TFT-LCD廠生產組合決策評估系統之構建

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(1)國立交通大學工業工程與管理學系碩士班. 碩士論文. TFT-LCD 廠生產組合決策評估系統之構建 The Construction of a Decision Evaluation System for Production Mix Setting for a TFT-LCD Factory. 研究生：張哲豪指導教授：鍾淑馨博士. 中華民國九十五年七月.

(2) TFT-LCD 廠生產組合決策評估系統之構建 The Construction of a Decision Evaluation System for Production Mix Setting for a TFT-LCD Factory. 研究生：張哲豪. Student：Che-Hao Chang. 指導教授：鍾淑馨博士. Advisor：Dr. Shu-Hsing Chung. 國立交通大學工業工程與管理學系碩士論文. A Thesis Submitted to Department of Industrial Engineering and Management College of Management National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Industrial Engineering July 2006 Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國九十五年七月.

(3) TFT-LCD 廠生產組合決策評估系統之構建研究生：張哲豪. 指導教授：鍾淑馨博士. 國立交通大學工業工程與管理學系碩士班. 摘要近年來，薄膜液晶顯示器製造商積極擴建新世代廠，且生產之產品種類趨於多樣化，以滿足顧客之需求。然而，薄膜液晶顯示器之製程步驟主要分為三個階段，各階段製程之製程特性並非相同，部分工作站具有換線時間相對於加工時間相當長，因此產品種類數的多寡將影響生產系統之生產績效。此外，由於平均興建一座新世代廠約需新台幣 700 億，且機台價格動輒上億元的情況下，廠房規模之大小將直接影響財務相關之績效。因此，在同時考量財務與生產現場之績效下，本文提出「生產組合決策評估系統」，在追求整體生產效率最佳之原則下，於建廠前規劃生產組合，亦即決定廠房規模與產品種類數。對於此課題，本文首先發展「生產組合情境方案設計機制」，設計不同廠房規模與產品種類數並進行配對，以獲得各種生產組合情境方案。接著，「機台規劃模組」針對各生產組合情境方案，在避免各階段製程之瓶頸發生短暫飄移的前提下，利用數學模式規劃各階段製程各工作站之機台數。接著，為能利用模擬蒐集各生產組合情境方案之相關生產績效值，「主生產排程規劃模組」分別建構組立階段製程與組裝階段製程之瓶頸工作站產能配置之線性規劃模式，以規劃各期各產品於各階段製程之加工數量與順序，作為模擬運作之投料方式。最後，「最適生產組合評選模組」運用模擬系統產生各生產組合情境方案之生產績效資訊，利用資料包絡分析法之交叉效率法進行評估，以選出具有最佳整體生產效率之生產組合情境方案。實驗結果顯示，本文所提出之生產組合決策評估系統，可在因應未來市場需求下，快速且合理地設計各種不同之生產組合情境方案，並且在同時衡量多項績效指標的前提下，利用交叉效率法客觀且明確地評選出整體 i.

(4) 生產效率最佳之生產組合情境。整體而言，本文所提之方法淺顯易懂，除了方便管理者使用，亦可提供企業一系統化之評選流程，以在建廠規劃前決定最適之廠房規模與產品種類數。. 關鍵詞：薄膜液晶顯示器、生產組合、生產效率、資料包絡分析法. ii.

(5) The Construction of a Decision Evaluation System for Production Mix Setting for a TFT-LCD Factory Student: Che-Hao Chang. Advisor: Dr. Shu-Hsing Chung. Department of Industrial Engineering and Management National Chiao Tung University. Abstract In order to meet customers’ demand, the TFT-LCD manufacturers build new generation factories actively and produce more various products, in recent years. However, the manufacturing process of TFT-LCD mainly consists of three stages, each stage has its distinct characteristics. Notice that the setup time of some workstations are very long, thus the number of product types being produced in a factory simultaneously will influence the system performance. Furthermore, since the capital of a new generation factory costs 70 billion new Taiwan dollars and a machine costs more than one billion new Taiwan dollars commonly, the factory scale will affect the financial performance. Thus, considering financial and production performance simultaneously before building a new factory, this thesis proposes a decision evaluation system for production mix setting to determine the factory scale and the number of product types for achieving the optimal productive efficiency as the principle. This thesis first develops production mix design mechanism to obtain all available production mix scenarios. Then, in tool planning module, with the principle of avoiding the bottleneck shifting in each manufacturing stage, a mathematic model is proposed to plan tool units needed for each workstation for every production mix scenario. Next, the master production scheduling and planning module constructs two linear programming modules for cell assembly and module assembly respectively, to derive the production quantity of each product type and the production sequence at each time period of each manufacturing stage. iii.

(6) Then, the simulation model is run with these results as the input to obtain production performance for each production mix scenario. Finally, the optimal production mix assessment and selection mechanism is built. Based on cross efficiency method of Data Envelopment Analysis (DEA), this mechanism evaluates all available production mix scenarios based on the performance values obtained by simulation system and determines the production mix scenario with the optimal productive efficiency. Experimental result shows, the proposed decision evaluation system can not only generate all available production mix scenarios fast and reasonably to meet market demand, but also select the production mix scenario with the optimal productive efficiency objectively and explicitly under multiple performance measurements. Overall, this syetem can be easily understood and used by managers, and provides an enterprise with a systematic assessment procedures to determine the factory scale and the number of product types before building a factory.. Keywords: TFT-LCD, Production Mix, Productive Efficiency, DEA. iv.

(7) 誌謝研究所的生活終於來到了即將離別的日子，首先我得衷心地感謝鍾淑馨教授，在這兩年來耐心地指導與教誨，以及對日常生活的關心，讓我可以在溫馨的環境中，經過不斷地磨練進而成長後，順利完成這份論文。老師您真的辛苦了，在此祝您身體健康，培育更多優秀的學生!! 另外，感謝俊潁學長、于婷學姊以及威良學長適時地在我茫然時給予建議與鼓勵。還有，我要謝謝這些日子以來，陪伴我的好同學們：源翌、柏先、翊展、雅斐、佩青、自誠、宇帆、進立、頌翔、志偉、蕙純、小龜、老薛，以及學弟妹們，有了你們，我的碩士生活才得以用歡笑代替苦悶，能與你們在同一個學習環境奮力打拼，同甘共苦真的很高興。未來的日子，希望大家都能夠順順利利，有空再一起多聚聚!! 最後，我得感謝我的家人，尤其是我親愛的父母，您們的支持與鼓勵，是我求學過程最大的原動力，我也不負您們的期望，順利地完成碩士學歷，就讓我們一起分享這份喜悅吧!!. 哲豪. v. 于風城交大.

(8) 目錄摘. 要 ..............................................................................................................i. Abstract...........................................................................................................iii 誌謝 ................................................................................................................. v 目錄 ................................................................................................................vi 圖目錄 ............................................................................................................ix 表目錄 ............................................................................................................. x 符號表 ..........................................................................................................xiii 第一章緒論 ................................................................................................... 1 1.1、研究背景與動機 .................................................................................1 1.2、研究目的 .............................................................................................2 1.3、研究範圍與限制 .................................................................................3 1.4、研究方法與步驟 .................................................................................4 第二章文獻探討............................................................................................ 6 2.1、TFT-LCD 三階段製程之介紹 .............................................................6 2.1.1、薄膜電晶體陣列(Array)生產特性.............................................. 11 2.1.2、液晶面板組立(Cell Assembly) 生產特性 .................................. 13 2.1.3、電路模組組裝(Module Assembly) 生產特性............................. 13 2.2、產能規劃 ........................................................................................... 14 2.3、機台具換線特性之生產規劃 ............................................................ 15 2.4、投料規劃 ........................................................................................... 17 2.5、資料包絡分析法 ............................................................................... 17 2.5.1、效率衡量..................................................................................... 18 2.5.3、資料包絡分析法之優點與限制.................................................. 21 2.5.4、應用資料包絡分析法之相關研究.............................................. 22 2.6、系統績效指標 ................................................................................... 23. vi.

(9) 第三章模式建構.......................................................................................... 24 3.1、問題定義與分析 ............................................................................... 24 3.2、整體邏輯與架構 ............................................................................... 26 3.3、瓶頸資源定義機制............................................................................ 28 3.4、生產組合情境方案設定.................................................................... 29 3.4.1、廠房規模設定機制 ..................................................................... 30 3.4.2、產品種類挑選機制 ..................................................................... 31 3.5、機台規劃模組 ................................................................................... 33 3.5.1、組立階段製程之瓶頸工作站機台數估算機制 .......................... 35 3.5.3、陣列階段製程之機台規劃機制.................................................. 39 3.5.4、組立階段製程之機台規劃機制.................................................. 42 3.5.5、組裝階段製程之機台規劃機制.................................................. 43 3.6、主生產排程規劃模組........................................................................ 44 3.6.1、組立階段製程之瓶頸工作站產能配置模式 .............................. 45 3.6.2、組裝階段製程之瓶頸工作站產能配置模式 .............................. 53 3.6.3、投料規劃機制............................................................................. 59 3.7、最適生產組合評選模組.................................................................... 60 3.7.1、模擬模式之建構與執行 ............................................................. 61 3.7.2、資料包絡分析法之評估 ............................................................. 61 第四章模擬驗證.......................................................................................... 64 4.1、系統環境說明 ................................................................................... 64 4.1.1、生產環境資料............................................................................. 64 4.1.2、機台規劃假設............................................................................. 65 4.1.3 主生產排程規劃假設 ................................................................... 66 4.2、瓶頸資源定義機制............................................................................ 66 4.3、情境方案設定 ................................................................................... 67 4.3.1 產出目標設定機制 ........................................................................ 67 4.3.2、產品種類挑選機制 ..................................................................... 69 4.3.3、產品種類數之設定與生產組合情境方案設定 .......................... 70 4.4、機台規劃模組 ................................................................................... 72 4.4.1、組立階段製程之瓶頸工作站機台數估算機制 .......................... 72 4.4.3、陣列階段製程之機台規劃機制.................................................. 74 4.4.4、組立階段製程之機台規劃機制.................................................. 77 4.4.5、組裝階段製程之機台規劃機制.................................................. 79 vii.

(10) 4.5、主生產排程規劃模組........................................................................ 81 4.5.1、組立階段製程之瓶頸工作站產能配置模式 .............................. 81 4.5.2、組裝階段製程之瓶頸工作站產能配置模式 .............................. 83 4.6、投料規劃機制 ................................................................................... 85 4.7、最適生產組合情境方案評選模組 .................................................... 89 4.7.1、模擬模式之建構與執行 ............................................................. 89 4.7.2、資料包絡分析法之評估 ............................................................. 89 第五章結論與未來研究方向 ...................................................................... 95 5.1、結論................................................................................................... 95 5.2、未來研究方向 ................................................................................... 97 參考文獻 ....................................................................................................... 98 附錄 A、各階段製程之產品製程資料 ................................................... 102 附錄 B、各階段製程各工作站相關資料................................................ 106 附表 C、各階段製程各工作站之機台單位成本(單位：百萬) .............. 108 附錄 D、各生產組合情境方案之各階段製程各產品產出目標............. 109 附錄 E、各生產組合情境方案之各階段製程各工作站機台數 ............. 116 附錄 F、各生產組合情境方案之各階段製程之各期投料量 ................. 119 附錄 G、各生產組合情境方案於組立階段製程瓶頸工作站產能配置 . 125 附錄 H、各生產組合情境方案於組裝階段製程瓶頸工作站產能配置 . 129 附錄 I、各生產組合情境方案於陣列階段製程之投料間隔時間 .......... 134 附錄 J、各生產組合情境方案於組立階段製程之投料間隔時間與順序 ................................................................................................................. 136 附錄 K、各生產組合情境方案於組裝階段製程之投料間隔時間與順序 ................................................................................................................. 139. viii.

(11) 圖目錄圖 2-1、薄膜電晶體陣列製程流程圖[32] ......................................................7 圖 2-2、液晶面板組立段製程圖[27]..............................................................8 圗 2-3、電路模組組裝段製程圖[38][43] ..................................................... 11 圖 2-4、總體效率、技術效率及規模效率示意圖[42]................................. 20. ix.

(12) 表目錄表 2-1、各世代廠之玻璃基板可供不同面板尺寸之切割片數與利用率 .... 12 表 2-2、應用 DEA 於製造業之文獻 ............................................................ 22 表 3-1、機台之可能生產情況 ...................................................................... 52 表 3-2、交叉效率矩陣.................................................................................. 63 表 4-1、玻璃基板之單位成本以及可供不同產品之切割片數與利用率 .... 65 表 4-2、各產品之市場最高與最低預測需求量以及市場價格.................... 66 表 4-3、組立階段製程各工作站之換線時間用於加工最大可生產數量 .... 67 表 4-4、組裝階段製程各工作站之換線時間用於加工最大可生產數量 .... 67 表 4-5、陣列階段製程瓶頸機台數與其最大可用產能 ............................... 68 表 4-6、陣列階段製程瓶頸機台數與其最大可用產能 ............................... 69 表 4-7、玻璃基板生產各產品別之損失成本(單位:千元)............................ 69 表 4-8、玻璃基板生產各產品別之總利潤(單位:千元)................................ 69 表 4-9、玻璃基板生產各產品別之生產效益(單位:千元)............................ 69 表 4-10、玻璃基板生產各產品之生產效益排序表 ..................................... 70 表 4-11、各種產品種類數下所挑選之產品種類 ......................................... 70 表 4-12、各產品生產最高市場預測需求時所需之玻璃基板數.................. 70 表 4-13、於各挑選順位之最大所需玻璃基板累計數(單位：LOT) ............. 71 表 4-14、生產組合情境方案 ........................................................................ 71 表 4-15、組立階段製程瓶頸工作站之及台數求算結果 ............................. 73 表 4-16、陣列階段製程各產品之玻璃基板產出量 ..................................... 73 表 4-17、組立階段製程之各產品產出目標(單位：卡匣)........................... 74 表 4-18、組裝階段製程之各產品產出目標(單位：卡匣)........................... 74 表 4-19、各屬性工件於陣列階段製程非瓶頸工作站之期望加工次數 ...... 75 表 4-20、各屬性別工件於非瓶頸工作站所耗用之產能(單位:分鐘) .......... 76 x.

(13) 表 4-21、規劃幅度內產出目標在非瓶頸工作站所耗用之總產能(分鐘).... 76 表 4-22、規劃幅度內陣列階段製程各非瓶頸工作單一機台可提供之產能(分鐘) .......................................................................................................... 77 表 4-23、陣列階段製程之各非瓶頸工作站機台數 ..................................... 77 表 4-24、組立階段製程之各非瓶頸工作站所需耗用之總產能.................. 78 表 4-25、組立階段製程各非瓶頸工作之單一機台最大可用產能(秒)........ 78 表 4-26、組立階段製程各非瓶頸工作之最適機台數 ................................. 79 表 4-27、組裝階段製程各工作站 K 之總需求產能 ..................................... 79 表 4-28、組裝階段製程各工作站 K 之單一機台最大可提供之產能 .......... 80 表 4-29、組裝階段製程各工作站 K 之粗估機台數 ..................................... 80 表 4-30、組裝階段製程各工作站 K 之理論利用率 ..................................... 80 表 4-31、生產組合情境方案 D-S=1-5 於陣列階段製程之各產品各期之總產量............................................................................................................ 82 表 4-32、生產組合情境方案 D-S=1-5 於組立階段製程之各產品各期之總產量............................................................................................................ 82 表 4-33、生產組合情境方案 D-S=1-5 之組立階段製程瓶頸工作站機台配置結果........................................................................................................ 82 表 4-33、生產組合情境方案 D-S=1-5 之組立階段製程瓶頸工作站機台配置結果(續) ................................................................................................. 83 表 4-34、組裝階段製程之各產品各期之物料供給量 ................................. 84 表 4-35、生產組合情境方案 D-S=1-5 之組裝階段製程瓶頸工作站機台配置結果........................................................................................................ 84 表 4-35、生產組合情境方案 D-S=1-5 之組裝階段製程瓶頸工作站機台配置結果(續) ................................................................................................. 85 表 4-36、陣列階段製程之各產品各規劃週期之投料間隔時間(秒) ........... 86 表 4-37、生產組合情境方案(1-5)之組立階段製程各暫存區於各規劃週期之投料量 .................................................................................................... 86 表 4-38、組立階段製程之投料間隔時間與投料順序 ................................. 87. xi.

(14) 表 4-39、生產組合情境方案(1-5)於組裝階段製程之各暫存區於各規劃週期投料量 .................................................................................................... 88 表 4-40、組裝階段製程之投料間隔時間與投料順序 ................................. 88 表 4-41、各生產組合情境方案之各績效指標值 ......................................... 90 表 4-41、各生產組合情境方案之各績效指標值(續)................................... 91 表 4-42、各受評單位之利潤與產出量達程度分析 ..................................... 91 表 4-43、各受評單位各績效指標之最佳權數(10-8) .................................... 92 表 4-44、交叉效率法之排序結果 ................................................................ 94. xii.

(15) 符號表 . 符號下標. a ：受評單位別，表示第 a 個受評單位 b ：投料暫存區別； b = 1,2,..., B j. d ：陣列階段製程之瓶頸工作站機台數設定方案別；d=1,2,…,D g ：量測工作站別；g=1(表示陣列階段製程之 W18 工作站)，g=2(表示陣列. 階段製程之 W19 工作站) i ：產品種類； i = 1,2,..., I. j ：製程階段別；j=1 時為陣列階段製程，j=2 時為組立階段製程，j=3 時. 為組裝階段製程 k ：工作站別；表示各階段製程第 k 個工作站， k = 1,2,..., BN ,..., K ( BN 為各. 階段製程之瓶頸工作站) l ：層級別；表示產品於陣列階段製程之第 l 層級加工， l = 1,2,..., L. m ：機台別；各階段製程各工作站之第 m 台機台， m = 1,2,..., M j ,k. p ：受評單位別，表示第 p 個受評單位 q ：受評單位別，表示第 q 個受評單位 min. min. sd ：在情境方案別 d 中，產品種類數； s d = s d , s d t ：規劃週期別； t = 1,2,...,T. w ：投入項別； w = 1,2,L,W z ：產出項別； z = 1,2,L, Z. . 一般符號. B j ：製程階段 j 之投料暫存區數 C max j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之機台最大載入批量. xiii. + 1,..., s dmax − 1, s dmax.

(16) Cut i ：產品 i 由玻璃基板切割成面板之切割數 DCap dj ,−k s ,r ：在情境方案 d-s 中，產品屬性別 r 在製程階段 j 工作站 k 所需產. 能 DCap dj ,−k s , ：在情境方案 d-s 中，製程階段 j 工作站 k 之總需求產能. Dimin ：產品 i 之最低預測需求量 Dimax ：產品 i 之最高預測需求量. EN kr ：屬性別 r 在工作站 k 之期望加工次數 GC ：玻璃基板單位成本 GU i ：玻璃基板用於生產產品 i 之利用率. H ：規劃幅度 Int dj ,−b,si ,t ：在情境方案 d-s 中，階段製程 j 產品於第 t 期第 b 個投料暫存區 i. 之投料間隔時間 M dj ,k ：第 d 種所設定之階段製程 j 之工作站 k 之機台數. M dj ,−k s ：在情境方案 d-s 中，階段製程 j 之工作站 k 之機台數 MTTR j ,k ：製程階段 j 工作站 k 平均修復時間. MTBF j ,k ：製程階段 j 工作站 k 平均當機時間 MTBPM j , k ：製程階段 j 工作站 k 平均維修間隔時間. MTTPM j ,k ：製程階段 j 工作站 k 平均維修時間 N dj ,−k s ：在情境方案 d-s 中，製程階段 j 工作站 k 之實際可用機台數 NPi ：玻璃基板用於生產產品 i 之生產效益 O dj ,−ms,t ：在情境方案 d-s 中，製程階段 j 之瓶頸工作站之機台 m 於第 t 期之. 總加工數量 PT j ,k ,i ,m ：製程階段 j 工作站 k 機台 m 加工產品 i 所需的時間. xiv.

(17) l. PT j ,k ,i ：製程階段 j 產品 i 於 l 層級之工作站 k 之平均加工時間 PT. j ,k ,i. PT. j ,k. ：製程階段 j 工作站 k 加工產品 i 之平均加工時間. ：製程階段 j 工作站 k 之平均加工時間. R r ：陣列階段製程中，屬性 r 之產品佔總玻璃基板產量之比例 RWg ,l ：陣列階段製程之量測工件於量測工作站 g 在第 l 層級所需經過的重. 加工步驟 ST j ,k ,m ：製程階段 j 工作站 k 機台 m 之產品換線時間. ST j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之產品平均換線時間 SCap j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之供給產能 SCap dj , BN ：在情境方案 d 中，製程階段 j 工作站 k 之供給產能 TPjd,i− s ：在情境方案 d-s 中，製程階段 j 之產品 i 之產出目標 TPjd − s ：在情境方案 d-s 中，製程階段 j 之產出目標 TPjd − s ,r ：在情境方案 d-s 中，製程階段 j 之屬性 r 之產品產出目標 TotalPi ：玻璃基板用於生產產品 i 可獲得之利潤 U j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之利用率 U max j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之利用率上限 U min j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之利用率下限 v wp ：第 p 個受評單位之第 w 個投入項之最佳權數 u zp ：第 p 個受評單位之第 z 個產出項之最佳權數 WN j ,k ：製程階段 j 工作站 k 之換線產能用於加工，最大可生產之數量. WCi ：玻璃基板用於生產產品 i 之未利用部份之損失成本. π i ：產品 i 佔總玻璃基板產量之比例 π ir ：產品 i 之屬性別 r 佔該產品之比例 xv.

(18) µ g ：量測工件於量測工作站 g 檢驗之不合格率. . 組立階段製程之瓶頸工作站產能配置模式符號 . 輸入參數 A ：各機台欲換線以加工另一種產品之最小連續加工數量； Cut i ：玻璃基板切割成產品 i 之切割片數； CCap m,t ：組立階段製程之瓶頸機台 m 在第 t 時期的可用產能；. PT2, BN ,i ,m ：組立階段製程之瓶頸機台 m 加工產品 i 所需時間； ST2, BN ,m ：組立階段製程之瓶頸機台 m 的換線時間；. TP1,di − s ：在情境方案 d-s 中，陣列階段製程產品 i 之產出目標； TP1d − s ：在情境方案 d-s 中，陣列階段製程之總產出目標；. . 虛擬參數 sid − s ：在情境方案 d-s 中，補足產品 i 最後一個卡匣所需之虛擬面. 板數量； . 決策變數 Axid,t− s ：在情境方案 d-s 之第 t 時期，產品 i 於陣列階段製程之生產. 數量； Asid,t− s ：在情境方案 d-s 之第 t 時期，陣列階段製程之產品 i 之物料. 庫存量； −s Cxid,mt ,t ：在情境方案 d-s 之第 t 時期，產品 i 指派給組立階段製程之. 瓶頸機台 m 的數量； . 工作站變數 Cδ id,m−,st ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期，產品 i 是否在組立階. 段製程之瓶頸機台 m 生產，若是則為 1，反之則為 0；. xvi.

(19) Cψ id,m− s,t ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期，產品 i 在組立階段製. 程之瓶頸機台 m 生產是否需要換線，若是則為 1，反之則為 0； Cγ id,m− s,t ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期期初，產品 i 是否在組. 立階段製程之瓶頸機台 m 生產，若是則為 1，反之則為 0； Cφid,m−,st ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期期末，產品 i 是否在組. 立階段製程之瓶頸機台 m 生產，若是則為 1，反之則為 0； y m,t ：0-1 變數。. . 組裝階段製程之瓶頸工作站產能配置模式符號 . 輸入參數 A ：各機台欲換線以加工另一種產品之最小連續加工數量；. CS id,t− s ：在情境方案 d-s 之第 t 時期，產品 i 於組裝階段製程之物料. 供給量； MCap m ,t ：組裝階段製程之瓶頸機台 m 在第 t 時期的可用產能；. PT3,BN ,i ,m ：組裝階段製程之瓶頸機台 m 加工產品 i 所需時間； ST3, BN ,m ：組裝階段製程之瓶頸機台 m 的換線時間；. . 決策變數 Mxid,m− s,t ：在情境方案 d-s 之第 t 時期，產品 i 指派給組裝階段製程之. 瓶頸機台 m 的數量； Msid,t− s ：在情境方案 d-s 之第 t 時期，組裝階段製程之產品 i 之物料. 庫存量； . 工作站變數 Mδ id,m−,st ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期，產品 i 是否在組裝階 xvii.

(20) 段製程之瓶頸機台 m 生產，若是則為 1，反之則為 0； Mψ id,m− s,t ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期，產品 i 在組裝階段製. 程之瓶頸機台 m 生產是否需要換線，若是則為 1，反之則為 0； Mγ id,m− ,st ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期期初，產品 i 是否在組. 裝階段製程之瓶頸機台 m 生產，若是則為 1，反之則為 0； Mφid,m−,st ：0-1 變數。在情境方案 d-s 之第 t 期期末，產品 i 是否在組. 裝階段製程之瓶頸機台 m 生產，若是則為 1，反之則為 0； z m,t ：0-1 變數。. xviii.

(21) 第一章緒論 1.1、、研究背景與動機目前薄膜液晶顯示器 (Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display， TFT-LCD)產業為台灣兩兆雙星產業之一，其產品特性為輕薄、適合攜帶，並且無電磁輻射的問題，因此快速取代傳統映像管顯示器，未來勢必成為光電產業中具有競爭優勢之產品。根據工研院經資中心 ITIS 計畫調查統計[37]，在 2001 年台灣的大型 TFT-LCD 之全球市場佔有率為 26.1％，而在 2003 年進一步擴大至 35.2%，超越日本(28.9%)，僅次於南韓(35.9%)，成為全球第二大 TFT-LCD 生產國。而行政院於 2002 年提出「六年國家總體建設計畫」[24]，預計在 2006 年產值可望超過南韓，突破新台幣 1 兆元，使台灣 TFT-LCD 之供應量為全球第一大。在 TFT-LCD 產業景氣不斷提升的環境下，舊世代廠因製程技術的限制，並無法滿足大尺寸應用之產品之需求，因此企業為了滿足顧客之需求以及提升自身競爭力，積極擴建新世代廠(五代廠、六代廠)，但是興建一座新廠約需新台幣 700 億，如何面對未來市場需求不確定的情況，規劃一最具整體生產效率之廠房，避免因不當投資行為，造成日後營運不良的危機，將是一項相當重要的長期規劃決策問題。 TFT-LCD 主要分為三個主要製程階段：一、薄膜電晶體陣列；二、液晶面板組立；三、電路模組組裝，在執行建廠規劃時，若不將三個製程階段之生產資源同步規劃，確認系統的瓶頸資源進行產能的分析與規劃，可能會因為上下游階段製程之產能供需無法平衡，造成產能過剩導致庫存成本提升，或是因為產能不足與缺料而達不到預定產出目標等問題。另外，經由業界之訪談，得知現今市場對 TFT-LCD 產品種類需求傾向多樣化的結果，導致生產規劃人員為了滿足顧客需求而恣意將機台進行換線，提高機台換線次數，對於許多換線時間相當長的機台，將使機台因規劃不當造成浪費產能，以及產生生產規劃的困難度…等問題，因此在規劃新廠時勢必考量欲生產的產品種類數對生產系統的影響。. 1.

(22) 此外，針對不同的廠房規模與產品種類數所結合之生產組合方案做為生產資訊進行產能規劃時，不同階段製程之機台各具有其製程加工特性，不同階段製程各有其產品加工單位，以及同一世代廠使用之玻璃基板尺寸雖然相同，但是因為面板尺寸的不同而有切割片數的差異，這些因素皆會直接影響機台配置的結果以及投資成本。而在工廠建廠完成進行生產排程規劃以及執行實際生產活動後，所產生相關的生產績效之數據，如：機台利用率、產出利潤、以及生產週期時間等。這些生產績效通常即是決定最適生產組合的評估準則，因此必須選擇具有公平、客觀且是多元準則評估分析工具-資料包絡分析法，以同時考量財務方面與生產規劃層面之績效，綜合評估得知各方案之效率，決定建廠時之廠房規模與產品種類數。基於上述之動機，吾人將同時考量 TFT-LCD 三階段製程，提出不同廠房規模與產品種類數做為評選方案，針對這些方案對於生產系統之績效以及機台配置之結果，進行整體效率值的評估，進而選擇可讓 TFT-LCD 廠更具競爭力之生產組合，以提供 TFT-LCD 製造廠作為參考使用。. 1.2、、研究目的本文將針對 TFT-LCD 產業發展一建廠最適生產組合決策評估系統。同時考量三階段製程之生產特性，在面臨不同廠房規模以及產品種類數，對各工作站做機台數量配置，並評估對財務與生產績效之影響。吾人將此影響結果以資料包絡分析法做為評估工具，決定一新興 TFT-LCD 廠之最適生產組合情境，即決定廠房規模與產品種類數。此評估系統首先透過生產組合情境方案設計模式設計各種生產組合情境，接著利用下列三個模組進行規劃與評估： (1) 機台規劃模組：針對不同之建廠規模以及產品種類數之生產組合情境，考量不同階段製程各工作站之製程與機台特性，在滿足產出目標之產能需求，以及達到機台預定利用率的前提下，計算各階段製程各工作站所需之機台數。. 2.

(23) (2) 主生產排程規劃模組：將利用機台規劃模組之結果，在預定的產出目標與產品種類數之條件下，進行三階段製程之主生產排程規劃。 (3) 最適生產組合評選模組：承接主生產排程規劃方法，利用模擬軟體(Em-Plant 7.0)執行模擬，蒐集瓶頸工作站換限耗用產能、產出量與利潤之數據，以及所求算之機台總成本，作為 DEA 所定義之投入項與產出項之績效評估指標，並套用適當之 DEA 模式進行分析與評估，以決定 TFT-LCD 廠建廠前之最適生產組合情境。. 1.3、、研究範圍與限制本文主要研究內容為發展 TFT-LCD 廠之最適生產組合決策評估系統，針對不同之建廠規模與產品種類數做為生產組合情境方案，在追求整體生產效率最佳化的前提下，決定最適之廠房規模與產品種類數。因此本文主要研究範圍在於總體生產規劃及資源需求規劃階段，如圖 1-1 所示。. 圖 1-1、研究範圍為了有效達到本文之規劃目標與降低研究環境之複雜度，本文將做以下之假設與限制： (1) 不考慮廠房建構所需之空間大小。 3.

(24) (2) 不考慮物料搬運之問題。 (3) 由於陣列階段製程之換線時間相對於加工時間極為短暫，因此不考量該製程階段之換線整備時間。 (4) 不考慮人力以及物料搬運成本。 (5) 不考慮因為 TFT-LCD 廠機台購入時間所造成的不穩定狀況(Transient State)，僅考慮所有機台買入後達到穩態的績效。. 1.4、、研究方法與步驟為了達成上述之研究目的，本文之研究方法之執行步驟流程如圖 1-2。其執行方法如下說明之： (1) 文獻探討：在研究動機產生後，吾人將蒐集國內外學者之相關研究上之文獻，了解其研究狀況，從中獲取相關生產規劃之觀念與績效評估分析模式，進而建構本文之研究方法。 (2) 問題定義與分析：在產生研究動機與進行文獻探討後，吾人將對本文之研究問題做更進一步的定義與分析，使問題更加明確。 (3) 設定生產組合情境方案：由於廠房規模以及產品種類數多寡皆對生產績效造成最直接之影響，因此在此將提出不同之廠房規模以及產品種類數所組合之生產組合情境做為建廠規劃之評選方案。 (4) 機台規劃模組：針對各個情境方案，發展一機台規劃方式，在達到預定瓶頸機台利用率與避免瓶頸發生短暫飄移的前提下，求得各階段製程各工作站之機台數。 (5) 主生產排程規劃模組：將機台規劃結果、產出目標與產品種類數做為生產資訊，做主生產排程規劃，以決定投料順序與時點，提高生產系統之穩定性，以避免欲評估之績效指標變異程度過高或是不合理，導致錯誤的決策。 (6) 以資料包絡分析法進行評估：以模擬軟體 (Em-Plant 7.0) 建構與 TFT-LCD 工廠生產系統相似之模擬系統，輸入投料方式與時點等資 4.

(25) 料，經由模擬蒐集相關之生產績效值，最後套用一適當資料包絡分析法之模式，進行效率之評估，以決定建廠前之最適生產組合情境方案。 (7) 結論與未來研究方向：依據本文之研究結果，做一適當之結論。最後針對本文不足之處提出未來可以改善之方向與建議。. 圖 1-2、研究步驟與流程. 5.

(26) 第二章文獻探討本研究乃在於決定 TFT-LCD 產業建廠前之最適生產組合情境，即決定其最適廠房規模與產品種類數。主要針對不同的廠房規模、產品種類數，配置各製程階段各工作站所需之適當機台數，並就此配置結果規劃一適當之主生產排程規劃以進行模擬實驗，最後利用資料包絡分析法評估其效率，以決定最適生產組合情境。然而，目前並無學者針對 TFT-LCD 產業之廠房規模與產品種類數之生產組合情境之評估進行探討，因此，本章將依據吾人之研究理念，依序探討 TFT-LCD 三階段製程之製造程序與製程特性、產能規劃、投料規劃與資料包絡分析法。. 2.1、、TFT-LCD 三階段製程之介紹 TFT-LCD 之製造程序主要分為三個階段製程，分別為薄膜電晶體陣列 (Array)製程、液晶面板組立(Cell Assembly)製程以及電路模組組裝(Module Assembly)製程。一、薄膜電晶體陣列(Array)製程此段製程與半導體製程極為類似，具有鍍膜、曝光、顯影、蝕刻等過程，經過約 30~50 道之製程步驟，5~7 層的回流層數，在玻璃基板形成電晶體。在這方面國內技術成熟，良率一般約有 90%以上。詳細製造流程如圖 2-1 所示，而各製程之說明如下[32][33][43]： 1. 玻璃基板購入：檢驗購入之玻璃基板的厚度是否均勻，以及基板邊緣是否有毀損等品質問題。 2. 洗淨(Cleaning)：洗淨的目的在於使玻璃基板具有良好的導電性，以提升膜的密著度；主要是除去玻璃基板表面之微塵粒子以提升產品良率。 3. 成膜(Film Deposition)：成膜的製程主要分為兩類：物理方法的濺鍍法與化學方法的電漿化學氣相沉積法。 4. 光阻劑塗佈(Coating)與曝光(Exposure)：當整片含有透明電極的玻璃光罩進入生產線後，必須先清洗玻璃光罩後，再將光阻劑塗佈在光罩上等候曝光。 6.

(27) 5. 顯影(Developing)、蝕刻(Etching)與去光阻(Resist Stripping)：對曝光後之光罩做顯影，然後將不需要之透明電極層蝕刻去除，僅剩下被光阻覆蓋的介質層留在表面，最後再將殘留的光阻去除。. 玻璃基板. 重覆必要之次數. 洗. 淨. 洗淨設備(並非只是在此洗淨設備做洗淨，而是在很多的工程完畢後為之). 成. 膜. 濺鍍電漿(Plasma) CVD 旋轉塗佈(Spin Coater)設備. 光阻劑塗佈. 曝. 光. 曝光(Stepper) 設備. 顯. 影. 顯影(Developer) 設備. 蝕. 刻. 蝕刻(Etching) 設備. 光阻剝離(Asher) 設備. 去光阻. TFT陣列基板完成. 圖 2-1、薄膜電晶體陣列製程流程圖[32] 二、液晶面板組立(Cell Assembly)製程組立製程主要是將陣列製程完成之玻璃基板與彩色濾光片 (Color Filter，CF)做配向處理，進行壓合並切割成預定液晶顯示器尺寸之面板，注入液晶，及貼上偏光板，最後經過檢查等過程後，即完成薄膜液晶顯示器的面板。圖 2-2 即為液晶面板組立之製程簡圖。. 7.

(28) 圖 2-2、液晶面板組立段製程圖[27]. 8.

(29) 以下則針對液晶面板組立廠主要製程說明其細部作業[27][43]： 1. 洗淨與配向處理(Rubbing)：首先將切割完的玻璃基板與彩色濾光片，進行 UV 洗淨與有機洗淨過程，去除附著在玻璃基板與彩色濾光片之有機物，然後經過沖刷洗淨、超音波洗淨以及流水洗淨等步驟，去除基板上的塵埃粒子，完成洗淨作業。再將基板表面進行配向膜塗佈與烘烤，完成後於配向膜上製作出提供液晶定向之溝槽，使液晶整齊排列於上下配向膜之間，以增加配向膜表面的配向導向力。配向的方式是由 CF 基板上升，原地翻轉然後與下方之 TFT 基板進行組合。 2. 真空回火(Vacuum Anneal)：在高溫真空環境下，將組裝完成後仍存於空面板(Panel)內的水氣去除，以縮短液晶注入時間，並可將其中的氣體轉為氮氣。 3. 液晶灌入(LC Injection)：將液晶槽及液晶材料充分脫氣，以獲得較高的可靠度。首先將液晶放入一個密封箱中，利用基座將已切割後的 LCD 顯示面板固定住，然後將密封箱抽成真空，再由下方的海綿提供液晶，藉著彈簧活動機構將海綿往上頂，釋放空氣進入箱中，使 LCD 板藉由毛細現象將液晶完全吸入 LCD 板中間，完成灌入液晶的作業。 4. 封口(End Seal)、偏光板貼附與檢查：灌入液晶後在其開口處進行封口，以防止液晶外漏，接著洗淨 LCD 板，然後將相差九十度的偏光板貼附在 LCD 面板上、下兩面，最後進行面板厚度等的相關品管檢驗工作即完成液晶顯示面板。三、電路模組組裝(Module Assembly)製程為 TFT-LCD 之最終段製程，主要是將驅動電晶體電路板、背光電源組與組立製程完成之液晶面板進行組裝。製程步驟如圖 2-3 所示，其詳細製程如下說明[34][43]： 1. 偏光板與異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film；ACF)貼附：將面 9.

(30) 板不要之線路剪斷與貼上偏光板後，再利用機器在面板上貼附異方性導電膠。 2. IC 壓合：將已貼附異方性導電膠之 LCD 面板，進行 IC 定位預熱壓以及 IC 定位本壓，最後再將完成 IC 壓合之面板轉送至載具機上，送至下一製程工作站。 3. 彈性電路板壓合(Flexible Polymer Board；FPC)：將面板貼上 ACF 然後進行 FPC 壓合，作業程序與 IC 壓合相同，但是其壓合參數條件與所使用之 ACF 皆與 IC 壓合作業不同。 4. 封膠(Dispensor)：將保護膠均勻地塗佈在面板裸露電路區域，再讓膠於室溫中自然乾燥或是加熱乾燥。目的在於防止線路的表面於環境中氧化而造成品質劣化。 5. 印刷電路板(Printed Wiring Board；PWB)壓合：將封膠完成之面板與印刷電路板做壓合作業。 6. 背光(Back Light)模組作業：將背板鐵殼、燈管、燈管蓋板、導光片、擴散片以及稜鏡片做組立作業。 7. 燒機作業(Aging)：目的在於將產品潛在品質問題提前顯現出來，以防止顧客使用後產生品質不良之問題。 8. 檢驗：對產品做最後之品質檢驗，並篩選出產品等級。此段製程為目前 TFT LCD 廠人力需求最多的部分，雖製程並不困難，但因無法自動化作業，必須用人工加工完成，所須人事成本較高，因此也有公司採外包作業，或轉至人力成本較低之大陸設廠。而且在生產設備與製程技術都已經相當成熟，其製程難度不高，良率接近 100%。. 10.

(31) 圗 2-3、電路模組組裝段製程圖[38][43]. 2.1.1、、薄膜電晶體陣列(Array)生產特性生產特性薄膜電晶體陣列薄膜電晶陣列廠為 TFT-LCD 三階段製程之最上游製程，考量機台設備相當昂貴的因素，因此屬於存貨式生產(Make To Stock；MTS)。其所加工之玻璃基板尺寸會隨著世代廠的不同而有所差異，製程技術越高的世代廠，玻璃基板尺寸則越大，可切割的面板數也越多。而在相同世代廠之玻璃基板欲切割成不同尺寸之面板時，一樣會造成切割片數的不同。因此玻璃基板的利用率與切割片數會因為世代廠與面板尺寸的不同而有所差異。表 2-1 即為各世代廠生產不同尺寸面板的切割片數與玻璃基板利用率。. 11.

(32) 表 2-1、各世代廠之玻璃基板可供不同面板尺寸之切割片數與利用率世代廠. G3.5. G4. G5. G5.5. 面板尺寸. CR. U(%). CR. U(%). CR. U(%). 12.1. 6. 63. 9. 74. 24. 82. 14.1. 6. 84. 6. 65. 16. 15.0. 4. 63. 6. 74. 15.4. 4. 63. 6. 17.0. 4. 84. 19.0. 2. 20.1. G6. CR. U(%). 73. 24. 80. 16. 83. 20. 76. 73. 15. 76. 20. 4. 65. 12. 82. 52. 4. 81. 9. 2. 58. 4. 90. 23.0. 2. 69. 2. 27.0. 1. 46. 30.0. 1. 32.0. 1. 37.0. CR. U(%). 75. 30. 83. 16. 80. 24. 87. 76. 12. 71. 16. 72. 9. 85. 12. 83. 16. 81. 53. 8. 89. 8. 65. 12. 71. 2. 732. 6. 90. 8. 88. 8. 65. 57. 2. 84. 3. 55. 6. 81. 8. 79. 64. 1. 50. 3. 63. 6. 92. 8. 90. 1. 68. 2. 57. 3. 62. 6. 89. 2. 66 2 48 3 52 (CR：切割片數 U：利用率). 40.0. 在同一世代廠，雖然玻璃基板切割成不同面板尺寸的切割片數不同，但同一屬性1之玻璃基板的製程步驟與加工時間皆相同，且具有再回流與重加工特性。另外，關於機台的特性方面，由於陣列階段製程所生產之玻璃基板體積龐大，機台設備考量空間之因素，皆為序列機台，與晶圓廠之批次機台可一次加工多個批量之特性不同；而所有機台除了黃光(Photo)機台加工不同產品時，需耗用少許的換光罩時間外，其餘機台皆幾乎無換線時間。然而，為了簡化本研究之複雜度，將不考慮此階段製程各工作站之換線時間。在廠房之佈置型態上，目前業界大部分皆採零工式佈置，將功能相同或相似之機台放置同一工作站，可使生產較具有彈性之調整。陳氏[33]對於各項機器設備，按照加工步驟相近和製程相似者歸為同一加工區，按各 1. 在薄膜陣列廠為了控制產品良率，必須將產品抽批進行導線線寬、光阻塗佈厚度以及均勻的良測作業，因此考量量測狀況下，玻璃基板屬性可分為一般玻璃基板與量測玻璃基板。一般玻璃基板不進行量測作業，量測玻璃基板則必須進行量測作業。 12.

(33) 區可分為： 1. 薄膜區：洗淨設備、濺鍍設備及電漿設備。 2. 黃光區：光阻塗佈設備、曝光設備及顯影設備。 3. 蝕刻區：濕式蝕刻設備、乾式蝕刻設備及光阻剝離設備。 4. 測試區：當玻璃基板加工完成，需進行最終測試，故有測試設備、修復設備。吾人亦將採用上述之歸類方式，將所有機台設備分為上述四個工作區域，作為廠房生產佈置型態。. 2.1.2、、液晶面板組立(Cell Assembly) 生產特性液晶面板組立液晶面板組立廠屬於存貨式生產(Make To Stock；MTS)，製程主要分為前段之序列工作站、中段批量工作站以及後段序列工作站。各工作站內之各個機台皆為等效平行機台，而其中中段批量工作站之加工時間約佔了總製程之 70%。吾人透過文獻探討[22][27]將各工作站之製程特性整理如下： 1.. 廠房佈置為流線型生產系統。. 2.. 機台加工期間不得進行換件或插件。. 3.. 批量機台之加工時間非常長。. 4.. 產品經過真空回火(Vacuum Anneal)加工後必須在 240 分鐘內進入液晶灌入，且在液晶灌入後必須在 360 分鐘內進行封口(End Seal)，若不在此限制時間內進入進行下一各製程的加工，產品將形成報廢。. 2.1.3、、電路模組組裝(Module Assembly) 生產特性電路模組組裝電路模組組裝置成為最接近顧客端，重視滿足顧客需求與降低庫存量，因此採用訂單式生產(Make to Order；MTO)。其相關製程特性如下[34]： 1. 生產線之佈置型態屬於流線型(Flow Shop)。 2. 製程以 PWB 工作站劃分為前段與後段製程，前段製程主要考量機台之 13.

(34) 產能；後段製程以人力為主，備料相當重要。 3. 所有工作站皆為序列工作站。 4. 產品於機台加工期間不允許換件或插件。. 2.2、、產能規劃產能規劃的主要目的在於考量生產或服務單位資源在以滿足顧客的各項需求之前提下，規劃出符合產出需求之產能配置方式。有完備的產能規劃，才能因應市場的需求變異，對系統資源做最佳之配置，才得以達到市場對數量與交期的雙重目標。Stevenson[16]依據規劃時間的長短對企業組織之產能規劃區分為長期、中期與短期三種，各規劃時間長度分別為一年以上、兩個月以上一年以內，與兩個月以內。吾人將分別對長期、中期與短期產能規劃進行相關文獻探討 . 長期產能規劃 Bretthauer[2]等人認為產能不足將會造成訂單延遲或是在製品過多的. 現象，而配置過多的機台則會發生低利用率，造成產能的浪費。他們將製造系統視為一個等候網路模式，在使機台購置成本最小化為目標，並限制系統之在製品總量為有上限之條件下，建構一產能規劃數學模式，再利用分支界線法的求解方法，求得一組最佳解。 Swaminathan[17]探討晶圓製造廠在市場需求不確定與多產品組合的環境下，考量機台購置成本、購買預算以及購買所需之前置時間，發展一混合整數規劃的數學模式，並分別利用 Greedy heuristic( 或 slack based heuristic)與 Lagrangean Relaxation，期望在有限時間內求得購入機台之上下界數量。熊氏[39]則認為大多數在不確定需求情況下探討機台規劃並未考量生產週期時間，因此分別針對需求不確定的環境、訂單隨季節的不同而有所變化，以及建構新廠時的機台規劃，考量生產週期時間與機台採購預算的限制，利用基因演算法決定最適機台組合以達成利潤最大化的目標。余氏[24]以生產力的觀點探討產能規劃方式。首先對各工作站的機台需求數量做一粗略的估計，再藉由模擬與一尋優模組，考量 X-factor、產 14.

(35) 出量與機台數的關係，進行機台微調，能有效減少模擬次數，以及生產績效維持在一可接受的範圍下，求得系統收益最佳的各工作站機台數。 . 中期產能規劃根據 Wortman 等學者[20]之研究，傳統產能的粗略估算方法可歸類為四. 種：(1)產量概算法(RCCP on production)、(2)產能規劃因子法(RCCP using overall factors；CPOF)、(3)產能料單法(RCCP using routings；Capacity bills)、 (4)資源概算法(RCCP using resource profiles)。羅氏[41]將上述四種方法，整理出其在應用上必須基於以下假設： . 批量大小為固定；. . 不考慮在製品；. . 不考慮現場的情況；. . 只考慮主生產排程的需求。. 然而，張氏[31]認為 Wortman 等學者所歸類之四種方法僅考量產品組合、途程以及時間點，未考量生產線上之在製品耗用工作中心部份的產能因素，並不適用於晶圓廠，因此羅氏[41]針對晶圓針測區，多考量產品與機台製程規格能力，參考製程規格能力負荷分配演算法(capability-oriented loading allocation algorithm)，估算中期之產能負荷，提供針測區未來一個月之產能負荷水準，以利其後續之主生產排程之規劃。 . 短期產能規劃林氏[26]以晶圓製造廠之機台具有多功能之特性，可藉由短期的機台. 調整，增加瓶頸工作站的產能。其利用 TOPSIS(Technique for Order Performance by Similarity to Ideal Solution)將所考量的替代機台群的產能狀況、支援性以及轉換功能時所需的設置時間之原則予以整合，決定候選機台的調機優先順序，並藉由模擬求算新機台組合的產出量。. 2.3、、機台具換線特性之生產規劃機台具換線特性之生產規劃在等效平行機台所組成的工作站中，若機台具有加工不同種類之產品. 15.

(36) 時必須進行整備動作之特性時，其中整備的時間又依機台特性可分為順序相依(Sequence-Dependent)與順序獨立(Sequence-Independent)兩種，不同種類之工件其來到的先後順序對總換線次數將造成不同程度之影響，對於機台的利用狀況也將帶來直接的影響。在面對現今市場需求波動快速，必須在接收到訂單後，利用最有效率的方法得知生產現場之產能是否足以應付，以快速回應顧客。然而針對不同產品以及訂單需求量，除了機台加工實際所需的產能外，機台加工不同產品所需之換線次數也必須納入考量，以準確求得實際所需總產能。 Missbauer[11]考量順序相依之機台整備時間與工件以指數方式來臨之單機排程問題，分別以最大可節省之換線時間(Maximum Savings of Setup Time)與先進先出(First In First Out；FIFO)之派工法則，計算目前工件加工完畢後下一個工件進入機台加工時必須換線之機率。其結果顯示最大可節省之換線時間所得之機率小於 FIFO，可節省較多之換線次數，同時得到較短之總加工時間。 Yang 等人[21] 假設派工法則為 FIFO 的前提下，考量工件以動態的方式來臨且來到時間服從指數分配，發展一期望換線次數之估算方法。利用機率模式之概念，分析三種不需換線的情境，並各別求得不需換線之機率模型，進而推算必須換線之機率，可有效地求出期望換線次數以及換線時間。而將期望換線時間與總工件作業時間進行加總，即可快速求得工作站之近似工作負荷量。另外，亦有學者針對機台換線對生產系統所造成的影響，進行相關之生產排程規劃。林氏[27]與蔡氏[40]針對 TFT-LCD 組立廠進行主生產排程規劃時，考量各工作站機台換線時間相對於加工時間相當長的特性，提出一瓶頸辨識機制，然後針對瓶頸工作站提出一數學規劃模式，在使換線次數為最少提高產能利用率的前提下，規劃各時期(該學者設定 2 天為 1 個規劃週期)之投料量，並求得機台之產能配置以及投料方式，達到系統產出最大化。許氏[34]針對 TFT-LCD 模組廠，考量 PWB 機台換線時間相較於加工時間相當長，不當的排程規劃會造成產能的浪費等問題，亦提出一數學規劃模式，有效減少換線次數、充分利用瓶頸資源，且達到產出最大化之目標。 16.

(37) 2.4、、投料規劃限制理論(Theory of Constraints；TOC)[8]提出系統的最大產出決定於瓶頸的產出，一旦瓶頸決定，不論是排程、投料或是派工等都應以充分利用瓶頸資源來作規劃，因此一般的投料規劃都是以瓶頸資源的生產速度做為依據。然而，投料時點的控制與掌握，對於維持生產系統之穩定與產品生產週期時間之掌握有顯著關係。當生產系統達到穩態時，黃氏[35]之研究指出，利用均勻負荷法(Uniform Loading)進行投料，會因為投料時點固定，系統產出亦會趨於固定。林氏[27]考量組立廠屬於存貨式生產系統，系統的穩定產出是生管人員追求的目標，因此使用均勻負荷法作為其投料機制。許氏[34]之研究在投料規劃方面，為維持 TFT-LCD 模組廠系統之穩定性，與提升產品生產週期時間上之估算準確，亦運用均勻負荷法。另外，由 Little’s Law[10]可知，當產出水準維持固定的時候，系統在製品量會影響生產週期時間，為了有效控制系統在製品量，以使生產週期時間維持穩定，Spearman[14]等人提出 CONWIP 觀念，藉由控制系統的在製品量來達到控制整廠之績效狀況。而陳氏[33]在建構 TFT-LCD 薄膜電晶體陣列廠之生產規劃系統即是採用 CONWIP 投料法則，以使生產週期時間估算更加準確。然而，本研究為了使生產系統可以達到穩定生產，降低製程之變異程度，因此擬利用均勻負荷法作為三階段製程投料機制。彭氏[36]則分析 TFT-LCD 組立廠之 PI 機台會因為產品變更的次數增加，會造成機台浪費過多的產能在換線時間上，為了縮短 PI 的換線時間，提升 PI 機台的利用率以增加整體系統的產出，針對組立廠的的投料與派工問題，利用規劃模式、設施佈置的類型、績效指標、考量限制條件等四項因素進行分析，提出啟發式方法應用在推式與拉式之投料問題，以及 MAXU(Maximum Allowed Unmatchness)啟發式派工法則，並與最短換線時間優先法則(Shortest Setup Time)的投料與派工方法進行比較，可在產能負荷與物料供給皆有變異的生產環境得到較佳的結果。. 2.5、、資料包絡分析法由於本研究將以資料包絡分析法做為方案選定之評估工具，因此本節 17.

(38) 將對資料包絡分析法作探討，包括效率衡量、DEA 基本概念介紹、DEA 之優點以及使用上之相關限制，最後再介紹應用 DEA 評估之相關研究。. 2.5.1、、效率衡量在管理學上績效的評估角度可分為效能與效率兩種。效能主要是衡量目標的達成度，通常只要產出或是服務量愈多，其績效愈理想；而效率則是同時衡量投入的使用量以及產出之收獲量，希望利用較少的投入量得到較多的產出量，亦即達成目標之資源使用程度[29]。經濟學上一般所採用之評估指標－生產效率，是利用不同生產函數求得生產可能曲線(亦稱為包絡線)，以衡量組織如何有效地運用其有限資源來生產。而所謂的生產可能曲線則是在各種投入下，最大可能產出點所形成的連線；若產出點落在生產可能曲線之點，則稱為效率生產點，其他皆稱為無效率生產點[42]。吾人經由文獻整理發現效率的衡量主要分為技術效率、配置效率、純粹技術效率以及整體效率，以下將分別說明之： 1.. 技術效率(Technical Efficiency；TE)：Koopmans[9]將其定義為一生產者如果想增加任一項產出，則必定至少需要增加另一項投入或是減少其他的任一項產出；若想要減少任一項投入，則至少會減少任一項產出或增加其他的任一項投入。企業可藉此效率值得知資源利用情形，了解是否有投入的浪費導致未獲取應有的效益。. 2.. 配置效率(Allocation Efficiency；AE)[28][29]：亦稱為價格效率(Price Efficiency；PT)。與技術效率最大之不同，在於技術效率是在投入固定的情況下，衡量投入與產出間之比例；而配置效率是在產出因素組合固定的條件，以最經濟、最低成本將生產要素做最適當分配，主要即是衡量組織在相同的產出以及成本的考量下，是否使用了最適當的要素投入比例。即為衡量企業組織是否處於最適規模狀態。若處於最適規模，則其生產亦會處於固定規模報酬2，此時生產成本為最低。換而言之，一個組織唯有在最適規模環境下，其經營績效才會最佳且獲. 2. 規模報酬表示投入要素與產出要素同時增加(減少)的倍數是否相同，若兩者的倍數相當，則稱為固定規模報酬，表示已處在最適規模狀態下生產。當產出的倍數大於投入的倍數時，則稱為規模報酬遞增，反之，則為規模報酬遞減。 18.

(39) 利性最高，所以配置效率又可稱為規模效率(Scale Efficiency)。 3.. 純粹技術效率(Pure Technical Efficiency；PTE) [12]：技術效率是由純粹技術效率與規模效率所組成，因此技術效率中存在著生產規模的影響因子，因此必須將規模效率抽離求得純粹技術效率值，以衡量組織在資源投入上，是否存在無效率而有浪費的情況發生。其值定義為將技術效率值除以規模效率(即將規模影響因素抽離)。. 4.. 總體效率 (Overall Efficiency ； OE) ：亦有學者將其稱為生產效率 (Productive Efficiency) 或技術與規模效率 (Technical and Scale Efficiency)[6] [29]。主要是衡量一個決策單位(Decision Making Unit； DMU)整體經營的相對效率，Farrell[7]將其效率定義為技術效率與配置效率之乘積。為了更清楚總體效率、技術效率與規模效率之定義，吾人將以圖 2-4. 說明之。設有 A、B、C、D、E 五個決策單位(Decision Making Unit；DMU)，各具有一個投入項與一個產出項；A、B、C、D 四點為位於邊界（frontier）上。就投入面而言，E 點生產 OF 之產量，則必須投入 FE 之投入量，但 H. 點同樣生產 OF 之產量，卻只需要 FH 之投入量，因此 E 點之技術效率定義. 為 TE＝ FH / FE；另外若以產出面而言，E 點投入 OK 之投入量可生產 KE 產. 量，但 J 點以同樣之投入量，卻可生產 JK 產量，故定義 E 點之產出面技術效率為 TE= KE / JK 。若欲達到 OF 之產量，則規模效率為 SE= FG / FH ，而欲維持利用 KO 之投入，則規模效率為 SE 若= JK / IK 。然而，固定 OF 之產時，同時達到技術效率及規模效率者只需 FG 之投入，因而定義 E 點之總體效率為 OE＝ FG / EF ＝ FH / EF × FG / FH ＝TE×SE。若固定 KO 之投入，則同時達到技術效率及規模效率者必須獲得 IK 之產出，此時 E 點之總. 體效率為 OE＝ EK / IK ＝ EK / JK × JK / IK ＝TE×SE。. 2.5.2、、資料包絡分析法之基本概念資料包絡分析法是一種無需預設函數之型式，屬於無參數分析法，其基本構想採用柏拉圖最適境界3(Pareto Optimality)之觀念，將一群決策單位 (Decision Making Unit；DMU)之各項投入與產出加以線性組合，在客觀的 3. 柏拉圖最適境界意指無人可以在不損及他人的情況下增加個人利益。. 19.

(40) Y 產出. I D J C. F. G E. H. B. A K. X投入. 圖 2-4、總體效率、技術效率及規模效率示意圖[42] 環境下評估對受評單位最有利之相對效率值。在 1957 年 Farrell[7]認為在以多元準則評估組織時，無法利用圖形來表示多項投入與多項產出之關係，此時生產效率前緣無法由觀測得之，必須由樣本去計算，因此創立無參數效率衡量方法(Nonparametric Approach)。利用包絡線的觀念，將所有接受評估之決策單位的投入項與產出項投射(map)於空間中，藉此找出生產效率前緣(Production Frontier)，即最高產出量或最低之投入量邊界，凡落在邊界上之 DMU 被稱為有效率，不在邊界上的 DMU 則被稱為無效率。 Charnes 等人[5]在 1978 年將 Farrell 之概念加以推廣，提出 CCR 模式，建立一線性規劃模式，用來衡量具有多項投入與多項產出之決策單位在固定規模報酬下的相對效率值。然而，Banker 等人[1]在 1984 年認為 CCR 模式屬於固定規模報酬，當投入量以等比例增加時，產出量亦會等比例增加，但是在一個無效率的決策單位，其無效率的原因可能來自於不同規模報酬之營運，導致生產過程中可能屬於規模報酬遞增或規模報酬遞減 [29]，因此必須將 CCR 模式所求算的生產效率，分解成純粹技術效率與規模效率，才能了解欠缺效率的原因是純粹技術效率或是規模效率，其為一個為了能夠衡量技術效率 (Technical Efficiency ； TE)與規模效率 (Scale Efficiency；SE)模式而衍生出來的 DEA 模式，稱之為 BCC。. 20.

(41) 2.5.3、、資料包絡分析法之優點與限制資料包絡分析法克服了傳統效率衡量法的缺點，成為更加一般化的衡量模式。吾人透過文獻將其優點整理如下[3][4][28]： 1. 可同時處理多項投入與多項產出，且投入項與產出項指標之權重視由數學模式所決定，不需事先設定一組權數，可以排除主觀判斷的成分，較為公平。 2. 各項產出和各項投入可保留其原始單位進行效率評估，不需轉換成同一單位，不會面臨預設生產函數與參數估計的困難。 3. DEA所求解的效率值可視為一綜合性指標，可以用來表達經濟學上總要素生產力之概念。 4. 由DEA法中之差額變數及效率值可瞭解組織資源使用狀況，並指出效率有待改進之單位，以達到全面效率。 5. 可同時處理比率資料及非比率資料。 6. 可處理組織外之環境變數。然而，雖然DEA擁有許多優點，但是在使用上仍具備一些限制[3][4][28]： 1. 受限於線性模型的假設：線性假設是DEA簡化分析之效果之一，而正值變數的前提是線性規劃求解的基本假設。 2. DMU個數應為所考慮之投入項與產出項個數和之兩倍或兩倍以上，否則將會嚴重影響研究的效度與信度。 3. 效率分析的正確與否受限於投入項與產出項的選用與衡量：不能處理投入或產出項有零或負的值，且受資料極端值之影響。 4. DEA 的分析是相對性而非絕對性的，因此被認定為效率值為 1（亦即最佳效率）的單位，未必就是真正有效率的單位。另外，真正造成非效率之原因亦必須透過進一步的考察才能得知。經由上述得知資料包絡分析法之相關優點與限制，吾人考量其在使用上之優點，以及所選用之 DMU 的個數以及欲評估之績效數值等相關資訊， 21.

(42) 並未受到上述使用之限制，因此本研究擬採用資料包絡分析法在進行建廠規劃時，所設定的生產組合情境之效率分析工具。. 2.5.4、、應用資料包絡分析法之相關研究自從 Farrell[7]提出生產邊界衡量技術效率及配置效率之觀念，經由 Charnes 等人[5]建立 DEA 數學模式後，目前已有許多學者發表許多與 DEA 相關之應用。經由 Seiford[13]加以整理後，可由其整理之文獻目錄得知資料包絡分析法之應用層面包括農業、醫療、銀行、航空以及高科技之研發部門等領域，研究對象大多屬於非營利事業。由於吾人之研究對象為 TFT-LCD 產業，其屬於製造業，因此將僅針對 DEA 在製造業之相關文獻就其研究範圍、投入變數以及產出變數三個構面，將其整理於表 2-2 中。表 2-2、應用 DEA 於製造業之文獻編號. 作者. 1. 洪海玲 [28]. 2. 3. 4. 5. 蘇進祿 [42]. 李欣怡 [23]. 孫松增 [30]. Cabones [3]. 研究範圍. 使用模式. 1. CCR 針對國內大型製造業廠 2. BCC 商共50 家，探討製造業各業之營運效率。. 針對台灣12家煉鋼廠，加上日本4家、韓國2家，總計有18 家，瞭解國內煉鋼業者之競爭定位，並探討產品結構與生產規模對經營績效之影響。在規劃幅度為 28 天的前提下，分別將 5 個預先設定之產出量，結合所考量的 2 種產品以及 10 種產品組合方式，求得較佳之生產組合。先比較分析台灣面板五虎之相對效率進行排序，再以 Malmquist 生產力指數，分析面板五虎從 2001 第四季至 2004 第一季之效率趨勢變動情形，同時藉由 Tobit 迴歸分析，提出改善方案，以提升廠商的整體技術率。針對半體廠之其中 15 個加工區域，將 6 個營運時期以每 3 個時期為一視窗單位，分為 4 個時窗以利用時窗分析評估其效率趨勢變動情形，並提出改善方案。. 1. CCR 2. BCC. 投入變數. 1. 2. 3. 4. 1. 2. 3. 4.. 生產財務行銷人力資源總資產員工人數原料用量製造費用. 1. CCR 2. BCC. 1. WIP 量 2. 瓶頸工作站之 WIP 量. 1. CCR 2. BBC 3. Malmquist 生產力指數. 1. 2. 3. 4.. 1. Malmquist 生產力指數. 1. 生產週期時間 2. 當機時間 3. 不良率. 22. 資產總額營業成本營業費用員工人數. 產出變數. 1.勞動生產力 2.資本生產力 3.總要素生產力. 1. 營業額 2. 利潤. 1. 產出量 2. 總利潤. 1. 營業收 2. 營業淨利. 1. 產出量 2. 實際產出與計劃產出之比值 3. 平均當機時間 4. 整體設備效率.

(43) 2.6、、系統績效指標績效指標可將系統規劃結果以量化的形式表達，管理階層可以依此判斷系統實際規劃運作後的績效表現，進而得知系統的效率達成度。不同的企業組織會針對營運目標選擇適切的績效指標加以衡量與分析，以較精確評估營運系統的好壞。吾人透過上述之文獻探討，將製造業評估生產系統最常用的績效指標彙整後，將其定義與說明如下： (1) 生產週期時間[27][33][34][36][39][40]：原物料投入生產系統直至離開生產系統之時間。 (2) 系統之在製品量[27][33][34]：生產系統中未完成工件，包括等待加工以及正在加工之工件。若有過多的在製品於系統中，會使公司的現金流量受到限制。 (3) 機台利用率[2][34][36][40]：在規劃幅度內機台加工工件的總時間除以機台在規劃幅度內可運作時間的比例。其可考量若機台設備昂貴，則使利用率越高，機台越符合經濟效益。 (4) 機台成本[2][17][39]：企業為了生產產品以滿足顧客需求，而須購入機台所需花費的資金。 (5) 產出目標達程度[34][40]：實際產出量與預定產出量之差異程度。 (6) 總利潤[23][30][42]：產品經由銷售後所獲得的報酬。. 23.

(44) 第三章模式建構 3.1、、問題定義與分析本文針對 TFT-LCD 產業發展一最適生產組合決策評估系統。此系統是在面對目前 TFT-LCD 市場需求不斷提升，以及顧客所需之產品規格種類數越來越來繁多的環境下，考量不同的廠房規模與產品種類數對機台之投資金額以及生產績效所造成之影響，進行整體生產效率分析，於建廠前決定最適生產組合情境，即廠房規模與產品種類數之決定。陣列階段製程採用存貨式生產型態，產品製程大約有 30~50 道步驟，5~7 層的回流層數。其產品種類數少，且不同的產品別其加工步驟相同以及製程時間差異小，因此為了方便規劃，本研究將其視為無差異。但是，為了控制生產線上產品良率，各產品會抽取一定比例數量進行量測，同時因為產品製程穩定性不一，各層級的重加工率會有所不同，因此當面臨某一產出目標，規劃各工作站所應提供之產能時，必須將產品之抽樣量測比例、重加工率納入考量，以較精確計算所需產能，求得工作站之機台數。在面臨 TFT-LCD 市場產品種類日異繁多，除了筆記型電腦以及 LCD 顯示器之產品外，液晶電視的需求也逐漸拉升，TFT-LCD 業者為了搶得訂單，無不以提高生產系統之彈性為主要工作，以滿足顧客需求。但是對於 TFT-LCD 生產系統而言，組立階段製程與組裝階段製程中部分機台都具有換線時間相較於加工時間非常長的特性，例如 PI 機台、PWB 機台…等。當加工的產品種種類越多樣時，相對地，亦得耗用更多的換線產能。然而，換線是耗用產能卻不具經濟效益的做法，若為了單純滿足顧客所需之產品而增購機台以提昇顧客滿意度，而忽略機台的購置成本以及機台利用狀況，將會導致企業做出錯誤的投資。因此，在進行建廠規劃時，對於機台設備的需求，除了規劃滿足產出目標所需提供之產能，亦必須衡量欲生產之產品種類數的多寡影響機台耗用於換線的產能，以避免不當的投資降低企業在同業間之競爭力。另外，由於 TFT-LCD 之製程主要分為三個階段，根據業界的訪談結果得知，陣列階段製程之機台設備最為昂貴，因此為三階段製程之瓶頸所在處，其中又以. 24.

(45) 黃光機台價格最貴，為陣列階段製程之瓶頸工作站；而組立階段製程之機台價格則僅次於陣列階段製程。因此組立階段製程之工作站的機台數量必須以滿足陣列階段製程之產出量，同時維持瓶頸機台達到一定之利用率水準為前提下進行規劃，以避免陣列階段製程與組立階段製程之產能的浪費，而影響整體生產績效。由上述可知，瓶頸階段之產出量與產品種類數對各工作站機台數的規劃與生產系統之生產績效方面各有相當比重之影響，因此必須同時將瓶頸階段之產出量與產品種類數同時探討，才得以決定建廠時各階段製程各工作站所需機台數。然而，當針對某一瓶頸階段之產出量與產品種類數之生產組合情境方案，配置三階段製程各工作站之機台數，建構一生產系統後，若沒有良善之生產規劃，則必定發生生產系統不穩定、換線過多使產能無法負荷，導致產能負荷不均或是下游製程缺料達不到既定產出水準等問題，此時從生產現場得到相關生產績效的資料亦不可靠，且不具合理性。因此，本研究在針對某一方案所規劃之各階段製程各工作站機台數後，將參考陳氏[33]、蔡式[40]、林氏[27]與許氏[34]對 TFT-LCD 產業各階段所提出的主生產排程規劃，將其整合以設計適用 TFT-LCD 產業之主生產排程規劃方式，以求得較具合理性之生產績效進行評估。基於上述之問題分析，TFT-LCD 產業就生產規劃層面來決定建廠時之最適生產組合情境時，對於所設定之建廠規模與產品種類數，除了需同時考量三階段製程之生產特性以及瓶頸所在處，規劃各階段製程各工作站所需提供之機台數量，以滿足各產品產出目標外，還須將三階段製程加以整合，設計一主生產排程規劃方法，使生產系統穩定生產，達到整體最佳之生產效率。而對於生產組合方案之設定與方案之評選，吾人將參考業界目前單廠之產出量與市場需求，提出不同的建廠規模與產品種類數做為生產組合情境方案，並建構機台規劃模組，以及 TFT-LCD 三階段製程之主生產排程規劃，再藉由模擬求得生產績效指標值後，透過資料包絡分析法進行評估，篩選最適之生產組合情境。本文之最適生產組合決策評估系統係將基於下列基本假設： . 產出量等於銷售量。. . 以外包方式購入彩色濾光片，且其供料充足並無缺料之問題。. . 各階段製程各工作站之機台當機與修復時間均服從機率分配，且為已知。. 25.