薄膜液晶顯示器組立廠主生產排程快速規劃系統之設計

全文

(1)國立交通大學工業工程與管理學系碩士班. 碩士論文. 薄膜液晶顯示器組立廠主生產排程快速規劃系統之設計 The Design of Rapid Master Production Scheduling System for TFT-LCD Cell Assembly Factory. 研究生：林毓淳指導教授：鍾淑馨博士. 中華民國九十三年七月. i.

(2) 薄膜液晶顯示器組立廠主生產排程快速規劃系統之設計 The Design of Rapid Master Production Scheduling System for TFT-LCD Cell Assembly Factory. 研究生：林毓淳. Student：Yu-Chun Lin. 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 2004 Hsinchu, Taiwan, Republic of China 中華民國九十三年七月. ii.

(3) 薄膜液晶顯示器組立廠主生產排程快速規劃系統之設計研究生：林毓淳. 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. 薄膜液晶顯示器既輕且薄的特性，近年來受到市場的青睞，廣泛的被應用於顯像產品上，因此各面板組立廠莫不以產出最大化為目標，以搶佔市場。然而，顧客需求隨時間不斷變動的特性，使得規劃幅度內之產品組合與各期之產出目標皆不相同。因此，在此非穩態的生產環境境下，本文提出「主生產排程快速規劃系統」，在因應顧客需求變動之情境，同時滿足市場對生產週期時間之要求，來制定主生產排程。對於此一課題，本系統以達到各規劃時期之產出目標為原則，建構三個模組來加以因應：「產能推估模組」、「產線配置模組」與「生產週期時間估算模組」。首先，針對組立廠整備時間相當長的特性，在「產能推估模組」裡，本文以最大可換線次數作為定義系統瓶頸之判斷。在定義出系統瓶頸後，「產線配置模組」在滿足各期各產品別之最小需求的條件下，以達到產出最大化為規劃目標，建構線性規劃模式來求解，並據以安排瓶頸工作站的產線配置。其次，在非瓶頸工作站方面，則以減少換線次數與機台產能負荷平衡為原則進行配置，以適時完成各期瓶頸工作站所規劃之產出目標。最後，在「生產週期時間估算模組」裡，依瓶頸工作站的產出速率，估算批量工作站之理想載入批量，並以區段基礎式生產週期時間法（BBCT）之理念為基礎，及產線配置之結果，預估各產品在各期之生產週期時間，並藉此判斷是否超過等候時間限制。實驗結果顯示，依據瓶頸資源產線配置模式，求解出瓶頸工作站各機台每期產品之加工數量，本文以此安排各產品在各期之投料順序，可達到產出最大化的目標。透過非瓶頸充分配合瓶頸工作站之原則及兼顧同一工作站內各機台負荷平衡之作法，來配置產線及設計投料時點，能使各產品別在各期之產出數量與規劃目標相當一致。在此產線配置模式下，各產品之生產週期時間估算結果亦有相當不錯的準確度，整體而言，本文提出之「主生產排程快速規劃系統」能有效率地安排顧客需求變動情境之主生產 iii.

(4) 排程。關鍵詞：薄膜液晶顯示器、主生產排程、非穩態、產線配置、生產週期時間估算. iv.

(5) The Design of Rapid Master Production Scheduling System for TFT-LCD Cell Assembly Factory Student：Yu-Chun Lin. Advisor：Dr. Shu-Hsing Chung. Department of Industrial Engineering and Management National Chiao Tung University. Abstract The thin film transistor-liquid crystal display (TFT-LCD) has the light and thin characteristics and is generally applied in display industry, in recent years. In order to seize the market, cell assembly factory sets “maximized throughput” as the target of production planning. However, due to customer demand changed by time, make product mix and throughput target in every planning period are all not the same. So under the non-steady state environment, this thesis proposes Rapid Master Production Scheduling System to deal with the situation of customer's demand variation, and to meet the request for product’s cycle time of the market at the same time. For this issue, this system takes reaching the throughput target each planning period as the principle, and contains three modules: capacity evaluation module, capacity allocation module and cycle time estimation module. First of all, due to the long setup time, in capacity evaluation module, this thesis uses number of setups available as the judgement for defining the system bottleneck. After defining system bottleneck, in capacity allocation module, on terms of meeting minimum demand of every product type, and of reaching maximized throughput as the objective, a linear programming model is proposed to solve the production quantity of each product type in each period. Then, the production line is allocated for the bottleneck workstation, based on the solution. Secondly, for each non-bottleneck workstation, machines are allocated to each product type based reducing setup times and balancing load of. v.

(6) machines of the workstation, in order to finish the throughput target in time. Finally, in cycle time estimation module, matched with the production rate of bottleneck workstation, and the ideal loading batch size is determined. Then, the product’s cycle time is estimated so as to judge whether waiting time limit is exceeded or not. Experimental result shows, the quantity of each product type in each period derived by capacity allocation module can be produced through the principle of matching throughput rate of bottleneck and non-bottleneck workstation. Also, the cycle time estimation has good accurity. The target of maximizing throughput thus is achieved by controlling cycle time within the limit. Overall, the proposed system can rapid arrange the MPS efficiently and effectively for the demand variation environment.. Keyword: TFT-LCD, MPS, non-steady state, capacity allocation, cycle time estimation. vi.

(7) 致. 謝. 十月了！在即將報效國家的前三天，回想起研究所這兩年來的點點滴滴，心裡想的除了感謝還是感謝！首先要感謝既是嚴師又像慈母的鍾老師，鍾老師治學嚴謹、有所堅持的精神，是學生這一輩子的榜樣，感謝您在最後這段日子對學生的耐心指導與不放棄，讓這篇論文最後能如期完成。在這裡誠摯的向您說聲：對不起，您辛苦了！此外，還要感謝彭文理教授、楊明賢教授在論文計劃書及最終審試時所提供之寶貴意見，使本篇論文能更加完善。特別要感謝博士班的俊穎學長和于婷學姊，精闢的言論常常令我茅舍頓開，特別是對學弟的耐心指導常常讓我感激在心，希望你們的學術之路能大放異彩、一帆風順。感謝生管實驗室的同學：三年室友一輩子朋友的益參，感謝你的大力相挺；帥氣的繼遠以後再一起連線吧；成熟又穩重的簡城是大家心目中的好大哥；育燐粗曠的肌肉線條足以比美阿諾；口才伶俐的清泓腦筋非常靈活、做人做事非常認真的羑群、溫柔可人的涵琦、實驗室的大總管亞妮，研究所路上有你們大家相伴是我的榮幸，這條路走來我不虛此行。還要感謝我的好室友：老王、士凱，不嫌棄的陪我運動跑步。最後，將此成就獻與辛苦養育我長大的爸爸、媽媽，謝謝你們長久以來的任勞任怨，給予我最自由的生長環境；還有，要感謝默默等待著我、為我付出的小呆呆，你的包容與支持是我堅持下去最大的動力，這份成就為我倆所共有。特別一提的是交大排球校隊所給我的一切榮譽與磨練，讓我能更禁的住考驗。還有系排可愛的學弟妹們與親切的學長姐，跟你們一同打球聊八卦是我一個禮拜最期待的時刻，在此一併感謝。要感謝的人實在太多太多了，最後，就感謝上天吧！感謝上天讓我生在這個美麗的世界！. 毓淳 vii. 于風城.

(8) 目錄摘. 要.......................................................................................................................... iii. Abstract ..........................................................................................................................v 致. 謝..........................................................................................................................vii. 目錄............................................................................................................................ viii 圖目錄............................................................................................................................x 表目錄...........................................................................................................................xi 符號一覽表..................................................................................................................xii 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...................................................................................................2 1.4、研究方法與步驟...................................................................................................3 第二章、文獻回顧........................................................................................................6 2.1、薄膜液晶面板組立（LC Cell Assembly）製程.................................................6 2.1.1、薄膜液晶顯示器製造程序簡介................................................................6 2.1.2、薄膜液晶顯示器 Cell 段製程簡介...........................................................7 2.2、生產週期時間估算法.........................................................................................13 2.2.1、生產週期時間的定義..............................................................................13 2.1.2、生產週期時間估算法..............................................................................14 第三章、模式構建......................................................................................................19 3.1、問題定義與分析.................................................................................................19 3.2、整體邏輯與架構.................................................................................................21 3.3、產能推估模組.....................................................................................................24 3.3.1、產能推估機制..........................................................................................25 3.3.2、瓶頸資源辨識機制..................................................................................27 3.4、產線配置模組.....................................................................................................28 3.4.1、瓶頸工作站機台產能配置機制[24].......................................................29 viii.

(9) 3.4.2、非瓶頸工作站機台產能配置機制..........................................................39 3.4.2.1、非瓶頸工作站機台派工法則.......................................................42 3.5、生產週期時間估算模組.....................................................................................43 3.5.1、批量工作站載入批量決策機制..............................................................46 3.5.2、投料規劃機制..........................................................................................47 3.5.3、生產週期時間估算機制..........................................................................47 3.5.3.1、工作站負荷因子等候時間估算模式[30]....................................47 3.5.3.2、批量工作站集批等候時間估算模式...........................................49 第四章、模擬驗證......................................................................................................51 4.1、系統環境說明.....................................................................................................51 4.1.1、生產環境說明..........................................................................................51 4.1.2 主生產排程規劃假設.................................................................................52 4.2、產能推估模組之執行過程與規劃結果.............................................................53 4.2.1、產能推估機制..........................................................................................53 4.2.2、瓶頸資源辨識機制..................................................................................55 4.3、產線配置模組之執行過程與規劃結果.............................................................57 4.3.1、瓶頸工作站機台產能配置機制..............................................................57 4.3.2、非瓶頸工作站機台產能配置機制..........................................................62 4.4、生產週期時間估算模組之執行過程與規劃結果.............................................67 4.4.1、批量工作站載入批量決策機制..............................................................67 4.4.2、投料規劃機制..........................................................................................68 4.4.3、生產週期時間估算機制..........................................................................69 4.4.3.1、批量工作站集批等候時間估算模式...........................................72 4.5、生產績效評估.....................................................................................................75 4.5.1、模擬環境說明..........................................................................................76 4.5.2、規劃產出目標達成度分析......................................................................76 4.5.3、生產週期時間分析..................................................................................79 第五章、結論與未來研究方向..................................................................................82 5.1、結論.....................................................................................................................82 5.2、未來研究方向.....................................................................................................83 參考文獻......................................................................................................................85 附錄..............................................................................................................................88. ix.

(10) 圖目錄圖 1- 1 研究範圍 ...........................................................................................................3 圖 1- 2 研究範圍流程圖 ...............................................................................................5 圖 2- 1 液晶面板組裝前後段製程簡圖[21]。.............................................................8 圖 2- 2 液晶灌入式意圖[22] ......................................................................................12 圖 2- 3 液晶面板封口[21] ..........................................................................................12 圖 2- 4 偏光片貼附[19] ..............................................................................................13 圖 2- 5 區段基礎式週期時間估算法之估算機制圖[30] ..........................................17 圖 2- 6 區段定義示意圖[4].........................................................................................18 圖 3- 1 TFT-LCD CELL 段面板組立廠主要製程工作站圖........................................20 圖 3- 2 TFT-LCD 組立廠主生產排程快速規劃系統架構圖.....................................23 圖 3- 3 產能推估模組流程圖 .....................................................................................25 圖 3- 4 產線配置模組流程圖 .....................................................................................29 圖 3- 5 產出負荷分析流程圖 .....................................................................................33 圖 3- 6 專線機台指派流程圖 .....................................................................................42 圖 3- 7 生產週期時間估算模組流程圖 .....................................................................45 圖 3- 8 集批等候時間估算示意圖 .............................................................................50. x.

(11) 表目錄表 2- 1 生產週期時間之估算方法及其優缺點[4][5][6][7][9][10][28] ....................15 表 4- 1 規劃幅度內各產品之預測需求.....................................................................53 表 4- 2 各規劃時期之最小需求量.............................................................................53 表 4- 3 規劃幅度內各工作站實際可用機台數.........................................................54 表 4- 4 規劃幅度內各工作站最大可用產能.............................................................54 表 4- 5 規劃幅度內各工作站平均負荷水準.............................................................55 表 4- 6 規劃幅度內各工作站可換線產能.................................................................56 表 4- 7 規劃幅度內各工作站之剩餘最大可換線次數.............................................57 表 4- 8 各規劃時期滿足最小需求，所需之專線機台數.........................................58 表 4- 9 ILOG 數學模式之統計資訊.............................................................................59 表 4- 10 瓶頸工作站機台產能配置機制之規劃解...................................................60 表 4- 11 瓶頸工作站機台產能配置機制之規劃解示意表 .......................................61 表 4- 12 瓶頸工作站機台產能配置模式求解結果與各期最小需求量之比較表 ...62 表 4- 13 第 1 期非瓶頸工作站指派給各產品之約當機台數與皆採專線需機台數 ..............................................................................................................................63 表 4- 14 非瓶頸工作站各產品所需之專線、混線實際機台數彙整表...................64 表 4- 15 非瓶頸工作站第 1 期專線機台與混線機台總產出量彙整表...................65 表 4- 16 第 1 期非瓶頸工作站機台指派彙整表.......................................................65 表 4- 17 非瓶頸工作站各產品之理想載入批量.......................................................68 表 4- 18 各期各產品投料時間表...............................................................................68 表 4- 19 第 1 期產品 A 在各工作站之負荷因子等候時間彙整表 ..........................70 表 4- 20 第 1 期產品 B 在各工作站之負荷因子等候時間彙整表 ..........................71 表 4- 21 第 1 期產品 C 在各工作站之負荷因子等候時間彙整表...........................71 表 4- 22 第 1 期各產品在批量各工作站之集批等候時間彙整表 ...........................72 表 4- 23 WS07、WS08 之總等候時間.......................................................................73 表 4- 24 規劃幅度內各期各產品之生產週期時間估算結果 ...................................73 表 4- 25 各產品之月產出量達成度分析...................................................................79 表 4- 26 各產品規劃幅度內月產出量模擬結果.......................................................79 表 4- 27 各產品生產週期時間之估算結果與模擬結果比較表...............................80 表 4- 28 各產品之月生產週期時間模擬結果 ...........................................................80 表 4- 29 規劃幅度內各產品生產週期時間上限表...................................................81. xi.

(12) 符號一覽表符號下標 i ：第 i 種產品， i = 1, 2, … , I ； k ：第 k 個工作站， k = 1, 2, , … , K ； nbn ：第 nbn 個非瓶頸工作站， k = 1, 2, , … , NBN ； m ：機台 m 的編號， m = 1, 2, … , M k ；. BN ：系統之瓶頸工作站； BK ：批量工作站； NBN ：系統之非瓶頸工作站；. t：規劃時期（time period），t = 1, 2, … , T；產能推估模組之符號定義 BkMax ：批量工作站 k 之最大可載入批量； Capk ：規劃幅度 H 內各工作站 k 可用產能； Di ：各產品規劃幅度 H 內的目標產出數量， i = 1, 2, … , I ； H ：規劃幅度； MTBFm ：機台 m 之平均失效間隔時間(mean time between failure)； MTTRm ：機台 m 之平均修復時間(mean time to repair)； MTBPM m ：機台 m 之平均維修間隔時間(mean time between PM)； MTTPM m ：機台 m 之平均維修時間(mean time to PM)； MTTNS m ：機台 m 之平均必要整備時間(mean time to necessary setup)； MTBNS m ：機台 m 之平均間隔必要整備時間(mean time between necessary. setup)； M k ：工作站 k 之實際機台總數； N k ：規劃幅度內，各工作站 k 之約當機機台數，其為扣除機台當機、維修. 保養、及必要整備時間後之機台數； PTi ,k ：產品 i 在工作站 k 所需的加工時間； I. PT k ：各產品在工作站 k 所需加工時間的平均值， PT k = RCapk ：工作站 k 可用來換線之產能； xii. ∑ PT i =1. i ,k. I. 。.

(13) SAk ：工作站 k 之最大可換線次數； STk ：工作站 k 產品換線所需的平均時間； U k ：目標需求所造成工作站 k 之平均負荷水準；. 產線配置模組之符號定義 Ai ,t ：第 t 期，產品 i 需設定之最低生產數量下限； ADNBi ,nbn ,t ：第 t 期，非瓶頸工作站 nbn 應指派給產品 i 之專線機台數； ANBi ,nbn ,t ：第 t 期，非瓶頸工作站 nbn 應指派給產品 i 之實際機台數； ANBiDed , nbn ,t ：第 t 期，非瓶頸工作站 nbn 可指派給產品 i 之專線機台數； ANBiMix , nbn ,t ：第 t 期，非瓶頸工作站 nbn 應指派給產品 i 進行混線生產之實際機. 台數； Max BBN ：瓶頸工作站 BN 之最大載入批量（Max Batch Size）；. Cap m ,t ：第 t 期，瓶頸工作站機台 m 的可用產能；. Di ：規劃幅度內產品 i 之目標產出量； DiMin , t ：產品 i 各期 t 所需之最小產出需求量；. Oi ,BN ：規劃幅度內，產品 i 在瓶頸工作站 BN 之平均產出速率； PTi ,m ：瓶頸工作站機台 m 加工產品 i 所需的時間； S i ,t ：第 t-1 期，瓶頸工作站滿足需求後之剩餘庫存量； SN ：規劃幅度內粗估瓶頸工作站之總換線次數 SN ；. SN t ：第 t 期粗估瓶頸工作站之換線次數； STi ,m ：產品 i 在機台 m 的整備時間；. Tart ：產品 i 在規劃幅度之規劃產出量； Tari ,t ：產品 i 在第 t 期之規劃產出量； TH iDed , nbn ,t ：第 t 期，非瓶頸工作站 nbn 各產品別在專線機台的產出量； TH iMix , nbn ,t ：第 t 期，非瓶頸工作站 nbn 各產品別在混線機台的產出量； Lim U BN ：上層給定工作站 BN 之平均負荷水準上限，規劃幅度內各工作站機. 台之利用率不得超過此一上限； Lim ：上層給定非瓶頸工作站 nbn 之平均負荷水準上限，規劃幅度內各工 U NBN. 作站機台之利用率不得超過此一上限； xi ,m ,t ：在第 t 時期，產品 i 指派給瓶頸工作站機台 m 的數量；. δ i ,m ,t ：0-1 變數。在第 t 時期，產品 i 是否在瓶頸工作站機台 m 上生產，若 xiii.

(14) 是則為 1；反之則為 0；. ψ i ,m ,t ：0-1 變數。在第 t 時期，產品 i 在瓶頸工作站機台 m 生產是否需要整備，若要則為 1；反之則為 0；. γ i ,m ,t ：0-1 變數。在第 t 時期初，瓶頸工作站機台 m 是否排定生產產品 i ，若是則為 1；反之則為 0；生產週期時間估算模組之符號定義 α i ,t ：第 t 期，產品 i 之平均產出率(卡匣/分)；. λi ,k ,t ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之來到率(卡匣/分)； µi , k ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之服務率； ρ i ,k ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之利用率； ANB i ,BN ：規劃幅度內，瓶頸工作站平均各規劃時期指派給各產品之機台數； ANBi ,k ,t ：第 t 期，工作站 k 指派給各產品之實際機台數； BiIdeal ：產品 i 在批量工作站 k 之理想載入批量； ,k CTi ,t ：產品 i 在第 t 期之生產週期時間； oi ,k ,t ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之平均產出速率； STi , NBN ：產品 i 在非瓶頸機台 NBN 的整備時間； TBQi ,k ,t ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之集批等候時間； TLQi ,k ,t ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之負荷因子等候時間； TTQi ,k ,t ：第 t 期，產品 i 在工作站 k 之總等候時間；. xiv.

(15) 第一章、緒論 1.1、研究背景與動機液晶顯示器(Liquid Crystal Display；簡稱 LCD) 技術的發展，基本上經歷扭轉向列型（Twisted Nematic；簡稱 TN）、超扭轉向列型（Super Twisted Nematic 簡稱 STN）與彩色薄膜電晶體型（Thin Film Transistors；簡稱 TFT）三個階段，而在約 1993 年，台灣由小尺寸轉為中、大型之薄膜電晶體液晶顯示器（Thin Film Transistors Liquid Crystal Display；簡稱 TFT-LCD）之生產時，LCD 工業才開始在台灣蓬勃發展。液晶平面顯示器因為輕薄短小即輻射低的優異特性，目前正快速取代傳統 CRT 顯示器的市場，根據 Displaysearch 的預估，平面顯示器中產值最高的 TFT-LCD，2002~2007 年產值的複合成長率將高達 20%。過去 TFT-LCD 面板廠的主要營收來源為筆記型電腦與 LCD 顯示器，獲利能力受到景氣循環的影響相當大，景氣好的時候毛利率可以達到 20%的水準，景氣差時，毛利率則容易轉為負值。但未來 TFT-LCD 面板廠主要的獲利來源除了 LCD 顯示器外，新興的液晶電視(LCD TV)其毛利率高達 30~50%，成為廠商據以厚望之明星產品，儘管未來毛利率將會呈現下滑的趨勢，但面板廠商透過產品組合改善的結果，整體毛利率仍可維持平穩[17]。台灣 LCD 廠受惠於龐大的筆記型電腦產業所創造出的內需市場、LCD 顯示器低價刺激效果發酵，加上國內 TFT-LCD 五代廠1，包括友達及廣輝五代廠的產能已經陸續開出，2003 年第二季國內面板廠處於訂單需求高於產能供應約 10％的狀況[18] ，預估 2004 年第三季後，在五代廠良率提高的情況下，將達到供需平衡[18]。目前除了筆記型電腦、液晶顯示器面板需求持續成長外，成長最大的應用產品來自於 LCD TV。根據 Displaysearch 統計 2003 年第一季出貨量即較去年同期大幅成長 211％，因此，短期內 LCD 面板市場仍將供不應求[18]，致使各 TFT-LCD 廠無不盡力擴充產能，以搶佔市場。然而儘管市場供不應求，TFT-LCD 面板價格卻持續維持低價，產品生命週期也越來越短，面對競爭如此激烈的環境，各面板廠莫不致力於降低生產成本，準時完成出. 1. 不同世代製程的產品主要差異在投片基板的尺寸不同，所能割取的面板數目也不同，當然愈新的製程，投片尺寸愈大，割取的面板數也愈多，規模經濟也會最佳。 1.

(16) 貨以提高生產績效，同時提高顧客滿意度，以搶佔市場。 TFT-LCD 屬於存貨式（Make To Stock, MTS）的生產型態。面對變動的市場，主要由預先完成的庫存產品來直接供應市場所需，因此在庫存量的掌控上必須有準確的前置時間（Lead Time）預估機制，以提供補貨人員面對市場需求變動時，有一補貨時點決策的依據，避免發生缺貨而失去市場。而面板組立廠一旦接獲補貨中心通知需求改變，必須對已規劃好的產出目標做一更動，此時必須有一主生產排程快速規劃系統，評估組立廠能否滿足補貨中心所要求的產出目標，同時告知補貨中心何時可以出貨，藉此讓補貨中心的需求與面板組立廠的產出能緊密的配合，以期能增加台灣 TFT-LCD 產業的競爭力。. 1.2、研究目的 TFT-LCD Cell 段製程係由許多平行工作站所組成的流線型生產系統，其製程可分為前段序列工作站與後段批量工作站。後段批量工作是由數個批量大小不同的工作站串聯而成，同時又有許多製程上的限制，因此加深了在規劃產線配置與估算產品生產週期時間時的複雜度。基於上述的研究背景與動機，同時考量 Cell 段製程的諸多特性，為使組立廠面板的供應與供貨中心的補貨時效能緊密的配合，以符合市場需求，本論文擬考量在產品需求已知的環境下，先經由一產線配置模式，在滿足產出需求、減少整備時間的浪費下，求出合理之產線配置，接著依所配置之產線考量組立廠機台特性與整備時間，發展一生產週期估算時間模式，藉以完成主生產排程之快速規劃，提供補貨中心補貨人員與生產規劃人員有一決策的依據。. 1.3、研究範圍與限制本文所發展之「主生產排程快速規劃系統」係依據工廠之產線配置與各產品之生產週期時間估算加以評估是否能及時滿足需求變動，藉此系統之運作與回饋，其預估的結果將回饋至需求管理、主生產排程與細部排程 2.

(17) 以提供相關之生產作業決策。本文之研究範圍如圖 1- 1 所示。為了有效達成本文之規劃目標與降低研究環境之複雜度，本文作了以下的假設與限制： 1.. 供貨中心方面：要求調整尚未下線生產的產品數量與種類. 2.. 生產系統方面：產品製程、產出目標、產品組合比例皆為已知，且系統屬於少樣多量之生產型態。. 3.. 生產作業方面：各機台之派工法則，均採先進先出(FIFO) ，批量法則則依據本論文所設計批量法則進行集批作業，且不考慮物料搬運的問題，投料法則則採用均勻負荷投料法進行投料規劃與控制。. 4.. 產品製程方面：每一工作站之機器種類、機台數量、加工時間及當機比率皆為已知。. 5.. 系統限制方面：不考慮人員、物料與工具的資源限制。. 圖 1- 1 研究範圍. 1.4、研究方法與步驟為達成上述之研究目的，本文之研究方法將依以下步驟流程進行，其流程如圖 1- 2 所示，其執行方法以下簡述之： 1. 文獻回顧 3.

(18) 依據研究目的與方向，蒐集並整理國內外學者之相關文獻以構建本文之研究架構，分類為以下兩部分： (1). 薄膜液晶面板組立廠製程介紹 (2). 生產週期時間估算 2. 問題定義與分析針對 TFT-LCD 面板組立廠的生產環境與製程特性，分析其遭遇的問題以釐清研究的方向，並對所探討的研究範圍作一適切的定義。 3. 「TFT-LCD 組立廠主生產排程快速規劃系統」之建構當組立廠規劃人員依據產出目標需求，欲規劃主生產排程時，將依照 (1) 「產能估算模組」；(2)「產線配置模組」；(3)「生產週期時間估算模組」此三個模組加以互相配合因應。以下簡述此三個模組的構建：. (1) 構建「產能估算模組」迅速估算產出目標是否會超過瓶頸資源可用之最大產能，並定義瓶頸資源之所在，作為規劃管理之重點。. (2) 構建「產線配置模組」依據「產能估算模組」所定義瓶頸資源之所在，考量產出目標與各工作站製程限制，進行「產線配置模組」。本階段承接蔡氏[22] 的「機台產能配置模式」，加以補強後，用以評估產品組合更動後，系統能否規劃出符合需求且合理的產線配置。. (3) 構建「生產週期時間估算模組」依據「產線配置模組」所規劃之各產品產出目標，以配合瓶頸資源之產出速率，達到批量工作站產出速率同步化為原則，估算出批量工作站之理想載入批量，作為集批策略之基礎。同時，配合固定在製品量之投料法則，以黃氏[30]區段基礎式生產週期時間估算法(BBCT)的理念為出發點，進行「生產週期時間估算模組」，估算出各產品之生產週期時間，提供主生產排程有關產出時間規劃的依據。 4.

(19) 4. 模擬驗證透過系統模擬的結果，以達到產出最大化與各規劃時期最小產出需求量為首要目標，生產週期時間估算的準確與否為次要目標作為本系統績效評估的基礎，驗證本論文所提出方法之成效。 5. 結論與未來研究方向根據研究結果，針對不足之處提供未來可進一步研究與改善之方向與建議。. 研究背景、動機與目的. 文獻回顧. 問題定義與分析. 「TFT-LCD 組立廠主生產排程快速規劃系統」構建. 模擬驗證. 結論與未來研究方向圖 1- 2 研究範圍流程圖. 5.

(20) 第二章、文獻回顧本文所構建之「TFT-LCD 主生產排程快速規劃系統」，期望能適用於需求變動快速的環境下，且能提供面板組立廠生管人員與補貨中心所需補貨資訊之決策判斷準則，使得補貨中心的需求與面板組立廠的產出能緊密的配合，進而達到滿足顧客需求的目標。因此吾人將針對以下幾個方向之文獻進行探討，以作為本論文研究之理論基礎。 1.. 薄膜液晶面板組立製程介紹. 2.. 生產週期時間估算. 2.1、薄膜液晶面板組立（LC Cell Assembly）製程 2.1.1、薄膜液晶顯示器製造程序簡介在介紹薄膜液晶面板組立製程前，吾人首先概略介紹薄膜液晶顯示器 (TFT-LCD)之製造程序。薄膜型液晶顯示器(TFT-LCD)之製造程序，可分為三大製程，分別為前段陣列(Array)製程、後段面板組立(Cell)製程及模組組裝(Module)製程，其製造流程是將玻璃基板上製作之薄膜電晶體的 TFT Array 工程基板和彩色濾光片基板貼合起來，並進行液晶注入而組成液晶胞，再與驅動電路和背光板等組合成模組的整個工程[19]，以下簡述此三大製程階段[20]： . 薄膜電晶體陣列 (TFT Array) 製程：製作薄膜電晶體製程。此製程主要是將玻璃基板透過類似半導體的鍍. 膜、曝光、顯影、蝕刻等過程，在玻璃基板上形成電晶體，這方面國內技術成熟，良率一般都有 90%以上。. . 液晶面板組立 (LC Cell Assembly) 製程：玻璃基板封入液晶製程。此製程是將玻璃基板與彩色濾光片作配向處. 理，進行壓合並切割成預定尺寸的面板，注入液晶，及貼上偏光板等，此製程難度甚高，是目前 TFT-LCD 製造良率最低的部分。. 6.

(21) . 液晶模組組裝 (LC Module Assembly) 製程：將 LCD 驅動 IC、電路板、背光電源模組與液晶面板進行組裝製程，. 再作最後的檢查，難度不高，良率接近 100%。本研究著眼於 Cell 段製程面板組立廠的生產規劃與排程問題上，因此僅針對 Cell 段面板組立廠的製程進行探討。. 2.1.2、薄膜液晶顯示器 Cell 段製程簡介 TFT-LCD 之組立流程可簡單分成液晶面板前段配向製程與後段基板組立製程，前段製程是將玻璃基板上製作之薄膜電晶體元件陣列基板和彩色濾光片基板經個別加工後，進行貼合處理；後段製程則在完成液晶注入、封口、偏光板貼附與完成品的檢查。圖 2-1 為液晶面板組裝之前後段製程簡圖。. 7.

(22) 薄膜電晶體元件陣列基板. 彩色濾光片. 配向模前洗淨. 配向模前洗淨. 配向膜塗佈. 配向膜塗佈. 配向模烘烤. 配向模烘烤. 配向處理. 配向處理. 間隙物散佈. 封框膠塗佈. 液晶面板前段製程上、下基板組立. 框膠烘乾. 液晶面板後段製程真空回火. 液晶灌入. 封口. 封口後洗淨. 二次切割裂片. 偏光板貼附. 檢. 查. LC D 面板完成. 圖 2- 1 液晶面板組裝前後段製程簡圖[21]。 8.

(23) 前段製程首先將薄膜電晶體元件陣列基板進行液晶顯示器的尺寸切割工作，然後和彩色濾光片基板分別經過洗淨（Cleaning）、配向膜塗佈（Polyimide Print，PI Print）、烘烤(PI Baking)、配向處理（Rubbing）、上、下基板組立（Cell Forming）等製程，即完成與彩色濾光片基板的組合製程。後段製程在液晶注入（LC Injection）工程有兩種製作方式，可先將前段製程組裝好空的 Cell 基板裁切斷裂片，取最終顯示器產品所需尺寸大小，經檢查工作後，再將液晶材料以真空方式注入，並加以封合；或者先灌入液晶，進行裁切斷片工程後再封口[19]。最後再進行偏光板貼附（Polarizer Attachment）、檢查等過程後，即可成為薄膜液晶顯示器的面板，完成液晶面板組裝的工作。以下便針對液晶面板組裝的主要製程，依其製程順序說明其細部流程 [19][20][21][22][23][24]： 1. 配向模前洗淨（Pre-PI Cleaning）在薄膜電晶體元件陣列基板切割成欲生產的尺寸2後，需將其切割後的玻璃截面平坦化，避免截面缺陷應力集中，在之後的製造途中發生龜裂之情形。在切完割玻璃基板與彩色濾光片後，必須經過沖刷洗淨、流水洗淨、有機溶劑之超音波洗淨、純水洗淨、清除液滴和加熱乾燥等步驟，以去除殘留在表面上之污染物，方能使膜均勻完整地附在玻璃璃基板上。清洗步驟首先須針對油脂類與有機物質污染物，進行 UV 洗淨與有機洗淨過程，以去除附著在玻璃基板與彩色濾光片上之有機物。之後，再經過沖刷洗淨超音波洗淨、流水洗淨等步驟，以去除基板上之塵埃粒子。最後，再進行清除液滴和加熱乾燥等步驟，即完成洗淨作業。 2. 配向膜塗佈（Polyimide Print，PI Print）配向膜(PI)是用來將液晶未加電場前分子做定位的工作，其前後兩片基板上的配向膜需互成九十度方能將液晶分子依序旋轉，其配向方式是以轉. 2. 此為玻璃基板地的第一次切割動作，其目的是為了將上層 Array 製程加工完畢、尚未切割的大型薄膜電晶體元件陣列基板切割成組立廠生產線所欲生產的尺寸，如下圖所示，2-up 基板表未來二次切割裂片時，須再切割一次。 1-up 2-up. 9.

(24) 輪（roller）轉印法依一定方向刷過，也有利用蒸鍍的方式配向，不過成本較高。 3. 配向模烘烤（PI Baking）將已經上完 PI 膜且檢查完成之玻璃基板進行溫度 180~250℃左右的烘烤製程，使得基板上之 PI 膜進行硬化反應，以便於進行配向工程的進行。. 4. 配向處理（Rubbing）先於基板表面的某一特定方向塗著一整齊排列物或設以溝槽，使液晶分子的長軸方向作物理性的限制，整齊排列於上、下配向膜間，以增強 PI 膜表面的配向導向力。主要可分為傾斜蒸著法與摩擦法，本文在此簡單介紹摩擦法。摩擦法配向方法：於基板上塗上一層無機物或有機物的皮膜再行摩擦，或使用織布、羊毛布、橡膠、毛刷等工具，將配向膜表面以一定之方向進行摩擦，此種摩擦方式因欠缺耐熱與耐水性，因而較不具實用性。摩擦次數則須依配向膜材料之種類個別設定，一般均在十多次左右。. 5. 間隙物散佈（Spacer Spray）在 TFT 陣列基板上塗佈間隙物（Spacers）3的用意是為了使兩片基板貼合後中間有足夠的空間灌入液晶。而有些彩色濾光片在購入時本身即有間隙物，故薄膜電晶體元件陣列基板不需再有間隙物塗佈這道製程。間隙物可分為玻璃材質者與塑膠材質者，其中塑膠材質間隙物常易帶靜電而導致結塊，故散佈時需十分小心。 6. 封框膠印刷（Patterning）在 TFT 陣列基板和彩色濾光片基板貼合之前，應先在彩色濾光片上印刷封合劑（Sealant）4。而在封合劑方面可分為使用環氧樹脂（Epoxy）的 3 4. 使液晶分子之間距保持一定距離而在 TFT 陣列基板上置入球狀材料，一般使用硬質塑膠。彩色濾光片和 TFT 基板接著用之接著劑。一般配合硬化助劑使用。 10.

(25) 網版印刷（Screen）法或者使用分散劑（Dispenser）的直接畫（微影）法。其目的為將 LCD Cell 上下兩片玻璃基板區隔開，保護液晶不和外界水汽及雜質接觸，並防止液晶外流。. 7. 上下基板貼合（Cell Forming）在基板內側周邊部分印刷封裝劑，乾燥，將溶劑充分揮發後，將粒狀間隙物散布於以封裝材所圍住做為顯示部分之全部區堿，將電極基板相互貼合。一般來說，基板貼合時，均依預先做的記號，將上下兩片基板位置對齊，適度的加壓，使封裝劑硬化而形成液晶槽，再經過加熱步驟使基板間之框膠硬化，讓兩片基板連接黏合，並產生基板間距，防止日後異物侵入液晶之界面。 8. 烘乾（Seal Bake）在基板組立壓合後，予以加熱基板間之栺膠受熱硬化，以控制加熱過程中之程式與加熱之均勻性來得到最佳性之框膠硬化物。 9. 真空回火（Vacuum Anneal）利用高溫真空下，將組立完成後仍存在於空 Panel 內的水氣去除，縮短液晶注入時間，並將其中的氣體換成氮氣。 10. 液晶灌入（LC Injection）液晶槽及液晶材料須先充分的脫氣，以獲較高之信賴度，再將液晶材料注入真空回火處理過後的空 Cell。首先會將密封箱抽成真空，將液晶片放入此真空的密封箱中，藉著基座的固定將小切割後空的 LCD Cell 固定住，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，然後再釋放空氣進入箱中，此時 LCD 板便會藉著毛細現象將液晶完全吸入 LCD 板中間，完成灌液晶的動作。. 11.

(26) 圖 2- 2 液晶灌入式意圖[22]. 11. 封口（End Seal）灌入液晶後在其開口處進行封口，以防止液晶外漏，如圖 2- 3 所示。封口方法大致可分為銲接封閉法與接著劑封閉法，最近，則大多使用矽膠系接著劑進行封口。. 圖 2- 3 液晶面板封口[21]. 12. 封口後洗淨（After End-Seal Cleaning）灌入液晶後，須將 LCD 板置於洗淨槽內進行沖水洗淨、超音波洗淨與純水洗淨步驟，以去除附著於外側之液晶材料。. 12.

(27) 13. 二次切割裂片（2nd Scribe & Break） (1).切割已灌液晶之 TFT-LCD 至所需的尺寸，並將要貼附驅動 IC5的電極外露。. (2).將 2-UP 玻璃尺寸切成單個 Cell。 14. 偏光板貼附（Polarizer Attachment）將相差九十度的偏光片貼在 LCD 面板的上下兩面，如此完成了液晶顯示器面板（Panel）的成品，如圖 2- 4 所示。. 圖 2- 4 偏光片貼附[19]. 15. 檢查（Cell Test）例如面板厚度檢測（Cell Gap Measurement），此站為 off line 機台，目的在於能快速測量液晶注入後，基板玻璃間的厚度，以便作為 OK/NG 的檢驗及品管。. 2.2、生產週期時間估算法 2.2.1、生產週期時間的定義所謂生產週期時間係指顧客的製造命令單釋放到工廠之後，依據製程資訊依序進行加工作業，直到此張製造命令單的產品完成所有作業，並進行結單或銷令為止所需的時間，其中包含了各項製程的等候時間(Queue Time)、整備時間(Setup Time)、裝卸物料時間(Loading & Unloading Time)、加工時間(Processing Time)、等待工件到來的時間(Waiting Time)以及搬運時 5. 液晶顯示器之基礎零件之一，為佔 LCD 成本比重中第三高者。驅動 IC 的主要功能是輸出需要的電壓至像素，以控制液晶分子的扭轉程度。 13.

(28) 間(Transportation Time)[25]。若將上述週期時間的組成時間加以分類，生產週期時間(Production Cycle Time)包括了理論週期時間與等候時間[3]，理論週期時間是指一工件通過所有加工機台而無需等候之時間，亦即僅含實際作業時間而無等候時間。Rao[1]亦認為生產週期時間係由以下二大部分組成： ¾. 實際作業時間(Operation Time)：可細分為整備時間(Setup Time) 與加工時間(Run or Production Time)，實際作業時間亦即理論週期時間。. ¾. 內部作業時間(Inter-operation Time)：可分為等候加工時間(Queue Time)與等候搬運時間(Wait Time)，兩者構成所謂的等候時間。. 除上述對生產週期時間之定義外，Chung and Huang[4]考量晶圓製造廠批量工作站與序列工作站混雜之物流特性，將工件流經晶圓廠所須之週期時間區分為以下三部分： 1. 源於負荷因子之等候時間因該工作站之平均工件負荷所造成之等候時間。 2. 源於批量因子之等候時間因前後製程機台之載入批量差異，及其相對之產出速率差異，所造成之等候時間。 3. 理論週期時間理論週期時間包含純製程時間、載入與卸下時間…等。. 2.1.2、生產週期時間估算法理論週期時間因變異程度較小，通常被視為一定值，而等候時間則具有高度不確定性。因此生產週期時間預估的準確與否決定於等候時間能否被準確估算，生產週期時間的估算方法已有相當多的學者考量不同的環境與因子，提出不同的估算模式，Chung and Huang[4]曾將學者們對生產週期時間的估算方式進行整理，將週期時間估算法區分為四種類型：模擬法與 14.

(29) 人工智慧法，統計分析法，數學分析法及混合法。此四類週期時間估算方法，各有不同的適用環境與優缺點，依其特性差異，彙整如表 2-1[26]所示。表 2- 1 生產週期時間之估算方法及其優缺點[4][5][6][7][9][10][28] 週期時間估算法. 方法及適用環境說明. 優點. 缺點. y 方法：建立離散事件 y 透過建立詳細的 y Model. validation 不. 模擬模型，經由模擬模型，可以提昇預易，須經多次模擬方能模擬法. (Simulation)與人工智慧法. 結果來預測週期時測之精準性；間。. y 有效模擬動態環 y 模擬過程所須時間相. y 適用環境：缺乏相關境；. (Artificial. 生產資料 (例如新廠. Intelligence; AI). 籌建、新製程導入)、中長期之決策評估。. 確認可行性；. 對較長；. y 可解答 What-if 的 y 每一個What-if情境分問題，提供決策參析均需耗時甚長，不利考，或預測控制參於進行短期預測。數之值。. y 方法：利用迴歸分析 y 具有統計可信度； y 所需處理之資料量極或是相關分析等統計方法，來分析過去的統計分析法. (Statistical Analysis Method). 生產資料，以尋找週期時間與各類變數之間的關係，並依此建. y 模型簡單，容易使為龐大耗時；用；. y 過去的趨勢並不一定. y 現場人員接受度適用於未來；較高。. y 需求改變、產能改變、在製品策略改變等. 立統計模式來進行預. 等，均會造成模型的不. 測。. 適切性。 y 適用環境：短期、穩定環境。 y 方法：主要以等候理 y 具統計分配特 y 簡化之數學模式往往數學分析法. (Mathematical Method). 論或數學模式為基性，可以推導出預與實際情形有所差異；礎，利用數學推導工測誤差的分佈；單流動時間及其標準差，進而利用常態分. y 數學模式複雜度高，. y 執行運算所須之有時不易推導出可用時間短。. 配的假設來設定所需 15. 模式；.

(30) 參數。. y 僅適用於穩態系統環. y 適用環境：長期、穩. 境，因此無法應用於短. 態環境。. 期週期時間之估算。. y 方法：整合多種研究 y 可整合各種方法 y 各種方法之假設前提. 混合型(Hybrid. Method). 方法，進行週期時間之優點。. 可能相互存在矛盾. 之預測。. 點，不當的整合將增加分析的困難度。. y 適用環境：依據結合的方法，而有不同的適用環境。. 為反映市場變動，達到快速估算的目的，吾人擬以數學分析法進行生產週期時間的估算。以數學分析法作生產週期時間之估算應當考量工廠內機台設備的物流特性，將影響週期時間的因子確實反應在估算模式內。搜尋國內外各學者之研究結果，Conway 等學者[15]，在 1967 年運用拉普拉斯轉換式（Laplace Transforms）求得工件在單一機器上的期望流動時間。 Conway 估算式[13]僅考慮工件在單一序列機台之期望流動時間，並未考量批量機台作業特性對生產週期時間的影響，其算式如式 2- 1 所示： E ( X ) = E (P ) +. λ ⋅ E (P 2 ) 2(1 − ρ ). （式 2- 1）. 其中， E ( X ) ：期望流動時間；. λ. ：工件進入機器的速率；. ρ. ：為機器的利用率。. E (P ) ：期望實際作業時間；. E (P 2 ) ：實際作業時間之平方期望值。. 蘇氏[31]修正 Conway 估計式，考量批量機台之製程特性，將工件流經批量機台之期望流動時間修正如：. 16.

(31) E ( X ) = E (P ) +. λ × E (P 2 ) 2(1 − ρ ) × ABS. （式 2- 2). 其中，ABS 為批量加工機台之平均載入批量，若為序列機台則 ABS = 1。. Karmarker [11] 則考量了在製品數量和前置時間長短對產能負荷的影響。其研究針對連續型生產線中的 N 個連續工作站，利用等候理論，將產出與在製品水準的關係模組化，做生產週期時間預測。估算式如式 2-3 所示： T = ⎛⎜ ⎝. Qi. 2 ⎞ + 2 ⎡ ⎛ X i ⎞⎛ Qi ⎞ ⎤ ⋅ ⎡1 − ⎛ X i ⎞⎤ ⎜ P ⎟⎥ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢∑ Pi ⎠ Qi ⎠⎝ Pi ⎠ ⎥ ⎢⎣ ∑ i ⎠⎦ i ⎝ ⎣ i ⎝ ⎦. （式 2- 3). 其中，T 為總生產週期時間； Qi ：產品 i 的批量大小（個）； X i ：產品 i 的實際產出率（個 / 單位時間）； Pi ：產品 i 的正常產出率（個 / 單位時間）。. Chung & Huang[4] 曾經針對晶圓製造廠內製程與設備的物流特性，發展一區段基礎式週期時間估算法(The Block-Based Cycle Time estimation algorithm, BBCT)，在週期時間的估算上有相當的成效，因此以下吾人對 BBCT 作一簡單之介紹。下圖為 BBCT 演算法之簡單概念圖。. 製程相關資料產品相關資料設備相關資料控制法則參數. 區段基礎式週期時間估算法 BBCT BBCT Methodology Methodology 負荷因子等候時間負荷因子等候時間. 批量因子等候時間批量因子等候時間 +製程時間 +製程時間. M/M/c M/M/c Queueing Queueing Model Model. BFFT BFFT Algorithm Algorithm. 工件及工單之週期時間工件及工單之週期時間. 圖 2- 5 區段基礎式週期時間估算法之估算機制圖[30] 17.

(32) BBCT 演算法之基本運作程序，共分為以下三個階段：第一階段為「分解與辨識」階段，其目的在於依據物流相似性，將複雜的製程「分解」成為獨立的區段6與子區段，並「辨識」出各子區段所對應之週期時間模型，若以晶圓廠製程與設備特性為例，如圖 2- 6 所示，大致可區分成 SB 型、BB 型、BS 型與 BSB 型四種區段。以 SB 型為例，發生在最前端之製程，區段起始加工步驟為序列加工(serial-type)製程、區段結束加工步驟為批次加工(batch-type)製程。 SB型 SB型. BSB型 BSB型. BB型 BB型. BS型 BS型. 製程步驟. start Serial-type workstation. finish. Batch-type workstation. 圖 2- 6 區段定義示意圖[4]. 第二階段為「基本運算」階段，其目的在於建構各子區段估算週期時間之數學模式，以進行估算。Chung and Huang[4]認為區段內之物流掌控於三個觀測重點(前批次機台、後批次機台及產出速率最慢的序列工作站)，並依此觀念作為每一個區段批量因子等候時間之估算基礎，只要確認出這三個觀測重點在區段物流中所扮演的關鍵角色及其交互作用影響，就可以有效掌握工件批在整個區段之流速變化，及形成其週期時間之特性。第三階段為「組合運算」階段，其目的在於將各子區段週期時間「組合」成為區段週期時間，並將源自於負荷所造成的等候時間加總，最後扣除各工作站重複計算的部分，便可估算出整個製程之生產週期時間。綜觀以上研究，TFT LCD Cell 段製程雖未如晶圓廠複雜，但由於 LCD 組立廠後段製程係由許多批量工作站相連而成，因而在預估生產週期時間上更增加其複雜度，考量 TFT-LCD 組立廠批量機台的物流特性，吾人擬以 Chung and Huang[4]對於生產週期時間的定義作為生產週期時間預估的基礎。 6. 所謂區段(block)，係包含製程中兩個相鄰的批次製程步驟，及介於其中之所有序列製程步驟的集合。 18.

(33) 第三章、模式構建 3.1、問題定義與分析 TFT-LCD 屬於存貨式（Make To Stock, MTS）的生產型態，其製程由上而下可分為：Array、Cell、Module 三段主要製程，本文著眼於 TFT-LCD Cell 段面板組立製程的生產規劃問題。 Cell 段面板組立製程係由許多平行工作站所組成的流線型生產系統，主要可分為前段序列工作站、中段批量工作站與末段序列工作站，主要之工作站名稱如圖 3- 1 所示，其中中段批量工作站的加工時間約佔了 Cell 段製程的 70％，吾人將各工作站之機台特性整理如下： 1.. 同一工作站內的各個機台均為等效(Identical)平行機台。. 2.. 機台型式可分為序列機台與批量機台，前者一次僅能加工一個卡匣 (Cassette)後者一次可同時加工多個卡匣。批量機台不論機台滿載或非滿載皆可進行加工，且其加工時間皆相同。. 3.. 批量工作站加工時間長，例如液晶灌入(LC injection)需要將近十小時的加工時間。. 4.. 機台加工期間不得進行插件或換件。. 5.. 工作站加工不同產品時須進行整備(setup)，其中以配向膜塗佈(PI Print) 整備時間最長，為 2.5 小時，其對於加工時間來說相對地長。. 6.. 某些批量工作站製程間有等候時間(Queue Time)之限制，亦即加工完成後必須在限制時間內進行下一步製程的加工，否則將形成報廢。例如當產品經過真工回火(Vacuum Anneal)加工後必須在 240 分鐘內進行液晶灌入，而液晶灌入後亦必須在 360 分鐘內進行封口(End Seal)。. 19.

(34) 第一次研磨. 配向膜塗佈. 配向處理. 基板組合. ( 1st Grinding). (PI Print). (Rubbing). (Cell Assembly). 前段序列工作站. 封口. 液晶灌入. 真空回火. 烘乾. (End Seal). (LC Injection). (Vacuum Anneal). (Seal Bake). 中段批量工作站. 封口後洗淨. 二次切割製片. 偏光版貼附. 檢查. (After-End Seal Cleaning). (2nd Scribe & break). (Polarizer Lamination). (Cell Test). 末段序列工作站圖 3- 1 TFT-LCD Cell 段面板組立廠主要製程工作站圖. 面板組立廠主要由預先完成的庫存產品來直接供應市場所需，因此在庫存量的掌控上必須有準確的前置時間（Lead Time）預估機制，以提供補貨人員面對市場需求變動時，有一補貨時點決策的依據。面對需求變動快速的市場，為搶得更多的顧客訂單，各組立廠莫不致力於提高生產系統的彈性以快速反應顧客的需求變動。然而允許顧客訂單的改變勢必影響工廠內的主生產排程與細部排程，排程異動的結果，短時間內將造成生產上的混亂，機台的產能負荷狀況變的不確定，進而影響到系統的在製品量與生產週期時間與之前主生產排程規劃的結果差異過大，甚至超過產能負荷與訂單交期。因此，若能在顧客需求規劃變動之時有一「主生產排程快速規劃系統」，將能事先評估需求變動時，面板組立廠能否即時因應此一異動，同時兼顧生產效率，達到滿足顧客需求的目標。基於以上所述，面板組立廠必須依據上層所規劃之產出需求與目前工廠內的產能限制，評估需求變動時，對整個生產系統所造成的績效影響。本文針對面板組立廠設計「主生產排程快速規劃系統」，考量需求變動後. 20.

(35) 的產出目標，先評估能否規劃出合理之產線配置，而後設計集批策略與投料機制用以達到所需之產出目標，並依此估算面板組立廠目前各產品之生產週期時間，規劃出合理可行之 MPS，回應至供貨中心作為補貨之依據。. 3.2、整體邏輯與架構本文利用生產規劃階層式的規劃流程，建構「TFT-LCD 組立廠主生產排程快速規劃系統」之架構，藉以明定各規劃階層之任務目標，並掌握不同階層之間的規劃成效以達成整體的生產績效，並達到快速回應的目的。本文在生產規劃架構的定位涵蓋主生產排程與細部排程階段，其規劃週期為 2 天，規劃幅度為一個月(28 天)，整體架構如圖 3- 2 所示。本文所發展的「主生產排程快速規劃系統」除可適用於每週產出狀況的定期檢視外，亦可在供貨中心發現市場需求產生變化，與原計劃之產品組合與數量不同時，將依照本架構之「產能估算模組」、「產線配置模組」、「生產週期時間估算模組」，三個模組之運作配合，粗估產能是否能夠滿足變動後的產出需求，再依製程特性進行產線配置，確保產出需求的達成，並估算各產品之生產週期時間，快速規劃合理之主生產排程加以因應。以下簡述此三個模組的運作概念：首先，進行「產能估算模組」。由「產能推估機制」估算各工作站可用之最大產能，再由「瓶頸資源辨識機制」依據各工作站之最大可換線次數上限定義出系統瓶頸。其次，進行「產線配置模組」。本模組承接並補強蔡氏[22]的「機台產能配置模式」，主要工作透過「瓶頸工作站機台產能配置機制」與「非瓶頸工作站機台產能配置機制」用以評估產品組合更動後，系統能否在減少換線產能的浪費下，規劃出符合需求的產線配置。「瓶頸工作站機台產能配置機制」係以產出最大化為規劃之目標，考量各工作站機台之批量加工、整備時間、產能限制等特性，並在符合產出需求下，藉由線性規劃進行瓶頸工作站的機台產能配置。「非瓶頸工作站機台產能配置機制」則依非瓶頸充分配合瓶頸工作站之原則及兼顧同一工作站內各機台負荷平衡的作法，完成機台產能配置。 21.

(36) 接著，進行「生產週期時間估算模組」。為使產出符合時效性，必須依據現有已規劃之產線配置，配合集批策略與投料法則，準確估算出產品之生產週期時間，方能提供主生產排程有關產出時間規劃的依據。在批量工作站之集批決策上，吾人藉由「批量工作站載入批量決策機制」，以最小批量集批法則(Minimum Batch Size； MBS)[16]作為本文之集批策略。在投料法則上，吾人藉由「投料規劃機制」以「均勻負荷法(Uniform Loading)」作為投料時點之規劃，以使系統能穩定的產出。在生產週期時間的估算上，吾人藉由「生產週期時間估算機制」依據黃氏[30]區段基礎式生產週期時間估算法(BBCT)的理念，將各生產線之生產週期時間分為機台負荷所造成的等候時間與批量機台間因流速差異所造成的等候時間，以估算出各產品在工作站之等候時間。再據此評估各產品在各工作站之等候時間能否符合等候時間之限制，若無法符合則必須回饋至上層規劃人員，重新協調並更動產品組合；若可符合，則更新主生產排程，將規劃結果排入主生產排程之中。. 22.

(37) 圖 3- 2 TFT-LCD 組立廠主生產排程快速規劃系統架構圖. 23.

(38) 3.3、產能推估模組限制理論(Theory of Constraints, TOC)[12]提出系統的最大產出受限於瓶頸資源的利用情形之觀點。由於資源有限，因此，必須先確認系統中瓶頸資源之所在，而系統各資源的利用率與瓶頸資源的決定有密切的關係，因此本研究首先透過「產能推估機制」之估算，根據系統各工作站之產能資訊、製程資訊、產出目標、產品組合，以一個月(28 天)為規劃幅度，推估各工作站未來一個月之產能負荷水準。再藉由「瓶頸資源辨識機制」依各工作站之剩餘可換線次數上限，作為評估系統瓶頸資源之依據，定義出系統之瓶頸。圖 3- 3 為產能推估模組之流程圖，以下為產能推估模組之基本假設與符號說明：基本假設 (1) 上層需求規劃已給定總產出目標量，與產品組合比例。 (2) 面板組立廠規劃幅度 H 為 28 天，即每月工作 28 天，每天可作業時間則為 24 小時。 (3) 加工批量以一個卡匣7(Cassette)為基本單位。 (4) 各工作站之機台數目、產品途程與加工時間、整備時間(Setup Time)與當機比例皆為已知。. 7. 組立廠每個卡匣內裝有 28 片 Cell。 24.

(39) 圖 3- 3 產能推估模組流程圖. 3.3.1、產能推估機制工作站之平均產能負荷，可由該工作站 k 之實際可用機台數( N k )與平均載入批量來決定。但由於本機制之目的是要求出工作站之最大可用產能，因此批量工作站之平均載入批量皆以最大可載入批量 BkMax (Max Batch Size)來進行估算，本機制求算步驟如下：. 步驟一：計算規劃幅度 H 內，各工作站 k 實際可用機台數 N k ，其為扣除機台當機、維修保養、及必要整備時間8後之約當機台數 N k 。 8. 必要整備時間是指某些機台每隔一段時間，不論換產品與否，皆必須進行更換模具或是補充化學原料等作業，例如 PI 機台每兩天必須進行換化學原料作業，一次需 180 分鐘。 25.

(40) Mk ⎛ ⎞ MTTRm MTTPM m MTTNS m − − N k = ∑ ⎜1 − ⎟ MTBFm + MTTRm MTBPM m + MTTPM m MTTNS m + MTBNS m ⎠ m =1 ⎝ , for each k ； (式 3- 1). 上式中之 MTBFm 表示機台 m 之平均失效時間 (mean time between failure)，MTTRm 表示機台 m 之平均修復時間(mean time to repair)，MTBPM m 表示機台 m 之平均維修間隔時間(mean time between PM)，而 MTTPM m 則表示機台 m 之平均維修時間(mean time to PM)，MTTNS m 表示機台 m 之平均必要整備時間(mean time to necessary setup)， MTBNS m 表示機台 m 之平均間隔必要整備時間(mean time between necessary setup) 。. 步驟二：計算規劃幅度 H 內各工作站 k 最大可用產能 Capk (分鐘/28 天)，其為規劃幅度 H 乘以各工作之約當機台數 N k 與最大載入批量 BkMax 。若工作站 k 為序列工作站則 BkMax =1。 Capk = H × 24 × 60 × N k × BkMax. for each k ；. ,. (式 3- 2). 步驟三：計算規劃幅度內，各工作站 k 之平均負荷水準 U k ，其為規劃幅度內工作站 k 加工各產品所需耗用之產能，除以工作站的最大可用產能 Cap k 。 I. Uk =. ∑D i =1. i. × PTi ,k. Cap k. , for each k ；. (式 3- 3). 由於製造現場有不可預期之變因或是統計波動，而產出會受到這些變因的影響，因此必須預留保護性產能以吸收變異。吾人擬設定一利用率上限 U kLim，藉以限制式 3- 3 所估算之各工作站平均負荷水準 U k 不得超過此上限( U k ≤ U kLim )，以期規劃結果在製造現場能確實達成。若產品需求超出此負荷限制，則必須回饋上層作調整。. 26.

(41) 3.3.2、瓶頸資源辨識機制限制理論認為系統的產出受限於系統之瓶頸，因此系統瓶頸資源之決定相當重要，一旦瓶頸資源決定了，則不論排程、投料或派工皆應根據瓶頸之充分利用來做規劃。此外，限制理論亦認為系統瓶頸與各資源之利用率有密切的關係，其認為系統瓶頸之決定可以上節「產能推估機制」所估算出之各工作站產能平均負荷水準( U k )來評斷，若工作站產能負荷水準超過 100%，則可將其定義為系統之瓶頸資源，若各工作站產能負荷水準皆未超過 100%，則將各工作站中負荷最高者定義為系統之產能受限資源 (Capacity Constraint Resource, CCR)[12]。蔡氏[22]認為若未能充分考量到各工作站產品換線時間所造成的影響，而單僅考量工作站之平均負荷水準來辨識系統之瓶頸，將導致作出錯誤的排程，而使排程結果不如預期。由於面板組立廠許多機台換線時間相對於生產週時間而言相當長，例如 PI 機台每次換線時間接近 3 個小時，因此，若不妥善規劃容易因換線次數過多而導致產能不足。故本文沿用蔡氏[22]之設計理念，在「瓶頸資源辨識機制」中，以「工作站最大可換線次數上限」作為定義系統瓶頸之指標，若該工作站有最少之可換線次數上限值，則意味著該站極易因換線次數過多而浪費過多產能，故將之定義為系統之瓶頸。以下步驟說明其估算流程。. 步驟一：計算各工作站 k 可用來換線之產能 RCapk ，其為工作站 k 可用產能 Capk 乘以負荷上限 U kLim ，扣除各工作站 k 加工產品所需耗用的產能 CapkPr o I. RCapk = Capk × U kLim − ∑ Di × PTi ,k. , for each k. (式 3- 4). i =1. 步驟二：計算工作站 k 剩餘產能之最大可換線次數上限 SAk ，其為可用於換線之產能 RCapk 除以該工作站產品換線所需的平均時間 STk 。 STk 取各產品 i 在機台 k 所需換線整備時間的平均值。依式 3-5 求算各工作站之 SAk 值後，選擇 SAk 最小者即為系統之瓶頸工作站 BN 。 I. STk =. ∑ ST i =1. for each k ；. ,. i ,k. I 27. （式 3- 5）.

(42) ⎢ Rcap ⎥ k ⎥ SAk = ⎢ ⎢⎣ ST k × B kMax ⎥⎦. for each k ；. ,. (式 3- 6). 3.4、產線配置模組機台產線配置的目的是依照各產品需求以及機台的製程能力限制，將各產品的產能需求指派到各機台。考量組立廠換線整備時間相當長的特性，本模組在瓶頸工作站的產線配置上，承接蔡氏[22]的「機台產能配置模式」，補強其所提出之「瓶頸工作站機台產能配置機制」，將規劃幅度均分成較短之規劃時期進行規劃，藉以控制規劃幅度內之產出進度。並且，在考量工作站機台之加工批量、產能限制、目標需求…等的前提下，以控制瓶頸資源換線次數的方式，使瓶頸機台產出最大化。再依瓶頸資源產線配置之規劃結果，將各產品別所需之產能比例，分配非瓶頸工作站機台數予各產品別。並且在考量減少換線次數的前提下，依非瓶頸工作站內各機台達到負荷平衡的原則，完成各產品之機台指派。產線配置模組流程如圖 3- 4 所示。. 28.

(43) 圖 3- 4 產線配置模組流程圖. 3.4.1、瓶頸工作站機台產能配置機制[24] 由業界訪談結果或者是經 3.3.2 節瓶頸資源辨識機制之計算結果，均可得知 PI 工作站為整個系統之瓶頸工作站。由於 PI 機台之換線時間長達 2.5 小時，且每兩天須固定整備一次，每次耗時 3 小時，但換線與固定整備作業可同時進行，因此，蔡氏[22]在構建「瓶頸工作站機台產能配置機 29.

(44) 制」時，以每兩天為一規劃時期(time period)，將 28 天之規劃幅度等量分割成 14 個短時期(兩天)來做規劃，以期有效控制其生產進度。吾人延續此理念，將一規劃幅度分為 1,2, K , t , K 至 T 個規劃時期，各規劃時期在本機制中以符號 t 表示。將規劃幅度以每兩天為一規劃時期分割後，考慮第 t 個規劃時期內瓶頸資源之產能限制、工作站之機台整備時間與批量限制，依據上層給定之產品需求目標，構建一線性規劃模式，期能滿足各產品別之需求下限亦能達到產出最大化的目標，並減少機台因不必要之換線所造成之產能損失。儘管組立廠是屬於計劃式生產，並沒有顧客訂單的問題，然而每期依舊有已確定承諾給顧客的最小產出需求量，其餘產能則依市場需求預測分配至各產品。此外每期廠內成品的庫存亦會影響下期的產能需求與分配，因此在庫存上亦需加以考量，以減少庫存成本。然而，蔡氏[22]並未考量規劃時期內組立廠內成品庫存對於產出需求的影響，並以訂定每個規劃時期的最小產出需求為固定數量的方式進行產線規劃，如此將難以因應市場需求隨時間不斷變化之情境。因此，吾人將蔡氏[22]的模式，補強為考量各規劃時期期初庫存量，並將每期之最小產出需求量設定為可調整參數之方式，以期在降低組立廠面板庫存量的情況下，符合市場需求。在進行瓶頸工作站機台產能配置之前，首先必須分析組立廠之瓶頸機台產能是否能在本文所設定之瓶頸資源可換線次數的條件下，有足夠的機台產能指派給每期所需之最小產出需求 DiMin ,t ，並在規劃幅度內滿足上層所訂定之產出目標 Di 。本「瓶頸工作站機台產能配置機制」為能設定換線次數，採以下限制：. 模式限制 (1) 組立廠之產品種類不得超過瓶頸機台數，例如 PI 機台僅有 7 台，則欲規劃之產品種類不得超過 7 種。 (2) 本模式在減少機台換線的考量前提下進行規劃，為避免瓶頸機台因換線而浪費過多產能，各產品 i 在瓶頸工作站每一期最多只能換一次線，故若有 3 種產品，則每期最多只能換 3 次線。. 30.

(45) 為更進一步解釋吾人設定換線次數之目的，與本求解模式之求解理念，吾人對於本模式之換線次數限制進行更詳細之分析：為使產出極大化，「瓶頸工作站機台產能配置機制」的係優先以不換線連續生產同一產品的方式進行配置。因此，若總機台數足以專線方式配置給當期各產品最小產出需求，則模式求解結果為當期各產品皆為專線生產。若總機台數不足以專線方式配置，則模式將優先將各產品所需產能各以一專線方式配置，以一專線無法滿足之產能需求，則與其他產品進行混線生產。在混線機台的產品別配置方面，因應受各產品在瓶頸工作站每一期最多只能換一次線的限制，因此採混線生產之產品，必以連續生產完該產品別之需求後，再更換產品別的方式進行配置，如此方能滿足吾人所設定之換線次數限制。此外，基於瓶頸工作站 PI 機台每兩天必須固定重新整備一次，於整備時可同時進行換線作業的特性，所以，各規劃時期期初不論生產何種產品皆不需紀錄換線作業之時間。因此，儘管吾人設定各產品別每一期最多只能換一次線的限制，所以每期最多僅能耗費產品別總數相等之 I 次之換線次數，而實際上，因為期初不需要重新設置，且換線會造成產出減少的關係，求解模式之最佳解，將不以換線次數 I 次作為所有混線機台換線總次數之上限，而以 I-1 次換線的方式，進行配置，如此方能同時滿足最小需求與產出最大化。在 3.3.1 節進行產能負荷水準評估時，僅限制了產出目標 Di 不得超過工作站之產能負荷限制，但並未對每期最小產出需求所造成之產能負荷進行確認。因此，吾人考量若每期必須進行換線作業方能滿足最小產出需求，則各期加上換線所需之產能後是否會超過負荷限制，必須再進行確認，而後才能進行瓶頸工作站機台產能配置模式求解前的分析。故，吾人以上述分析所得之 I-1 次換線次數作為粗估規劃幅度內瓶頸工作站換線次數的基礎，若第期必須進行換線作業方能滿足最小需求，則吾人即以換線次數上限 I-1 次作為當期之換線次數，舉例來說，若有 3 種產品，則當期所有混線產品在混線機台上最多總共可換 2 次9線。依此方式將全部規劃時期所需之換線次數加總後，即可粗估規劃幅度內瓶頸工作站 9. 混線機台部分，亦有可能僅需 1 次換線即可達到產出需求，但為能確保產能足夠，因此皆採保守估計 2 次進行計算。 31.

(46) 之換線總次數上限，並據此估算是否在規劃幅度產出目標與每期最小產出需求的產能需求前提下，瓶頸工作站產能是否足以負荷，並依此作為瓶頸工作站機台產能配置模式進行求解前的初始判斷。若分析結果無法負荷上層所給定之目標產出量時，應回饋給上層，請其調降目標產出量。產出目標分析步驟如下：. 步驟一：計算滿足第 t 期之最小目標產出量 DiMin ,t ，應指派給各產品別 i Lim 之專線機台數 AN i ,t 。式中 U BN 為 3.3.1 節所訂定之工作站之利用率限制。. AN i ,t. ⎤ ⎡ ⎥ ⎢ × DiMin PT ,t i , BN =⎢ ⎥ Lim ⎥ ⎢ Cap BN × U BN M BN × T ⎥ ⎢. ， for each i and t ;. (式 3- 7). 步驟二：首先進行規劃幅度內總換線次數 SN 之粗估流程，其中 SN t 表第 t 期所之換線次數上限。再據此估算是否在規劃幅度產出目標 Di 與每期最小產出需求 DiMin ,t 的產能需求前提下，瓶頸工作站產能是否足夠。若瓶頸工作站之機台產能足以負荷目標產出所需要之產能，即可以此目標產出量作為「瓶頸工作站機台產能配置機制」之產出目標，進行規劃。若無法滿足上述情形，則表示瓶頸工作站不足以負荷上層給定之產出目標所需之產能，應回饋上層再作調整。判斷流程如圖 3- 5 所述。. 32.

(47) 圖 3- 5 產出負荷分析流程圖. 33.