本文旨在發(fā)現(xiàn)并消除環(huán)氧模塑料(EMC)解凍過程存在的缺點(diǎn)，預(yù)防模塑料處理不當(dāng)事故，例如，用錯模塑料、模塑料未完全解凍或過保質(zhì)期。

本文針對高風(fēng)險問題開發(fā)出了模塑料處理自動化解決方案，例如，模塑料追溯條碼、解凍柜解凍室門禁系統(tǒng)、模塑料狀態(tài)自動化監(jiān)測圖顯，以及批次交易系統(tǒng)升級到連接EMC狀態(tài)和品名。總的來說，這可以防止因人工操作而導(dǎo)致的判斷失誤或失職。

該項(xiàng)目能夠消除可能發(fā)生的與EMC解凍有關(guān)的模塑料處理不當(dāng)問題，并且避免因批次加工不良而造成的潛在的經(jīng)濟(jì)損失。

1. 前言

解凍是在塑封成型前EMC準(zhǔn)備過程中的一個重要工序，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固化通常分為四個階段，解凍是EMC出廠后運(yùn)輸?shù)絺}庫冷藏階段B的末段，如圖1所示。

為了解凍模塑料，從溫度為5°C或更低的冷庫中取出EMC，經(jīng)過一個分階段的固化過程，通常是在室內(nèi)環(huán)境中解凍24小時，室溫通常設(shè)在23°C±3°（21°C至24°C），相對濕度40至55％RH（41％至51％），如圖2所示。此后，按照規(guī)定的開袋保質(zhì)期(floor life)，將EMC裝入壓模機(jī)壓模。開袋保質(zhì)期一旦到期，則認(rèn)為EMC已過保質(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程中施加熱量時，水分還會引起可靠性問題，例如，焊盤或引線腐蝕、分層或爆米花現(xiàn)象。

1.1模塑料處理不當(dāng)

EMC處理不當(dāng)包括用錯EMC料、EMC過保質(zhì)期和EMC不完全解凍。用錯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誤或顆粒尺寸不對。EMC過保質(zhì)期是指使用了超出規(guī)定的開袋保質(zhì)期的材料。不完全解凍是指解凍時間尚未到時提前使用材料的情況。

從EMC處理不當(dāng)事故發(fā)生趨勢看，2018年第四季第記錄了1次過保質(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

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

1.2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)識表，按照EMC類型和顆粒尺寸為每種模塑料指定一個唯一顏色標(biāo)識，如表1所示，

圖5所示是一個用不同顏色標(biāo)識的顆粒品名標(biāo)簽，填寫目的是指示模具機(jī)器編號、模塑料類型、顆粒規(guī)格、模塑料8NC、模塑料批次號、封裝類型，這些信息是防止用錯EMC料的關(guān)鍵。填寫的項(xiàng)目還包括出庫開始日期時間、開袋保質(zhì)期開始和結(jié)束日期時間。這些項(xiàng)目是判斷模塑料是否完全解凍或過保質(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試SAM圖像

表1.模塑料顆粒顏色標(biāo)識表

圖5.顆粒品名標(biāo)簽

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

1.3解凍過程自動化

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

我們設(shè)計了一個詳細(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)，我們開發(fā)出了自動化解凍解決方案，以防止解凍過程發(fā)生人為錯誤或違規(guī)現(xiàn)象。自動化項(xiàng)目要求EMC供應(yīng)商將包裝標(biāo)簽升級到條碼標(biāo)簽，并搭建一個電子標(biāo)簽打印系統(tǒng)，打印不干膠標(biāo)簽，代替人工填寫顆粒品名表。為防止生產(chǎn)人員取出未完全解凍或過保質(zhì)期的待處理的材料，我們的解決辦法是開發(fā)一個直到完全解凍后才開門的自鎖解凍柜。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)該有一個自動停機(jī)系統(tǒng)，如果下錯料或者用了解凍不完全或過保質(zhì)期的材料，系統(tǒng)可以停止一個生產(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)測日志表

表2. EMC處理流程圖

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)計劃的目標(biāo)是在未來幾年中開發(fā)最先進(jìn)的制造環(huán)境。 從2018年到現(xiàn)在立項(xiàng)43個，落地22個。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，并保持市場競爭力，如圖7所示，這些技術(shù)是這個計劃的主要內(nèi)容。

按照這個計劃，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€重要對策。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自運(yùn)營和生產(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象識別跟蹤方法，從純手寫標(biāo)簽到條形碼，再到二維碼和RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽在過去幾年中發(fā)生了巨大變化。

圖7. ST后工序制造技術(shù)自動化計劃

有幾種標(biāo)簽技術(shù)可用于自動識別工業(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，并且識別速度明顯高于傳統(tǒng)人工識別方法。而且，條形碼確實(shí)很便宜，標(biāo)記對象只需要條形碼生成軟件和打印機(jī)。盡管在工業(yè)4.0所描繪的自動識別場景中，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)場景中，條形碼仍然有武之地。

條形碼和二維碼通常用于庫存應(yīng)用、產(chǎn)品跟蹤或物資管理，讀取標(biāo)簽信息有視線限制，無法與物品交換信息，顯然，無法主動報告物品狀態(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)，有一個包含所有的EMC取用信息的數(shù)據(jù)庫，并連接制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。該系統(tǒng)與MES系統(tǒng)對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、致動器和硬件由模塑料控制系統(tǒng)的PLC控制。

[1]自動化層次結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是從傳統(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。

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未來發(fā)展趨勢評估我們當(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）為開發(fā)工業(yè)4.0模型提供了一個開發(fā)平臺和一個自然垂直集成途徑。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，管理整個生產(chǎn)過程。例如，作為高級質(zhì)量抽檢策略的一部分，品控過程可能要求設(shè)備執(zhí)行更多的驗(yàn)證步驟，無誤后在繼續(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)過程之前，不會繞過品控過程。

在工業(yè)4.0中，過程控制（SPC）是另一個依賴良好的系統(tǒng)垂直集成度的領(lǐng)域。SPC要求長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)備意識到需要收集可測量的變量，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。

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，確保加工過程在正確的時間使用正確的材料，對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題。

2.  材料與方法

2.1材料

為了自動識別顆粒，材料供應(yīng)商需要升級包裝標(biāo)簽條碼，增加材料品名、型號、批次號、制造日期、保質(zhì)期、數(shù)量和包裝箱號。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，對照檢查當(dāng)前裝入設(shè)備的EMC。如圖11所示，在壓模過程中，行程卡上使用相同的條碼格式，如圖11所示。

2.1.1硬件

將EMC解凍存放方式從開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保質(zhì)期的EMC被意外取出。每個柜門位置都有一個監(jiān)測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，在解凍室的門上安裝了門禁。如圖13所示，。

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

圖13.解凍室門禁

2.1.2自動化軟件和升級

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被稱為盒子ID的唯一代碼，這個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)通過電子方式完成信息錄入，所以不再需要人工填寫模塑料取出日志表。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)使用Factory Works 2（FW2）系統(tǒng)，該系統(tǒng)已升級到集成PMC數(shù)據(jù)，有對照檢查功能，如圖14a所示。

模塑料解凍柜監(jiān)測應(yīng)用程序是我們開發(fā)的另一個軟件，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，軟件會自動打開柜門鎖。模塑料準(zhǔn)備就緒后，通過提交電子取料申請表取走模塑料。軟件還通過圖形界面為用戶顯示每種模塑料的狀態(tài)和解凍柜位置。

2.2 Procedure測試過程

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)，檢查自動化功能是否準(zhǔn)確，是否符合預(yù)期目標(biāo)，如圖16所示。

對于PMC條碼打印，對照模塑料標(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。

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

圖15.模塑料解凍柜監(jiān)測系統(tǒng)

圖16. EMC處理過程自動化流程

在模塑料解凍柜控制應(yīng)用場景中，對掃描的條碼數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的對照檢查。屏幕上的狀態(tài)和位置與自鎖解凍柜的實(shí)際情況相互對照驗(yàn)證，檢查柜門開啟是否符合24小時要求，核實(shí)取料申請表中所有已處理的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，升級后的FW2系統(tǒng)能夠檢查生產(chǎn)批次是否遇到跟蹤錯誤。如果材料即將過保質(zhì)期，系統(tǒng)將會預(yù)警，提醒人員檢查。如果模塑料已過保質(zhì)期，系統(tǒng)將關(guān)閉生產(chǎn)批次跟蹤。

3.測試結(jié)果與討論

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

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。兩個標(biāo)簽的實(shí)際圖像如下圖17所示。

圖17.（a）供應(yīng)商的模塑料標(biāo)簽實(shí)物，（b）同一個模塑料標(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，人工填寫和PMC之間存在顯著差異。使用PMC沒有記錄到任何偏差，詳見圖18。

3.2 自鎖柜系統(tǒng)功能測試

在開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，開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)沒有記錄到偏差，詳見圖19。

3.3FW2系統(tǒng)升級測試

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

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

圖18.人工填表和PMC標(biāo)簽之間的雙比率準(zhǔn)確度測試

圖19.方式解凍架和自鎖柜之間的雙比率準(zhǔn)確度測試

圖20. FW2預(yù)警顯示實(shí)圖

圖21. EMC處理不當(dāng)趨勢，截至2020年第一季度

3.4建議

建議將本文提出的適用于EMC處理的所有自動化方法擴(kuò)展到其他直接和間接材料。由于FW2升級僅禁止生產(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)器級別對EMC進(jìn)行防錯處理。 模具系統(tǒng)采用與PMC相同的原理，可以對照檢查材料和配方是否匹配，發(fā)現(xiàn)從機(jī)器數(shù)據(jù)庫加載的過期EMC，并觸發(fā)自動傾倒操作。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法預(yù)料的處理不當(dāng)?shù)娜秉c(diǎn)，請與其他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。

4.結(jié)論

PMC易變質(zhì)材料控制系統(tǒng)省去了在解凍操作時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，提供預(yù)警、禁用和關(guān)閉機(jī)器功能，一旦發(fā)現(xiàn)用錯EMC、解凍不完全或過期的EMC，就會限制批次交易。

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