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當新冠開始傳播時，汽車行業受到了嚴重的經濟沖擊。在疫情爆發初期，一些地區對新車的需求下降了80%，中國、歐洲和北美90%以上的汽車工廠在危機最嚴重時關閉。
不到兩年后，隨著疫苗的出現和經濟的增強，情況發生了逆轉。事實上，汽車銷售的反彈速度比預期的要快，使得OEM難以滿足需求。主要制約因素不是產能不足，而是缺乏能夠實現高級駕駛輔助系統和聯網汽車功能，如在線導航和信息娛樂的精密半導體。
嚴峻形式下，一些汽車制造商已經停止生產某些汽車或放慢生產線。其他OEM只是在制造汽車外殼，并等待在以后添加需要半導體的系統。還有一些人刪除了車輛的某些功能。
當汽車銷量開始激增時，汽車制造商自然會增加他們的芯片訂單，但晶圓廠需要提前數月至數年預訂生產線。到 OEM 來電時，晶圓廠已經將大部分產能分配給其他領域的業務，例如消費電子產品，因此不可能立即轉向新訂單。即使有更多產能可用，OEM仍可能會發現自己處于停滯狀態，因為復雜設置和制造過程，新批次的芯片需要六到九個月的時間。
由于汽車需求強勁，晶圓廠有很大的動力來縮短交貨時間。但對于制造6英寸和8英寸晶圓的成熟晶圓廠來說，這可能是困難的，因為它們設備往往更舊，效率更低。通過新設施和工具設置提高自動化和擴大生產有助于縮短生產時間，但即使在現代設施中實施也具有挑戰性且耗時。為了更快地提高生產力，成熟的晶圓廠可以采用更嚴格、更全面的方法重點關注四項關鍵活動：提高整體設備效率 (OEE)、主動管理勞動力、簡化基礎設施和動態管理性能。這些技術中的一些在其他行業甚至在半導體行業的某些部門中廣為人知，但在成熟的晶圓廠中并不常見。?日益嚴重的供需失衡?到 2019 年，汽車行業占半導體總銷售額的近 10%，創造了約 410 億美元的收入。由于半導體行業已經開始依賴OEM來獲得強勁而穩定的收入來源，因此很快就感受到了疫情期間汽車銷量下降的影響。
當汽車需求下降時，OEM和半導體分銷商推遲了新訂單，只在庫存不足時才采購。這種猶豫在平時可能是謹慎的，但它讓許多OEM沒有做好準備，無法應對汽車需求從近期低點快速激增。盡管一些成熟的晶圓廠可能會試圖通過增加產能來緩解短缺，但產能提升需要六個月或更長時間。他們可以嘗試提高效率以獲取一些早期的收益，但過去的大多數努力都遇到了意想不到的問題。根據我們與多家晶圓廠合作的經驗，這些問題源于四種類型。
一、錯過了增加產能的機會。因為成熟的晶圓廠數據基于舊的配方或工具能力，因此其往往缺乏對其全部產能的全面了解。例如，有些人可能低估了可能的工具正常運行時間的真實數量，是因為它它們會導致緩沖區過多。其他人難以計算容量，因為他們在計算中使用過時的信息，不考慮產品組合的變化，或者不優化工具的層分配。這些問題非常復雜，以至于即使晶圓廠正在尋找增加產能的策略，也無法確定他們的額外產能。
二、勞動管理。勞動力部署通常沒有得到一致或正確的跟蹤和衡量，導致工具組分配不理想，勞動力利用不足，以及對提升所需的全職等效工時缺乏了解。此外，對于新工具帶來的變化，傳統的勞動力配置可能不是最佳的，例如，由于地板布局要求員工步行到其他隔間來操作新設備，因此會導致非增值時間。另一個常見的挑戰與靈活性有關，因為在瓶頸轉移和人員配備需求出現時，沒有適當交叉培訓多個工具的操作員無法重新分配到不同的站點。如果員工士氣低落，對勞動力變化的適應能力較差，那么任何效率低下的情況都會變得更加復雜。
三、依賴較舊的設施、系統和工具。在大多數成熟的晶圓廠，相同的機器和設備已經運行了 20 多年，這導致頻繁故障和生產損失的風險更大。大多晶圓廠很少評估機器性能并忽視早期預警信號。因為歷史上降低成本的措施會延遲對關鍵系統的投資。因此，許多成熟的晶圓廠也缺乏所需的冗余，而這些關鍵系統本應根據產量和技術變化擴大規模。除了基礎設施問題之外，成熟的晶圓廠往往與供應商簽訂了低于標準的備件管理安排和服務合同，這可能導致更多的停機時間。例如，合同可能未指定補償將部分基于機器正常運行時間。
四、需要更主動的績效管理。績效管理是各班次產出變化的最大驅動因素之一。對于每個班次和工具組，目標通常不是在制造車間層面或更詳細的層面上確定的。現場領導可能缺乏進行有效日常績效對話、調整優先級、跟蹤部署、輪班開始和結束時間以及休息所需的關鍵管理技能的培訓。此外，難以從一個班傳遞到另一個班、冗余的質量檢查和不必要的手動數據記錄都會導致性能不一致。最后，樓層領導可能缺乏有關關鍵目標的信息，使他們難以確定優先事項。?提高效率的新方法?影響過去提高晶圓廠效率的挑戰今天仍然存在，但成熟的晶圓廠可以通過專注于四項任務來消除其中的許多問題。
提高整體設備效率并消除工具瓶頸
大多數成熟的晶圓廠都知道他們有性能問題，需要更多關于根源的信息。為了開發解決其特定問題的解決方案，他們必須超越一般化，并確定在工具級別出現瓶頸的方式和位置。更重要的是，他們必須考慮當產品組合發生變化時這些瓶頸可能如何變化，因為困擾一個制造過程的問題可能在另一個過程中不存在。
要深入了解瓶頸，需要一些平凡但關鍵的基礎工作：列出所有工具，以及每個工具的產品、配方步驟和晶圓輸出（當前和計劃）。工程和規劃團隊應該能夠提供大部分信息，晶圓廠可以使用這些信息來確定實際和所需的產能。在估算原始處理時間時，晶圓廠用詳細的地面觀測值補充工程數據和配方。這可以揭示為什么工具和制造步驟之間存在差異。例如，晶圓廠可能會發現一次性工具設置沒有改變，導致效率低下，或者晶圓上的氧化層在厚度和均勻性不同。
然后，晶圓廠應檢查 OEE 基準，該基準顯示每個工具的最大產能，使用雙支柱方法將理論最大產能與實際產量進行比較（圖表 1）。為了確定導致產能欠佳的具體因素，晶圓廠經理可以檢查數據日志、采訪關鍵員工并進行現場觀察。這項研究將幫助他們量化停機時間、確定設備速度并發現其他問題，例如低效的轉換時間。在一個案例中，工具級分析顯示，晶圓廠的晶圓產量比其真實產能低 43%。
來源：麥肯錫
發現問題后，公司將能夠啟動改進計劃。其中一些最重要的原則涉及單分鐘換模（SMED）原則，該原則要求在機器運行時盡可能執行設備轉換步驟。
SMED 原則在前沿晶圓廠中很常見，也規定應簡化任何剩余的工藝步驟。例如，一家調查減少預防性維護（PM）時間策略的工廠發現，其緊固過程過長，因為員工在安裝護罩夾和修理彎曲護罩時使用了不正確的工具。該公司還缺乏更換蓋罩的平臺，使拆卸和安裝變得復雜，并且隨意存放六角工具，使其難以找到。同時，反復出現的流量傳感器錯誤和可編程邏輯控制器錯誤導致頻繁停機和重啟。當工廠解決這些問題以及其他出現的問題時，它能夠將總 PM 停機時間減少 6 小時 (23%)。
積極管理勞動力
傳統上，晶圓廠改變他們的生產系統是為了應對問題，而不是試圖預測問題。他們還傾向于優先考慮降低成本而不是提高效率。隨著對汽車芯片的迫切需求，是時候采取一種更積極、更系統的方法，專注于最大限度地提高產能，而不是控制短期支出。
作為第一步，晶圓廠應建立端到端生產流程模型，并注意每個步驟的技術約束。然后，他們可以確定最佳的人員配備和生產排序選擇。在某些情況下，他們可能需要每周重新考慮批量大小和順序。
使用一個模型，一家公司在為期 10 天的概念驗證試驗測試新安排之前，改變了生產步驟和人員配置。一些簡單的調整，例如在員工之間重新分配工作和安排午餐時間，將產量提高了 30%，將生產力提高了 10%，并提高了蝕刻工具的利用率，質量和安全沒有改變。
另一家檢查其工作流程的公司專注于改善操作員接觸時間——員工花在設備上的時間（而不是無關的活動，例如等待產品到達生產線以及從工廠的一個部分走到另一個）。該公司觀察了一個隔間內的所有技術人員，以了解操作員如何度過他們的一天。分析數據后，它確定觸摸時間僅占操作員時間的31%。為了提高生產率，公司重新平衡了工作量，并將一些員工調到另一個工作間。它還做了一些其他更改，例如提供中斷覆蓋。隨著這些變化，接觸時間增加到46%。
通過預測性維護降低基礎設施風險
在成熟的設施中，機器故障和其他基礎設施問題非常常見，，以至于fabs可能難以確定PM最有保障的位置，或者哪些機器應該首先進行維修。在設置優先級時，晶圓廠可以通過確定最關鍵工具的結構化方法來最小化風險并減少基礎設施故障的影響。例如，通常應優先考慮使用率高、容量低且無備份的機器。類似的過程適用于系統，如配電和排煙系統。在這種情況下，最優先考慮的是系統，對于這些系統，停工將對生產產生直接和嚴重的后果，特別是在其故障可能性很高的情況下。
在分析系統時，晶圓廠應獨立查看所有子系統。一家想要改進其工藝冷卻水系統的公司首先分別檢查了大約 17 個子系統（圖表 2）。從辦公室泵到冷卻盤管，它舉辦了研討會，采訪了供應商，并進行了專家檢查。該公司還為每個子系統確定了可能的故障模式，例如油冷凝、冷水機維護不足和壓縮機泵故障。
來源：麥肯錫
這些評估表明，四個子系統需要高度關注。Fab A 和 Fab B 冷卻器在夏季都沒有備份，之前都發生過故障。由于承包商通常需要 24 到 48 小時進行維修，因此此類故障后不可避免地會出現大量停機。Fab A 和 Fab B 冷卻塔也有類似的問題。對于這兩個子系統，最常見的故障是風扇故障、冷卻系統性能下降，并對生產產生直接影響。
在確定主要問題后，該公司制定了緩解計劃，描述了降低所有四個子系統風險的步驟，例如如調查管道系統以了解Fab A冷卻器最近發生故障的原因，并與供應商合作確定需要庫存的關鍵備件。除了討論需要采取什么行動外，緩解計劃還規定了不同任務的責任，并規定了完成的時間表。
通過采用強有力的預測性維護程序，而不是隨意應對危機，公司可以將停機時間減少30%至50%。確實發生的停機時間將是有計劃的，而不是意外的，因此，晶圓廠將有機會在其他地方部署工人。零部件短缺也將不太常見，因為晶圓廠將很清楚他們需要什么來進行定期維護。
實施動態績效管理
在許多成熟的晶圓廠，性能管理是隨意的。為了改進，他們需要一種具有明確車間指標和目標的新方法。例如，有些人可能會量化輪班和休息期間產出下降的程度，然后設定改進目標。現在在許多現代設施中使用的性能儀表板可以幫助成熟的晶圓廠確定任何問題的根本原因。
動態績效管理的其他重要元素包括：
清晰的問題解決流程。晶圓廠應創建工作輔助工具，例如模板和清單，以促進不同的流程并改善輪班交接。還應該有一個明確的過程來處理不斷升級的問題。
培訓。樓層領導可能習慣于更非正式的績效對話過程，并需要就指標和目標進行培訓。理想情況下，晶圓廠將對任何新工藝進行試運行，并征求運營商關于哪些有效以及哪些需要改變的反饋。然后，他們可以在擴大規模之前進行更改。
定期對話。操作員和主管應在每班結束時在白板前進行約 5 到 10 分鐘的對話。他們可以有一個標準的議程并記錄任何出現的問題以供以后討論。領導者應該記住，提供積極的反饋與在績效對話中審查問題一樣重要。
自動化儀表板和動作跟蹤。晶圓廠最初可能使用手動儀表板，但最終可以將它們自動化以節省時間并提高透明度。理想情況下，儀表板應該包含便于查看和解釋關鍵數據的視覺效果，這些數據應該經常更新。
在員工習慣于長期流程的晶圓廠，最大的實施障礙可能涉及心態和行為。從歷史上看，鑒于成熟晶圓廠注重降低成本，對提高產量的做法的重要性一直很低，大多數領導者都傾向于忽視它們。為了獲得最佳結果并保持進步，領導者應確保通過就組織的近期優先事項進行清晰的溝通，直接解決思維定勢問題。
隨著車輛變得越來越復雜、電氣化和自動駕駛，它們的半導體含量將增加到更高的水平。這可能會加劇當前汽車芯片的短缺，導致OEM的生產進一步放緩。成熟的晶圓廠無法在一夜之間解決汽車半導體的嚴重短缺問題，但他們現在可以采取措施開始緩解這個問題。
