Le aziende operanti nel settore dei semiconduttori gestiscono con attenzione le fabbriche di produzione dei wafer per ottimizzare uptime, resa e produttività complessiva. I team responsabili delle operazioni nello stabilimento cercano costantemente di individuare nuovi metodi per incrementare anche di frazioni dell’ordine dell’1% l’efficienza del processo di fabbricazione (Fig. 1).
Fig. 1 – Miglioramento dell’efficienza di fabbricazione – Le aziende operanti nel settore dei dispositivi a semiconduttore si servono del monitoraggio in tempo reale per incrementare l’efficienza del processo di fabbricazione
Nel suo stabilimento di produzione di wafer nella Silicon Valley, Linear Technology ha installato una rete mesh wireless IP SmartMesh per ottimizzare le operazioni di fabbricazione, monitorando il consumo delle bombole di gas e trasmettendo letture in tempo reale al software di gestione dello stabilimento. Questi dati consentono di determinare velocemente e con precisione il consumo del gas e quindi di rifornirle o sostituirle tempestivamente, riducendo i tempi di fermo e le quantità di gas sprecato. I dati acquisiti vengono registrati e utilizzati per facilitare la pianificazione della capacità della fabbrica.
Per produrre i wafer vengono impiegate oltre 175 bombole di gas speciali, che devono essere monitorate accuratamente per assicurare l’erogazione continua del gas; un’interruzione non pianificata causerebbe infatti centinaia di migliaia di dollari di wafer da scartare, perdita di entrate e ritardi inaccettabili nella spedizione dei prodotti ai clienti. Per prevenire tempi di fermo, i tecnici registrano manualmente tre volte al giorno la pressione in ciascuna bombola di gas presente nello stabilimento. Questo procedimento manuale è soggetto a errori e la sua gestione comporta costi notevoli.
Queste operazioni in genere vengono eseguite manualmente poiché mantenere cavi di trasmissione dati nello stabilimento è costoso e di difficile attuazione: le bombole sono collocate dappertutto nello stabilimento e presso la maggior parte di esse non vi sono né prese di corrente né jack Ethernet. Le pareti dell’edificio sono in calcestruzzo per motivi di sicurezza, così che installare nuovi cavi comporta costi proibitivi. Inoltre, un progetto notevole di costruzione per l’installazione di cavi di alimentazione e comunicazioni interromperebbe il processo di fabbricazione, causando tempi di fermo nella fabbrica.
Fig. 2 – Bunker del gas in uno stabilimento di produzione di dispositivi a semiconduttore – I nodi wireless devono funzionare con affidabilità in presenza di strutture in calcestruzzo e metalliche presenti dovunque nell’edificio
Una soluzione basata su reti mesh
È stata implementa una rete mesh wireless SmartMesh IP a 32 nodi sensore (“mote”) per monitorare la pressione del gas nel bunker del gas (Fig. 2). Ogni nodo è alimentato da una coppia di batterie al litio AA L91 la cui autonomia è di circa 8 anni, così che per installare la rete non sono stati necessari cablaggi aggiuntivi né tempi di fermo. Nonostante la costruzione in calcestruzzo e la prevalenza di strutture metalliche nella fabbrica, la rete si è dimostrata estremamente affidabile. Al momento della stesura del presente articolo, la rete funzionava ininterrottamente da 83 giorni e aveva trasmesso oltre 26 milioni di letture con affidabilità maggiore del 99,99999% – ossia 100 volte superiore rispetto al rigoroso valore con “5 nove” che ci si aspetta da sistemi di elaborazione e trasmissione dati ad alta disponibilità.
Nel bunker del gas, si misura per ciascuna bombola la pressione del serbatoio e la pressione regolata, quindi queste letture vengono trasmesse a un sistema di monitoraggio centralizzato attraverso la rete SmartMesh. Ciascun nodo SmartMesh è collegato a una coppia di bombole e invia le letture attraverso la rete mesh wireless a un web server situato in un altro locale dell’edificio. Nella sala di controllo, gli strumenti software di gestione del sito della fabbrica visualizzano letture in tempo reale e calcolano automaticamente le velocità di consumo per stabilire intervalli periodici di sostituzione delle bombole (Fig. 3). Inoltre, vengono impostate soglie di bassa pressione per avvisare i tecnici dello stabilimento se una o più bombole raggiungono livelli bassi prima della scadenza programmata. Gli avvisi vengono visualizzati sul monitor della sala di controllo e attraverso un sistema di messaggistica Internet 24 ore al giorno, 7 giorni su 7.
Fig. 3 – Previsione del consumo di gas tossico mediante strumenti software di analisi – Le letture in tempo reale del consumo di gas vengono inviate in modalità wireless al software dello stabilimento che prevede gli intervalli di sostituzione delle bombole e agevola la pianificazione della capacità della fabbrica
Risultati ottenuti
Basandosi sulle velocità di consumo dei gas in tempo reale, i tecnici possono prevedere con precisione quando occorre sostituire le bombole di gas, riducendo gli sprechi derivanti da sostituzioni premature di bombole contenenti gas non consumato. I vantaggi vanno oltre l’efficienza che si consegue nelle operazioni quotidiane. Acquisendo i dati sul consumo di gas con un sistema centralizzato e rendendoli facilmente disponibili ai responsabili dello stabilimento, risulta possibile analizzare gli andamenti e identificare quindi ulteriori opportunità di ottimizzazione delle operazioni nella fabbrica correlando le letture a specifiche geometrie e processi di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Tutto questo contribuisce a ottimizzare la crescita della capacità dell’impianto per rispondere alle esigenze che si presentano.