模塑料處理自動(dòng)化：模塑料處理不當(dāng)對(duì)策

前言

解凍是在塑封成型前EMC準(zhǔn)備過(guò)程中的一個(gè)重要工序，可以防止模塑料變質(zhì)和材料性能下降，影響集成電路（IC）的質(zhì)量和可靠性。EMC對(duì)外部環(huán)境條件敏感，因?yàn)楣袒仁艿江h(huán)境條件影響。

EMC固化通常分為四個(gè)階段，解凍是EMC出廠后運(yùn)輸?shù)絺}(cāng)庫(kù)冷藏階段B的末段，如圖1所示。

為了解凍模塑料，從溫度為5°C或更低的冷庫(kù)中取出EMC，經(jīng)過(guò)一個(gè)分階段的固化過(guò)程，通常是在室內(nèi)環(huán)境中解凍24小時(shí)，室溫通常設(shè)在23°C±3°（21°C至24°C），相對(duì)濕度40至55％RH（41％至51％），如圖2所示。此后，按照規(guī)定的開(kāi)袋保質(zhì)期(floor life)，將EMC裝入壓模機(jī)壓模。開(kāi)袋保質(zhì)期一旦到期，則認(rèn)為EMC已過(guò)保質(zhì)期，應(yīng)妥當(dāng)處置。解凍的主要目的是防止水汽進(jìn)入密封袋。如果不除濕，模塑料將會(huì)導(dǎo)致加工缺陷，例如，封裝空隙、起泡或不完整。在后期封裝或客戶制造過(guò)程中施加熱量時(shí)，水分還會(huì)引起可靠性問(wèn)題，例如，焊盤(pán)或引線腐蝕、分層或爆米花現(xiàn)象。

模塑料處理不當(dāng)

EMC處理不當(dāng)包括用錯(cuò)EMC料、EMC過(guò)保質(zhì)期和EMC不完全解凍。用錯(cuò)EMC料是指使用與產(chǎn)品要求不同的EMC，這可能是材料類型錯(cuò)誤或顆粒尺寸不對(duì)。EMC過(guò)保質(zhì)期是指使用了超出規(guī)定的開(kāi)袋保質(zhì)期的材料。不完全解凍是指解凍時(shí)間尚未到時(shí)提前使用材料的情況。

從EMC處理不當(dāng)事故發(fā)生趨勢(shì)看，2018年第四季第記錄了1次過(guò)保質(zhì)期EMC的加工不良事故，2019年第一季度發(fā)生一次解凍不完全事故，如圖3所示。

圖1 EMC的四個(gè)固化階段

圖2 模塑料處理流程

圖3 截至2019年第一季度的模塑料處理不當(dāng)發(fā)生趨勢(shì)

對(duì)因模塑料處理不當(dāng)而造成的加工不良品作可靠性測(cè)試，結(jié)果顯示芯片頂部和芯片焊盤(pán)區(qū)域有分層，如圖4所示。所有受影響的生產(chǎn)批次做報(bào)廢處理，避免客戶投訴。

現(xiàn)行模塑料處理不當(dāng)防控措施

以前的EMC處理不當(dāng)防控措施是采用顆粒顏色標(biāo)識(shí)表，按照EMC類型和顆粒尺寸為每種模塑料指定一個(gè)唯一顏色標(biāo)識(shí)，如表1所示，

圖5所示是一個(gè)用不同顏色標(biāo)識(shí)的顆粒品名標(biāo)簽，填寫(xiě)目的是指示模具機(jī)器編號(hào)、模塑料類型、顆粒規(guī)格、模塑料8NC、模塑料批次號(hào)、封裝類型，這些信息是防止用錯(cuò)EMC料的關(guān)鍵。填寫(xiě)的項(xiàng)目還包括出庫(kù)開(kāi)始日期時(shí)間、開(kāi)袋保質(zhì)期開(kāi)始和結(jié)束日期時(shí)間。這些項(xiàng)目是判斷模塑料是否完全解凍或過(guò)保質(zhì)期的關(guān)鍵信息。在解凍區(qū)內(nèi)將小標(biāo)簽貼在模塑料包裝袋或容器上。

圖4 不完全解凍模塑料加工不良品的可靠性測(cè)試SAM圖像

表1 模塑料顆粒顏色標(biāo)識(shí)表

圖5 顆粒品名標(biāo)簽

在模塑成型加工過(guò)程中，模具操作員在每次換班交接時(shí)和更換EMC后，都應(yīng)在模具監(jiān)測(cè)日志上記錄EMC的詳細(xì)信息，包括材料代碼、批次號(hào)、開(kāi)袋保質(zhì)期和出廠保質(zhì)期，如下圖6所示。

解凍過(guò)程自動(dòng)化

人工實(shí)施的模塑料處理不當(dāng)防控措施很容易在填寫(xiě)顆粒品名標(biāo)簽時(shí)出錯(cuò)，這些表格處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)料或漏料。更嚴(yán)重的是，操作員因?yàn)橐粫r(shí)疏忽大意或不遵守操作規(guī)定，誤用已知未完全解凍或過(guò)保質(zhì)期的材料。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)詳細(xì)的解凍流程圖，以尋找現(xiàn)有防控措施的不足之處，防止處理不當(dāng)事故發(fā)生。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)，我們開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)化解凍解決方案，以防止解凍過(guò)程發(fā)生人為錯(cuò)誤或違規(guī)現(xiàn)象。自動(dòng)化項(xiàng)目要求EMC供應(yīng)商將包裝標(biāo)簽升級(jí)到條碼標(biāo)簽，并搭建一個(gè)電子標(biāo)簽打印系統(tǒng)，打印不干膠標(biāo)簽，代替人工填寫(xiě)顆粒品名表。為防止生產(chǎn)人員取出未完全解凍或過(guò)保質(zhì)期的待處理的材料，我們的解決辦法是開(kāi)發(fā)一個(gè)直到完全解凍后才開(kāi)門(mén)的自鎖解凍柜。為了控制進(jìn)入解凍室的通道，解凍室只有授權(quán)人員才能進(jìn)入。解凍柜電子流程圖將有助于更好地管理解凍室內(nèi)的模塑料狀態(tài)。在生產(chǎn)車間應(yīng)該有一個(gè)自動(dòng)停機(jī)系統(tǒng)，如果下錯(cuò)料或者用了解凍不完全或過(guò)保質(zhì)期的材料，系統(tǒng)可以停止一個(gè)生產(chǎn)批次的加工作業(yè)。表2列出了EMC處理流程圖

圖6 模具監(jiān)測(cè)日志表

表2 EMC處理流程圖

相關(guān)文獻(xiàn)綜述

受工業(yè)4.0啟發(fā)，ST 卡蘭巴工廠所屬的后工序制造技術(shù)計(jì)劃的目標(biāo)是在未來(lái)幾年中開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的制造環(huán)境。 從2018年到現(xiàn)在立項(xiàng)43個(gè)，落地22個(gè)。隨著機(jī)器人、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）和可追溯性等技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)4.0可以提高企業(yè)的生產(chǎn)率，并保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，如圖7所示，這些技術(shù)是這個(gè)計(jì)劃的主要內(nèi)容。

按照這個(gè)計(jì)劃，本文將探討以大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和可追溯性為中心的工業(yè)自動(dòng)化。用掃描條碼取代人工填表是徹底解決材料處理不當(dāng)?shù)囊粋€(gè)重要對(duì)策。下面的一項(xiàng)研究討論了材料標(biāo)簽的發(fā)展演變。

[3]智能工廠被定義為高度靈活的能夠利用來(lái)自運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流的聯(lián)網(wǎng)工廠。在這種情況下，貼標(biāo)簽可能是最受歡迎的對(duì)象識(shí)別跟蹤方法，從純手寫(xiě)標(biāo)簽到條形碼，再到二維碼和RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽在過(guò)去幾年中發(fā)生了巨大變化。

圖7 ST后工序制造技術(shù)自動(dòng)化計(jì)劃

有幾種標(biāo)簽技術(shù)可用于自動(dòng)識(shí)別工業(yè)產(chǎn)品。條碼是最基本的技術(shù)，基本上就是用圖形方法表示的前面第一節(jié)中提到的GTIN代碼。讀取條形碼信息需要讀取器和視線(LoS)。另外，條形碼和讀取器之間還需要較短的通信距離（最多幾十厘米）。盡管有這些要求限制，條形碼在許多工業(yè)應(yīng)用中還是非常有用的，并且識(shí)別速度明顯高于傳統(tǒng)人工識(shí)別方法。而且，條形碼確實(shí)很便宜，標(biāo)記對(duì)象只需要條形碼生成軟件和打印機(jī)。盡管在工業(yè)4.0所描繪的自動(dòng)識(shí)別場(chǎng)景中，似乎不需要條形碼，但是在降低成本、讀取距離較近或讀取位置非常特殊的工業(yè)場(chǎng)景中，條形碼仍然有武之地。

條形碼和二維碼通常用于庫(kù)存應(yīng)用、產(chǎn)品跟蹤或物資管理，讀取標(biāo)簽信息有視線限制，無(wú)法與物品交換信息，顯然，無(wú)法主動(dòng)報(bào)告物品狀態(tài)。圖8所示是直到智能標(biāo)簽出現(xiàn)之前標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展歷程。

易變質(zhì)材料控制系統(tǒng)，也就是模塑料控制系統(tǒng)，有一個(gè)包含所有的EMC取用信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，并連接制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。該系統(tǒng)與MES系統(tǒng)對(duì)照檢查將有助于決定批次加工作業(yè)決策。自鎖解凍柜系統(tǒng)的傳感器、致動(dòng)器和硬件由模塑料控制系統(tǒng)的PLC控制。

^[1]自動(dòng)化層次結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是從傳統(tǒng)的金字塔概念向云概念發(fā)展，如圖9所示，在云概念中，所有系統(tǒng)都互動(dòng)。

本文論述結(jié)合了我們的FW2制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）系統(tǒng)的改進(jìn)之處，因此，根據(jù)現(xiàn)代MES未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)評(píng)估我們當(dāng)前系統(tǒng)的性能有利于我們改進(jìn)系統(tǒng)。

圖8 工業(yè)標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展歷程

圖9 自動(dòng)化層次結(jié)構(gòu)的變化

^[2]   基于分布式邏輯的現(xiàn)代制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為開(kāi)發(fā)工業(yè)4.0模型提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和一個(gè)自然垂直集成途徑。集成到“上層”的企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)中，同時(shí)監(jiān)控“下層”的生產(chǎn)流程，MES的效果始終是最好的選擇。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）和網(wǎng)絡(luò)物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）相互直接通信，MES可以觸發(fā)業(yè)務(wù)規(guī)則或工作流，管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。例如，作為高級(jí)質(zhì)量抽檢策略的一部分，品控過(guò)程可能要求設(shè)備執(zhí)行更多的驗(yàn)證步驟，無(wú)誤后在繼續(xù)執(zhí)行后面的加工作業(yè)，這就要求業(yè)務(wù)規(guī)則中有通信功能，因此在設(shè)備繼續(xù)執(zhí)行其生產(chǎn)過(guò)程之前，不會(huì)繞過(guò)品控過(guò)程。

在工業(yè)4.0中，過(guò)程控制（SPC）是另一個(gè)依賴良好的系統(tǒng)垂直集成度的領(lǐng)域。SPC要求長(zhǎng)期從出入工廠的大量材料中收集數(shù)據(jù)。例如，如果CPS中的設(shè)備意識(shí)到需要收集可測(cè)量的變量，則根據(jù)SPC規(guī)則，確認(rèn)變量是在限制范圍內(nèi)，如果不在限制范圍內(nèi)，則可能需要采取修正措施，在CPS上層系統(tǒng)中觸發(fā)修正操作標(biāo)志。MES依然是實(shí)現(xiàn)此目的的理想平臺(tái)。

在ST卡蘭巴工廠，我們的FW2制造執(zhí)行系統(tǒng)集成了這些驗(yàn)證工序和SPC控制。進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度，確保加工過(guò)程在正確的時(shí)間使用正確的材料，對(duì)于防止加工不良至關(guān)重要。本文將在后續(xù)部分中詳細(xì)論述討論如何解決這一問(wèn)題。

材料與方法

材料

為了自動(dòng)識(shí)別顆粒，材料供應(yīng)商需要升級(jí)包裝標(biāo)簽條碼，增加材料品名、型號(hào)、批次號(hào)、制造日期、保質(zhì)期、數(shù)量和包裝箱號(hào)。掃描儀讀取條碼信息并將其傳輸?shù)綏l碼打印機(jī)，按照規(guī)定格式在標(biāo)簽貼紙上打印信息，如圖10所示。

生產(chǎn)批次追溯信息又稱行程卡，卡上的條碼包含EMC信息，用于在批次交易期間，對(duì)照檢查當(dāng)前裝入設(shè)備的EMC。如圖11所示，在壓模過(guò)程中，行程卡上使用相同的條碼格式，如圖11所示。

(a)

(b)

 (c)

圖10. a）條碼掃描器，b）條碼打印機(jī)和標(biāo)簽貼紙，c）模塑料供應(yīng)商標(biāo)簽

圖11. 在ST卡蘭巴工廠使用的行程卡

硬件

將EMC解凍存放方式從開(kāi)放式解凍架或解凍柜換成內(nèi)置自鎖系統(tǒng)的封閉式解凍柜，以防止未完全解凍或已過(guò)保質(zhì)期的EMC被意外取出。每個(gè)柜門(mén)位置都有一個(gè)監(jiān)測(cè)EMC狀態(tài)的LED指示燈，如圖12所示。

為了防止未授權(quán)人員進(jìn)入解凍室，在解凍室的門(mén)上安裝了門(mén)禁。如圖13所示。

(a)

(b)

(c)

圖12  EMC解凍存放柜（a）開(kāi)放式柜子，（b）開(kāi)放式架子（c）自鎖封閉式柜子

圖13 解凍室門(mén)禁

自動(dòng)化軟件和升級(jí)

為了讀取EMC供應(yīng)商的標(biāo)簽，打印顆粒品名標(biāo)簽，我們開(kāi)發(fā)了一種稱為易變質(zhì)材料控制(PMC)的軟件，如下圖14b所示。在打印輸出中有一個(gè)被稱為盒子ID的唯一代碼，這個(gè)信息可以用作軟件與其他制造系統(tǒng)的接口，如圖14c中所示，因?yàn)橐呀?jīng)通過(guò)電子方式完成信息錄入，所以不再需要人工填寫(xiě)模塑料取出日志表。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)使用Factory Works 2（FW2）系統(tǒng)，該系統(tǒng)已升級(jí)到集成PMC數(shù)據(jù)，有對(duì)照檢查功能，如圖14a所示。

模塑料解凍柜監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序是我們開(kāi)發(fā)的另一個(gè)軟件，安裝在解凍室的PC機(jī)上，用于控制EMC解凍柜自鎖系統(tǒng)，如圖15所示。在EMC解凍完成后，軟件會(huì)自動(dòng)打開(kāi)柜門(mén)鎖。模塑料準(zhǔn)備就緒后，通過(guò)提交電子取料申請(qǐng)表取走模塑料。軟件還通過(guò)圖形界面為用戶顯示每種模塑料的狀態(tài)和解凍柜位置。

Procedure測(cè)試過(guò)程

在所需的材料、硬件和軟件都準(zhǔn)備到位后，試運(yùn)行系統(tǒng)，檢查自動(dòng)化功能是否準(zhǔn)確，是否符合預(yù)期目標(biāo)，如圖16所示。

對(duì)于PMC條碼打印，對(duì)照模塑料標(biāo)簽檢查打印標(biāo)簽，核實(shí)掃描信息是否正確無(wú)誤。核實(shí)在PMC中所有已交易的EMC是否已錄入到EMC電子日志中。

(a)

(b)

(c)

圖14 （a）FW2系統(tǒng)（b）PMC易變質(zhì)材料控制（c）PMC的打印標(biāo)簽屏幕

圖15 模塑料解凍柜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖16 EMC處理過(guò)程自動(dòng)化流程

在模塑料解凍柜控制應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)掃描的條碼數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的對(duì)照檢查。屏幕上的狀態(tài)和位置與自鎖解凍柜的實(shí)際情況相互對(duì)照驗(yàn)證，檢查柜門(mén)開(kāi)啟是否符合24小時(shí)要求，核實(shí)取料申請(qǐng)表中所有已處理的EMC是否列在EMC電子取料日志中。

在模塑料顆粒盒ID錄入系統(tǒng)后，升級(jí)后的FW2系統(tǒng)能夠檢查生產(chǎn)批次是否遇到跟蹤錯(cuò)誤。如果材料即將過(guò)保質(zhì)期，系統(tǒng)將會(huì)預(yù)警，提醒人員檢查。如果模塑料已過(guò)保質(zhì)期，系統(tǒng)將關(guān)閉生產(chǎn)批次跟蹤。

測(cè)試結(jié)果與討論

易變質(zhì)材料控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測(cè)試

比較EMC供應(yīng)商實(shí)物標(biāo)簽與易變質(zhì)材料控制系統(tǒng)條碼打印輸出，所有輸入數(shù)據(jù)都相同。兩個(gè)標(biāo)簽的實(shí)際圖像如下圖17所示。

(a)    (b)

圖17 （a）供應(yīng)商的模塑料標(biāo)簽實(shí)物，（b）同一個(gè)模塑料標(biāo)簽的PMC打印標(biāo)簽實(shí)物

使用雙比率檢驗(yàn)方法比較人工填表和PMC之間的顆粒標(biāo)簽信息準(zhǔn)確度。在95％置信度下，P值為0.0434，人工填寫(xiě)和PMC之間存在顯著差異。使用PMC沒(méi)有記錄到任何偏差，詳見(jiàn)圖18。

自鎖柜系統(tǒng)功能測(cè)試

在開(kāi)放式解凍架和自鎖解凍柜系統(tǒng)之間，使用雙比率檢驗(yàn)方法比較解凍狀態(tài)和標(biāo)簽信息的準(zhǔn)確度。在置信度為95％，P值為0.0235時(shí)，開(kāi)放式解凍架和自鎖解凍柜系統(tǒng)之間存在顯著差異。使用自鎖柜系統(tǒng)沒(méi)有記錄到偏差，詳見(jiàn)圖19。

FW2系統(tǒng)升級(jí)測(cè)試

FW2系統(tǒng)升級(jí)后能夠提供預(yù)警時(shí)間和禁止交易的偏移時(shí)間和保質(zhì)期過(guò)期警報(bào)，如圖20所示。

從2019年第2季度開(kāi)始實(shí)施所有自動(dòng)化解決方案至圖21所示時(shí)間，沒(méi)有出現(xiàn)EMC處理不當(dāng)記錄。該項(xiàng)目能夠消除與EMC解凍有關(guān)的模具加工不良問(wèn)題，從而避免了生產(chǎn)批次報(bào)廢而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

圖18 人工填表和PMC標(biāo)簽之間的雙比率準(zhǔn)確度測(cè)試

圖19 方式解凍架和自鎖柜之間的雙比率準(zhǔn)確度測(cè)試

圖20 FW2預(yù)警顯示實(shí)圖

圖21 EMC處理不當(dāng)趨勢(shì)，截至2020年第一季度

建議

建議將本文提出的適用于EMC處理的所有自動(dòng)化方法擴(kuò)展到其他直接和間接材料。由于FW2升級(jí)僅禁止生產(chǎn)批次交易，但實(shí)際上機(jī)器將繼續(xù)使用EMC，因此需要進(jìn)一步在機(jī)器級(jí)別對(duì)EMC進(jìn)行防錯(cuò)處理。 模具系統(tǒng)采用與PMC相同的原理，可以對(duì)照檢查材料和配方是否匹配，發(fā)現(xiàn)從機(jī)器數(shù)據(jù)庫(kù)加載的過(guò)期EMC，并觸發(fā)自動(dòng)傾倒操作。目前正在與模具設(shè)備制造商討論這一概念。如果存在其他的本文未討論的無(wú)法預(yù)料的處理不當(dāng)?shù)娜秉c(diǎn)，請(qǐng)與其他ST站點(diǎn)共享經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，交流最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以進(jìn)一步改進(jìn)處理方法。 

結(jié)論

PMC易變質(zhì)材料控制系統(tǒng)省去了在解凍操作時(shí)EMC追溯性信息的人工填表工作，并且解凍準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)庫(kù)可用于FW2等其他系統(tǒng)。

模塑料控制系統(tǒng)和自鎖解凍柜在整個(gè)解凍周期內(nèi)確保EMC和標(biāo)簽安全，并具有準(zhǔn)確的位置和狀態(tài)可追溯信息。

升級(jí)的FW2制造執(zhí)行系統(tǒng)能夠連接易變質(zhì)材料控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供預(yù)警、禁用和關(guān)閉機(jī)器功能，一旦發(fā)現(xiàn)用錯(cuò)EMC、解凍不完全或過(guò)期的EMC，就會(huì)限制批次交易。

這些自動(dòng)化模塑料處理方法徹底解決了模塑料處理不當(dāng)問(wèn)題，從而避免了潛在的批次報(bào)廢造成的經(jīng)濟(jì)損失。

免責(zé)聲明

用于本研究的產(chǎn)品是我們研究領(lǐng)域和國(guó)家/地區(qū)中普遍且主要使用的產(chǎn)品。本文作者和產(chǎn)品生產(chǎn)者之間絕對(duì)沒(méi)有利益沖突，因?yàn)槲覀兪褂眠@些產(chǎn)品不是為了尋求法律訴訟，而只是為了提高知識(shí)水平。 而且，這項(xiàng)研究不是由產(chǎn)品生產(chǎn)廠商資助的，而是作者個(gè)人的研究活動(dòng)。

利益沖突

作者聲明本文不存在任何利益沖突。

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? 2020 Padilla and Birog; This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.