（机械制造及其自动化专业论文）半导体封装测试车间设备布局问题建模与求解算法研究.pdf

摘要 摘要 设备布局问题长期以来一直是制造业中最重要和最困难的设计问题之一，因 为其要求在有限的车间空间中，利用不太充足的资源获得最大的生产效益，并且 还必须满足设备布局的各项复杂约束条件。合理的设备布局设计能降低车间的物 流费用、提高设备配置的冗余能力，从而提高车间的生产效率。半导体封装测试 是半导体制造业的最后两个流程，其特点是设备昂贵、设备数量众多、物流路线 复杂。目前，其车间设备布局问题通常通过建立实体模型或绘制大量布局方案图 并辅以少量的定量计算来解决，这种方式缺少科学的定量分析和理论指导，并且 对于车间生产变化的应对能力相对不足。本文目的就是通过研究半导体封装测试 车间设备布局问题优化数学模型及求解算法为其设备布局设计提供一种科学的、 定量的解决途径。 本文的研究工作主要有以下几方面： 1 、半导体封装测试车间设备布局特点研究：在对半导体封装测试加工流程、 车间设备组织形式以及车间物流系统三方面内容进行分析的基础上，阐述了半导 体封装测试车间设备布局特点。并且在此基础上确定了将该问题分为隔间布局和 车间总体布局两个步骤分别加以解决的方案。 2 、隔间布局优化数学模型及求解算法研究：通过对隔间布局对象、布局要求 和布局约束条件的研究，建立了以最小化隔间包络矩形面积和最小化包络矩形长 宽比为优化目标的隔间布局优化数学模型，同时，提出一种启发式和数学方法相 结合的算法对模型进行求解。 3 、车间总体布局优化数学模型及求解算法研究：通过对车间布局对象、布局 要求和布局约束条件的研究，建立了以最小化车间总物流费用和设备占用面积为 优化目标的车间总体布局优化数学模型并利用遗传算法进行求解。同时，根据本 文求解问题的特点设计了遗传算法相应的遗传编码、适应度函数、选择算子、交 叉算子、变异算子等算法关键内容。 4 、基于算法的仿真软件设计与开发：通过对仿真软件功能、系统架构的设计 以及系统关键技术的实现，开发了基于本文算法的仿真软件。 最后，将半导体封装测试车间相关数据带入本文所提出的算法进行求解，结 果表明算法对半导体封装测试车间设备布局问题的解决是可行和有效的。 摘要 关键词：设备布局问题，半导体封装测试，优化数学模型，求解算法 i l a b s t r a c t a b s t r a c t m a c h i n el a y o u tp r o b l e mh a sa l w a y sb e e nr e m a i n e da so n eo ft h ep r i m i t i v ea n d d i f f i c u l td e s i g n i n gp r o b l e m so fm a n u f a c t u r i n g , b e c a u s ei tr e q u i r e so b t a i n i n gm a x i m u m b e n e f i tu n d e ri n s u f f i c i e n tr e s o u r c ei nl i m i t e dw o r k s h o ps p a c ea n da 1 1o ft h o s em u s tm e e t t h ev a r i o u sa n dc o m p l e xc o n s t r a i n so fm a c h i n el a y o u tp r o b l e m r e a s o n a b l em a c h i n e l a y o u td e s i g n n i n gc o u l di n h a n c ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yt h r o u g hr e d u c i n gl o g i s t i c sc o s t s a n di m p r o v i n gm a c h i n ec o n f i g u r a t i o nr e d u n d a n c y s e m i c o n f u c t o ra s s e m b l ya n dt e s t w h i c ha let h el a s tt w op r o c e s s e so fs e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gc h a r a c t e r i z ea s e x p e n s i v ea n d m a s s i v ee q u i p m e n t sa n dc o m p l e xl o g i s t i c sr o u t e a tp r e s e n t ，t h em a c h i n e l a y o u tp r o b l e mo fs e m i c o n d u c t o ra s s e m b l ya n dt e s tw o r k s h o pi su s u a l l ys o l v e db y e n t i t ym o d e lo rl a y o u ta s s u m p t i o nd i a g r a mw i t ha l i t t l eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nw h i c h l a c ko fs c i e n t i f i cq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o n ，t h e o r yg u i d i n ga n df l e x i b i l i t yf o r t h ec h a n g e o fm a n u f a c t u r i n g s o ，t h i st h e s i si st op r o v i d eas c i e n t i f i ca n dq u a n t i t a t i v es o l u t i o nf o r m a c h i n el a y o u tp r o b l e mo fs e m i c o n d u c t o ra s s e m b l ya n dt e s tw o r k s h o pt h r o u g h r e s e a r c h i n gi t so p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e la n ds o l v i n ga l g o r i t h m t h er e s e a r c h i n gw o r ki nt h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga r e a s 1 r e s e a r c h i n go nt h e c h a r a c t e r so fm a c h i n el a y o u tp r o b l e mo fs e m i c o n d u c t o r a s s e m b l ya n dt e s tw o r k s h o p ：b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r o c e s s i n gf l o w , e q u i p m e n t o r g a n i z a t i o nf o r m sa n dl o g i s t i cs y s t e mo fs e m i c o n d u c t o ra s s e m b l ya n dt e s tw o r k s h o p ， t h i st h e s i sd e s c r i b et h ec h a r a c t e r so fm a c h i n el a y o u tp r o b l e mo fs e m i c o n d u c t o r a s s e m b l ya n d t e s tw o r k s h o pa n dp u t sf o r w a r dt od i v i d et h i sp r o b l e mi n t ot w os t e p s ：b a y l a y o u ta n do v e r a l ll a y o u tw h i c ha r es o l v e dr e s p e c t i v e l y 2 r e s e a r c h i n g0 no p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss o l v i n ga l g o r i t h mo f b a yl a y o u t ：b ys t u d y i n gt h eo b j e c t s ，t h er e q u i r e m e n t sa n dc o n s t r a i n so fb a yl a y o u t , t h e o p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb a yl a y o u tw h i c hs e tm i n i m i z a t i o no fa r e a sa n d l e n g t h w i d t hr a t i oa s t h eo p t i m a lo b j e c t s i se s t a b l i s h e da n das o l v i n ga l g o r i t h m c o m b i n d i n gh e u r i s t i cm e t h o d a n dm a t h e m a t i c a lm e t h o di sp r o p o s e d 3 r e s e a r c h i n go no p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss o l v i n ga l g o r i t h mo f o v e r a l ll a y o u t ：t h r o u g hs t u d y i n gt h eo b j e c t s ，t h er e q u i r e m e n t sa n dc o n s t r a i n so fo v e r a l l i i i a b s t r a c t l a y o u t , t h eo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fo v e r a l ll a y o u tw h i c hs e tm i n i m i z a t i o n o ft o t a ll o g i s t i c sc o s t sa n da r e a so c c u p i e do fm a c h i n e sa st h eo p t i m a lo b j e c t si s e s t a b l i s h e da n dg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt os o l v et h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l m e a n w h i l e , t h ek e yc o n t e n t so fg e n e t i ca l g o r i t h ms u c ha sc o d i n g , f i t n e s sf u n c t i o n ，s e l e c t i o no p e r a t o r , c t o s s o v e ro p e r a t o ra n dm u t a t i o no p e r a t o ra r ed e s i g n e db a s e do nt h ec h a r a c t e r so ft h e p r o b l e mi nt h i sp a p e r 4 d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h ea l g o r i t h m p r o p o s e di nt h i st h e s i s ：t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e dt h r o u g ht h ed e s i g n i n go f s y s t e mf u n c t i o n s ，s y s t e mc o n s t r u c ta n dk e yt e c h n o l o g yo ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r e a tl a s t ，t h ed a t ai n v o l v e dw i t hs e m i c o n d u c t o ra s s e m b l ya n dt e s tw o r k s h o pi s s u b s t i t u t e di n t ot h ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i sa n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h m i sf e a s i b l ea n de f f e c t i v et 0s o l v et h em a c h i n e l a y o u tp r o b l e mo f s e m i c o n d u c t o ra s s e m b l ya n dt e s tw o r k s h o p k e y w o r d s ：m a c h i n el a y o u tp r o b l e m ，s e m i c o n d u c t o ra s s e m b l ya n dt e s t ，o p t i m i z a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s o l v i n ga l g o r i t h m i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：题邃嘲溯年月5 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：蕴邀 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 设备布局 第一章绪论弟一早三；百t 匕 布局设计问题( p a c k i n gp r o b l e ma n dl a y o u td e s i g n ) 即对于给定的布局空间 和待布局物体，在一定约束条件下，将待布局物体布置到布局空间中，并达到某 种最优指标的活动【卜3 1 。布局问题被广泛地应用于生产和生活的各个方面，如航空 航天中对于舱室的布局【躺】；集装箱运输中对于集装箱的摆放布局【6 。7 】；大规模集成 电路中对于电路的布局【8 】；钢铁工业、造纸业中对于钢板和纸张的切割问题【9 - l 们， 制造业中的设备布局问题j 等等。 设备布局问题( m a c h i n el a y o u tp r o b l e m ) 就是在满足车间特定约束条件下， 如何将设备、通道、及其他辅助设施等按照人流、物流、信息流的需求合理地布 置在车间空间中的问题。狭隘的车间设备布局通常是指对设备在车间中的布局。 设备布局问题作为布局设计问题的一种，其不但要从空间上考虑如何将待布局设 备布置到车间空间中，更应该从制造系统的角度考查设备间的相互关系，综合空 间、物流、人员等多种因素，在满足车间其它一些特定约束条件的情况下，将生 产流程所需要的所有设备合理地放置于车间中，尽量降低车间物流成本【1 2 。13 1 ，使 得车间物流更加流畅，在制品积压数量最小，同时要求提高车间面积利用率【l 4 1 ， 从而提高车间设备配置的可扩充性以及车间在生产变化时的应对能力。本文就是 从降低车间物流成本和提高车间面积利用率两方面来考虑设备布局问题的建模与 求解算法的。 随着制造业的快速发展，各种新的制造行业不断涌现，新的设备组织形式和 车间物流形式也不断出现，所以，在进行布局设计时，不仅要考虑设备布局问题 的共性，更应该针对特定的制造环境和工艺流程，进行有针对性地设计。本文就 是在考查半导体封装测试工厂的制造环境和加工流程特点的基础上，结合设备布 局问题的一般性，通过对其优化数学模型和求解算法的研究来研究半导体封装测 试车间的设备布局问题。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2 半导体封装测试 半导体制造业的生产设备十分昂贵，生产过程中物流线路多回流和交叉从而 使得其成为资金高度密集，生产流程相当复杂的行业。其加工过程一般分为四步： 硅片制造、硅片测试、芯片封装、芯片测试。其中的芯片封装测试是半导体行业 非常重要的一个环节，其主要加工过程包括贴膜、切割、贴电容、烘烤、固化、 老化测试、电性能测试、焊球粘贴等【l5 1 。 半导体封装测试过程不同于一般传统的制造业过程，对于车间的设施规划也 有自身的特殊的要求： 1 、硅片( w a f e r ) 对于洁净度的要求相当高，要尽量减少其与空气的接触，所 以在进行设施规划设计时必须考虑车间的洁净程度，使其能达到硅片生产的要求。 同时，要设计良好的物流路径，尽量减少硅片在空气中暴露的时间，这样才能保 证圆片的质量。 2 、由于静电对于芯片( c h i p s ) 的影响非常大，所以半导体封装测试车间必须 进行静电防护，在车间设施规划设计过程中，必须考虑必要的静电防护设备，如 车间入口处的静电检测装置等。 3 、在封装测试过程中，需要用到大量液体和气体，所以，在对车间进行设施 规划设计时，必须考虑这些液体和气体的引入与排出，一般情况下，这些液体与 气体的管道都埋入地下或天花板上面，在进行布局规划时，应该首先把这些管道 的铺设线路设计好，同时，在进行设备的布局时，应该根据设备对于液体和气体 的需要，就近布置，并且设备的位置应考虑地下和空中的各种管道的位置。 4 、封装测试车间的设备的运行，需要各种动力、照明、控制、通信等管线的 支持，这些管线密布于天花板之上，通过专门管道集中引入到设备上来，所以， 这种专门管道成了每台设备必不可少的一部分，在设施规划设计时，必须首先考 虑到管道的位置，其位置在布局时应该满足两个条件，首先，要能把该设备所需 的各种管线引入到设备上来；其次，不能碰到车间上方天花板的龙骨。 由此可见，半导体封装测试车间的设施规划是不同于一般制造业的车间设施 规划的并且是极其复杂的。所以，在对半导体封装测试车间进行设施规划设计时， 要综合各方面需求，从整体上进行设计，充分利用定量分析、经验设计以及数学 规划设计等各种方法。本文主要采用数学建模的方法，定量地解决半导体封装测 试车间设备的布局问题。 2 第一章绪论 1 2 研究意义 设备布局问题是生产系统中一个非常重要的闫题。有资料表明【貅。巧：在制造 业中，总经营费用的2 0 5 0 是物料搬运费用，而优良的设备布局可使这一费用 至少减少1 0 - 3 0 。此外，优良的设备布局还熊加快物料处理的效率，减少在 制品的停留时间，提高企业的生产效率。同时，现代制造企业要求其车间具有一 定的设备冗余能力，以提高车闻在不同生产情况下的应对麓力，该霞标反映在设 备布局问题上就是要求在进行设备布局设计时，要尽量的提高车间面积利用率， 在有限的车间空间中布置尽可能多的设备。因此，减少车间物流费用并提高车间 面积利羯率已成为设备布局问题最重要的两个指标。 封装测试是半导体制造业的最后两个环节，也是非常重要的环节，其特点是 设备暴贵，设备数量众多，物流路线复杂。其车阆设备布局滴题传统上多利爆设 计者的设计经验，通过建立实体模型或绘制大量布局方案图并辅以少量的定量计 算来完成。这秘方式的弊端在于缺少科学的定量分析和理论指导，对于车闻生产 变化的应对能力相对不足。 本文在研究半导体封装测试车间设备布局问题特点的基础上，将其问题的求 解分解为隔间布局和车闻总体布局两个具有先后关系的步骤，并将减少车间物流 费用和提高车间面积利用率作为优化目标分别建立了隔间布局优化数学模型和车 闻总体布局优化数学模型，同时研究其褶疲的求解算法，著将其应用于半导体封 装测试车间设备布局问题的求解，以此为半导体封装测试车间设备布局问题提供 一种科学的、定量的解决途径。 1 3 相关领域研究现状 随着制造业的不断发展，对于制造车间设备布局的要求也越来越高，学者们 在这方面的研究也不断深入。 首先，在布局问题及设备布局问题的理论研究方面，查建中，唐晓君 2 1 等在其 文章中将布局阏题按布局对象的几何形状和是否规燹| j 分为三维三维规则物体布 局、二维三维不规则物体布局，并指出布局问题除少数能获得最优解，其余的都 属于n p 完全问题；并且将布局问题模型分为数学模型、图论模型和复合知识模型 三种；最后文章中还将爵前布局问题的求解方法进行归类，指出数学方法、图论 3 电子科技大学硕士学位论文 方法、专家系统技术、人工神经网络方法及启发式算法是目前解决布局问题的常 用方法。曹振新、朱云龙【i 剐等在其文章中系统阐述了设备布局问题：首先，建立 了设备布局问题参考模型，将设备布局问题划分为布局逻辑、布局建模和模型解 法三个步骤。然后指出设备布局逻辑可分为单元布局、分布布局、可重构布局和 鲁棒性四种；设备布局模型可分为二次分配模型、图论模型和混合整数规划模型； 设备布局解法包括图论算法、结构算法、改良算法和混合算法等。 在设备布局建模方面，h e r a g u 和s u n d e r e s h 【1 2 】在其文章中系统阐述了设备布局 建模问题，将物流费用最小作为设备布局优化目标，并提出了模型的两个约束条 件：设备之间不相互重叠和设备布局位置不超过车间范围。另外，二次分配模型 ( q u a d r a t i ca s s i g n m e n tp r o b l e mm o d e l ) 也是设备布局常见模型1 9 - 2 i 】，即指定n 个 布局位置和n 台设备，已知n 个布局位置间的距离以及n 个布局设备之间的物流 大小，然后为每个位置指派设备以使全部的物料运输费用最小，且布局时要求一 台设备只能赋给一个位置，一个位置只能布置一台设备。对于设备布局模型，有 的学者还提出了将车间面积也作为模型优化目标，在设备布局时尽量提高车间面 积利用率，如在l i g g e t t 和m i t c h e l l 2 2 】建立的面积利用模型中，将车间设备总面积 表示为n 台设备所必须的面积与布局空间所需且未被使用的空余面积之和，将面 积利用率表示为n 台设备所必须的面积之和与车间总面积之比，其中的设备所必 须的面积包括设备自身面积和设备与周围其它设施所设定的必要的间距面积之 和，提高车间面积利用率就是要尽量减少车间设备占用面积。但对于同时将物流 和面积作为车间设备布局优化目标进行建模的研究还较少，本文针对半导体封装 测试车间设备组织形式特点，在建立半导体车间设备布局优化模型时，首先将其 问题分解为隔间布局和车间总体两个步骤，然后以物流和面积作为优化目标，分 别建立优化模型。同时，在隔间布局建模时，根据半导体车间的实际情况，建立 了以缩小隔间长宽比为隔间布局优化目标并以“类正方形度”作为其衡量标准的 优化模型。 在设备布局问题求解方法方面，由于布局问题属于n p 完全问题，难以在可接 受的时间内获得满意解，而启发式算法因为不依赖具体的数学理论，来源于实际 的工程应用，所以启发式算法在设备布局问题的求解方面应用较为广泛。如w m c h a n 等【2 3 】提出以设备间的权重大小作为启发规则，每次从待布局设备中选出一个 最佳条件的设备进行布局的方法解决了单元布局( c e l l u r el a y o u t ) 中的单元内部 设备指派( m a c h i n e a s s i g n m e n t ) 问题；应保胜等【2 4 】提出的利用深度优先的智能回 4 第一章绪论 溯策略，以设备间零件流的传输信息为启发式知识，在多维解空间寻求可行解， 并通过比较有限的可行解，从而得到设备布局的最优解；刘晖【2 5 】等在考查了生产 线加工方式特点的基础上，提出了基于设备分类的车间布局方案，在该方案中， 所有设备按其物流交换数量，被分为：输入设备、输出设备、中间设备和独立设 备，并以此为依据，得到了设备布局的定序和定位算法，较好地解决了生产线设 备布局问题。同时，遗传算法，模拟退火算法和蚁群算法由于其能对解空间进行 不断的搜索，从而可以在较短的时间内获得问题的近似解，所以在设备布局问题 这类n p 完全问题方面的应用也较多，如e d u a r d o vg f 和a l e x a n d r e j t 【2 6 】利用 群组编码( g r o u pe n c o d e ) 方式代替简单的机器编码方式进行遗传算法编码用于解 决单元布局中的单元构建问题。文献1 2 7 。2 卅中均采取一种被称为“净间距 ( c l e a r a n c e ) ”的编码方式的遗传算法用于求解多行设备布局问题。r a m k u m a r a s 和p o n n a m b a l a m s g 【2 9 】在其文章中提出一种利用模拟退火算法和遗传算法相结合 的方法用于解决柔性制造系统设备布局问题。文献【3 0 】详细阐述了群体优化( c o l o n y o p t i m i s a t i o n ) 蚁群算法在设备布局方面的应用。周亦、波【3 l 】等人在研究了基于成组 技术的制造单元在车间平面内的布局问题时，提出了一种能真实反映车间平面内 布局特点和要求的布局模型，并利用模拟退火法进行求解试验结果表明，该布局 模型不仅能得到较优的单元布局，而且还能得到合理的物流路径。以上这些算法 都是针对不同的生产背景及不同的优化模型而提出的，对于半导体封装测试车间 设备布局问题，并没有一种具体的求解算法，本文就是针对这半导体封装测试这 一具体的生产背景建立其设备布局优化模型，并在此基础利用启发式算法和遗传 算法分别求解了隔间布局优化模型和车间总体布局优化模型。同时，根据隔间布 局优化模型的特点，分别建立了启发式规则、给出了启发式算法的具体步骤；根 据车间总体布局优化模型的特点，设计了遗传算法的编码、适应度函数以及遗传 算子。 同时，在半导体生产车间设备布局问题方面，学者们也进行了相应的研究， 这些研究多集中于对半导体生产车间设备布局形式的研究。例如，c h r i s t o p h e rd 【j z j 等人通过比较几种单元布局( c e l l u l a rl a y o u t ) 形式在半导体生产中的循环时间 ( c y c l e r i m e ) 表明：当s e t u pt i m e 和t r a n s f e rt i m e 很高，机器可信度很高时，单元 布局( c e l l u l a rl a y o u t ) 会有较好的性能。b r e t t “3 3 】在其文章中研究了隔间式布局 ( b a yl a y o u t ) 与车间搬运系统的整合问题；俞静等在其文章 3 4 1 中阐述了半导体车 间设施规划的相关问题；h u a n gh a n p a n g 3 5 】等在其文章中研究了半导体车间自动 电子科技大学硕士学位论文 物流系统的建模与评价方法。g a x i o l a g 和h e n n e s s y l 3 6 】以搬运距离为评价目标， 用静态分析和动态分析相结合的方法对三种半导体车间自动化物料处理系统进行 了评估，指出了各自的优缺点。由此可见，目前，对于半导体车间布局问题的研 究还相对较少，特别是对于其隔间布局和车间总体布局建模和求解算法的研究还 相当少，本文针对这一不足，分别建立了半导体车间隔间布局优化模型和车间总 体布局优化模型，并研究了相应的求解算法，同时设计了基于算法的仿真软件对 半导体封装测试车间设备布局问题进行求解。 1 4 研究内容 本论文以半导体封装测试车间设备布局问题建模与求解算法为研究对象，具 体的研究内容包括以下几个部分： l 、对半导体封装测试车间设备布局特点的分析。从产品加工流程、设备组织 形式和车间物流系统三方面分析了半导体封装测试车间设备布局特点，并将半导 体封装测试车间设备布局问题分解为隔间布局和车间总体布局两个具有先后关系 的步骤进行求解。 2 、半导体封装测试测试车间设备布局优化模型的建立。在分别分析了隔间布 局和车间总体布局的布局对象、布局要求和布局约束条件的基础上，用数学公式 对半导体封装测试测试车间设备布局问题进行描述，分别建立了隔间布局数学模 型和车间总体布局数学模型。 3 、模型的求解算法的研究。针对隔间布局模型，提出了一种基于启发式的算 法进行求解，并设计了启发式算法的完整步骤及求解过程中的子算法；针对车间 总体布局模型，利用遗传算法进行求解，并且根据本文求解问题的特点分别设计 了遗传算法编码、适应度函数及遗传算子。 4 、设计并开发基于算法的仿真软件并进行仿真求解。通过对仿真软件功能的 设计以及系统架构的设计，开发了基于本文算法的仿真软件。并将相关参数输入 该仿真软件进行了仿真求解，求解结果表明，本文提出的求解算法对半导体封装 测试车间设备布局问题的求解是可行且有效的。 6 第二章半导体封装测试车间设备布局问题 第二章半导体封装测试车间设备布局问题 2 。1 车闻设备布局问题 设备布局问题作为制造业中生产设计问题之一，其要求在有限的车间空间中， 综合考虑生产於各方面霹素，利孀不太充足的生产资源获得教大生产效益，所以 设备布局问题一直以来都是制造业中最综合和最困难的设计问题之一。 车闻设备布局问题并不是一个单一的、孤立的闷题，面是涉及到产品加工流 程，设备组织形式以及车间物流系统等多方面的问题c 3 7 - 鲫，如图2 1 。 图2 1 车间布局问题与其它问题的棚互关系 首先，产晶加工流程及产品产量决定车闻生产所需要的设备类型和数量，设 备布局设计要根据设备类型和数量考虑选择何种合适的设备组织形式将生产所需 的全部设备布置在车闯中。其次，设备布局设计还与车闻物流系统紧密相关，物 流系统的拓扑结构会影响设备布局的形式，设备布局设计会影响到物流系统的运 行和控制，设备布局设计要尽量减少物流环节，降低物流运输成本。 车间设备布局问题通常需要考虑以下三方面因素： 1 、布局对象：布局对象包括布局空间和待布局物体。布局空间指用来布置设 备的车间空间；待布局物体广义上指完成车间生产加工过程的全部设备、辅劲设 施、通道等，狭义上仅指加工设备。通常，布局对蒙被抽象为二维矩形，其数量 及尺寸都属于已知条件范匿。 2 、布局目标：设备布局问题是个典型的多目标复杂优化问题 1 2 , 4 0 】。在布局 7 电子科技人学硕士学位论文 设计过程中，要尽量提高车间面积利用率，增加车间的设备冗余能力；要合理设 计物流路径，使得车间物流畅通，同时减少车间物流费用；要合理安排辅助设施， 提高车间生产效率；要考虑车间安全性，保证人员及设备安全；要注意车间生产 柔性，提高车间在不同生产情况下的应对能力。但是，以上诸多目标往往无法统 一，甚至相互矛盾，我们在布局中需要综合考虑，以求得全局最优结果。 3 、布局约束条件：设备布局约束条件主要体现在设备间的位置关系上，如设 备间的顺序、设备与设备间的安全距离、设备与辅助设施间的安全距离、禁布区 域的设置等。总的要求【1 2 】即设备之间、辅助设施之间、设备与辅助设施之间以及 设备、辅助设施与禁布区域之间不能相互重叠及发生干涉。 对于设备布局问题的求解，一直以来多依靠设计人员对于本行业设备布局问 题的丰富经验加以解决，但随着新的加工工艺和制造模式的出现以及车间生产规 模的扩大，传统的依靠经验的方法已不能适应，目前，对于设备布局问题的求解 多采用定量的理论计算和仿真试验的方法加以解决。 本章接下来的章节中将从半导体封装测试车间的加工流程、设备组织形式、 物流系统及设备布局问题解决方案几方面详细阐述半导体封装测试车间的设备布 局问题。 2 2 半导体封装测试车间产品加工流程 在半导体封装测试车间中，其主要加工步骤包括【1 5 ，4 1 。4 2 】： 1 、硅片准备：主要包括硅片回流( w a f e rr e f l o w ) ，硅片贴膜( w a f 打m o u n t ) 和硅片切割( w a f e rs a w ) 三个工序，完成加工前对硅片的一些预处理操作。 2 、贴片：主要包括焊剂铺垫( f l u x i n g ) ，焊膏铺垫( p a s t ep r i n t i n g ) ，电容粘贴 ( c a p a c i t a n c es h o o t e r ) ，芯片粘贴( c h i pp l a c e ) ，回流( r e f l o w ) 五个工序，完成 将电容及芯片粘贴在硅片表面的操作。 3 、焊剂清除：该步骤主要完成清除残留在硅片表面多余焊剂的操作。 4 、预烘烤及封装：将贴好电容及芯片的硅片进行预烘烤。 5 、封装目检：对封装好的硅片进行目视检测，对不合格的硅片重新进行处理。 6 、老化测试：完成对芯片老化性能的测试。 7 、电性能测试：完成对芯片各项电性能的测试。 8 、激光刻饰：在芯片表面打印芯片的相关信息。 9 、焊球粘贴：粘贴芯片外接引脚的焊球。 第二章半导体封装测试车间设备布局问题 1 0 、脱水烘烤：除去加工过程中残留在芯片中的水蒸气。 1 1 、最终质检：在产品出厂前的最后一次质量检测。 具体的加工流程如图2 2 ： 硅片准备 。i 封转目枪 。l 煌球粘贴 7 i 5 3 “。1 7 1 斤卅、1 口阳 i 1r- 占一1r 贴片老化测试脱水烘烤 土土 1r 焊剂清除电性能测试 最终质检 上土 预烘烤及封装激光刻饰 i j 图2 2 半导体封装测试车间产品加工流程 2 2 半导体封装测试车间设备组织形式 2 2 1 车间设备组织形式分类 车间设备组织形式指按照一定的组织原则，将设备放置在车间中，使得车间 各项指标达到最优。通常的车间组织形式分为以下三种【3 ”3 】： 1 、产品原则布置( p r o d u c tl a y o u t ) ：产品原则布置也称为流水线布置或产品 对象专业化原则布置。当产品品种很少而生产数量又很大时，按产品的加工工艺 过程顺序配置设备，形成流水线。典型的产品原则布置方式如图2 3 ： 图2 - 3 产品原则布置 9 一 测 试 一 一 封 装 i - 电子科技大学硕士学位论文 2 、工艺原则布置( p r o c e s sl a y o u t ) ：工艺原则布置也称机群式布置。在这种 布置形式中，同种类型的设备和人员被集中布置在一个地方完成某个加工工艺。 典型的工艺原则布置方式如图2 4 ： 二纠工艺i 总成 装 斗 品 一工艺j 卜 图2 4 工艺原则布置 3 、成组原则布置( g r o u pl a y o u t ) 。成组原则布置又称为混合原则布置。这种 布置形式利用成组原理把使用频率较高的机器群按工艺过程顺序组合成成组制造 单元，使整个生产系统由数个成组制造单元构成。典型的成组原则布置方式如图 2 5 ： 一 习 组i 总 成 装口口 i 一组，卜 图2 5 成组原则布置 2 2 2 半导体封装测试车间设备组织形式特点 传统的半导体生产车间多采用功能布局( f u n c t i o n a ll a y o u t ) 3 2 1 ，这种布局是 一种基于工艺原则布置的布局形式。在这种布局形式中，相同或相似功能的设备 被放置在同一加工中心来完成生产工艺中的某一道流程，后来出现了单元式布局 ( c e l l u l a rl a y o u t ) 形式【3 2 】，这是一种基于基于成组原则布置的布局形式。在这种布 局形式中，一组设备组合起来放置在一个生产单元( c e l l u l a r ) ，用来完成生产工艺 中的一类或某些相似的加工部分。对于功能布局( f u n c t i o n a ll a y o u t ) 来说，其优 点【3 2 】是可以尽可能的减少设备的台数，从而降低初始资金投入，但由于“在制品 ( w o r ki np r o c e s s ) 要多次回到同一加工中心，使得布局变得复杂，同时，使得产品 控制( p r o d u c t i o nc o n t r 0 1 ) 变得困难。而单元式布局( c e l l u l a rl a y o u t ) 在减少循环时 1 0 第二章半导体封装测试车间设备布局问题 间( c y c l et i m e ) 、初始时f 百j ( s e t u pt i m e ) 以及在简化生产进度安排( s c h e d u l i n g ) 和减少 库存( i n v e l l t o 打e s ) 方面的效果却很好i j 引。 传统的半导体生产车间多采用功能布局( f u n c t i o n a ll a y o u t ) 【3 2 1 ，这种布局是 一种基于工艺原则布置的布局形式。在这种布局形式中，相同或相似功能的设备 被放置在同一加工中心来完成生产工艺中的某一道流程，后来出现了单元式布局 ( c e l l u l a rl a y o u t ) 形式t ：3 2 1 ，这是一种基于基于成组原则布置的布局形式。在这种布 局形式中，一组设备组合起来放置在一个生产单元( c e l l u l 神中，用来完成生产工艺 中的一类或某些相似的加工部分。对于功能布局( f u n c t i o n a ll a y o u t ) 来说，其优 点【3 2 】是可以尽可能的减少设备的台数，从而降低初始资金投入，但由于“在制品 ( w o r ki np r o c e s s ) 要多次回到同一加工中心，使得布局变得复杂，同时，使得产品 控制( p r o d u c t i o nc o n t r 0 1 ) 变得困难。而单元式布局( c e l l u l a rl a y o u t ) 在减少循环时 间( c y c l et i m e ) 、初始时i 暗- ( s e t u pt i m e ) 以及在简化生产进度安排( s c h e d u l i n g ) 署d 减少 库存( h e n t o r i e s ) 方面的效果却很好【3 2 】。 尽管这两种布局各有优势，但现在的半导体加工车间的布局在逐渐向隔间式 布局( b a yl a y o u t ) 方向发展，其优点如下【3 3 】： 1 、有利于设备操作和维护。 2 、因为每个隔间都设有自己的w i p ( w o r k i np r o c e s s ) 区，所以设备利用率和相 对库存都能达到最优。 3 、能满足不同工艺的不同要求。 在隔间式布局( b a yl a y o u t ) 中，把完成相同工艺流程的设备放置在同一隔间 中，并设立相应的w i p ( w o r ki np r o c e s s ) 区，用来放置待加工的在制品。这样，整 个半导体封装测试车间就由完成加工流程的所有隔间及物料搬运系统组成，图2 6 为一个典型的半导体封装测试车间隔间布局图【3 3 】，图2 。7 为一个隔间内部布局示意 图。 图2 - 6 半导体封装测试车间隔间布局图 电子科技大学硕士学位论文 设备1设备2设备3 e 暑一 一 设备i 设备j 设备k 。j ；，j- ：。：。“w 口区；寸沁 ；鼻。0 ，：，! ，：? ：i 图2 7 隔间内部布局示意图 2 3 半导体封装测试车间物流系统 设备区 车间物流【删指从产品原材料到产品成品这一过程中发生在车间中的物流活 动。车间物流系统指完成车间物流活动的系统，通常包括车间物料搬运载体和车 间物料搬运拓扑结构两方面内科4 5 1 。 2 3 1 半导体封装测试车间物料搬运载体 车间物料搬运载体( m a t e r i a lh a n d i n gd e v i c e ) 按照是否有人进行操作可以分为： 1 、人工牵引小车( p e r s o n n e lg u i d e dv e h i c l e s ) ：p g v 按照有无动力可分为无动 力p g v 和动力p g v 。通常，无动力p g v 无专门的装卸设备，所以其搬运对象为 重量较轻、体积较小的在制品。而动力p g v 可由人工驾驶并且有专门的装卸设备， 所以其搬运对象为重量较重、体积较大的在制品。p g v 都只能在地面行驶，所以， 车间中必须预留其行驶通道。 2 、自动牵引小车( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e s ) ：a g v 通常包括物料搬运机器人 ( m a t e