer av kiselkretsar. De olika kiselkretsarna tillverkas enligt olika processer. Varje process är ett specifikt tillverkningsflöde.
Olika produkter kan tillverkas enligt samma process och utsätts därmed för samma behandling.
Det som skiljer mellan produkter som använder samma process är det elektriska kretsschemat och det är endast en utrustning (exponeringen) som berörs.
En process indelas i olika detaljnivåer, nämligen steg, recept och operation. I analysen är det just operationsnivån som används och en indelning av operationer har därför gjorts. Inspektion och mätning kan nämnas som exempel på operationer. En process består vanligtvis av omkring 40 steg som i sin tur är indelade i 1-5 recept. Varje recept är indelat i 1-7 operationer i analysen. Den längsta processen som ingår i analysen innehåller 448 operationer. I figur 2.9 visas en bild på detaljnivån för en process.
Process
Process Steg
Recept Operationer
Figur 2.9 Olika detaljnivåer för tillverkning av kiselkretsar.
För att få en förståelse för hur tillverkningen av kiselkretsar går till beskrivs de viktigaste momenten som återkommer flera gånger i en process. Tillverkningen sker satsvis och i en sats ingår 24 kiselskivor. Figuren 2.10 beskriver ett typiskt tillverkningsflöde. Satserna förflyttas mellan de olika tillverkningsareorna på det sätt som pilarna visar. Vid tillverkningen av kiselkretsar
passerar satsen samma produktionsarea flera gånger. I en typisk process ingår 20 - 30 diffusionssteg, 12 - 15 litografisteg (gulrumssteg), 12 -15 etssteg och 10 - 25 tunnfilmssteg.
Diffusions- arean
Tunnfilms- arean
Etsnings- arean
Gulrummet Kiselsskivor in
Kiselkretsar ut
Figur 2.10 Typiskt tillverkningsflöde för kiselkretsar. Tillverkningen sker på fyra areor och pilarna visar hur materialflödet går mellan dessa areor.
Ett typiskt tillverkningsflöde kan se ut på följande sätt:
1. Kiseloxidering i diffusionarean 2. Maskning i gulrummet
3. Etsning i etsarean
4. Dopning av kisel i diffusions- eller tunnfilmsarean 5. Indrivning av dopämnen i diffusionarean
6. Deponering i tunnfilmsarean 7. Kvalitetskontroller
KISELOXIDERING I DIFFUSIONAREAN
Om man sätter in en kiselskiva i en diffusionsugn med syrgas i hög temperatur, reagerar kiselytan med oxiden och kiseldioxid bildas på skivan. De tunnaste oxiderna är på några hundra Ångström, medan de tjockaste är ungefär 1 µm. Kiselskivans profil före och efter oxidering kan ses i figur 2.11 och 2.12.
Kisel
Oxid
Kisel
Figur 2.11 Kisel före oxidering t.v., kisel efter oxidering t.h..
Oxiden har flera egenskaper som varit avgörande för utvecklingen av kiselkretsar. Oxiden används till följande:
- Oxiden fungerar som ett isolerande lager mellan ledande material.
- Oxiden skyddar kiselskivan på de områden man ej vill ha implanterade. Det finns dopämnen som rör sig snabbare i kisel än i oxid. Därför är det möjligt att skydda skivan med oxid.
- Oxiden gör att implanteringen av ämnen fördelar sig jämnare i kislet.
- Oxiden skyddar kiselytan mot mekanisk påverkan.
MASKNING I GULRUMMET
I gulrummet överförs kretsmönstret fotografiskt från en mask till ett resistmönster på skivan. Man börjar först med att lägga på en resist, som är särskilt känslig för ljus med korta våglängder (blått ljus). För att den inte oavsiktligt ska exponernas används gult ljus där man hanterar skivor med oexponerad resist. Kiselskiva med oxid efter resistspinning kan ses i figur 2.12.
Figur 2.12. Skiva med oxid efter resistspinning.
Kretsmönstret överförs från en mask till resisten i en exponeringsutrustning. En mask är en
glasskiva med ett krommönster på ena sidan. Skivan exponeras genom att man belyser den med ett starkt blått ljus genom masken. Det mönster som finns på masken överförs då till resisten.
Exponeringen måste göras en gång för varje kiselkrets på skivan. Bearbetningen illustreras i figur 2.13.
Resist Oxid
Kisel
Glasmask med krommönster Resist
Oxid
Kisel
Figur 2.13 Resisten exponeras för att erhålla ett kretsmönster.
Direkt efter exponeringen tar en robot ut skivan från exponeringsutrustningen och placerar den på ett framkallarspår, för att ta bort den exponerade resisten. Resultatet blir ett kretsmönster på skivan bestående av många kiselkretsar som vart och ett är en avbildning av kretsmönstret på masken. Skivan efter framkallning kan ses i figur 2.14.
Figur 2.14 Kiselskiva efter framkallning.
ETSNING I ETSAREAN
Vid etsningen överförs kretsmönstret i resisten till oxiden. Steget inleds med att resisten härdas vid ungefär 120°C för att den ska bli fastare. Därefter sänks skivorna ned i ett bad med fluorvätesyra (HF), som etsar bort oxiden där det inte finns resist. Den obelysta fotoresisten som ligger kvar på kiselskivan fungerar som en skyddande mask vid etsning. Ofta får man en etsning som går lika långt åt sidan vid oxidytan som oxiden är tjock, vilket inte syns på bilden.
Etsningen kan också göras torrt, men det är då en mer komplicerad process och man använder en annan utrustning. Fördelen är att man kan få en oxidprofil som går rakt ned från resistkanten. I modernare processer har man oftast torretsning, men det är billigare och enklare med våtetsning.
Skivan efter oxidetsning kan ses i figur 2.15.
Figur 2.15 Kiselskivan efter oxidetsning.
DOPNING AV KISEL I DIFFUSIONS- ELLER TUNNFILMSAREAN
Anledningen till att oxiden etsas bort är oftast för att kislet ska dopas där. Oxidetsningen görs även för att öppna förbindelsehål i oxidskikt så att de olika ledande lagren får kontakt med varandra. De dopämnen som används är bor (B, p-dopande), fosfor (P, n-dopande), arsenik (As, n-dopande) och antimon (Sb, n-dopande).
Den traditionella metoden att dopa en kiselskiva är att göra det i en ugn på diffusionarean. Då används en dopkälla med det ämne man vill ha. Den kan vara i fast form, flytande form eller gasform. Det är ofta komplicerade och känsliga processer. Ett modernare sätt är att implantera joner. Det görs i en jonimplanterare som är en partikelaccelerator, där jonerna accelereras mot skivorna. Detta görs på tunnfilmsarean. I båda fallen blir resultatet att det ligger ett tunt lager med dopämne i kislet i oxidöppningarna. Skivan efter deponering kan ses i figur 2.16. (Resisten är borttagen efter implanteringen).
Figur 2.16 Kiselskivan efter deponering.
INDRIVNING AV DOPÄMNEN I DIFFUSIONAREAN
Efter deponeringen följer vanligen en indrivning, där dopämnet vid en hög temperatur drivs in till ett djup mellan 0,5 µm och 20 µm. Ju djupare desto högre temperatur och längre tid behövs.
Indrivningen kombineras ofta med en oxidering. På det sättet får man den oxid som man behöver för nästa masksteg. Oxiden växer snabbast om den är tunn. En tjock oxid växer knappast alls under oxideringarna. Skivan efter indrivning kan ses i figur 2.17.
Oxid
Kisel Dopämne
Figur 2.17 Kiselskivan efter indrivning och oxidering.
DEPONERING I TUNNFILMSAREAN
I många fall vill man deponera ett skikt ovanpå skivan och sedan etsa bort det man inte behöver.
Detta gäller metallmönstret som elektriskt kopplar ihop komponenterna med varandra. Aluminium är en vanlig ledare. Skivan efter metalldeponering kan ses i figur 2.18.
Metall Oxid
Kisel Dopämne
Figur 2.18 Kiselskivan efter metalldeponering.
KVALITETSKONTROLLER
Under tillverkningen kommer skivan att kontrolleras med jämna mellanrum. Det sker bl a efter maskning och etsning där mönstrets dimensioner samt passning mellan olika mönsterlager kontrolleras. Efter deponeringen mäts skiktens tjocklek. Inspektion av skivornas renhet liksom identifiering av defekter sker regelbundet.
2.5 Beskrivning av produktionsplanering och nuvarande produktionskapacitet
2.5.1 Huvudplanering
Produktionen görs i huvudsak mot lager eftersom ledtiden är lång. En order i produktionen startas inte i produktionen om man inte är rätt säker på att ordern kommer att inkomma. Det finns en del fasta kunder, vilket gör att det ofta går att förutse kommande ordrar.
Övergripande produktionsplanering görs på 8 månaders basis. Här bestäms hur mycket av varje process som ska produceras under denna period. Prognostiserade efterfrågan matchas med kapacitet. På denna nivå görs strategiska beslut om investeringar, vilka skift som ska finnas etc. I denna planering beslutas vad överkapaciteten ska utnyttjas till och vad som ska prioriteras om kapaciteten är för liten. Planeringen görs en gång i månaden.
Produktionen belastas med många olika processer (tillverkningsflöden) som konkurrerar om samma utrustningar. Utrustningarna utnyttjas för produktion mot försäljning, utveckling av nya processer och underhåll av utrustningar. I och med att det finns många intressen att starta olika satser i produktionen så startas det fler satser än vad produktionen klarar av. Detta leder i sin tur till lager och långa och varierande ledtider. Tillverkningen av kiselkretsar är speciell på det sättet att flaskhalsarna föder sig själva genom att produktionsflödet går i loopar. Det gör det svårt att planera satsstarter i produktionen med enkla metoder. Ännu mer komplext blir det i och med att många utrustningar föds och föder flera andra utrustningar.
2.5.2 Detaljplanering
En mer detaljerad planering görs veckovis. Man tar hjälp av ett program för att ta reda på hur mycket av de olika processerna som bör produceras med hänsyn taget till problem i produktionen, hur stort utbytet (andel fungerande kretsar) har varit och hur lagersaldona ser ut för olika
processer.
Operatörerna planerar när satserna startas under veckan. När satser startas är individuellt från operatör till operatör. Generellt kan man säga att satser startas flera gånger i veckan i varierande antal.
När en sats väl startats i produktionen har den fått ett prioriteringsnummer som styr hur den ska prioriteras. Ju lägre prioriteringsnummer ju högre prioritet och desto färre antal satser i
prioritetsklassen. Prioritering av satser med samma prioriteringsnummer ska ske efter regeln FIFO (first in first out) men regeln följs inte alltid. Operatörerna kan välja satser som har en enkel hantering framför satser som har en besvärligare hantering och de brukar ibland invänta satser så att flera satser kan bearbetas samtidigt. Vissa utrustningar har ställtider som beror av vad
utrustningen använts till tidigare. Prioritering görs vid dessa utrustningar med hänsyn till ställtider.
Exempelvis gör man planerade omställningar på etsutrustningarna av den anledningen att en typ av operation (trenchning) kräver långa ställtider. Man strävar efter att satserna ska vara så jämt fördelade över processerna som möjligt. Gör man en och samma operation istället för att ställa om
När en sats är klar i en operation flyttas den direkt till nästa. Det är inga problem att flytta enstaka satser i taget eftersom satserna är lätta att hantera och avstånden är små.
2.5.3 Dagens produktionskapacitet
Idag produceras cirka 96 satser á 24 skivor per vecka av de processer som analyseras i studien.
Under tillverkningens gång kan dock skivor kasseras så att satsen då den är klar innehåller färre skivor. Skivutbytet i en sats brukar vara mellan 70% och 95% beroende på vilken process det är.
Även hela satser kan kasseras ibland under tillverkningens gång. Kapaciteten för specifika utrustningar är svåra att värdera då många av dem används på olika sätt. De fyra processer som studerats är beroende av ungefär 150 utrustningar och består av mellan 200 och 430 operationer.
3 TEORI FÖR ÖKAD PRODUKTIONSKAPACITET
Produktionskapaciteten i tillverkande industrier påverkas av många faktorer. Några faktorer illustreras i figur 3.1 nedan. Faktorerna kan indelas i två kategorier, dels vilka resurser som finns tillgängliga och dels hur dessa resurser används. Produktionskapaciteten förknippas lätt med vilka resurser som finns, men lika viktigt är tillgängligheten av resurserna. Exempelvis kan inte
maskintid utnyttjas om utrustningen är trasig. Tillgängligheten av utrustningar påverkas av
funktionssannolikhet för utrustningar, förebyggande underhåll och reparationer, som i sin tur beror av varandra. Naturligtvis påverkas produktionskapaciteten även av resursernas prestanda.
Som nämnts påverkas produktionskapaciteten även av hur resurserna används eller med andra ord hur material och produktion styrs (MPS). Styrningen ska ske så att produkterna bearbetas i rätt tid och i rätt mängd. Detta innebär att resurserna måste samordnas på ett sätt så att brister uteblir. Det räcker inte med tillräckligt stora resurser om de inte är tillgängliga i rätt tid. Exempelvis kan inte maskintid utnyttjas vid brist på personal eller produkter. Produktionsplaneringen försvåras om utrustningar går sönder slumpmässigt. Förebyggande underhåll och reparationer påverkar produktionskapaciteten även av denna anledning. Produktionskapaciteten påverkas också av ställtider. Ju mindre ställtider ju mer tillgänglig maskintid kan nyttjas till bearbetning. Ställtider kan påverkas genom att styra storlekarna på transport- och produktionspartier eller genom att göra omställningar utanför utrustningarna om det är möjligt.
Produktionskapacitet
Hur resurser används Tillgänglig
maskintid
Material- styrning
Resursernas prestanda
Resurser
Ställtider Underhåll
En produktionstyrningsfilosofi som speciellt behandlar produktionskapacitet är OPT (Optimized Production Technology). Filosofin beskriver framförallt de faktorer i figur 3.1 som berör hur resurser används.
3.1 OPT - Optimized Production Technology
OPT är en produktionsstyrningsfilosofi som har utvecklats av en grupp ledd av israelen Eliyahu Goldratt. Filosofin behandlar framförallt de faktorer i figur 3.1 som berör hur resurser används.
Filosofin i sig utgör inget verktyg för planering utan måste på ett eller annat sätt kompletteras med algoritmer för att bland annat bestämma produktionsorderkvantiteter och tidpunkter för
tillverkning. OPT strävar efter att använda så enkla verktyg som möjligt. I OPT styr produktionens flaskhalsar materialflödet. En flaskhals definieras som en resurs som begränsar systemet [2]. En algoritm i fem steg finns definierad för hur OPT kan tillämpas [3].
1. Identifiera systemets flaskhalsar
2. Bestämma hur systemets flaskhalsar ska åtgärdas.
3. Underordna allt föregående beslut.
4. Eliminera systemets flaskhalsar.
5. Gör om proceduren.
Nio beslutsregler i OPT finns sammanfattade som bilaga 1.
3.1.1 ”Trumma-buffert-rep”-konceptet
I OPT koncentrerar man sig på att förbättra den svagaste länken, flaskhalsen. Övriga delar av systemet ska anpassas och styras efter just flaskhalsen [4].
En produktion byggs upp av en följd underordnade händelser där en händelse måste ske innan nästa kan starta. Varje händelse har statistiska fluktuationer. Dessa fluktuationer påverkar
produktionsflödet starkt till största delen p.g.a. att det är lättare att tappa tid än arbeta igen tappad tid. Anledningen till det är att händelserna är beroende av varandra, de ska ske i en bestämd ordningsföljd. En händelse kan inte ta igen tappad tid om en föregående händelse inte har skett tillräckligt snabbt. Detta medför att fluktuationerna ackumuleras istället för att ta ut varandra [3].
Man kan säga att OPT har inslag av JIT:s pull-strategi och MRP:s push-strategi. I praktiken innebär det att man ska styra produktionen så att flaskhalsen arbetar så mycket som möjligt och att den ska producera oberoende av fluktuationer i övriga resurser. Ett sätt att åstadkomma det är att alltid ha en buffert framför flaskhalsen som ofta åstadkoms genom push-strategi. Pull-strategin i systemet kommer in efter det att produkten har bearbetats av flaskhalsen. Produkterna dras genom produktionen när ett behov uppstår i ett framförliggande produktionsled. Styrningen försvåras om man har många flaskhalsar eller om flaskhalsen föder sig själv [3].
Bufferterna bör inte vara onödigt stora. Stora buffertar innebär stora kapitalbindningar, långa och
begränsande resursen och den snabbaste operationen. Repet ser till att avståndet mellan de två ytterligheterna inte ökar på grund av de ackumulerade fluktuationerna. I verkligheten motsvaras repet av mängden PIA (produkter i arbete) mellan långsamma och snabba resurser i tillverkningen [3].
Takten i produktionen ska sättas av ”trumman” som utgörs av den begränsande resursen.
”Buffertar” placeras ut strategiskt i produktionssystemet så att inte flaskhalsar ska störas av fluktuationer i systemet. Vanligtvis innebär det att buffertar placeras ut framför flaskhalsar för att hålla dessa i arbete även om icke begränsande resurser tillfälligtvis inte klarar av att tillhandahålla dem med material [1].
3.1.2 Tillämpning av OPT i analysen
I analysen används ”Trumma-buffert-rep”-konceptet. Flaskhalsen bestämmer produktionstakten (trumman), buffertar placeras ut framför flaskhalsar så att de inte påverkas av fluktuationer i övriga produktionen och inläggningstakten av satser i produktionen styrs så att det inte blir för många satser (repet) mellan snabba resurser och flaskhalsen. Anledningen till att flaskhalsen och snabba resurser inte är kopplade direkt till varandra är att materialflödet passerar flaskhalsen flera gånger vid tillverkningen av en kiselkrets.
Vid förbättring av produktionskapaciteten ska man enligt OPT förbättra och underlätta för flaskhalsen, vilket tillämpas i analysen. Detta görs systematiskt på det sätt som definieras i OPT och som beskrivs i fem punkter tidigare i detta kapitel.
4 UTVECKLING AV SIMULERINGSMODELLEN
I detta kapitel beskrivs utveckling av simuleringsmodellen. Inledningsvis beskrivs generellt vad det innebär att utveckla en simuleringsmodell. Därefter beskrivs produktionssimuleringsprogrammet Automod som har använts vid modelluppbyggnaden, statiska beläggningsberäkningar för att ta fram vilka utrustningar som ska kartläggas noggrannast, hur simuleringsmodellen är strukturerad, vilka informationskällor som har använts vid datainsamlingen och slutligen beskrivs hur
simuleringsmodellen har validerats.
4.1 Att arbeta med simulering
4.1.1 Simuleringssteg
Det arbetssätt som används vid simulering kan beskrivas med tio steg [5]. Alla studier kräver inte alla steg, och stegen kan ibland utföras i en annan sekvens eller kompletteras med andra metoder.
1. Problemformulering och planering av studien. Varje studie kräver ett klart syfte och definition av mål som skall uppnås. Dessutom måste man klargöra vilka resurser som kan tilldelas studien, med avseende på exempelvis personal, kostnader och tid.
2. Utvärdering om simulering är det bästa verktyget för att lösa problemet [6]. Om simulering är det bästa verktyget så ska man även bestämma om det krävs en grafisk presentation för att få en bättre överblick över det problem som man ska simulera.
3. Planering av experiment. I denna fas fastställs de parametrar som skall varieras under körningarna.
4. Datainsamling och definiering av simuleringsmodellen. Data bör insamlas för de gällande komponenterna (variablerna) i systemet som definierades i steg 1. Dessa skall användas för att specificera systemets processer och sannolikhetsfördelningar för de slumpvariabler som används i simuleringsmodellen.
5. Konstruering av dataprogram. Detta kan göras genom att antingen programmera själv eller genom att använda specialprogram för ändamålet.
6. Genomförande av testkörningar.
7. Validitet. Simuleringsmodellen måste utvärderas kontinuerligt. Detta görs genom att jämföra modellens utdata med verkliga värden. Detta för att försäkra sig om rimligheten i
resultaten.Uppdragsgivaren bör ges tillfälle att ge synpunkter och förändringsförslag.
8. Genomförande av körningar.
10. Dokumentering och implementering av simuleringsmodellen. Dokumentering är viktigt för framtida modellbyggande och det underlättar implementeringsfasen. En modell som inte blir implementerad innebär slöseri med tid och resurser.
Dessa simuleringssteg har i princip följts i studien. Det som skiljer sig från ovan nämnda steg är att det var förutbestämt att det skulle användas ett specifikt simuleringsprogram för att lösa uppgiften och att simuleringsmodellen ännu inte är implementerad i verkligheten.
4.1.2 För- och nackdelar med simulering
Simulering är ett välanvänt och kraftfullt verktyg. De främsta fördelarna med simulering [5] är:
• De flesta verkliga system med stokastiska element kan inte beskrivas på ett tillfredsställande sätt med matematiska modeller, varför simulering lämpar sig bra.
• Simulering tillåter att experimentet hålls under mer kontrollerade former än vad som skulle vara möjligt om man utförde dessa i verkligheten. Detta innebär också att man kan prova det nya systemet till låga kostnader.
Naturligtvis finns det även nackdelar med simulering. Det är viktigt att förstå att en stokastisk simuleringsmodell bara är en skattning av verkligheten. Simulering kan inte, till skillnad från matematiska modeller, optimera resultat. Även om simulering kanske är billigare än att bygga eller tillverka det nya systemet på riktigt, så kräver det stora resurser i form av tid, personal och pengar.
Det finns fallgropar som särskilt bör beaktas vid simulering och som ofta leder till att simuleringen inte lyckas:
• Simuleringen har inte klara och fastställda mål.
• Felaktig upplösning, antingen för liten eller för stor.
• Bristande kommunikation med ledningen under simuleringens gång.
• Behandla simulering primärt som en komplicerad övning i programmering.
• Användning av fel mått vid utvärdering av systemet.
4.2 Produktbeskrivning av Automod
Automod är ett generellt simuleringsprogram som använder händelsestyrd simulering. Automod har ett "användarinterface" med menyer och färdiga system och byggstenar för det mesta som behövs för att beskriva produktions- materialhanterings- och transportsystem. För enklare simuleringsmodeller innebär detta att ingen programmering är nödvändig. Automod är uppbyggt av moduler som gör det möjligt att välja de funktioner som passar det egna behovet. Verkligheten kräver ibland speciallösningar och hög detaljeringsnivå. Automods programmeringsspråk är både kraftfullt och lättanvänt. Hjälpfunktioner och automatiska felmeddelanden med förslag till ändring gör felsökning enkel.
Automod är ett verktyg i hela processen från första ideskiss av en ny anläggning, vidare till detaljanalyser och slutligen operativ planering av den dagliga produktionen. Vidare kan Automod integreras med andra informationssystem. Indata kan t ex var vara produktionsbehov, lagernivåer och aktuell status i produktionen. Utdata kan t ex vara produktionsplaner, Gantt-scheman, leveranstider, genomloppstider, resursutnyttjande, produkter i arbete.
4.3 Statiska beläggningsberäkningar
De utrustningar som är mest begränsande för produktionskapaciteten kartläggs noggrannast i simuleringsmodellen. Statiska beräkningar på beläggning har därför gjorts för att finna dessa utrustningar. I beräkningarna framgår det också hur de olika processerna (tillverkningsflödena) belägger begränsande utrustningar, vilket är bra att veta inför förändringar i produktionen.
Beräkningarna är i stort baserade på den data som används i simuleringsmodellen. Ställtider och större tekniska problem är således inte medtagna, vilket orsakar att utrustningarna är mindre belagda i beräkningarna än i verkligheten. Även processer som inte anlyseras är medtagna då även de belastar utrustningarna. Vissa generaliseringar har gjorts. Det är processtid och hanteringstid som ingår i beräkningarna. Ställtider ingår inte. I beräkningarna antas 70 % tillgänglighet av utrustningarna, vilket bedöms vara rimligt av erfaren personal. Operationer som görs på en utrustningstyp har fördelats mellan de möjliga utrustningarna. I simuleringsmodellen behöver en operationstyp inte nödvändigtvis alltid göras i samma utrustning.
4.3.1 Beräkningar utifrån prognostiserad processmix för kvartal 4, 1996 En beräkning som gjorts för kvartal 4, 1996 är baserad på den processmix (mix av
tillverkningsflöden) som man idag skulle ha enligt planering. Bl a på grund av utrustningsproblem i etsen kommer man inte upp i dessa siffror. Inläggningstakten av de processer som ska analyseras är 99 satser/mån, vilket kan jämföras med senare simuleringar. Beräkningarna är sammanställda i diagram, bilaga 2, och i tabellform nedan. Det framgår att oxidetsutrustningarna är de utrustningar som är mest begränsande för produktionskapaciteten. Exponeringsutrustningen kommer på andra plats. Noteras bör att beräkningarna är baserade på operationstider utan hänsyn till tekniska problem i tillverkningen och sådana fördröjningar är vanliga i exponeringen.
Utrustningstyp Beläggning [%]
Exponeringsutrustning 69 Metalletsutrustning (21A) 61 Metalletsutrustning (22A) 15 Oxidetsutrustning (21A) 78 Oxidetsutrustning (22A) 73
Ansipolyets 43
Nitridpassivering 63
Tabell 4.1 Statisk beläggningsberäkning för kvartal 4, 1996.
4.3.2 Beräkningar utifrån prognostiserad processmix för kvartal 1, 1998
En andra beräkning som gjorts är baserad på den prognostiserade processmixen för kvartal ett 1998. Man planerar att öka produktionstakten för fabriken successivt och den prognostiserade produktionsstakten är därför större 1998 än i nuläget. För att kunna jämföra hur processmixen inverkar på produktionskapaciteten har samma produktionstakt som i tidigare
kapacitetsberäkningar använts. Enbart processmixen är ändrad. Beräkningarna är sammanställda i diagram, bilaga 2, och i tabellform 4.2 nedan. Man kan se att oxid- och metalletsarna är de utrustningar som är mest begränsande för produktionskapaciteten. Man måste komma ihåg att omställningstider inte är medräknade och både metallets- och oxidetsarna har längre ställtider (rengöring) än övriga utrustningar. Etsarna kommer således belastas mer i förhållande till andra utrustningar än vad som syns i beläggningsberäkningarna.
Utrustningstyp Beläggning
[%]
Exponeringsutrusting 94 Metalletsutrustning (21A) 133 Metalletsutrustning (22A) 4 Oxidetsutrustning (21A) 113 Oxidetsutrustning (22A) 103
Ansipolyets 78
Nitridpassivering 79
Tabell 4.2 Statisk beläggningsberäkning kvartal 1, 1998.
Tolkas beräkningarna av beläggning för 1996 och 1998 med dess olika processmixar med hänsyn taget till de förenklingar som gjorts i beräkningarna kan man dra slutsatsen att exponering,
metallets och oxidets beläggs mest. Dessa utrustningar kommer därför att kartläggas noggrannast i simuleringsmodellen. Resultaten i de statiska beräkningarna kan jämföras med simuleringsresultat i kapitel 5.
4.4 Modellstruktur
Simuleringsmodellen byggdes upp i produktionssimuleringsprogrammet Automod, samtidigt som indata till modellen bestämdes. Det behövdes inte någon grafisk presentation i programmet för att få en överblick över produktionsflödet, utan den information som var intressant i simuleringarna kunde utläsas i produktionssimuleringsprogrammets rapporter. Simuleringsmodellen består av ett antal filer(kalkylblad) som är kopplade till varandra på ett bestämt sätt. Figuren nedan visar hur filerna som använts i simuleringsmodellen är kopplade till varandra.
Orderfil Wipsfil
Produktfil
Processfil Maskinfil Kalenderfil
Figur 4.1 Hur filerna är kopplade till varandra i simuleringsprogrammet.
I de olika filerna finns fördefinierade funktioner. Nedan följer en beskrivning av vilka funktioner som används i de filer som modellen innehåller.
ORDERFILEN INNEHÅLLER:
- Hur mycket och hur ofta man startar satser i produktionen av de olika processerna som betraktas i analysen. Andra processers påverkan som ej betraktas i analysen har tagits hänsyn till vid de utrustningar som anses vara mest begränsande för produktionskapaciteten.
WIPSFILEN INNEHÅLLER:
- En ögonblicksbild över var satser av de olika processerna befinner sig i produktionen då
simuleringen startar. Man använder sig av denna fil för att inte behöva köra så långa simuleringar innan det blir jämvikt i produktionen och för att det ska vara samma antal satser i produktionen som i verkligheten.
PRODUKTFILEN INNEHÅLLER:
- En definierad produkt för varje process. I verkligheten tillverkas flera olika produkter på varje process, vilket betyder att det är en liten chans att samköra satser av samma sort i
PROCESSFILERNA INNEHÅLLER:
- Vilka operationer som skall göras efter varandra i respektive process.
- Vilken maskinfamilj som ska användas vid varje operation. Alla utrustningar i en maskinfamilj kan inte alltid användas, vilket tagits hänsyn till i modellen.
- Produktionstid för varje operation. I produktionstiden ingår både ren maskintid och
hanteringstid. Maskintiden i olika bearbetningar är oftast konstant medan inspektioner, mätningar och hanteringstider kan variera. Variation av tider finns dock inte med i denna fil. Anledningen till detta är att information saknas.
- Utbyte för varje operation. Detta är en procentsats för hur många satser eller skivor som i genomsnitt klarar sig utan att det blir något fel på satsen under bearbetningen. I verkligheten kasseras hela satser och skivor vid olika operationssteg. I simuleringsmodellen har enbart hänsyn tagits till att skivor kasseras, ej att hela satser kasseras. Detta bortfall är koncentrerat till en enda operation, där det kasseras en viss procentandel skivor istället för att fördela bortfallet av skivor vid olika operationssteg.
- Omställningstider för maskiner. Vid behov görs en omställning.
MASKINFILEN INNEHÅLLER:
- Alla maskiner som används i processerna. För vissa operationer finns alternativ utrustning (parallella maskiner). Maskiner med samma funktion grupperas till en maskinfamilj.
- Vilken regel som maskinen arbetar efter. Regler som används i simuleringsmodellen är FIFO och SSU. Regeln FIFO innebär att satser produceras i den ordning de anländer till maskinen och SSU innebär att maskinen väljer att bearbeta först de satser framför maskinen som inte kräver
omställning av maskinen.
- Vilka batchmöjligheter som finns för varje maskin. Maximalt och minimalt antal satser som kan köras samtidigt i en maskin.
- Väntetid vid ”batchning”. Detta är en tid som är utsatt för maximal väntetid vid att vänta in till att en maskin är full. Det betyder att maskinen börjar bearbeta de satser som har ankommit till maskinen efter denna väntettid, trots att maskinen kan bearbeta fler satser samtidigt.
KALENDERFILERNA INNEHÅLLER:
”Skiftkalender” - kalendern definierar när maskinerna i produktionen kan utnyttjas till att bearbeta kiselskivor. Detta beror av när operatörerna är tillgängliga.
”Downkalender” - kalendern innehåller information om genomsnittliga tiden till fel och tiden för reparation på de olika maskinerna, samt hur dessa tider varierar.
”Underhållskalendern” - kalendern innehåller information om hur ofta man underhåller de olika maskinerna i genomsnitt och hur lång tid det tar i genomsnitt att underhålla maskinerna. Kalendern
4.5 Datainsamling
Datainsamlingen gjordes noggrannast för de utrustningar som är mest begränsande för
produktionskapaciteten. Enligt OPT ska flaskhalsarna styra produktionen och det är därför viktigt att dessa kartläggs noggrant i simuleringsmodellen. Tiderna som simuleringsmodellen bygger på är tider utan ”strul”. I tiderna ingår inte omarbetningar, fördröjningar till följd av brist på experter (processare) som avgör hur satser med fel ska behandlas samt tekniska problem som inte rapporteras in i databasen, vilken har använts som informationskälla för hur ofta och hur länge utrustningar har varit trasiga.
Innan insamlingen av tider kunde starta kartlades de olika processerna. De hjälpmedel som användes för att dela in processerna i operationssteg var databasen ”Promis”,
processinformationsbeskrivningar, tillverkningspersonal och övrig personal. Informationen om vilka utrustningar som används på de olika operationerna kommer från operatörer och övrig personal. Kunskapen om hur kiselkretsen är uppbyggd och hur det hänger samman med produktionsmetoderna var till stor hjälp vid kartläggningen. Efter kartläggningen följde tidsinsamlingen till simuleringsmodellen. Följande hjälpmedel har använts:
* Databasen Promis och processinformationsbeskrivningar. Dessa två hjälpmedel användes där det var möjligt. Den information som är tillgänglig i dessa informationskällor är rena maskintider samt hur ofta och hur länge utrustningarna är trasiga.
* Intervjuer med erfarna operatörer, processingenjörer och övrig personal gjordes där det saknades information i databasen Promis och processinformationsbeskrivningar. Information om hanteringstider och maskintider hämtades främst från denna källa. Det finns flera anledningar till att intervjuer används istället för tidsstudier. Datamaterialet som simuleringsmodellen kräver är väldigt omfattande, vilket gör att tidsstudier är för tidskrävande för att användas i stor omfattning.
En annan anledning till att intervjuer använts är för att komma ifrån slumpmässighet och för att tiderna varierar mycket mellan olika tidsperioder p.g.a. att det uppstår olika problem i
utrustningarna. Dessutom ska tiderna inte innehålla fördröjningar till följd av de faktorer som beskrivits i början av avsnittet, vilket blir fallet vid tidsstudier.
* Uppmätning av tider gjordes då kunskap saknades hos erfaren personal. Denna metod användes främst vid insamling av hanteringstider. Fem värden mättes upp av operatörerna och medelvärdet användes i modellen.
Den kalender som innehåller hur ofta och hur länge utrustningarna är trasiga är hämtad från databasen Promis och tidsperioden som betraktats är januari-maj 1996. Anledningen till att den perioden valdes var att det var den senaste sammanhängande tidsperioden utan semesterstängt och med nuvarande förutsättningar avseende bl a maskinpark. Det är enbart en utrustning (nyaste exponeringsutrustningen) som man inte kan hämta information om under denna tidsperiod,
eftersom den köptes in senare. Denna utrustning har antagits ha samma ”downkalender” som en av de två utrustningarna som har liknande funktion. Det är den utrustning som har varit minst trasig som downkalendern är baserad på.
4.6 Inför användning av simuleringsmodellen
Kriterier har ställts upp för de simuleringsförsök som modellen ska användas till. Simuleringarna ska köras så länge att jämvikt uppstår. Utdata ska baseras på en period som uppfyller följande kriterier:
- Produktionstakten ska ligga på en konstant nivå.
- Utdata ska vara baserat på satser som startats i produktionen efter simuleringsstart. Anledningen till det är att de satser som startas före simuleringsstart har startdatum som beror av hur länge de har funnits i produktionen i verkligheten.
- Utdata ska vara baserat på satser som är producerade under en period då flaskhalsen nyttjas konstant.
För att dessa kriterier ska uppfyllas krävs det att en lämplig inläggningstakt av satser i
produktionen görs i simuleringsmodellen. Det förfarande som används i detta syfte beskrivs nedan.
4.6.1 Inläggningstakt av satser i produktionen.
I detta avsnitt beskrivs hur lämplig inläggningstakt av satser i produktionen i simuleringsmodellen bestäms.
Produktionstakten ska vara så stor som möjligt och PIA (antal satser i produktionen) ska hålla en konstant nivå under simuleringens gång. Detta innebär att inläggningstakten av satser i
produktionen bör vara lika stor som maximal produktionstakt. För att bestämma en lämplig inläggningstakt måste man initialt anta en lämplig inläggningstakt av satser. Följande förfarande har använts för att undersöka hur stor inläggningstakten av satser bör vara.
- Först görs en simulering med för stor inläggningstakt för att tydligt se vilken utrustning som är flaskhals. Det kan naturligtvis vara fler än en. Simuleringarna kan vara väldigt tidsödande om för många satser i produktionen startas, vilket man också bör akta sig för.
- Sedan görs några körningar med för låg inläggningstakt. Genom att undersöka hur stor del av tiden som flaskhalsen nyttjas till bearbetning och hur stor del av tiden som den står onyttjad kan man bestämma lämplig inläggingstakt av satser.
- Körningar med den beräknade inläggningstakten görs för att verifiera att beräkningarna inte bygger på slumpmässighet. Inläggningstakten av satser sätts något större än produktionstakten då det gör mindre om det är något för mycket PIA än tvärtom. Är resultaten tillfredställande behöver förfarandet inte göras om och resultaten används.
Om det visar sig att modellens verkliga maxkapacitet är en helt annan än vad den antas vara blir det besvärligare att hitta maxkapaciteten. Det visar sig då att produktionstakten blir större med ett mindre satsinlägg på kort sikt. Anledningen till det är att varje sats passerar
flaskhalsen/flaskhalsarna flera gånger. Ett stort satsinlägg i produktionen innebär att en stor andel av kön till en flaskhals är satser som är i början av processen. Detta medför att det är liten
sannolikhet att flaskhalsen väljer att bearbeta en sats som är i slutskedet och som skulle bidra till
en ökad produktionstakt om den valdes. Motsatsen gäller för ett för litet inlägg. Slutsatsen som dras är att den maximala produktionskapaciteten för modellen måste vara mellan de två
extremvärdena på produktionstakten som fås i simuleringarna. Genom att använda samma förfarande som tidigare beskrivits för de körningar med för litet inlägg kan lämpliga
inläggningstakter väljas. Dock krävs ofta fler simuleringsförsök än om maxkapaciteten hade kunnat uppskattas bättre redan från början.
4.7 Validering av simuleringsmodell
En simuleringsmodell kan valideras på olika sätt beroende på vad den ska användas till. Kriterier som modellen ska uppfylla har ställts upp för att modellen ska vara användbar i studiens syfte.
Eftersom studien fokuserar på maskinella flaskhalsar är det viktigt att de utrustningar som är begränsande för produktionskapaciteten är flaskhalsar i modellen. Detta har kontrollerats genom att undersöka framför vilka utrustningar i modellen köbildning sker och jämföra detta med hur begränsande utrustningarna anses vara i verkligheten. De utrustningar som är begränsande är inte nödvändigtvis samma utrustningar som är flaskhalsar i verkligheten eftersom operatörerna begränsar produktionstakten genom vissa utrustningar. Ledtider och produktionstakter i simuleringsmodellen ska inte vara likvärdiga med verkliga data. Anledningen till det är att modellen inte har någon operatörsbegränsning, inte tar hänsyn till brist på experter (processare) som avgör hur satser med fel ska behandlas, inte tar hänsyn till omarbetningar, inte tar hänsyn till att hanteringstiderna ofta är betydligt kortare i modellen än i verkligheten samt inte tar hänsyn till att utrustningar kan vara trasiga i verkligheten utan att det rapporteras. Av denna anledning ska produktionskapaciteten vara större i modellen än i verkligheten och ledtiderna vara kortare i modellen än i verkligheten. De kriterier som ställts upp för validering av simuleringsmodellen är:
- Köbilding ska ske vid de utrustningar som anses vara begränsande för produktionskapaciteten hänsyn taget till statiska beläggningsberäkningar, avsnitt 4.3.
- Produktionstakten ska vara större i modellen än i verkligheten.
- Ledtider ska vara kortare i modellen än i verkligheten.
Inlägg av satser i produktionen görs innan simuleringsstart för att modellen ska få samma PIA (satser i produktionen) som i verkligheten. Man bör dock inte blanda ihop utdata från de satser som startas före respektive efter simuleringsstart.
4.7.1 Valideringsförfarande
En lämplig inläggningstakt av satser i produktionen valdes i den modell som skulle valideras. Ett simuleringsförsök genomfördes och utdata på köstorlekar, produktionskapacitet och ledtider sammanställdes. Simuleringsförsökets köbildningar jämfördes sedan med hur begränsande
utrustningarna anses vara i verkligheten. Produktionskapacitet och ledtider jämfördes med verkliga data.
