SECSGEM在半导体生产计算机集成制造系统中的应用分析.docx
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SECSGEM在半导体生产计算机集成制造系统中的应用分在半导体生产计算机集成制造系统中的应用分析析SECSGEM在半导体生产计算机集成制造系统中的应用分析浙江工业大学硕士学位论文SECSGEM在半导体生产计算机集成制造系统中的应用研究摘要越来越多的半导体厂商开始考虑在半导体后道生产中采用自动化控制，目前还没有开发出非常成功的技术能够满足变化多端的后道工厂。
本文提出的基于SECSGEM的半导体生产计算机集成制造系统为后道自动化提出了一种解决方案。
所有设备全部都通过使用SECS标准接口连接到单元控制器及更高级别的MES和工厂计划信息系统，系统除了能完成通常的设备监视和控制、数据搜集、配方管理等功能外，还实现了单一元件追踪，具有StripMap管理，缺陷管理及多芯片管理等功能。
半导体厂商通过实施全自动化改善了生产力，同时减少生产周期和场地占用率，并通过最小化人工操作和过程的连贯性带来质量和可靠性的提升。
本文的主要工作和成果如下：
1阐述了半导体生产计算机集成制造系统构成及现状，分析了半导体制造自动化存在的问题。
2介绍了SECSGEM标准的框架及定义。
3提出了使用SECSGEM作为设备间共同的通讯标准接口构建半导体生产自动化线，使设备可快速地整合在CIMS的管理系统中，缩短设备开发的时间及成本，并可增加设备装机的效率，达到快速量产，进而提升产能输出。
4进行了半导体制造全自动化生产线的软、硬件设计、SECSGEM接口的详细设计。
关键词：
计算机集成制造系统，半导体生产，自动化，半导体设备通讯标准浙江工业大学硕士学位论文RESEARCHANDDEVELoPMENToFSEMICoNDUCToRPRoDUCTIoNCoMPUTERINTEGRATEDMANUFACTUIUNGSYSTEMSBASEDoNSECSGEMABSTRACTSomeICmanufacturershavegivenseriousthoughttoautomationinthebackendofsemiconductormanufactruingbutnevertheless，riosuccessfultechnologyhasbeendevelopedthatcanmeettheextremelyvariedneedsofthebackendfactoryTIlisthesispresentedaCIMSsolutionofsemiconductorbackendautomationbasedonSECSGEMAllequipmentswerehookedup、ritllcellcontrollertoahigherlevelMESandfactoryplanninginformationsystembySECSGEMinterfaceFunctionslikeEquipmentmonitoring，remotecontrol，processdatacollection,recipemanagement，SDT，stripmapmanagement；lottrackingandrejectmanagementaleachievedbythefullyintegratedlineByimplementingCIMSautomationsolution,semiconductormanufacturershavemorethroughputcapacity，shortenprocesscycletimeandlessspaceThequalityandreliabilityofmanufacturingaleimprovedbyminimiz啦humaninterventionandkeepingtheequipmentinlineThemaincontentsofthisthesisaleasfollows：
1Introducedthestructure，historicalroadmapanddevelopmenttendencyofsemiconductorCIMsystem，analyzedtheproblemsofsemiconductormanufacturingautomation2IntroducedthedefinitionofSECSGEMstandard3BuildafullyintegratedsemiconductorproductionlinebasedonSECSGEMinterfaceThelineCanmaketheequipmentbeingintegratedintoCIMsystemrapidly，shortenequipmentdevelopmenttime，andlowerthecost，increasingtheefficiencyofequipmentsetup，fasterthroughputandmorethroughputcapacity4Designthes01aleandhardwareofthefullyintegratedsemiconductorproductionlineDesigntheSECSGEMinterfaceindetailKeyWords：
cims，semiconductorproduction,automation，sec$浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：
所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。
除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的法律责任。
作者签名：
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本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
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2、不保密口。
（请在以上相应方框内打“、”）作者签名：
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扣彩年3-月岁日导师签名：
日期：
弘，多年j月岁。
Elv城，勿羔l蔓L一浙江工业大学硕士学位论文第1章绪论11引言半导体制造商需要在多变的全球市场中展开激烈竞争，面对产业升级与专业人员缺乏以及产品走向越来越轻薄短小、少量多样而且生命周期很短的特征下，制造商必需在企业体制上改进以提升竞争力。
制造商必须能够做到最大化使用设备、优化制造流程和过程参数、增加生产能力、减少进入量产的准备时间，并提供更灵活和便捷的工作环境使得生产更有效率。
现代的半导体制造厂更加依赖于自动化来提高生产力，自动化是实现半导体制造厂运营目标的重要手段。
除了由设备自动化及替换新设备来达到提高产能、降低成本、节省人力需求与提升制造品质外，进一步提升竞争力的方法是将生产设备系统连线，以避免产品混料或损失、缩短交货期与提高设备效率，并与生产管理系统相结合使整厂CIM化（计算机集成制造，ComputerIntegratedManufacturing）。
根据半导体制造商所提出的这些要求，目前半导体设备业的主流趋势旨在降低制造成本的同时并提升生产力，这永不满足的需求实际上也是全球的共同要求，并不局限于中国、亚洲、欧洲或北美。
为了成为真正的解决方案供货商而非单单的设备制造商，必须具备强大的创造力并不断寻求运用新技术、新方式以达成目标。
旺1如今的半导体自动化市场的挑战和发展趋势可以划分成三个主要方面，即设备自动化、工厂软件自动化和工厂硬件自动化。
上述三项自动化中的关键点是有效存取和使用来自设备、生产线及生产车间各层面的制造数据。
现在，几乎所有设备制造商都在朝着能提供包括工艺菜单、工艺控制及工艺集成软件这个全自动化解决方案目标努力口儿钔。
半导体制造流程可分为两大块：
前段和后段，前段主要是晶圆的处理流程（简称WaferFab），后段主要是封装和测试处理流程畸儿引，如图1-1所示：
一3一浙江工业大学硕士学位论文前段（FrontEnd）图1-1半导体制造流程由于制造流程的成本和复杂程度的增加，设备自动化已经成为前段半导体制造中必要的部分。
如今，每一家前段的FAB厂都在不同程度上实现了自动化盯1。
设备监控、数据搜集、报警和事件管理等能力都是一些基本的自动化需求。
自动收集和利用设备的状态和过程数据可以用来支持应用系统，这样的系统包括WIP管理、SPC、配方管理、APC以及AutomatedMaterialHandling（AMHS）等等阳儿引。
由于过程控制在成品率和产量方面发挥了积极影响，它的重要性在过去几年中不断地上升，并吸引了半导体制造商的注意n引。
然而，在后段的半导体封装测试制造中，业界还未对普及整个工厂的自动化给与同等程度的重视。
在后段制造中，自动化通常与过程的管理和指导无关，主要集中在WIP管理、库存管理、产品分类、规格管理和订单管理n。
但是，从现在的趋势来看，有迹象表明测试封装厂商正逐渐认识到工厂自动化的需求，并且这一需求很可能在将来成为不可或缺的。
另外，这种需求还会随前段制造的越来越自动化而更显迫切，因为缺乏自动化会使得后段成为整个IC制造流程的瓶颈u21。
111计算机集成制造系统的定义CIM是美国约瑟夫哈林顿（JosephHarrington）博士于1973年在其ComputerIntegratedManufacturing）一书中首先提出的。
哈林顿提出的ClM概念中有两个基本观点：
（1）企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑。
（2）整个制造过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可看作是数据的物质表现。
一4一浙江Ji业大学硕士学位论文这两个观点是CIM的核心部分，其实质内容是信息（数据）的集成。
哈林顿所强调的，一是整体观点即系统观点，二是信息观点，二者都是信息时代组织、管理生产最基本、最重要的观点。
可以说，CIM是信息时代组织、管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。
按照这一哲理和技术构成的具体实现便是计算机集成制造系统CIMS13H15J。
我国于1986年开始制订实施的“863计划”中将CIMS确定为自动化领域的主题研究项目之一，并规定了我国863CIMS的战略目标为：
跟踪国际CIMS有关技术的发展；掌握CIMS关键技术；在制造业中建立能获得综合经济效益并能带动全局的CIMS示范工厂，通过推广应用及产品化促进我国CIMS高技术产业的发展n础吖2引。
112半导体制造后段自动化系统的结构早期的设备集成及自动化造成了“自动化孤岛，主要体现为自动化只在单独的设备级别而不是在多设备集成上。
在设备级别操作上进行了单独的自动化，但是还是需要人工检查、Lot移动及跟踪。
传统的半导体制造后段流水线通常是由一些具有中到低级自动化的设备集成起来的装配线。
这些流水线通常需要一些手工的步骤，需要依靠操作员来进行所有操作、维护、Lot管理及检查工作，这种生产模式有较大的生产周期时间瞳引。
目前有些较大的半导体设备制造商开始将整个后段的过程设备集成到一个系统中。
但还是根据工艺过程的要求保留了一些人工视觉检查的环节，其主要结构如图卜2所示，图1-2半导体制造后段自动化系统结构这样的系统在软件集成上依据大规模生产中的“先进先出”（FIFO）的流程概念进行了设计，适合于大批量生产及封装形式较固定的类型。
另外系统在软件的Lot跟踪上有一定的局限性。
如果Lot或者产品数量很少并且需要经常改变产品类型，那么Lot跟踪就会有问题，除非第一个进入到系统的产品在下一个Lot或产品进入前已经完全清除。
另外的一个局限性在缺陷管理上，缺陷识别是由手工在Strips或Units上打上标记来完成的。
浙江工业大学硕士学位论文113项目背景本文来源于某大型国际半导体制造公司的CIMS项目的设计、开发以及实施。
整个项目主要目的是建立一条完全集成的、高度自动化的封装测试生产线用于生产BGA类产品。
该全自动化生产线集成了从DieAttach到TapeandReel的全部工艺流程，生产周期少于24小时，这条生产线是一条几乎无需人工操作的自动化生产线。
全自动生产线由从DieAttach到TapeandReel共25台设备组成，全部都通过连接到单元控制器连接到更高级别的MES和工厂计划信息系统。
实际上全自动生产线就像是使用软件和硬件将所有单个的工艺过程集成为一个装配一测试一打包设备，所有设备都可以进行快速的封装类型转变，在生产中非常机动灵活。
本文作者有幸参加了该半导体全自动化后段生产线中BallAttach和PackageSingulation两台自动化设备的软件设计、开发、测试和实施工作，通过在设备中应用SECSGEM标准接口使各个独立设备完全集成到了生产线中实现了集成制造，同时实现了Lot跟踪和缺陷管理等高级功能。
12半导体制造自动化发展现状121推动半导体制造自动化发展的主要因素要了解半导体制造自动化发展的历史和现状，首先应该了解推动半导体制造自动化发展的主要因素，主要有以下几个方面乜驯：
1、管理层是推动半导体制造自动化发展的非常关键的因素。
他们的职位使他们可以发起并推动一些新技术新设想的应用。
通常工厂自动化需要投入很大的人力物力，如果没有高层的支持和承诺，工厂自动化很难成功。
高层需要从商业利益上去衡量是否需要进行工厂自动化。
而实行工厂自动化以后主要的益处包括提高人员的生产率，降低生产周期和空间占用，通过减少人工操作获得质量和稳定性的提升。
2、另一个推动半导体制造自动化发展的因素是技术工程队伍。
他们常常在寻求一些新的技术或设备。
从工程人员的角度看，工厂自动化的推行就好像是技术革新和持续改进，比如工艺过程的简化。
3、推动半导体制造自动化发展的另外一个因素是设备和封装材料的开发商。
设备供应商和材料开发商在工厂自动化上面投入了大量人力物力，当然这些投入也要取决于他们自己的高层的意见。
一6一浙江工业大学硕士学位论文122半导体制造自动化发展历史及现状从半导体制造自动化技术的发展历程来看，目前在半导体自动化集成上所取得的成就可以分以下几类讣2：
过程自动化：
关注于每一个过程的自动化，从手工或半自动到全自动。
生产率和生产力的提高是主要的驱动力过程集成化：
关注于将不同过程集成于单一设备内。
这包括将传输带移动机械及机器视觉检查集成进每个工艺过程，并将这些信息连接到单元控制器单元线自动化：
关注于将不同工艺过程及设备集成到一条生产线或单元，由一个材料传输系统进行连结，由线或单元控制器控制，控制器可能连接或不连接到MESMES集成化：
关注于将工厂过程设备及单元控制器连接到制造执行系统，实现透明的、准确的实时信息能及时更新到整个组织。
访问实时信息能帮助降低周期时间，提高生产率。
从时间上来看半导体工厂自动化的发展历程主要有如下几个阶段（以DieAttach设备为例）：
第一代：
1970年中期一1980年早期在生产线中消除了镊子或拾取工具的使用。
从手工使用镊子或真空拾取工具改为自动Die拾取工具。
一些新的DieAttach材料被开发出来用于解决自动化过程中的各种问题；通过开发出模式识别系统实现了自动校正功能，并使用机器视觉自动校正方法取代了人工校正过程同时提升了准确性和速度。
计算机软件使模式识别技术成为了接下来表面封装技术一个革命性的创造。
第二代：
1980年中期当单独的封装过程得到自动化后，设备工程师开始通过使用基于盒（Magazine）的操作来提高设备的生产力。
盒使设备上下料的数量从单个的Units或Strips变成了大批量，这就使得一个操作员可以同时操作好几台设备。
第三代：
1990年早期1990年早期部分设备的集成开始出现。
例如DieAttach和SnapCureOven集成，AutomoldSystems和PostMoldCureOvens集成，电子测试设备和激光标记视觉检查系统集成。
这些集成有效地减少了独立的设备之间手工传输盒的时间。
但是人工视觉检查仍然在使用，另外一些要求长时间处理的工艺例如05到6个多小时的PostDieAttach等成为浙江工业大学硕士学位论文了集成更多设备或工艺的主要障碍。
第四代：
1990年中期一些大的半导体设备制造商开始整个FOL和或EOL过程的硬件集成计划。
后段的全自动化设想主要由Fico和ASA提出。
他们将Mold，PostMoldCure，TrimandForm，ElectricflTestLaserMark和TapeandReel集成起来。
但还是根据过程的要求保留了一些人工视觉检查的环节，在软件集成上依据大规模生产中的“先进先出的流程概念进行了设计，适合于大批量生产及封装形式较固定的类型。
另外系统在软件的Lot跟踪上有一定的局限性。
如果Lot或者产品数量很少并且需要经常改变产品类型，那么Lot跟踪就会有问题，除非第一个进入的产品在下一个Lot或产品进入前已经完全清除。
另外的一个局限性是缺陷管理，缺陷识别也是由手工在Strips或Units上打上标记。
123半导体制造自动化所带来的好处在过去的几十年中，前段FAB通过实施单元控制器对生产设备的产能进行升级或补偿。
单元控制器拥有线上接口来和设备软件衔接，直接获取实时的设备状态和数据。
这意味着在设备内的数据可以立刻被其他系统使用，比如MES、APC等等。
通过利用获取的实时信息，自动化解决方案可以提供以下的优势嗌儿291：
1）设备使用率最大化对于前段FAB厂来说，过程设备和安放设备的厂房设施的成本极高。
设备使用率对于半导体制造商来说非常重要，只有保证设备不停的运转，并尽可能的消除故障才能提升产能。
自动化可以带来的设备使用方面的功能包括：
a）使用自动化的产品批次识别，能够更快将线上的产品批次装载进设备。
免除操作员手工键入，可以消除手工键入带来的对生产的延迟。
经由追踪系统，操作员同时还可以定位寻找等待进入某一步流程的产品。
b）当CC和设备连接时，设备的参数设置、过程配方选择以及数据搜集可以自动完成，从而消除操作员完成操作需要的时间。
c）来源于设备的诊断数据使得维护工程师减少做出正确判断措施所需要的时间，更重要的是，在设备由于故障停止运作而造成巨大损失之前，就能够预测和采取预防措施。
d）通过测算设备真正的运行周期、设备运转能力和诊断性数据，能够取消那些不必要的设备维护。
一8一浙江工业大学硕士学位论文2）改善设备运作设备整合使得自动化投资的所有潜力得以最大的发挥，这一点体现在设备监控中。
设备和工艺过程等部门的工程师通过使用搜集到或观察到的数据，可以获得非常精确的设备使用率的相关参数，比如UPH、MTBA、MTBF等等，并用来优化设备的工艺过程。
另外，使用实时设备状态信息，比如影响工艺过程的数据，能够为整个系统的运行提供更好的流程控制和改善。
3）WIP追踪自动化wIP的确认，改善了生产周期的时间和设备的生产力，并减少整个WIP的级层。
做到单一元件追踪（SingleDeviceTraceability）。
4）防止人工失误人工失误的成本是巨大的。
最有说服力的一个例子就是下载了错误的产品工艺配方和或过程参数。
为了防止这类“损失惨重的失误，需要使用一个中央工厂自动化系统，即配方管理服务器。
13半导体制造自动化系统存在的主要问题从前面介绍的半导体自动化发展现状来看，当前的系统主要存在以下几个问题：
l、整条生产线的设备提供商往往为同一厂家，但随着工艺过程的不同，各设备有着不同特性的差异且各设备制造商所提供的设备也不尽相同，因此增加CIM自动化管理的困难与复杂程度。
软件集成自动化存在的主要问题是在不同的设备供应商之间没有标准的通讯协议。
设备供应商不向半导体生产商开放通讯协议及接口软件，这使得半导体生产商不得不建立他们自己的软件“连接，导致了项目费用的巨大增加。
2、在软件集成上依据大规模生产中的“先进先出的流程概念进行了设计，比较适合于大批量生产及封装形式较固定的类型。
但是系统在软件的Lot跟踪上有一定的局限性，如果Lot或者产品数量很少并且需要经常改变产品类型，那么Lot跟踪就会有问题，除非第一个进入系统的产品在下一个Lot或产品进入前已经完全清除。
3、缺陷管理上的局限性。
缺陷识别是由手工在Strips或Units上打上标记来完成的，既增加了人力成本又很难提高生产率。
4、生产线根据工艺过程的要求保留了一些人工视觉检查的环节，一方面使得生产周期变长投入的人力加大，另外较难提高设备生产率及产品质量啪1一9一浙江工业大学硕士学位论文14半导体制造自动化生产线总体设计思路根据当前半导体制造自动化系统存在的主要问题，并结合半导体制造商的要求，提出建设一条高度自动化的生产线，采用以下方法来解决当前半导体制造自动化系统存在的主要问题：
l、使用SECSGEM通讯标准作为所有设备通用的通讯标准接口b。
设备制造商只要提供符合通讯标准规范的设备，便可快速地整合在CIM的管理系统中，不但可缩短设备开发的时间及成本，并可增加设备装机的效率达到快速量产，进而提升产能输出。
2、使用电子StripMap和2D编码电子身份识别实现Lot跟踪。
3、使用电子StripMap和2D编码，通过SECSGEM标准接口连接设备、CellController和MES系统实现缺陷管理口幻。
4、使用机器视觉系统代替人工视觉检查，来提高产品质量和设备生产率，减少生产周期时间。
全自动生产线由从DieAttach到TapeandReel共25台设备组成，全部都通过连接到单元控制器连接到更高级别的MES和工厂计划信息系统。
15本文的主要工作及论文结构本文作者参与了该半导体全自动化后段生产线中BallAttach和PackageSingulation两台自动化设备的SECSGEM接口及软件的设计、开发、测试和实施工作。
首先通过分析半导体后段自动化的各项需求及目前半导体制造自动化所存在的问题，进行了半导体后段全自动化生产线的总体设计，包括硬件设计、软件设计、Lot跟踪及缺陷管理方面的设计，解决了所提出的问题。
详细介绍了半导体设备通讯标准SECSGEM，并对SECSI、SECSII和GEM进行了详细设计，给出了使用SECSGEM标准接口在设备端实现Lot跟踪和缺陷管理的实例。
通过在设备中应用SECSGEM标准接口使各个独立设备完全集成到了生产线中实现了集成制造，实现了Lot跟踪和缺陷管理等高级功能。
论文各章节研究内容安排如下：
第一
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