Megelőző karbantartási stratégiák optimálása a félvezetőgyártásban

Átírás

1 AZ ÜZEMFENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI Megelőző karbantartási stratégiák optimálása a félvezetőgyártásban Tárgyszavak: TPM; karbantartási stratégia; félvezetőgyártás; megelőző karbantartás. Több különböző típusú félvezető szelet gyártásával foglalkozó üzem karbantartási tevékenységének minőségét kívánták optimálni az ún. teljes körű hatékony karbantartás (Total Productive Maintenance = TPM) stratégiájának alkalmazásával. Az üzemben alkalmazott gyártástechnológia A félvezető áramköröket vékony szilíciumszeleteken állítják elő. A szeletek átmérője általában mm. Egy szeleten, az áramkör bonyolultságától függően, néhány ezer, esetleg akár néhány millió tranzisztor lehet. A félvezető struktúrát az ún. tisztaszobákban gyártják, azaz a gyártás követelményeinek megfelelő tisztaságú övezetekben. A szilíciumszeleteken bonyolult kémiai folyamatokat felhasználó technológiákkal (bevonatkészítés, fotolitográfia, maratás, ionimplantáció, fotoreziszt sávok stb.) alakítják ki az áramköri elemeket. A félvezetőket gyártó üzem sok száz gépi berendezést, nagy létszámú munkaerőt és különböző eszközöket, például litográfiai maszkokat vesz igénybe. A gépi berendezések a legkülönbözőbb műszaki paraméterekkel működnek. Mindegyik berendezés a teljes gyártási folyamat egyik műveletének elvégzésére szolgál. Az egyes terméksorozatok esetleg többször is viszszakerülnek ugyanarra a gépi berendezésre. Ez elsősorban a litográfiai vagy az ionimplantációs munkahelyekre vonatkozik, amelyek ciklikusan működnek. Ezzel szemben a bevonatkészítő és a plazmamaratást végző berendezések a szennyeződés elkerülése érdekében gyakran csupán egyetlen művelet elvégzésére vehetők igénybe. Karbantartási tevékenység egy félvezető szeleteket gyártó üzemben A félvezetőgyártás bonyolult viszonyainak megfelelően, valamelyik berendezés meghibásodása esetleg az egész termelési folyamat megszakítását eredményezi. Tehát megelőző intézkedésekkel kell csökkenteni a termelés be nem tervezett leállásának valószínűségét.

2 Általában a karbantartó részleg feladatai közé tartozik: a meghibásodás következményének elhárítása javítással (corrective maintenance), megelőző karbantartás a meghibásodás valószínűségének csökkentése érdekében (preventive maintenance). Az ilyen karbantartási tevékenység határidő-tervezéséhez szükség van a félvezetőgyártásban használt egyes berendezések szerkezeti megoldásának és működésmódjának alapos ismeretére. A karbantartási ciklusidők megtervezésekor figyelembe veszik a berendezés állapotának fokozatos leromlását, a meghibásodási jelenség gyakoriságát és a javítás időszükségletére vonatkozó információkat. A meghibásodás gyakorisága függ az okoktól, a javítás időtartama pedig a meghibásodás mértékétől, egyidejűleg a karbantartó részleg reakciósebességétől is. A félvezetőgyártó üzemekben az általános megelőző karbantartási tevékenység elve abban az értelemben érvényesül, hogy a kisebb jelentőségű karbantartási tevékenységeket (tisztítás, ellenőrzés, alkatrészcsere stb.) maga a gépkezelő elvégzi. A karbantartási tevékenység modellezése és optimálása Az utóbbi években több, a félvezetőipari termelésre és termelésprogramozásra vonatkozó közlemény jelent meg. A karbantartás optimálása szempontjából ezek nagyjából két csoportba sorolhatók: vagy matematikai programozással, vagy szimulációs módszerrel oldják meg a kitűzött problémát. Az irodalom áttekintése igazolta, hogy a félvezetőiparban a termelési és karbantartási problémák szoros kapcsolatban vannak egymással. Ennek megfelelően közös megoldást igényelnek. A hatékony megelőző karbantartás irányelveinek meghatározására a MELISSA-C++ szimulációs eszközt használták, amelyet eredetileg termelésorientált eszközként objektummodellezésre szántak, de használatát utólag kiterjesztették a meghibásodási jelenségekre és a karbantartási törvényszerűségekre. Meghibásodási jelenségek és karbantartási tevékenységek matematikai modellezése, valamint integrálása a szimulációs rendszerekbe A rendszer definíciója Bármilyen berendezés több szempontból bontható részeire. Az összetevők lehetnek funkcionális csoportok, modulok vagy olyan alkatrészek, amelyek önmagukban is valamilyen rendszert képviselnek, lehetnek egymástól függőek

3 vagy egymástól függetlenek. A berendezések gyakorlati modellezése szempontjából fontos előzetesen átgondolni, hogy a karbantartási tevékenység szempontjából milyen mélységig kell részleteket meghatározni. Matematikai modellezés és a Weibull szabály alkalmazása Tekintettel a félvezető szeletek gyártásának sajátosságaira, a modellezés a megelőző és a javító karbantartási műveletekre koncentrálódik. A javító karbantartás iránti igény a meghibásodások előfordulási gyakoriságától függ. Alkatrészek és rendszerek élettartamának értékelésekor a hibagyakoriság valószínűségi eloszlását gyakran a kétparaméteres Weibull-függvénnyel írják le és az ún. fürdőkád -görbével ábrázolják. A kockázati függvény képlete: λ (t) β = η 1 β η β 1 ; ahol β az alaktényező és ez határozza meg a görbe jellegét az idő függvényében, η a hatás időléptékét képviseli, γ az ún. helyzetparaméter, amelynek értéke általában 0, ha feltételezzük, hogy a meghibásodási folyamat 0 időpontban kezdődik. A matematikai kifejezés a meghibásodások között eltelt átlagidőt (MTBF) adja meg. A javításig eltelt idő is statisztikai (lognormális) törvényszerűséget követ, amelynek matematikai kifejezése szolgáltatja a javításig eltelt átlagidő (MTTR) eloszlását. A javítási időbe beleértendő a karbantartó szakemberre való várakozás ideje, a diagnosztika időszükséglete és a javítás ideje. Az eloszlás matematikai kifejezésének alátámasztására szolgálnak a berendezések meghibásodására és javítási törvényszerűségeire vonatkozó statisztikai adatok. A diszkrét események szimulációjának elvére épülő MELISSA C++ szimulációs módszert kiterjesztették a félvezetőgyártásban végzett karbantartási tevékenységekre. Feltételezték az alábbiakban következő megállapítások érvényességét. Állásidőre és karbantartásra vonatkozó feltételezések Minden berendezésre érvényes egy bizonyos makroszkopikus meghibásodási modell. Háromféle karbantartási tevékenységre kerülhet sor: a karbantartó szakember által végzett javításra, a megelőző karbantartásra, végül pedig a teljes körű hatékony karbantartásra. Ez az utóbbi lényegében ellenőrzésből és tisztításból áll. Ezek gyakorisága és időtartama ismert, modellezésük a többi karbantartási tevékenységtől független.

4 A javítási tevékenységek gyakorisága az MTBF- és az MTTR-eloszlással jellemezhető, mivel a hibák stochasztikusan fordulnak elő. A modell feltételezése szerint, amikor sor kerül egy meghibásodásra, a javítása után a rendszer ismét olyan állapotba kerül, mint amilyenben közvetlenül a meghibásodás előtt volt (az ún. AGAO (as good as old) olyan, mint régen feltételezés). Tehát a javítás után a berendezés meghibásodási valószínűsége olyan, mint a meghibásodás előtti időpontban. A PM (a megelőző karbantartás) két típusának (a hagyományos és a teljes körű, a TPM) elvégzésére a karbantartási tervnek megfelelően kerül sor. A megelőző, ill. a javító tevékenységek közötti kapcsolat A fenti feltételezéseket a javító/megelőző karbantartási tevékenységek figyelembevételével a szimulációs modellbe is bevezették. A megelőző tevékenységet vagy egy újabb megelőző tevékenység, vagy egy meghibásodás követheti, tekintettel arra, hogy a megelőző karbantartási tevékenység hatására a berendezés olyan állapotba kerül, mint amilyen új korában volt. Tehát még a megelőző karbantartás után is előfordulhat meghibásodás. A meghibásodás várható időpontját az AGAN, as good as new (olyan jó, mint újkorában) feltételezés körülményei között lehet az erre szolgáló modullal meghatározni. Amennyiben meghibásodásra kerül sor (mert ennek bekövetkezését nem gátolták meg megelőző karbantartási tevékenységgel), akkor az AGAO feltételezésével egy újabb meghibásodás következhet be. A szimulációs modell alapján meghatározható, hogy milyen karbantartási gyakoriság esetében stabilizálódnak az egyes berendezések működési feltételei. A megelőző karbantartás optimális gyakoriságának meghatározási módszere A karbantartási tevékenységnek gazdasági szempontból közvetlen és közvetett költségvonzata van. A közvetlen költségek (munkabér, pótalkatrészek ára stb.) könnyen becsülhetők. A közvetett költségek (termeléskimaradás, állásidők, selejt) sokkal nehezebben értékelhetők. Közvetlen karbantartási költségek Általában a megelőző karbantartás költsége kisebb, mint a javítási tevékenységé. Ugyanis a megelőző karbantartási tevékenységet határidőterv alapján végzik és ennek megfelelően kevesebb időt vesz igénybe. A bérköltség is kisebb, tekintettel a kevesebb szaktudást igénylő tevékenységre. Az is köztudott, hogy a pótalkatrészek olcsóbbak (10 30%-kal), ha a művelet végrehajtására az előrejelzett időpontban kerül sor. Végeredményben a megelőző kar-

5 bantartás esetében a pótalkatrészek költsége általában a javításhoz felhasznált pótalkatrészek költségének kb. 70%-a lesz. Közvetett karbantartási költségek A félvezető szeletek sorozatgyártásának körülményei között a technológiai folyamat egyes műveletei ismétlődnek. Emiatt igen nehéz a közvetett karbantartási költségek becslése, mivel figyelembe kell venni valamennyi gyártóberendezés esetleges kiesésének vagy a gépkezelő állásidejének a költségek alakulására gyakorolt hatását. Tehát a karbantartás közvetett költségeinek egyes összetevői: a berendezés megelőző vagy javító karbantartása miatt fellépő állásidő költségei, a járulékos intézkedésekkel kapcsolatos költségek (a berendezés kiesése vagy megelőző karbantartása esetében járulékos intézkedésekkel kell minimumra csökkenteni a technológia folyamatosságának megzavarásával kapcsolatos termeléskiesést), a gépkezelő állásidejének költségeit ennek a modellnek az alkalmazásakor figyelmen kívül lehet hagyni, mivel a legtöbb gépmunkás szabad kapacitását más feladat elvégzésére igénybe lehet venni, a minőségre gyakorolt hatás költségtényezőjét ennek a modellnek az alkalmazásakor nem vették figyelembe. A közvetett költségek számítására két lehetőség kínálkozik: 1. A közvetett költségeket egyetlen berendezésre vagy hasonló berendezések egyik csoportjára határozzák meg. Ebben az esetben a termeléskiesés költségei az állásidő alatt elő nem állított termékek költségeiből tevődnek össze. 2. Az egész üzemrészre vonatkozó közvetett költségek becslése esetében figyelembe veszik a termék késleltetett előállítása, a járulékos intézkedések és a tárolás miatt fellépő költségeket. Ennek a módszernek az alkalmazására mindenekelőtt az üzem tervezésekor vagy rekonstrukciója esetében van szükség. A MELISSA C++ szimulációs modell eleve alkalmas az állásidő által okozott költségek meghatározására. A megelőző karbantartás optimális gyakoriságát gazdasági alapon kell meghatározni, figyelembe véve két költségtípust: a közvetlen költségeket (meghatározásuk egyszerű) és a közvetett költségeket (a berendezés kiesése miatt gyakran előforduló termelési veszteséget). A közvetett költségeket nehezen lehet meghatározni, különösen azért, mert a berendezés kiesése nem minden esetben eredményez termelési veszteséget. Előfordulhat például, hogy bár a berendezés működőképes, mégsem termel: vagy azért, mert nincs megmunkálásra váró alkatrész (a párhuzamosan mű-

6 ködtetett berendezések esete), vagy nem áll rendelkezésre gépmunkás, aki elvégezné az adagolást. Karbantartási és termeléskiesési költségek egyetlen önálló berendezés esetében Az optimális karbantartási stratégiát gazdasági hatás szempontjából kell vizsgálni. Miután egyetlen berendezésről van szó, a közvetett költségek csupán ennek kiesésére vonatkoznak (a termeléskiesés okozta veszteség). A berendezés típusától függően két eset különböztethető meg: 1. Szűk keresztmetszetet jelentő berendezés esetében, ha valamennyi alkatrésznek várnia kell a következő műveletre, a termelés megszakítása teljes mértékben termelési veszteséget okoz. 2. Nem szűk keresztmetszetet jelentő berendezés esetében a kiesésnek nem lesz feltétlenül termeléskimaradás a következménye. Csupán azoknak a alkatrészeknek a késését kell figyelembe venni, amelyek ennél a berendezésnél várnak, hogy sorra kerüljenek. Az irodalomból ismeretesek hasonló feltételezések mellett kidolgozott karbantartási határidő meghatározási módszerek. A karbantartási ciklusidők számításakor abból kell kiindulni, melyek azok a gépek, amelyek egy adott időpontban a termelés szempontjából a legkritikusabbak. A különböző termelési paraméterek figyelembevételével végzett értékelésből nyilvánvaló, hogy a karbantartási tevékenységet arra a berendezésre kell koncentrálni, amelyiknek állásidejét kiküszöbölve az üzem teljesítőképessége a legkedvezőbben alakul. A módszer lényege A vizsgálat célja annak meghatározása, hogyan befolyásolja a javítás vagy a megelőző karbantartás és a termeléskiesés a teljes költségek alakulását az egyes paraméterek függvényében. A vizsgálat úgy hajtható végre, hogy a megelőző karbantartási periódus hosszát két határérték között változtatják. Az egyik szélső esetben a megelőző karbantartás mértéke elegendő ahhoz, hogy általában alig legyen szükség javítási tevékenységre. A másik szélső eset arra vonatkozik, amikor egyáltalán nem végeznek megelőző karbantartást és emiatt a meghibásodások száma igen nagy. Az MTBF (meghibásodások közötti átlagidő) paramétert változtatva a MELISSA C++ szimulációs modell alapján kiszámítható a szükséges megelőző karbantartási, ill. javítási tevékenységek száma, a termeléskiesési idők tartama, vagy azoknak a sorozatoknak a száma, amelyeknek a berendezés javítása, ill. megelőző karbantartása miatt várniuk kell. Megfelelő számú szimulációs futtatás eredményeként kellő statisztikai biztonsággal határozható meg a megelőző karbantartás optimális gyakorisága.

7 Ezt a vizsgálatot a félvezető szeletek gyártására szolgáló két berendezéstípus esetében is elvégezték. Eredményesen modellezték a termelés és a karbantartási tevékenység közötti kölcsönhatásokat. Meghatározták, hogy a kombinált javítási/megelőző karbantartási tevékenység feltételei között még hány elkerülhetetlen meghibásodásra kell számítani. A MELISSA C++ rendkívül hatékony eszköznek bizonyult a közvetlen, mindenekelőtt pedig a közvetett karbantartási költségek értékelésére, lehetővé tette a vizsgált berendezés teljes hatékonysági mutatójának meghatározását. Ennek különösen azért van nagy jelentősége, mivel a szilíciumszeletek gyártásának feltételei között, a technológiai folyamat egyes szakaszainak ismétlődése miatt, tapasztalati úton gyakorlatilag nem lehet megállapítani ezeket a költségtényezőket. Viszont e zek határozzák meg egy adott termelőberendezésen végzett megelőző karbantartási tevékenységek optimális gyakoriságát. Bár ezt a módszert a félvezetőgyártás esetére dolgozták ki, más technológiákra is alkalmazható lehet. (Dr. Barna György) Charles, A-S.; Floru, I-R. stb.: Optimization of preventive maintenance strategies in a multipurpose batch plant: application to semiconductor manufacturing. = Computers and Chemical Engineering, 27. k. 4. sz p Dedopoulos, I. T.; Shah, N.: Preventive maintenance policy optimization for multipurpose plant equipment. = Computers and Chemical Engineering, 19. k p