隨著疫情后汽車需求激增，晶圓廠如何快速增加晶圓產(chǎn)量？

編譯來源：麥肯錫

當(dāng)新冠開始傳播時，汽車行業(yè)受到了嚴(yán)重的經(jīng)濟沖擊。在疫情爆發(fā)初期，一些地區(qū)對新車的需求下降了80%，中國、歐洲和北美90%以上的汽車工廠在危機最嚴(yán)重時關(guān)閉。

不到兩年后，隨著疫苗的出現(xiàn)和經(jīng)濟的增強，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。事實上，汽車銷售的反彈速度比預(yù)期的要快，使得OEM難以滿足需求。主要制約因素不是產(chǎn)能不足，而是缺乏能夠?qū)崿F(xiàn)高級駕駛輔助系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)汽車功能，如在線導(dǎo)航和信息娛樂的精密半導(dǎo)體。

嚴(yán)峻形式下，一些汽車制造商已經(jīng)停止生產(chǎn)某些汽車或放慢生產(chǎn)線。其他OEM只是在制造汽車外殼，并等待在以后添加需要半導(dǎo)體的系統(tǒng)。還有一些人刪除了車輛的某些功能。

當(dāng)汽車銷量開始激增時，汽車制造商自然會增加他們的芯片訂單，但晶圓廠需要提前數(shù)月至數(shù)年預(yù)訂生產(chǎn)線。到 OEM 來電時，晶圓廠已經(jīng)將大部分產(chǎn)能分配給其他領(lǐng)域的業(yè)務(wù)，例如消費電子產(chǎn)品，因此不可能立即轉(zhuǎn)向新訂單。即使有更多產(chǎn)能可用，OEM仍可能會發(fā)現(xiàn)自己處于停滯狀態(tài)，因為復(fù)雜設(shè)置和制造過程，新批次的芯片需要六到九個月的時間。

由于汽車需求強勁，晶圓廠有很大的動力來縮短交貨時間。但對于制造6英寸和8英寸晶圓的成熟晶圓廠來說，這可能是困難的，因為它們設(shè)備往往更舊，效率更低。通過新設(shè)施和工具設(shè)置提高自動化和擴大生產(chǎn)有助于縮短生產(chǎn)時間，但即使在現(xiàn)代設(shè)施中實施也具有挑戰(zhàn)性且耗時。為了更快地提高生產(chǎn)力，成熟的晶圓廠可以采用更嚴(yán)格、更全面的方法重點關(guān)注四項關(guān)鍵活動：提高整體設(shè)備效率 (OEE)、主動管理勞動力、簡化基礎(chǔ)設(shè)施和動態(tài)管理性能。這些技術(shù)中的一些在其他行業(yè)甚至在半導(dǎo)體行業(yè)的某些部門中廣為人知，但在成熟的晶圓廠中并不常見。 日益嚴(yán)重的供需失衡 到 2019 年，汽車行業(yè)占半導(dǎo)體總銷售額的近 10%，創(chuàng)造了約 410 億美元的收入。由于半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開始依賴OEM來獲得強勁而穩(wěn)定的收入來源，因此很快就感受到了疫情期間汽車銷量下降的影響。

當(dāng)汽車需求下降時，OEM和半導(dǎo)體分銷商推遲了新訂單，只在庫存不足時才采購。這種猶豫在平時可能是謹(jǐn)慎的，但它讓許多OEM沒有做好準(zhǔn)備，無法應(yīng)對汽車需求從近期低點快速激增。盡管一些成熟的晶圓廠可能會試圖通過增加產(chǎn)能來緩解短缺，但產(chǎn)能提升需要六個月或更長時間。他們可以嘗試提高效率以獲取一些早期的收益，但過去的大多數(shù)努力都遇到了意想不到的問題。根據(jù)我們與多家晶圓廠合作的經(jīng)驗，這些問題源于四種類型。

一、錯過了增加產(chǎn)能的機會。因為成熟的晶圓廠數(shù)據(jù)基于舊的配方或工具能力，因此其往往缺乏對其全部產(chǎn)能的全面了解。例如，有些人可能低估了可能的工具正常運行時間的真實數(shù)量，是因為它它們會導(dǎo)致緩沖區(qū)過多。其他人難以計算容量，因為他們在計算中使用過時的信息，不考慮產(chǎn)品組合的變化，或者不優(yōu)化工具的層分配。這些問題非常復(fù)雜，以至于即使晶圓廠正在尋找增加產(chǎn)能的策略，也無法確定他們的額外產(chǎn)能。

二、勞動管理。勞動力部署通常沒有得到一致或正確的跟蹤和衡量，導(dǎo)致工具組分配不理想，勞動力利用不足，以及對提升所需的全職等效工時缺乏了解。此外，對于新工具帶來的變化，傳統(tǒng)的勞動力配置可能不是最佳的，例如，由于地板布局要求員工步行到其他隔間來操作新設(shè)備，因此會導(dǎo)致非增值時間。另一個常見的挑戰(zhàn)與靈活性有關(guān)，因為在瓶頸轉(zhuǎn)移和人員配備需求出現(xiàn)時，沒有適當(dāng)交叉培訓(xùn)多個工具的操作員無法重新分配到不同的站點。如果員工士氣低落，對勞動力變化的適應(yīng)能力較差，那么任何效率低下的情況都會變得更加復(fù)雜。

三、依賴較舊的設(shè)施、系統(tǒng)和工具。在大多數(shù)成熟的晶圓廠，相同的機器和設(shè)備已經(jīng)運行了 20 多年，這導(dǎo)致頻繁故障和生產(chǎn)損失的風(fēng)險更大。大多晶圓廠很少評估機器性能并忽視早期預(yù)警信號。因為歷史上降低成本的措施會延遲對關(guān)鍵系統(tǒng)的投資。因此，許多成熟的晶圓廠也缺乏所需的冗余，而這些關(guān)鍵系統(tǒng)本應(yīng)根據(jù)產(chǎn)量和技術(shù)變化擴大規(guī)模。除了基礎(chǔ)設(shè)施問題之外，成熟的晶圓廠往往與供應(yīng)商簽訂了低于標(biāo)準(zhǔn)的備件管理安排和服務(wù)合同，這可能導(dǎo)致更多的停機時間。例如，合同可能未指定補償將部分基于機器正常運行時間。

四、需要更主動的績效管理。績效管理是各班次產(chǎn)出變化的最大驅(qū)動因素之一。對于每個班次和工具組，目標(biāo)通常不是在制造車間層面或更詳細(xì)的層面上確定的。現(xiàn)場領(lǐng)導(dǎo)可能缺乏進行有效日常績效對話、調(diào)整優(yōu)先級、跟蹤部署、輪班開始和結(jié)束時間以及休息所需的關(guān)鍵管理技能的培訓(xùn)。此外，難以從一個班傳遞到另一個班、冗余的質(zhì)量檢查和不必要的手動數(shù)據(jù)記錄都會導(dǎo)致性能不一致。最后，樓層領(lǐng)導(dǎo)可能缺乏有關(guān)關(guān)鍵目標(biāo)的信息，使他們難以確定優(yōu)先事項。 提高效率的新方法 影響過去提高晶圓廠效率的挑戰(zhàn)今天仍然存在，但成熟的晶圓廠可以通過專注于四項任務(wù)來消除其中的許多問題。

提高整體設(shè)備效率并消除工具瓶頸

大多數(shù)成熟的晶圓廠都知道他們有性能問題，需要更多關(guān)于根源的信息。為了開發(fā)解決其特定問題的解決方案，他們必須超越一般化，并確定在工具級別出現(xiàn)瓶頸的方式和位置。更重要的是，他們必須考慮當(dāng)產(chǎn)品組合發(fā)生變化時這些瓶頸可能如何變化，因為困擾一個制造過程的問題可能在另一個過程中不存在。

要深入了解瓶頸，需要一些平凡但關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作：列出所有工具，以及每個工具的產(chǎn)品、配方步驟和晶圓輸出（當(dāng)前和計劃）。工程和規(guī)劃團隊?wèi)?yīng)該能夠提供大部分信息，晶圓廠可以使用這些信息來確定實際和所需的產(chǎn)能。在估算原始處理時間時，晶圓廠用詳細(xì)的地面觀測值補充工程數(shù)據(jù)和配方。這可以揭示為什么工具和制造步驟之間存在差異。例如，晶圓廠可能會發(fā)現(xiàn)一次性工具設(shè)置沒有改變，導(dǎo)致效率低下，或者晶圓上的氧化層在厚度和均勻性不同。

然后，晶圓廠應(yīng)檢查 OEE 基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)顯示每個工具的最大產(chǎn)能，使用雙支柱方法將理論最大產(chǎn)能與實際產(chǎn)量進行比較（圖表 1）。為了確定導(dǎo)致產(chǎn)能欠佳的具體因素，晶圓廠經(jīng)理可以檢查數(shù)據(jù)日志、采訪關(guān)鍵員工并進行現(xiàn)場觀察。這項研究將幫助他們量化停機時間、確定設(shè)備速度并發(fā)現(xiàn)其他問題，例如低效的轉(zhuǎn)換時間。在一個案例中，工具級分析顯示，晶圓廠的晶圓產(chǎn)量比其真實產(chǎn)能低 43%。

來源：麥肯錫

發(fā)現(xiàn)問題后，公司將能夠啟動改進計劃。其中一些最重要的原則涉及單分鐘換模（SMED）原則，該原則要求在機器運行時盡可能執(zhí)行設(shè)備轉(zhuǎn)換步驟。

SMED 原則在前沿晶圓廠中很常見，也規(guī)定應(yīng)簡化任何剩余的工藝步驟。例如，一家調(diào)查減少預(yù)防性維護（PM）時間策略的工廠發(fā)現(xiàn)，其緊固過程過長，因為員工在安裝護罩夾和修理彎曲護罩時使用了不正確的工具。該公司還缺乏更換蓋罩的平臺，使拆卸和安裝變得復(fù)雜，并且隨意存放六角工具，使其難以找到。同時，反復(fù)出現(xiàn)的流量傳感器錯誤和可編程邏輯控制器錯誤導(dǎo)致頻繁停機和重啟。當(dāng)工廠解決這些問題以及其他出現(xiàn)的問題時，它能夠?qū)⒖?PM 停機時間減少 6 小時 (23%)。

積極管理勞動力

傳統(tǒng)上，晶圓廠改變他們的生產(chǎn)系統(tǒng)是為了應(yīng)對問題，而不是試圖預(yù)測問題。他們還傾向于優(yōu)先考慮降低成本而不是提高效率。隨著對汽車芯片的迫切需求，是時候采取一種更積極、更系統(tǒng)的方法，專注于最大限度地提高產(chǎn)能，而不是控制短期支出。

作為第一步，晶圓廠應(yīng)建立端到端生產(chǎn)流程模型，并注意每個步驟的技術(shù)約束。然后，他們可以確定最佳的人員配備和生產(chǎn)排序選擇。在某些情況下，他們可能需要每周重新考慮批量大小和順序。

使用一個模型，一家公司在為期 10 天的概念驗證試驗測試新安排之前，改變了生產(chǎn)步驟和人員配置。一些簡單的調(diào)整，例如在員工之間重新分配工作和安排午餐時間，將產(chǎn)量提高了 30%，將生產(chǎn)力提高了 10%，并提高了蝕刻工具的利用率，質(zhì)量和安全沒有改變。

另一家檢查其工作流程的公司專注于改善操作員接觸時間——員工花在設(shè)備上的時間（而不是無關(guān)的活動，例如等待產(chǎn)品到達生產(chǎn)線以及從工廠的一個部分走到另一個）。該公司觀察了一個隔間內(nèi)的所有技術(shù)人員，以了解操作員如何度過他們的一天。分析數(shù)據(jù)后，它確定觸摸時間僅占操作員時間的31%。為了提高生產(chǎn)率，公司重新平衡了工作量，并將一些員工調(diào)到另一個工作間。它還做了一些其他更改，例如提供中斷覆蓋。隨著這些變化，接觸時間增加到46%。

通過預(yù)測性維護降低基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險

在成熟的設(shè)施中，機器故障和其他基礎(chǔ)設(shè)施問題非常常見，，以至于fabs可能難以確定PM最有保障的位置，或者哪些機器應(yīng)該首先進行維修。在設(shè)置優(yōu)先級時，晶圓廠可以通過確定最關(guān)鍵工具的結(jié)構(gòu)化方法來最小化風(fēng)險并減少基礎(chǔ)設(shè)施故障的影響。例如，通常應(yīng)優(yōu)先考慮使用率高、容量低且無備份的機器。類似的過程適用于系統(tǒng)，如配電和排煙系統(tǒng)。在這種情況下，最優(yōu)先考慮的是系統(tǒng)，對于這些系統(tǒng)，停工將對生產(chǎn)產(chǎn)生直接和嚴(yán)重的后果，特別是在其故障可能性很高的情況下。

在分析系統(tǒng)時，晶圓廠應(yīng)獨立查看所有子系統(tǒng)。一家想要改進其工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)的公司首先分別檢查了大約 17 個子系統(tǒng)（圖表 2）。從辦公室泵到冷卻盤管，它舉辦了研討會，采訪了供應(yīng)商，并進行了專家檢查。該公司還為每個子系統(tǒng)確定了可能的故障模式，例如油冷凝、冷水機維護不足和壓縮機泵故障。

來源：麥肯錫

這些評估表明，四個子系統(tǒng)需要高度關(guān)注。Fab A 和 Fab B 冷卻器在夏季都沒有備份，之前都發(fā)生過故障。由于承包商通常需要 24 到 48 小時進行維修，因此此類故障后不可避免地會出現(xiàn)大量停機。Fab A 和 Fab B 冷卻塔也有類似的問題。對于這兩個子系統(tǒng)，最常見的故障是風(fēng)扇故障、冷卻系統(tǒng)性能下降，并對生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響。

在確定主要問題后，該公司制定了緩解計劃，描述了降低所有四個子系統(tǒng)風(fēng)險的步驟，例如如調(diào)查管道系統(tǒng)以了解Fab A冷卻器最近發(fā)生故障的原因，并與供應(yīng)商合作確定需要庫存的關(guān)鍵備件。除了討論需要采取什么行動外，緩解計劃還規(guī)定了不同任務(wù)的責(zé)任，并規(guī)定了完成的時間表。

通過采用強有力的預(yù)測性維護程序，而不是隨意應(yīng)對危機，公司可以將停機時間減少30%至50%。確實發(fā)生的停機時間將是有計劃的，而不是意外的，因此，晶圓廠將有機會在其他地方部署工人。零部件短缺也將不太常見，因為晶圓廠將很清楚他們需要什么來進行定期維護。

實施動態(tài)績效管理

在許多成熟的晶圓廠，性能管理是隨意的。為了改進，他們需要一種具有明確車間指標(biāo)和目標(biāo)的新方法。例如，有些人可能會量化輪班和休息期間產(chǎn)出下降的程度，然后設(shè)定改進目標(biāo)。現(xiàn)在在許多現(xiàn)代設(shè)施中使用的性能儀表板可以幫助成熟的晶圓廠確定任何問題的根本原因。

動態(tài)績效管理的其他重要元素包括：

清晰的問題解決流程。晶圓廠應(yīng)創(chuàng)建工作輔助工具，例如模板和清單，以促進不同的流程并改善輪班交接。還應(yīng)該有一個明確的過程來處理不斷升級的問題。

培訓(xùn)。樓層領(lǐng)導(dǎo)可能習(xí)慣于更非正式的績效對話過程，并需要就指標(biāo)和目標(biāo)進行培訓(xùn)。理想情況下，晶圓廠將對任何新工藝進行試運行，并征求運營商關(guān)于哪些有效以及哪些需要改變的反饋。然后，他們可以在擴大規(guī)模之前進行更改。

定期對話。操作員和主管應(yīng)在每班結(jié)束時在白板前進行約 5 到 10 分鐘的對話。他們可以有一個標(biāo)準(zhǔn)的議程并記錄任何出現(xiàn)的問題以供以后討論。領(lǐng)導(dǎo)者應(yīng)該記住，提供積極的反饋與在績效對話中審查問題一樣重要。

自動化儀表板和動作跟蹤。晶圓廠最初可能使用手動儀表板，但最終可以將它們自動化以節(jié)省時間并提高透明度。理想情況下，儀表板應(yīng)該包含便于查看和解釋關(guān)鍵數(shù)據(jù)的視覺效果，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該經(jīng)常更新。

在員工習(xí)慣于長期流程的晶圓廠，最大的實施障礙可能涉及心態(tài)和行為。從歷史上看，鑒于成熟晶圓廠注重降低成本，對提高產(chǎn)量的做法的重要性一直很低，大多數(shù)領(lǐng)導(dǎo)者都傾向于忽視它們。為了獲得最佳結(jié)果并保持進步，領(lǐng)導(dǎo)者應(yīng)確保通過就組織的近期優(yōu)先事項進行清晰的溝通，直接解決思維定勢問題。

隨著車輛變得越來越復(fù)雜、電氣化和自動駕駛，它們的半導(dǎo)體含量將增加到更高的水平。這可能會加劇當(dāng)前汽車芯片的短缺，導(dǎo)致OEM的生產(chǎn)進一步放緩。成熟的晶圓廠無法在一夜之間解決汽車半導(dǎo)體的嚴(yán)重短缺問題，但他們現(xiàn)在可以采取措施開始緩解這個問題。

編輯：黃飛