数字化制造工具帮助世界领先企业适应不断拓展的市场

ASML Case Study

创新型消费和工业电子产品需要先进的微芯片

ASML是为半导体产业提供光刻机的世界领先供应商之一，专业制造集成电路和微芯片生产所必需的复杂机器。ASML提供的先进光刻机帮助客户及芯片制造商缩小消费电子设备中的芯片尺寸并增加其功能，从而帮助消费者和从业者创造更强大的电子系统。

半导体产业已完成了“数字化革命”，光刻技术间接在其中发挥了作用：该过程完成了硅片小型特征的成像并持续“摩尔定律”——摩尔定律预测，光刻技术将使得微芯片上的晶体管数量定期翻倍。有了光刻机，不断小型化的微芯片为人类创造了质量更优、价格更低且能源效率更高的电子产品和服务，推动了移动性、连通性、安全性及数字娱乐的进一步提升。

受2009年全球金融危机的影响，芯片制造商大幅削减资本支出。但仅过半年，半导体行业便率先复苏，订单数量不断增加，ASML连续两年打破销售记录。公司2010年的销售额几乎是2009年的三倍，紧接着2011年又更上一层楼。在这强劲的复苏期间，ASML必须确保能够按时交付满足最高质量标准的机器。

鉴于半导体行业需求的周期性质，ASML必须不断调整其生产能力，以满足市场的要求。这个过程相当复杂，涉及预估需求量、制定详细的产出计划、以及与大范围的复杂供应链保持同步。同时，还用到了Tecnomatix®组合中的Plant Simulation解决方案。

弥合产品设计与制造之间的差距

ASML使用了多款Siemens PLM Software解决方案，包括包括数字化生命周期管理软件 Teamcenter®和产品设计软件NX™。近来，ASML工业工程部开始部署离散事件仿真工具Plant Simulation。

“工业工程团队的职能介于D&E（开发与工程）和M&L（制造与物流）之间，” ASML工业规范管理（ISM）团队经理Andreas Schoenwaldt解释道。“我们利用Plant Simulation执行的生产仿真有助于这些团队保持联系。我们必须做很多决策，要么建立新的生产设施，要么改善现有设施。而有了Plant Simulation之后，我们可以在模拟过假设的生产场景之后再做决策。同时，我们的机器性能必须满足极高的标准，比方说要能打印硅片上极小的特征，精确打印出三四十层，而且速度必须极快。精确到纳米。不懈创新是我们ASML文化的一部分，也是我们所以能应对这一挑战的原因。因此，我们需要一种离散事件仿真软件工具，以对生产进行仿真和优化。”

在生产阶段创建工厂仿真模型，目标是缩短机器的交付周期

在生产阶段，机器测试是持续时间最长的环节，甚至比总装阶段还要长得多。ASML努力不懈地缩短交付周期、增加生产能力、降低成本，以成为客户的首选供应商。在研究如何应对这些挑战的过程中，数据分析显示，耽搁时间的一大原因在于加工晶片的延迟交付。ASML工业规范管理（ISM）团队的工业工程师Joris Bonsel说，“这些晶片是我们在过程实验室里制作完成的，主要是为了进行机器测试。我们所使用的数据，来自测试部要求的5个月内的实际晶片订单，并结合相应的实际交付时间。接着，我们创建了一个工厂仿真模型，其结果居然与所收集的数据完全对应，准确度真是惊人。”

“当确定我们有一个与实际情况相符的仿真模型时，我们就着手进行工业工程分析。显而易见，实验室人力投入越多交付成绩越好，但是现在我们却能对实际的生产进行仿真，并证实为过程实验室增加一名员工的经济效益明显高于投资一条新轨道的效益等。为了证明这一发现很重要，我们又进行了仿真，发现增加第二名员工就没有什么成本效益。以前我们做这个分析时依据的是直觉，而不是仿真结果，因此很难辩驳仿真建议，” Bonsel说。“事实上，这是我们的Plant Simulation工厂仿真试点项目。通过这个项目我们发现，有了Plant Simulation，我们能创建一个模型，精确模仿实际生产线的性能，这给我们留下了非常深刻的印象。”

新一代光刻机

ASML已开发出新一代的光刻机，采用极紫外（EUV）光，使芯片制造商能够进一步缩小芯片上的特征尺寸。用于批量生产的第一代光刻机NXE:3300B系列将于2012年出货，为此工程团队必须进行生产设施规划，以支持产品上线。ASML ISM团队的工业工程师Maurice Schrooten解释道：“其中一个主要问题是：‘制造该机型的主要模块之一MBMM需要哪些生产资源？’毫无疑问，我们寻求的当然是成本效益最高的投资，于是我们便用Plant Simulation从清洁房间的空间占用率、产出变量以及劳动力和硬件投资等三个方面对三种不同的替代方案进行分析。这三种替代方案是：第一，克隆现有生产线；第二，外包（又称为HLQB）部分生产；第三，使用新的生产线方法，将装配工作分给三个不同的工作区。仿真结果显示，第一种方案需要较高的设备投入，弃之不用。另外两个方案整体相差不大，最后我们选择了风险最低的那一个。工厂仿真优化了生产线配置，支持所需的生产能力，同时减少生产资源投资。”

通过仿真提高生产能力

TWINSCAN NXT:1950i机型的一个关键模块是定位模块（PM）。因为ASML的出发点是提升新设计的生产能力，因此团队希望搞清楚需要多少鉴定工具，也就是定位模块鉴定工具（PMQT），以及如何最大化工具的使用效率。同时，团队还制定了明确的计划，基于同样的任务，对两个并行工作站与两个串行工作站的部署进行比较，每个工作站负责一半的任务。ASML ISM团队的工业工程师Ron Clauwers说：“为了实现最高产出，我们对四种场景进行相互比较。工厂仿真的结果显示，我们应当以灵活（而非固定不变）的方式使用两种相同的PMQT，换言之，按照优先规则，根据生产步骤的需要使用各PMQT，并在PMQT之前采用并行工作站（而非串行工作站）的部署方式。”

Plant Simulation成为决策工具箱的一部分

“Plant Simulation的一大优势在于能够按照特定的逻辑创建对象库，然后在不同的模型中重用这些对象，”Schrooten说。“Siemens PLM Software的部署合作伙伴cards PLM Solutions B.V.与我们密切合作，为我们提供了非常有用的初始对象库。比如说，我们在自己的对象库中创建了遗传算法（GA）优化对象。在仿真某个制造流程时，我们可以定义各制造步骤之间的很多约束条件，如优先约束——定义哪个步骤应当在另一步骤之前完成；时间约束——根据需要定义执行某些制造步骤所需的等待时间；以及与实际操作有关的约束条件，如某两个步骤不能同时进行，因为它们处于机器的同一物理区域。”

“遗传算法优化对象使用了Plant Simulation的遗传算法功能，在考虑到所有约束条件的前提下推荐流程步骤的顺序，并将步骤分配给指定的生产人员。”

“另外，我们还使用了Plant Simulation的另一个非常有用的功能，那就是实验管理器。通过它，我们能够对多个场景进行仿真，并且能非常轻松地比对不同替代方案的结果。”

Schoenwaldt最后总结说：“保持世界领先地位非常不容易。你必须不断创新，提高成本效益。我们将Plant Simulation纳入工程决策流程，以便在生产线实际试运行之前，对很多生产场景进行虚拟仿真。