Fertigungsautomatisierung für Halbleiterkunden

SYSTEMA ist ein Dienstleister für IT-Lösungen und unterstützt Halbleiterhersteller bei der Optimierung des Digitalisierungsprozesses, der notwendig ist, um die Anforderungen der gesamten Halbleiter-Wertschöpfungskette zu erfüllen – von der Front-End-Waferproduktion bis zur Back-End-Montage und zum Testen.  Dazu gehören vor allem die Integration von Fertigungssystemen, Beratung und der Aufbau von dedizierten Automatisierungslösungen.

Einer der großen Geschäftsbereiche des Unternehmens ist die Entwicklung von Management-Software für die Halbleiterfertigung, das Manufacturing Executing System (MES). Der Kunde von Systema in diesem Bereich ist ein Münchner Unternehmen, das integrierte Schaltkreise für 4G- und 5G-Filter für einen US-Prozessorhersteller produziert.

Der Kunde benötigte qualifizierte Spezialisten für die Unterstützung von Projekten zur Fertigungsautomatisierung für einen Kunden aus der Halbleiterindustrie. Dazu benötigte er hochqualifizierte Java-Entwickler, die über Erfahrung mit Legacy-Code verfügen und beim Übergang zu neueren Technologien helfen. Systema entschied sich, die Projektarbeit an VM-Entwickler auszulagern, da es High-End-Software-Ingenieure benötigte, die sowohl gut zum Geist und zur Unternehmenskultur von Systema passen, als auch Deutsch sprechen. Außerdem bietet dies die notwendige Flexibilität, wenn ein Projekt in verschiedenen Phasen eine variable Anzahl von Programmierern erfordert.

Das Hauptziel besteht darin, das MES-System des Kunden so zu erweitern, dass es den Anforderungen der modernen Halbfertigung gerecht wird. Dazu bedarf es eines Layers für die Autriomatisierungsstandards, dermit dem MES interagiert und die Arbeitsabläufe der Anlagen für die Handhabung von Material und insgesamt automatisiert. Dies erhöht die Produktivität durch die Reduzierung von Ausschuss und Zykluszeiten.

Ziel des Projekts ist es unter anderem, eine stabile Basis zu schaffen, die es ermöglicht, immer mehr Produktionsanlagen zu automatisieren, eine vollständige Integration zu erreichen und den Grundstein für eine „Smart Factory” zu legen.

Systema entschied sich für die Zusammenarbeit mit VM-Software-Ingenieuren, um Unterstützung während des gesamten Softwareentwicklungsprozesses zu erhalten, von der Architektur über die Entwicklung bis hin zum Testen. Einer der ersten großen Meilensteine des Projekts bestand darin, einen stabilen Softwareentwicklungsprozess mit einem stabilen und effizienten Team aus internen und externen Experten zu erreichen.

Zu diesem Zweck setzten wir auf direkten Face-to-Face-Kontakt zwischen den Entwicklern und dem Kunden, die einen klassischen Onboarding-Prozess beim Kunden durchliefen und regelmäßig im Hybrid-Modus arbeiteten. Diese Form der Zusammenarbeit, teils aus der Ferne, teils beim Kunden vor Ort, wurde durch die hervorragende Eignung für einen regelmäßigen Informationsaustausch, aber auch durch die große Erfahrung und Disziplin der VM-Entwickler ermöglicht, die in diesem Modus sehr gut arbeiten. So wurde eine gute Kommunikation sichergestellt, um Pläne zu entwickeln, Erwartungen zu überprüfen oder regelmäßiges Feedback über die Qualität unserer Arbeit zu erhalten. Unsere Zusammenarbeit gliederte sich in mehrere Phasen, von der Beratung über die Entwicklung bis hin zu den Tests beim Kunden vor Ort.

Beratende Funktion

• Beschreibung der Anforderungen – Entwicklung eines Konzepts für ein Informationssystem für die Verwaltung der automatisierten Produktion von integrierten Schaltkreisen

Wir zogen einen Business Analysten hinzu, der den Kunden bei diesem Prozess unterstützte. Gemeinsam mit dem Team des Kunden entwickelte er das Geschäftskonzept und erstellte das Lösungsdesign – eine Beschreibung der funktionalen Anforderungen, einschließlich einer Beschreibung der Datenbankstruktur und der erforderlichen Komponenten (der bereits vorhandenen und der neu zu programmierenden).  Eine Aufzeichnung der Ergebnisse der Analyse der entworfenen Lösung wurde unter Verwendung der BPMN- und UML-Notation bei der Modellierung von Geschäftsprozessen und Datenstrukturen erstellt. Die gesamte Dokumentation des Konzepts wurde im Tool Enterprise Architect (EA) erstellt, das von den Entwicklern verwendet wird, und auf dessen Grundlage sie ihre Aufgaben ausführen.

• Entwicklung eines agilen Managementsystems 

Um den Prozess zu straffen, haben wir dem Team einen Scrum Master hinzugefügt, der sich um die planmäßige Ausführung der Aufgaben kümmert. Obwohl wir hier kein vollständiges Scrum verwenden, ist der gesamte Entwicklungszeitraum in monatliche Sprints unterteilt. Außerdem gibt es mehrere “Daylies”, tägliche Treffen von Systemarchitekten, Entwicklern und Projektmanagern in einer Scrum-ähnlichen Art und Weise. Die Aufgaben werden im Azure DevOps-System ausgeführt. VM war Vorreiter bei der Anwendung dieser Art von Methodik beim Kunden, dank derer die Ausführung von Aufgaben nach einem Zeitplan erfolgt und man jeden Tag weiß, was erledigt wurde.

Entwicklung von Software zur Verwaltung und Automatisierung des Produktionsprozesses

Der Arbeitsumfang erstreckt sich über mehrere Phasen der Softwareentwicklung, beginnend mit der Diskussion der Anforderungen mit dem Kunden, der Bereitstellung der Softwarearchitektur, der Entwicklung des Quellcodes und dem Testen des Produkts. Unsere Arbeit ist in drei Geschäftsbereiche unterteilt.

Projekt Nr. 1 – Dedizierte SAP MES-Schnittstellen, Anpassung der Datenbankstrukturen und Beratung

• SAP PM-MES

Systema erweitert das bestehende SAP PM-MES-System für die Fertigungsindustrie. Spezialisten von Systema und VM führen dort Standardlösungen ein, wenden ein kundenspezifisches Template an und liefern maßgeschneiderte Erweiterungen für die Bedürfnisse des Kunden, um dessen Anwendungsfälle vollständig abzudecken.

Herausforderung

SAP-Systeme sind Standardlösungen, die keine maßgeschneiderte Integrationsschnittstelle für die kundenspezifischen Lösungen einiger Hersteller bieten wird. Daher brauchten die Kunden Experten für einzigartige maßgeschneiderte Lösungen, die kundenspezifische Erweiterungen für bestehende Landschaften erstellen können.

Umfang 

VM-Entwickler sind für die kundenspezifische Entwicklung in einer Komponente des SAP-Systems für Kundensysteme zuständig. Dies liegt daran, dass die Fertigung in der Halbleiterindustrie hoch spezialisiert ist. In diesem Fall verwendet der Kunde das SAP-ERP-System (das von vielen großen Fertigungsunternehmen eingesetzt wird), das über ein Zusatzmodul SAP PM verfügt, das mit dem kundenspezifischen MES integriert ist. SAP PM (Plant Maintenance) wickelt die Wartungszyklen der Produktionsanlagen ab und bietet Wartungszähler/Zeitgeber, Wartungsaufträge, Verwaltung der Technikerfähigkeiten usw. Die Programmierer haben die Aufgabe, spezielle SAP-Schnittstellen zu schreiben, die Datenbankstrukturen anzupassen und technische Beratung auf Codebasis entsprechend den aktuellen Bedürfnissen des Kunden zu leisten.

• SAP ME/MII 

Dies ist ein weiteres Projekt in Systemas SAP-Abteilung, in der unsere Entwickler in diesem Bereich mit verschiedenen Teams an unterschiedlichen Programmen arbeiten, mit ihrem Wissen und ihrer umfangreichen Erfahrung.

Herausforderung

Die Vielfalt der Produktionsprozesse erfordert eine kundenspezifische Automatisierung der Produktionsprozesse und eine Anpassung der Standard-SAP-Funktionen, wie z.B. die automatische Montage von Komponenten im System, die Erfassung von Arbeitskräften, Arbeitspläne und Reaktionen auf Fehlercodes in der Produktion. Unterschiedliche Fertigungstypen erfordern unterschiedliche Anlagenintegration, unterschiedliche Daten in der Kommunikation zwischen anderen SAP-Systemen wie SAP EMW oder sogar Drittanbietersystemen unter Verwendung von Standard-IDOC/RFC oder Webservices. Eines der Hauptziele ist oft auch die Erstellung von hochgradig angepassten PODs (Production Operator Dashboards) oder Berichten für die High-Level-Analyse von KPIs.

Umfang 

In diesem Projekt verwenden wir JavaScript (SAP UI5) für das Frontend, Java SDK für das Backend, und der dritte Teil wird von MAI, einer Blockchain-Software, erstellt (wir spiegeln vorgefertigte Funktionen und passen sie an, indem wir sie zu Algorithmen kombinieren).

Das SAP MES (Manufacturing Execution Suite) Projekt umfasst die folgenden Objekte:

• SAP ME (Manufacturing Execution) 

– Verwaltung UND Steuerung aller Prozesse in der Produktion auf der Grundlage von ERP-Unternehmensmanagementvorgaben.

– ME zeichnet alle Informationen über das hergestellte Produkt während des Produktionsprozesses auf und bildet somit die Grundlage für den digitalen Zwilling.

• SAP MII (Fertigungsintegration und -intelligenz)  

– Die technische Basisschicht des MES.

– Integration mit verschiedenen Systemen

– Leichte Implementierung neuer Funktionalitäten

• SAP MEINT (Manufacturing Execution ERP Integration)

– Erleichtert die Kommunikation zwischen SAP ERP und SAP ME durch die Verwendung von z.B. XSLT

– Kommunikationsmethoden:

SAP ERO->SAP ME: Idoc->XML

SAP ME->SAP ERP:XML->BAPI / RFC-Aufruf

• SAP PCo (Werkskonnektivität) 

– PCo ermöglicht es Ihnen, in einer Sprache zu kommunizieren, die von Maschinen und deren Steuerungssystemen (SPS) verstanden wird.

– Steuerung von Maschinen durch das Bereitstellen und Ausführen von Aktionen

– Abfrage von aktuellen Daten aus der Maschine

Ergebnis 

Systema arbeitet mit VM-Entwicklern zusammen und nutzt deren Wissen und umfangreiche Erfahrung. Abhängig von den Projektanforderungen werden die richtigen Spezialisten ausgewählt.

Projekt Nr. 2 – Integration von Maschinen in die Automatisierungslandschaft

Das nächste Projekt ist die Maschinenintegration, bei der mehrere Programmierer die Automatisierungsschicht entwickeln, die den Prozessablauf der Maschine steuert und sie direkt mit dem MES und der maschinenexternen System-Kommunikationsschnittstelle verbindet. Es umfasst die Integration von Maschinen in die Automatisierungslandschaft, die aus zwei Modulen besteht: EQC und EQS. Die Software automatisiert die Schritte, die eine Maschine normalerweise für die Bearbeitung durchführen muss. Die Funktionalitäten werden ausschließlich im Back-End aufgebaut, indem Maschinenereignisse und -befehle auf Schritte in der Automatisierungsschicht abgebildet werden. Es handelt sich um Java-Anwendungen, die nach dem Client-Server-Framework (CSFW) von Systema erstellt wurden, und VM-Entwickler wenden sie auf spezifische Fertigungsanlagen an.

Herausforderung 

Maschinen sind nicht alle gleich. Sie sind höchst unterschiedlich, führen völlig andere Prozesse aus und sind zweckbestimmt. Das ist bereits eine der Herausforderungen: Maschinen sind anders, Prozesse sind anders à um vernünftige Automatisierungslösungen anzubieten, muss man viele Dinge verstehen und sich Wissen jenseits der Softwareentwicklung aneignen, um die Anforderungen zu erfüllen.

Umfang

Das VM-Team arbeitet mit dem Kundenteam zusammen. Der Prozess besteht aus den klassischen SDLC-Phasen für jedes Element: Analyse, Entwurf, Implementierung, Test. Der abschließende Abnahmetest findet mit der realen Anlage in der Fabrik statt. Dies wird in der Regel von Prozessingenieuren mit Hilfe von Softwareentwicklern durchgeführt.

Eigenschaften 

Die Software arbeitet so, dass sie die Schritte automatisiert, die eine Maschine normalerweise für die Bearbeitung durchführen muss. Damit wird die manuelle Bedienung der Maschine durch einen Bediener überflüssig; er muss lediglich den Prozess mit den richtigen Parametern starten. Die Funktionalitäten sind ausschließlich in der Back-End-Schicht angesiedelt.

Projektmerkmale:  

• Industrienormen
• Kommunikation über Werksbus, Echtzeit-Datenübertragung

Das Ergebnis des Projekts 

Die Maschinenintegration beschleunigt die Arbeit der Bediener. Außerdem erhalten wir mehrere hundert Messdaten für jeden Wafer, die im Space-, MC300- oder EADOS-Format erstellt werden.

Projekt Nr. 3 – Automatisierungssoftware für das Halbleiter- und Fertigungsmanagement

In diesem Projekt erstellen unsere Entwickler Produkte für die Kunden unseres Auftraggebers in den Bereichen Halbleiter- und Fertigungsmanagement-Automatisierungssoftware. Der Projektumfang umfasst verschiedene Aufgaben im Zusammenhang mit der Automatisierung des Produktionspfades, wie z.B. die Verbindung von Systemen, die Verbindung von Maschinensoftware und die Historisierung von Daten für Auditzwecke. Die Lösung basiert auf einer Microservices-Architektur. Zwei webbasierte Benutzeroberflächen sind ebenfalls Teil der Lösung – eine konfiguriert den Produktionsprozess, die andere überwacht den Produktionsfluss.  Herausforderung

Die größte Herausforderung bei diesem Projekt ist die große Menge an Daten, die verarbeitet und korrekt dargestellt werden müssen. Es ist eine Herausforderung, riesige Datenmengen zwischen mehreren Komponenten effizient zu verarbeiten. Deshalb haben wir die gesamte Microservice-Architektur mit Tibco MOM übernommen. Außerdem erweitern wir das bestehende Kernsystem. Natürlich bringen wir grundlegend neue Aspekte für unsere Kunden ein, aber dennoch baut es auf dem bestehenden Fundament auf.

Ansatz
Das Projekt befindet sich nun im 4. Jahr und wird immer noch fortgesetzt. Im Allgemeinen handelt es sich um eine verteilte Lösung; VM-Entwickler bauen bestimmte Software-Stufen. Das Ziel ist es, Software zu schreiben, den gesetzten Standards entspricht. Um dies zu erreichen, sammeln wir Anforderungen, um die Schnittstelle zu definieren, z. B. wie man zwischen bestimmten Anwendungen wechseln kann.

Ergebnisse

Durchführungen eingeschlossen:

• Ein Stammdatenverwaltungssystem für die Einrichtung der Stammdaten des Systems und damit die Form des “digitalen Zwillings” der Fabrik,
• Eine Ausführungsmaschine für die Ausführung erweiterter Fertigungsautomatisierungsszenarien während der Verarbeitung von Waren
• Grundlegender Rahmen für Systemintegration und Kommunikation

Vorgehen

Die Software wird weiter entwickelt; wir entwickeln die verschiedenen Teile der Prozessautomatisierung.

Im Rahmen dieser komplexen Projekte konnten wir schnell in den Entwicklungsprozess einsteigen und die Systeme des Kunden in kürzerer Zeit entwickeln. Derzeit arbeiten wir zusammen mit dem Team des Kunden mit Unternehmen von Weltrang zusammen.

Wir haben mehr als 20 Ingenieure mit umfassender Erfahrung und hoher Kompetenz in das Projekt eingebunden. Wir waren an der Entwicklung des Konzepts der gesamten IT-Lösung beteiligt und haben an der Umsetzung und der Implementierung der Pilotlösung mitgewirkt. Derzeit setzen wir die Entwicklungsarbeit fort und sind Teil des Teams des Kunden, das neue Mitarbeiter, die am Projekt beteiligt sind, schulen kann.