半導(dǎo)體光電子器件主要包括發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)、電荷耦合器件(CCD)、太陽能電池以及光電探測器等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體光電子器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、光纖通信、冶金化工、醫(yī)療保健、建筑景觀、國防工業(yè)以及節(jié)能環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域，在當(dāng)今的信息化社會里起著無法替代的重要作用，形成了一個(gè)光電子產(chǎn)業(yè)。
光電子元器件的生產(chǎn)過程是一個(gè)典型的離散制造生產(chǎn)過程，具有批量不等、周期較短、產(chǎn)率波動、質(zhì)檢苛刻、個(gè)性需求等特點(diǎn)。由于系統(tǒng)的特殊性，上層企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)ERP(Enterprise Resources Planning) 與底層基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)PCS(Process Control System)存在溝通不暢，當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)擾動時(shí)，信息得不到及時(shí)反饋，具體功能不能在控制層執(zhí)行;另外生產(chǎn)中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝調(diào)整、排班調(diào)度等都由人工操作，大大地降低了效率和管理水平。制造執(zhí)行系統(tǒng)(ManufacturingExecutionSystem) MES系統(tǒng)就是在這樣的背景需求下應(yīng)運(yùn)而生。美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)(AdvancedManufacturing Research，AMR)提出了制造行業(yè)的ERP/MES系統(tǒng)軟件/PCS三層企業(yè)集成模型。
MES系統(tǒng)是位于ERP與PCS之間的信息管理系統(tǒng)，起到了承上啟下的橋梁作用，填補(bǔ)了上下兩層之間信息溝通的鴻溝，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行，通過控制包括物料、設(shè)備、人員、流程和環(huán)境在內(nèi)的所有資源來提高競爭力。企業(yè)接到訂單后MES系統(tǒng)可以對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理，保證及時(shí)交貨，提高生產(chǎn)回報(bào)率；有不確定情況發(fā)生時(shí)，MES系統(tǒng)軟件能夠及時(shí)響應(yīng)，根據(jù)具體情況對異常情況進(jìn)行處理，保證生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行。MES系統(tǒng)的雙向通訊極大地提高了生產(chǎn)指令下達(dá)的準(zhǔn)確及時(shí)性，增強(qiáng)了企業(yè)生產(chǎn)力。
隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化，半導(dǎo)體光電子企業(yè)如果要在激烈的市場競爭中立足，就必須提高自身適應(yīng)能力，滿足客戶瞬息萬變的需求，所以建立一個(gè)完整的MES系統(tǒng)，提高信息溝通能力，是企業(yè)發(fā)展的必要條件，也受到業(yè)界越來越廣泛的關(guān)注。
1、應(yīng)用現(xiàn)狀
MES系統(tǒng)產(chǎn)品主要分為三類，分別是軟件供應(yīng)商提供、企業(yè)自主開發(fā)、企業(yè)與科研院所共同開發(fā)。而按照行業(yè)來劃分，主要分為半導(dǎo)體、電子、航空、汽車、石化、冶金、煙草等行業(yè)，迄今為止，還沒有一套MES系統(tǒng)軟件產(chǎn)品能夠適應(yīng)于所有領(lǐng)域。與流程工業(yè)以及半導(dǎo)體行業(yè)完善的MES系統(tǒng)軟件體系相比，半導(dǎo)體光電子行業(yè)的MES系統(tǒng)軟件研究起步較晚，針對這一行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的成熟軟件比較少，很多中小企業(yè)自己開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)管理，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上制約了行業(yè)的發(fā)展
1.1 軟件應(yīng)用
目前市場上成熟的MES系統(tǒng)產(chǎn)品都是針對硅片生產(chǎn)，如IBM公司的SIView，AppliedMaterials公司的FAB30、WorkStream、PROMIS和FactoryWorks，以上MES系統(tǒng)軟件產(chǎn)品都不能直接用于光電子器件生產(chǎn)，因此涌現(xiàn)了一批新生套件，推動了光電子器件的生產(chǎn)信息化。
我國光電子器件MES系統(tǒng)起步較晚，有代表性的公司包括巴陸科技MES系統(tǒng)軟件、奧比特OrBit-MES系統(tǒng)軟件等。OrBit-MES系統(tǒng)軟件構(gòu)建于中國自有知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)平臺之上，基于MES系統(tǒng)軟件A/ISA-S95標(biāo)準(zhǔn)，通過批次過程控制，將同步數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部物流的全線追溯、制造工程配置、生產(chǎn)及品質(zhì)過程控制，填補(bǔ)了生產(chǎn)現(xiàn)場到ERP 間的信息鴻溝。OrBit-MES系統(tǒng)軟件的實(shí)施為光電元器件制造商N(yùn)ewFocus提升了企業(yè)的管理水平，同時(shí)該產(chǎn)品也應(yīng)用到了太陽能行業(yè)如BP太陽能等。由于實(shí)施對象數(shù)量不多，許多企業(yè)擔(dān)心國內(nèi)MES系統(tǒng)軟件產(chǎn)品的性能，于是有了在已有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次實(shí)施開發(fā)的方式。
此類MES系統(tǒng)軟件應(yīng)用的典型包括日銀(IMP)、上海新進(jìn)半導(dǎo)體(SBCD)等公司，由于公司規(guī)模比較大，需求很明確，市場上的軟件不適合其生產(chǎn)特點(diǎn)并且價(jià)格昂貴，因此IT部門自主研發(fā)了MES系統(tǒng)軟件。這種做法的好處在于MES系統(tǒng)軟件上線后非常符合實(shí)際需求，維護(hù)、升級、拓展容易，缺點(diǎn)在于要投入大量的人力和時(shí)間，平均耗時(shí)在一年以上。
1.2 半導(dǎo)體光電子器件生產(chǎn)特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)相比，半導(dǎo)體光電子器件的生產(chǎn)有以下特征：
1)規(guī)模小。由于全球?qū)怆娮悠骷男枨罅恳欢ǎc半導(dǎo)體生產(chǎn)線相比，光電子器件規(guī)模較小，同類型的機(jī)臺數(shù)量少，一旦某臺機(jī)臺故障，將有可能造成整條生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成很大損失，因此對設(shè)備的維護(hù)、定期保養(yǎng)很重要。
2)周期短。硅片在生產(chǎn)線上的平均加工周期為十幾天到幾十天，典型的加工流程需要幾百步，而光電子器件生產(chǎn)周期為兩天到三天，典型的加工流程幾十步，這就要求生產(chǎn)調(diào)度有一定的靈活性，短時(shí)間內(nèi)能夠調(diào)整從而指導(dǎo)生產(chǎn)。
3)半自動。半導(dǎo)體生產(chǎn)多為全自動，通過一段時(shí)間的生產(chǎn)可以統(tǒng)計(jì)分析出不同設(shè)備、不同產(chǎn)品的良率，而光電子器件存在大量的手工作業(yè)，影響產(chǎn)品良率的穩(wěn)定并進(jìn)一步造成庫存壓力，因此MES系統(tǒng)軟件要能夠合理安排作業(yè)人員，并充分考慮庫存量。
4)多批次。半導(dǎo)體為大批量生產(chǎn)，一個(gè)訂單的數(shù)量巨大，而光電子器件多為小批量，針對客戶的特殊需求，產(chǎn)出特定的功率、波長的產(chǎn)品，這就使得設(shè)備在生產(chǎn)中頻繁調(diào)整參數(shù)，因此投料控制極為重要。
5)非標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體各產(chǎn)品用料可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，而光電子器件涉及到非標(biāo)夾具，導(dǎo)致lead-time各不相同，因此MES系統(tǒng)軟件對這種輔助資源調(diào)度要做到合理的控制和優(yōu)化。
1.3 MES系統(tǒng)功能模塊
如果說生產(chǎn)流程是正向的物流，那么MES系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)反饋信息流。一個(gè)合適的MES系統(tǒng)軟件上線，對于半導(dǎo)體光電子器件制造會產(chǎn)生很大的改善與幫助，這就需要MES系統(tǒng)軟件在現(xiàn)場監(jiān)控、計(jì)劃規(guī)劃和數(shù)據(jù)管理三方面起到推動作用。
1.3.1 現(xiàn)場監(jiān)控
MES系統(tǒng)要能夠覆蓋到整個(gè)工作流，按照實(shí)際情況記錄每一步動作的數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備工作狀態(tài)，使得管理人員更加容易的控制生產(chǎn)。同時(shí)，MES系統(tǒng)對各項(xiàng)使用條件、參數(shù)應(yīng)具有指導(dǎo)提醒作用，并對過程參數(shù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無紙化操作，起到減少錯(cuò)誤、節(jié)約時(shí)間的作用。
1.3.2 計(jì)劃規(guī)劃
通過MES系統(tǒng)軟件，管理者可以全面的掌握在制品情況，了解庫存信息，處理異常工況;當(dāng)顧客需求變化時(shí)快速反應(yīng)，輔助及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)規(guī)劃，改善作業(yè)績效。
1.3.3 數(shù)據(jù)管理
在光電子器件生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生很多設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)和半成品測試數(shù)據(jù)，MES系統(tǒng)軟件要對這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，形成一個(gè)知識庫，通過不斷的積累挖掘指導(dǎo)將來的生產(chǎn)加工，為設(shè)備維護(hù)、產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品改進(jìn)提供支持。
MES系統(tǒng)(國際MES系統(tǒng)軟件聯(lián)合會)對MES系統(tǒng)的功能模塊及與其他系統(tǒng)的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)，針對半導(dǎo)體光電子器件的生產(chǎn)特點(diǎn)，光電子器件MES系統(tǒng)軟件應(yīng)具有以下的功能模塊：
1)在制品(WIP)管理。在制品，通常是指原材料在經(jīng)過部分制造工藝后，還沒有成為產(chǎn)品或者還沒有經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)，因而還沒有進(jìn)入到成品倉庫的部分。對在制品的管理包括監(jiān)控它當(dāng)前的加工狀態(tài)、計(jì)劃規(guī)劃中的狀態(tài)以及處于整個(gè)工作流中的狀態(tài)。
2)設(shè)備管理。對生產(chǎn)過程中的設(shè)備以及器具進(jìn)行管理，分為靜態(tài)和動態(tài)兩個(gè)部分。靜態(tài)部分設(shè)備管理要實(shí)現(xiàn)記錄設(shè)備的編號、用途、各種加工情況運(yùn)行參數(shù)以及責(zé)任人等，動態(tài)部分為明確工作狀態(tài)及運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)維修，并做維修記錄。
3)生產(chǎn)計(jì)劃管理。根據(jù)客戶訂單的生產(chǎn)數(shù)量和完成時(shí)間，系統(tǒng)下達(dá)生產(chǎn)指令，包括每個(gè)工序的具體任務(wù)，每個(gè)任務(wù)的參數(shù)，每臺設(shè)備的工作時(shí)間，加工規(guī)格及數(shù)量等信息，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整計(jì)劃，完成訂單。
4)庫存管理。庫存管理主要包括原材料的庫存管理和產(chǎn)品的庫存管理。通過查詢原料庫存，可以知道它的供應(yīng)商以及規(guī)格，通過查詢產(chǎn)品庫存，可以了解從物料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品所有經(jīng)過工序的批號、責(zé)任人和質(zhì)量編號，能夠?yàn)槿藤|(zhì)量跟蹤及企業(yè)高效率地管理庫存提供規(guī)范，全面提高工作效率和質(zhì)量。
5)工程數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)。工程數(shù)據(jù)采集覆蓋生產(chǎn)制造過程中的各種數(shù)據(jù)信息，包括生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品定額、生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備負(fù)荷、在制品加工狀態(tài)等。SPC利用統(tǒng)計(jì)方法利用采集的數(shù)據(jù)對過程中的各個(gè)階段進(jìn)行控制，從而達(dá)到改進(jìn)與保證質(zhì)量的目的。SPC確保制造過程持續(xù)穩(wěn)定、可預(yù)測，起到提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)能力、降低成本的作用。
6)訂單跟蹤。通過采樣時(shí)間點(diǎn)設(shè)備的物料生產(chǎn)以及轉(zhuǎn)移加工情況跟蹤現(xiàn)場物流情況，包括作業(yè)開始、結(jié)束時(shí)間，批次的數(shù)量、位置，作業(yè)設(shè)備消耗、運(yùn)行參數(shù)，產(chǎn)品或者半成品的所有加工責(zé)任人，同時(shí)，記錄質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
7)文檔管理。存儲及管理各種生產(chǎn)、質(zhì)量、工藝文檔，在車間現(xiàn)場或質(zhì)量管理中，調(diào)用相關(guān)文檔，為工作提供指導(dǎo)參考。
8) 質(zhì)量管理。質(zhì)檢過程對制造過程各階段的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過實(shí)時(shí)的測試數(shù)據(jù)，對故障記錄進(jìn)行分類分析，對設(shè)備、工具、儀器的定期復(fù)檢，提供對產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)的全程跟蹤、質(zhì)量歸零管理、質(zhì)量成本管理。質(zhì)量管理為企業(yè)在建立質(zhì)量保證體系過程中提供信息化的輔助支持，提供對質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的工具。
2、發(fā)展方向
在我國，流程工業(yè)MES系統(tǒng)軟件已經(jīng)日漸趨于成熟并逐漸普及，但是面向半導(dǎo)體光電子器件行業(yè)的MES系統(tǒng)軟件軟件在開發(fā)與應(yīng)用方面還比較薄弱。由于半導(dǎo)體光電子制造技術(shù)的發(fā)展和信息系統(tǒng)的推動因素，一些新的需求也在不斷涌現(xiàn)出來，未來光電子行業(yè)的MES系統(tǒng)軟件應(yīng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行完善：
1)模型規(guī)范性。對于半導(dǎo)體光電子器件行業(yè)的MES系統(tǒng)軟件模型，目前國際以及國內(nèi)的研究剛剛起步，建立一個(gè)符合國際標(biāo)準(zhǔn)并符合行業(yè)特點(diǎn)的模型是系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施的前提，因此在理論方面有所突破將推動光電子行業(yè)的MES系統(tǒng)軟件的發(fā)展。
2)系統(tǒng)兼容性。由于MES系統(tǒng)處于信息系統(tǒng)的中間，起到上下溝通的作用，因此半導(dǎo)體光電子行業(yè)MES系統(tǒng)軟件應(yīng)具有通用的接口，可以與任何廠商的軟件進(jìn)行通信，打造無障礙信息平臺。構(gòu)造可重構(gòu)、可擴(kuò)展、可交互、可集成的MES系統(tǒng)是未來半導(dǎo)體光電子行業(yè)MES系統(tǒng)軟件發(fā)展的一個(gè)重要方向。
3)調(diào)度優(yōu)化性。半導(dǎo)體光電子生產(chǎn)線是一個(gè)復(fù)雜的混合重入調(diào)度問題，其計(jì)算復(fù)雜性為強(qiáng)NP-hard。目前很多MES系統(tǒng)軟件的調(diào)度還是人工輸入，不能達(dá)到優(yōu)的效果。因此如何建立調(diào)度模型并構(gòu)造有效的優(yōu)化算法指導(dǎo)生產(chǎn)，是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。
4)動態(tài)實(shí)時(shí)性。半導(dǎo)體光電子器件行業(yè)是個(gè)典型的離散行業(yè)，它的新產(chǎn)品開發(fā)頻繁，生產(chǎn)中各制造過程的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，作業(yè)計(jì)劃變更的幾率非常大，隨時(shí)面臨插單、材料短缺、市場需求變化等問題，因此需要MES系統(tǒng)軟件具有動態(tài)實(shí)時(shí)性，能夠?qū)@些不確定性及時(shí)做出快速響應(yīng)，保證平穩(wěn)高效生產(chǎn)。
3 結(jié)論
應(yīng)用MES系統(tǒng)軟件能夠促進(jìn)半導(dǎo)體光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如果能夠吸收現(xiàn)有系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出適應(yīng)于我國光電子企業(yè)的MES系統(tǒng)軟件軟件產(chǎn)品，滿足企業(yè)對業(yè)務(wù)過程可集成性、可擴(kuò)展性和可靠性的要求，實(shí)現(xiàn)PCS- MES系統(tǒng)-ERP的緊密集成，進(jìn)而提出我國半導(dǎo)體光電子行業(yè)MES系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范與實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，對提升我國光電子行業(yè)信息化水平，增強(qiáng)與國際先進(jìn)企業(yè)競爭的能力，都具有著重要的意義。
