模塑料處理自動(dòng)化：模塑料處理不當對策

前言

解凍是在塑封成型前EMC準備過(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對外部環(huán)境條件敏感，因為固化度受到環(huán)境條件影響。

EMC固化通常分為四個(gè)階段，解凍是EMC出廠(chǎng)后運輸到倉庫冷藏階段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(guò)一個(gè)分階段的固化過(guò)程，通常是在室內環(huán)境中解凍24小時(shí)，室溫通常設在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，按照規定的開(kāi)袋保質(zhì)期(floor life)，將EMC裝入壓模機壓模。開(kāi)袋保質(zhì)期一旦到期，則認為EMC已過(guò)保質(zhì)期，應妥當處置。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(hù)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(xiàn)腐蝕、分層或爆米花現象。

模塑料處理不當

EMC處理不當包括用錯EMC料、EMC過(guò)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(lèi)型錯誤或顆粒尺寸不對。EMC過(guò)保質(zhì)期是指使用了超出規定的開(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處理不當事故發(fā)生趨勢看，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發(fā)生趨勢

對因模塑料處理不當而造成的加工不良品作可靠性測試，結果顯示芯片頂部和芯片焊盤(pán)區域有分層，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(hù)投訴。

現行模塑料處理不當防控措施

以前的EMC處理不當防控措施是采用顆粒顏色標識表，按照EMC類(lèi)型和顆粒尺寸為每種模塑料指定一個(gè)唯一顏色標識，如表1所示，

圖5所示是一個(gè)用不同顏色標識的顆粒品名標簽，填寫(xiě)目的是指示模具機器編號、模塑料類(lèi)型、顆粒規格、模塑料8NC、模塑料批次號、封裝類(lèi)型，這些信息是防止用錯EMC料的關(guān)鍵。填寫(xiě)的項目還包括出庫開(kāi)始日期時(shí)間、開(kāi)袋保質(zhì)期開(kāi)始和結束日期時(shí)間。這些項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。在解凍區內將小標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 模塑料顆粒顏色標識表

圖5 顆粒品名標簽

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，都應在模具監測日志上記錄EMC的詳細信息，包括材料代碼、批次號、開(kāi)袋保質(zhì)期和出廠(chǎng)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防控措施很容易在填寫(xiě)顆粒品名標簽時(shí)出錯，這些表格處理不當會(huì )導致錯料或漏料。更嚴重的是，操作員因為一時(shí)疏忽大意或不遵守操作規定，誤用已知未完全解凍或過(guò)保質(zhì)期的材料。

我們設計了一個(gè)詳細的解凍流程圖，以尋找現有防控措施的不足之處，防止處理不當事故發(fā)生。根據發(fā)現的缺點(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)生人為錯誤或違規現象。自動(dòng)化項目要求EMC供應商將包裝標簽升級到條碼標簽，并搭建一個(gè)電子標簽打印系統，打印不干膠標簽，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的模塑料狀態(tài)。在生產(chǎn)車(chē)間應該有一個(gè)自動(dòng)停機系統，如果下錯料或者用了解凍不完全或過(guò)保質(zhì)期的材料，系統可以停止一個(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 模具監測日志表

表2 EMC處理流程圖

相關(guān)文獻綜述

受工業(yè)4.0啟發(fā)，ST 卡蘭巴工廠(chǎng)所屬的后工序制造技術(shù)計劃的目標是在未來(lái)幾年中開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的制造環(huán)境。 從2018年到現在立項43個(gè)，落地22個(gè)。隨著(zhù)機器人、大數據分析、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)競爭力，如圖7所示，這些技術(shù)是這個(gè)計劃的主要內容。

按照這個(gè)計劃，本文將探討以大數據分析、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的一個(gè)重要對策。下面的一項研究討論了材料標簽的發(fā)展演變。

[3]智能工廠(chǎng)被定義為高度靈活的能夠利用來(lái)自運營(yíng)和生產(chǎn)系統的連續不斷的數據流的聯(lián)網(wǎng)工廠(chǎng)。在這種情況下，貼標簽可能是最受歡迎的對象識別跟蹤方法，從純手寫(xiě)標簽到條形碼，再到二維碼和RFID標簽，標簽在過(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)化計劃

有幾種標簽技術(shù)可用于自動(dòng)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中提到的GTIN代碼。讀取條形碼信息需要讀取器和視線(xiàn)(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)應用中還是非常有用的，并且識別速度明顯高于傳統人工識別方法。而且，條形碼確實(shí)很便宜，標記對象只需要條形碼生成軟件和打印機。盡管在工業(yè)4.0所描繪的自動(dòng)識別場(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存應用、產(chǎn)品跟蹤或物資管理，讀取標簽信息有視線(xiàn)限制，無(wú)法與物品交換信息，顯然，無(wú)法主動(dòng)報告物品狀態(tài)。圖8所示是直到智能標簽出現之前標簽技術(shù)的發(fā)展歷程。

易變質(zhì)材料控制系統，也就是模塑料控制系統，有一個(gè)包含所有的EMC取用信息的數據庫，并連接制造執行系統（MES）。該系統與MES系統對照檢查將有助于決定批次加工作業(yè)決策。自鎖解凍柜系統的傳感器、致動(dòng)器和硬件由模塑料控制系統的PLC控制。

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

本文論述結合了我們的FW2制造執行系統（MES）系統的改進(jìn)之處，因此，根據現代MES未來(lái)發(fā)展趨勢評估我們當前系統的性能有利于我們改進(jìn)系統。

圖8 工業(yè)標簽技術(shù)的發(fā)展歷程

圖9 自動(dòng)化層次結構的變化

^[2]   基于分布式邏輯的現代制造執行系統（MES）為開(kāi)發(fā)工業(yè)4.0模型提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺和一個(gè)自然垂直集成途徑。集成到“上層”的企業(yè)資源規劃（ERP）系統中，同時(shí)監控“下層”的生產(chǎn)流程，MES的效果始終是最好的選擇。因為網(wǎng)絡(luò )物理系統（CPS）和網(wǎng)絡(luò )物理生產(chǎn)系統（CPPS）相互直接通信，MES可以觸發(fā)業(yè)務(wù)規則或工作流，管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。例如，作為高級質(zhì)量抽檢策略的一部分，品控過(guò)程可能要求設備執行更多的驗證步驟，無(wú)誤后在繼續執行后面的加工作業(yè)，這就要求業(yè)務(wù)規則中有通信功能，因此在設備繼續執行其生產(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(lài)良好的系統垂直集成度的領(lǐng)域。SPC要求長(cháng)期從出入工廠(chǎng)的大量材料中收集數據。例如，如果CPS中的設備意識到需要收集可測量的變量，則根據SPC規則，確認變量是在限制范圍內，如果不在限制范圍內，則可能需要采取修正措施，在CPS上層系統中觸發(fā)修正操作標志。MES依然是實(shí)現此目的的理想平臺。

在ST卡蘭巴工廠(chǎng)，我們的FW2制造執行系統集成了這些驗證工序和SPC控制。進(jìn)一步提高系統集成度，確保加工過(guò)程在正確的時(shí)間使用正確的材料，對于防止加工不良至關(guān)重要。本文將在后續部分中詳細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)識別顆粒，材料供應商需要升級包裝標簽條碼，增加材料品名、型號、批次號、制造日期、保質(zhì)期、數量和包裝箱號。掃描儀讀取條碼信息并將其傳輸到條碼打印機，按照規定格式在標簽貼紙上打印信息，如圖10所示。

生產(chǎn)批次追溯信息又稱(chēng)行程卡，卡上的條碼包含EMC信息，用于在批次交易期間，對照檢查當前裝入設備的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）條碼打印機和標簽貼紙，c）模塑料供應商標簽

圖11. 在ST卡蘭巴工廠(chǎng)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置自鎖系統的封閉式解凍柜，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)監測EMC狀態(tài)的LED指示燈，如圖12所示。

為了防止未授權人員進(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

為了讀取EMC供應商的標簽，打印顆粒品名標簽，我們開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)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(chēng)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的接口，如圖14c中所示，因為已經(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。制造執行系統(MES)使用Factory Works 2（FW2）系統，該系統已升級到集成PMC數據，有對照檢查功能，如圖14a所示。

模塑料解凍柜監測應用程序是我們開(kāi)發(fā)的另一個(gè)軟件，安裝在解凍室的PC機上，用于控制EMC解凍柜自鎖系統，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。模塑料準備就緒后，通過(guò)提交電子取料申請表取走模塑料。軟件還通過(guò)圖形界面為用戶(hù)顯示每種模塑料的狀態(tài)和解凍柜位置。

Procedure測試過(guò)程

在所需的材料、硬件和軟件都準備到位后，試運行系統，檢查自動(dòng)化功能是否準確，是否符合預期目標，如圖16所示。

對于PMC條碼打印，對照模塑料標簽檢查打印標簽，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（b）PMC易變質(zhì)材料控制（c）PMC的打印標簽屏幕

圖15 模塑料解凍柜監測系統

圖16 EMC處理過(guò)程自動(dòng)化流程

在模塑料解凍柜控制應用場(chǎng)景中，對掃描的條碼數據執行相同的對照檢查。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錄入系統后，升級后的FW2系統能夠檢查生產(chǎn)批次是否遇到跟蹤錯誤。如果材料即將過(guò)保質(zhì)期，系統將會(huì )預警，提醒人員檢查。如果模塑料已過(guò)保質(zhì)期，系統將關(guān)閉生產(chǎn)批次跟蹤。

測試結果與討論

易變質(zhì)材料控制數據準確性測試

比較EMC供應商實(shí)物標簽與易變質(zhì)材料控制系統條碼打印輸出，所有輸入數據都相同。兩個(gè)標簽的實(shí)際圖像如下圖17所示。

(a)    (b)

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

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

自鎖柜系統功能測試

在開(kāi)放式解凍架和自鎖解凍柜系統之間，使用雙比率檢驗方法比較解凍狀態(tài)和標簽信息的準確度。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之間存在顯著(zhù)差異。使用自鎖柜系統沒(méi)有記錄到偏差，詳見(jiàn)圖19。

FW2系統升級測試

FW2系統升級后能夠提供預警時(shí)間和禁止交易的偏移時(shí)間和保質(zhì)期過(guò)期警報，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EMC處理不當記錄。該項目能夠消除與EMC解凍有關(guān)的模具加工不良問(wèn)題，從而避免了生產(chǎn)批次報廢而造成的經(jīng)濟損失。

圖18 人工填表和PMC標簽之間的雙比率準確度測試

圖19 方式解凍架和自鎖柜之間的雙比率準確度測試

圖20 FW2預警顯示實(shí)圖

圖21 EMC處理不當趨勢，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)際上機器將繼續使用EMC，因此需要進(jìn)一步在機器級別對EMC進(jìn)行防錯處理。 模具系統采用與PMC相同的原理，可以對照檢查材料和配方是否匹配，發(fā)現從機器數據庫加載的過(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)法預料的處理不當的缺點(diǎn)，請與其他ST站點(diǎn)共享經(jīng)驗教訓，交流最佳實(shí)踐經(jīng)驗，以進(jìn)一步改進(jìn)處理方法。 

結論

PMC易變質(zhì)材料控制系統省去了在解凍操作時(shí)EMC追溯性信息的人工填表工作，并且解凍準確度高，數據庫可用于FW2等其他系統。

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

升級的FW2制造執行系統能夠連接易變質(zhì)材料控制系統的數據庫，提供預警、禁用和關(guān)閉機器功能，一旦發(fā)現用錯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問(wèn)題，從而避免了潛在的批次報廢造成的經(jīng)濟損失。

免責聲明

用于本研究的產(chǎn)品是我們研究領(lǐng)域和國家/地區中普遍且主要使用的產(chǎn)品。本文作者和產(chǎn)品生產(chǎn)者之間絕對沒(méi)有利益沖突，因為我們使用這些產(chǎn)品不是為了尋求法律訴訟，而只是為了提高知識水平。 而且，這項研究不是由產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)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。

參考文獻

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2.Jeremie Bouchaud, “From Sensors to the Cloud: IoT in Manufacturing”, Smart Technologies Impacting Industrial Market Dynamics Conf, 26 April 2017, pp 14-15

3.Tiago M. Fernández-Caramés & Paula Fraga-Lamas,” A Review on Human-Centered IoT-Connected Smart Labels for the Industry 4.0”, IEEE Access, pp1, 5-6, May 7, 2018

? 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.