Kriittisen polun hallinta työkaluna uuden teknologian hallittuun käyttöönottoon elektroniikkatuotannossa Pekka Maijala, Jaakko Paasi, Pasi Tamminen VTT Tuotteet ja tuotanto, PL 1306, 33101 Tampere Email: jaakko.paasi@vtt.fi Tiivistelmä Me olemme VTT:llä kehittäneet uuden menetelmän Kriittisen polun hallinta (CRIPMAN, Critical Path Management) uuden teknologian hallittuun käyttöönottoon. CRIPMAN-menetelmällä tunnistetaan ne tarkasteltavan kohteen osat koko tuotteen arvoverkostossa, jotka ovat uuden teknologian hallitun käyttöönoton kannalta kriittisiä. Menetelmä on geneerinen, joten se soveltuu moniin erilaisiin kohteisiin. Tässä paperissa esitämme CRIPMAN-menetelmän yleiset periaatteet sekä kaksi rajattua sovellusesimerkkiä, joista ensimmäinen liittyy staattisen sähkön (ESD) hallintaan automaattisilla tuotantolinjoilla ja toinen tuotelogistiikan turvallisen toiminnan varmistamiseen. 1. Johdanto Elektroniikan kehitys tuo koko ajan uusia haasteita elektroniikkatuotannolle. Uutta teknologiaa tulee alati kiihtyvällä tahdilla olemassa oleviin tuotteisiin ja tuotantoprosesseihin [1]. Uusi teknologia synnyttää myös kokonaan uusia tuotteita ja prosesseja. Uuden teknologian hallitun käyttöönoton merkitys kasvaa koko ajan elektroniikkatuotannossa. Uuden teknologian hallittu, oikea aikainen, käyttöönotto tuotteen koko arvoverkostossa edellyttää teknologiaosaamisen, tulevaisuuden ennakoinnin, riskienhallinnan ja yritysverkostojen liiketoiminnan kehittämisen lähestymistavat yhdistävää toimintamallia. Askeleena tähän suuntaan me olemme kehittäneet Kriittisen polun hallinta menetelmän (CRIPMAN Critical Path Management). CRIPMAN-menetelmällä tunnistetaan ne tarkasteltavan kohteen osat koko tuotteen arvoverkostossa, jotka ovat uuden teknologian hallitun käyttöönoton kannalta kriittisiä. CRIPMAN antaa vastauksen mm. seuraaviin kysymyksiin: -mihin ennakoiviin toimenpiteisiin tulee ryhtyä, kun kriittisellä polulla olevia toimintoja muutetaan? -miten hallitaan kriittiseen polkuun kohdistuvat normaalista poikkeavat tilanteet? Tässä työssä esittelemme kriittisen polun hallinta (CRIPMAN)-menetelmän periaatteet sekä annamme todellisia esimerkkejä, miten sitä on sovellettu käytäntöön elektroniikkatuotannossa.
2. Kriittisen polun hallinta -menetelmä Kriittisen polun hallinta (CRIPMAN) menetelmässä tarkasteltava kohde, arvoverkosto tai sen tietty osa, kuvataan kriittisen polun, sen eri vaiheiden ja näihin liittyvien toimintojen avulla, kuva 1. Kriittisen polun määrittäminen auttaa hahmottamaan tarkasteltavan kohteen toiminnallisen rakenteen. Näin saadaan kaikille arvoverkoston osapuolille yhteinen kokonaiskuva tuotteen elinkaareen liittyvistä vaiheista ja toiminnoista. Lisäksi jokainen arvoverkoston toimija pystyy hahmottamaan selkeämmin oman roolinsa ja sen vaikutuksen arvoverkoston liiketoiminnassa. Kuva 1 Tarkasteltava kohde, kriittinen polku, sen vaiheet ja toiminnot. Kriittisen polun hallinta (CRIPMAN) menetelmä voidaan jakaa viiteen vaiheeseen, kuva 2. Menetelmä on geneerinen, joten sitä voidaan soveltaa hyvin erilaisiin kohteisiin ja tilanteisiin. Usein riittää menetelmän pelkistetty sovellus, kuten näemme luvun 4 case-esimerkissä. CRIPMAN-tarkastelu aloitetaan tarkasteltavan kohteen määrittelyllä. Tähän liittyy kohteen vaiheiden ja toimintojen kuvaus ja mallintaminen, kohteen rajaus ja liittymät sidoskohteisiin sekä kohteen nykyisen ja tulevaisuudessa tavoitteena olevan toiminnan kuvaus. Toisessa vaiheessa määritellään tuotteen arvoverkoston tai sen tietyn osan kriittinen polku. Tähän liittyy kriittisen polun vaiheiden ja niihin liittyvien toimintojen tunnistaminen erikseen määriteltyjen kriteerien pohjalta, kuva 2. Samalla määritetään kriittiseen polkuun liittyvät toiminnalliset tavoitteet ja hälytysrajat poikkeamille. Kolmannessa vaiheessa tutkitaan riskianalyysin menetelmillä kohteen kykyä ja valmiutta hallita muutoksia ja normaalista poikkeavia tilanteita. Tähän liittyy kriittisen polun systemaattinen analysointi vaiheittain ja niihin liittyvien toimintojen osalta. Tuloksena saadaan kattava näkemys koko kriittisen polun kyvykkyydestä ja haavoittuvuudesta sekä nykyisten että tulevaisuuden tavoitteiden suhteen. Neljännessä vaiheessa arvioidaan kriittisen polun kyvykkyyttä ja haavoittuvuutta kvantitatiivisten ja kvalitatiivisten tunnuslukujen avulla. Arvioinnin tulosten pohjalta saadaan priorisoitua tärkeimmät kehittämiskohteet ja tarvittavat ennakoivat toimenpiteet muutosten toteuttamiseksi. Viidennessä vaiheessa dokumentoidaan kriittisen polun hallintamalli, joka sisältää tuotteen koko arvoverkoston kattavat vaatimukset ja toimintaohjeet sekä poikkeamatilanteiden että tiedonkulun hallintaan liittyvät käytännöt. Mallin avulla tuotteen arvoverkosto varmistaa kriittisen polun vaiheiden ja toimintojen optimaalisen ja jatkuvan hallinnan tuotteen elinkaaren kaikissa vaiheissa. Kuva 2 Kriittisen polun hallinta CRIPMAN menetelmän toteutusvaiheet.
Jotta CRIPMANin käytöstä saadaan täysi hyöty, tulee tehty työ dokumentoida huolellisesti. Mahdollisten erillisten analyysilomakkeiden lisäksi tulee laatia yhteenvetoraportti, jotta myöhemmin voidaan todeta, mitä ja miten on tehty, ketkä analyysin tekemiseen ovat osallistuneet ja mitkä ovat analyysin keskeiset tulokset ja jatkosuunnitelmat. Tällöin tulosten hyödyntäminen ja päivittäminen myöhemmin on helpompaa. Laadittujen toimenpide-ehdotusten toteuttamiseksi sovitaan jatkotoimenpiteistä, nimetään asioille vastuuhenkilöt ja laaditaan aikataulut. Asioiden etenemistä voidaan valvoa esimerkiksi yhteiskokouksissa tai erikseen sovittujen seurantakokousten avulla. 3. Sovelluscase 1: ESD-hallinta automaattisessa elektroniikkatuotannossa Ensimmäinen CRIPMAN-sovellusesimerkkimme liittyy staattisen sähkön purkausten (ESD) hallintaan automaattisessa elektroniikkatuotannossa. Eräällä elektroniikkavalmistajalla oli tulossa tuotantoon suuria volyymejä uusia tuotteita, jotka sisälsivät aiempiin tuotteisiin verrattuna staattiselle sähkölle merkittävästi herkempiä komponentteja. Yrityksellä oli olemassa ESD-hallintaohjelma, mutta siinä ei juurikaan kiinnitetty huomiota automaattisten tuotantolaitteiden ESDominaisuuksiin. Uhkana oli se, että uuden teknologian (tässä uuden sukupolven puolijohdekomponenttien) käyttöönotto ei tapahtuisi hallitusti vaan tuloksena olisi merkittäviä tuotantotappioita viallisten tuotteiden muodossa tai, mikä vielä pahempaa, viallisia tuotteita pääsisi merkittäviä määriä markkinoille. Riskien minimoimiseksi lähdettiin tarkastelemaan automaattisten tuotantolinjojen kyvykkyyttä käsitellä turvallisesti hyvin ESD-herkkiä komponentteja. Tavanomaisella tuotantolinjalla esiintyy tuhansia kohteita, joissa esiintyy staattista sähköä. Näistä vain harvat ovat todellisia riskitekijöitä elektroniikkakomponenteille. CRIPMAN-tarkastelussa määritimmekin seuraavaksi ne kohteet, joissa riski komponentin ESD-peräiselle vikaantumiselle oli potentiaalisesti merkittävä. Toisin sanoen, määritimme komponentin kriittisen polun tuotantolinjalla. Tämän jälkeen rajoituimme tarkastelussa tähän kriittiseen polkuun. Kriittisellä polulla oli useita vaiheita, kuten komponenttiladonta ja testaus, sekä toimintoja, kuten komponentti- tai piirikorttisiirrot, jotka muodostivat potentiaalisen ESD-riskitekijän. Eri vaiheissa oli paljon yhteisiä toimintoja, mikä osaltaan yksinkertaisti tarkastelua entisestään. ESDriskien suuruus määritettiin asiantuntija-arvioinneilla ja käytännön mittauksin. Kuvassa 3 on esitetty esimerkinomaisesti mittaus, jossa tutkittiin piirikortin varautumista kuljettimella. Mittaustulosten sekä muiden käytössä olleiden tunnuslukujen avulla saatiin määritettyä kriittisimmät kohteet tuotantolinjalla, priorisoitua tärkeimmät kehittämiskohteet ja tarvittavat ennakoivat toimenpiteet muutosten toteuttamiseksi. CRIPMAN-tarkastelu mm. paljasti sen, että jotkut tuotantolaitteissa yleisesti käytetyt materiaalit eivät täyttäneet uuden tuoteteknologian asettamia vaatimuksia. Tarkastelun tuloksena syntyi myös ehdotus siitä, millaiset materiaalit täyttäisivät nämä vaatimukset. Joidenkin materiaalien osalta tilanne vaati välittömiä toimenpiteitä.
Toisissa, vähemmän kriittisissä, tapauksissa muutosten toteuttamiselle sallittiin pidempi aikataulu. Tarvittavia muutoksia olemassa oleviin tuotantolaitteisiin lähdettiin tämän jälkeen suunnittelemaan ja toteuttamaan yhdessä laitevalmistajien- ja toimittajien kanssa. CRIPMAN-tarkastelun tuloksena laadittiin myös toimintaohjeet, miten ESD-riskit otetaan huomioon uusissa tuotantolaitteissa. Esimerkkicase on raportoitu staattisen sähkön hallinnan kannalta tarkemmin lähteessä [2]. Kuva 3 Esimerkki CRIPMAN-tarkastelussa käytetystä kohteen kyvykkyyden arvioinnista. Tässä tapauksessa se merkitsi piirikortin sähköstaattisen potentiaalin mittaamista kortin liikkuessa kuljettimella. 4. Sovelluscase 2: Tuotelogistiikan turvallisen toiminnan varmistaminen Toinen CRIPMAN-sovellusesimerkkimme liittyy tuotelogistiikan turvallisen toiminnan varmistamiseen. Ongelma oli seuraava: Yrityksen A tuotteen loppukokoonpano tapahtui kaupungissa X. Piirikortit valmistettiin alihankkijalla kaupungissa Y. Yritys A oli hiljan muuttanut tuotepakkauskonseptiaan kustannusten säästämiseksi. Samanaikaisesti myös tuotteen piirikortin valmistusmenetelmissä oli tapahtunut muutoksia. Muutosten seurauksena yritykselle A saapuvien viallisten korttien määrä kasvoi merkittävistä, mutta syytä vioittumiselle ei oltu kyetty tunnistamaan. Tarkastelu aloitettiin kohteen ja sen kriittisen polun määrittelyllä. Kriittiseen polkuun sisältyi keskeisesti tuotelogistiikka. Käytetyn logistiikkaketjun vaiheet ja toiminnot kuvattiin. Poikkeamille asetettiin hälytysrajat (tuotteen maksimikiihtyvyys, jne.). Logistiikkaketjun toimintaa tutkittiin STAHA-mittalaitteella [3], joka sijoitettiin tuotepakkaukseen piirikortin sijasta. STAHA-mittalaite rekisteröi tuotteeseen logistiikan aikana kohdistuvat kiihtyvyys-, lämpötila- kosteus ja EMI-rasitukset. Esimerkki logistiikan aikaisista tuoterasituksista matkalla alihankkijalta yritykselle A on esitettynä kuvassa 4. CRIPMAN-tarkastelu mm. paljasti sen, että tuotteeseen kohdistui esimerkkikuljetuksessa 4 kpl yli 20 g:n mekaanisia rasituksia, jotka tapahtuivat kolmessa eri käsittelykeskuksessa. Lisäksi tuote altistui nopeille ilman kosteuden muutoksille sekä EMI/ESD-purkauksille. Analyysin seurauksena päädyttiin siihen, että esimerkkitapauksessa maksimissaan 60 g:n suuruiset mekaaniset rasitukset olivat syy piirikortin vioittumiselle. Rasitukset tapahtuivat logistiikkakeskuksessa lajittelussa. Ongelma poistui, kun pakkauskonseptia kehitettiin kestämään kiihtyvyysrasitukset aiempaa paremmin. Kuva 4 Esimerkki CRIPMAN-tarkastelussa käytetystä tuotelogistiikan arvioinnista. Tässä tapauksessa se merkitsi logistiikan aikaisten tuoterasitusten mittaamista tarkoitukseen kehitetyllä mittalaitteella.
5. Yhteenveto Me olemme kehittäneet uuden menetelmän varmistamaan uuden teknologian hallittua käyttöönottoa. Kriittisen polun hallinta (CRIPMAN) menetelmällä tunnistetaan ne tarkasteltavan kohteen osat, jotka ovat uuden teknologian hallitun käyttöönoton kannalta kriittisiä. Tuloksena syntyvän kriittisen polun hallintamallin avulla tuotteen arvoverkosto varmistaa kriittisen polun vaiheiden ja toimintojen optimaalisen ja jatkuvan hallinnan tuotteen elinkaaren aikana. Viitteet [1] International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 2003 http://public.itrs.net [2] J. Paasi, P. Tamminen, T. Kalliohaka, H. Kojo, K. Tappura, ESD control tools for surface mount technology and final assembly lines, Proc. EOS/ESD Symp. EOS-24 (2002), ss. 250-256. [3] Petri Pekkala, STAHA-uutiset nro 14 (2002) http://www.vtt.fi/virtual/staha/staha/stahanews/nro14.pdf
ARVOVERKOSTO Kriittinen polku LOPPU- KÄYTTÄJÄT Vaiheet Toiminnot Kuva 1 Tarkasteltava kohde, kriittinen polku, sen vaiheet ja toiminnot. Tarkasteltavan kohteen määrittely Tuotteen arvoverkoston kriittinen polku Kyky ja valmius hallita muutoksia ja normaalista poikkeavia tilanteita Kehittämistoimenpiteiden priorisointi Kriittisen polun hallintamalli Kuva 2 Kriittisen polun hallinta CRIPMAN menetelmän toteutusvaiheet.
Conveyor 0 Electrostatic voltmeter PWB Probe Electrostatic potential [V] -50-100 -150-200 0 1 2 3 4 Time [s] Kuva 3 Esimerkki CRIPMAN-tarkastelussa käytetystä kohteen kyvykkyyden arvioinnista. Tässä tapauksessa se merkitsi piirikortin sähköstaattisen potentiaalin mittaamista kortin liikkuessa kuljettimella. 70,0 Kiihtyvyys(g), Lämpötila(C), Kosteus(%) 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0-10,0-20,0-30,0 12.12.01 11:04 12.12.01 12:36 12.12.01 14:18 12.12.01 16:04 12.12.01 17:50 12.12.01 19:34 12.12.01 21:00 12.12.01 22:46 12.13.01 0:32 12.13.01 2:18 12.13.01 4:04 12.13.01 5:50 12.13.01 6:13 12.13.01 6:15 12.13.01 6:16 12.13.01 6:17 12.13.01 7:09 12.13.01 8:50 12.13.01 10:36 12.13.01 12:22 12.13.01 14:08 12.13.01 15:54 12.13.01 17:40 12.13.01 19:26 12.13.01 21:12 12.13.01 22:58 12.14.01 0:44 12.14.01 2:30 12.14.01 4:16 12.14.01 6:02 12.14.01 7:48 12.14.01 9:34 12.14.01 11:20 12.14.01 13:06 12.14.01 14:52 12.14.01 16:38 12.14.01 18:24 12.14.01 20:10 12.14.01 21:31 12.14.01 21:55 12.14.01 22:30 12.17.01 1:35 12.17.01 3:21 12.17.01 5:07 12.17.01 6:53 12.17.01 8:39 Kiihtyvyys ESD Lämpötila Kosteus Kosteus keskiarvo Lämpötila keskiarvo Kuva 4 Esimerkki CRIPMAN-tarkastelussa käytetystä tuotelogistiikan arvioinnista. Tässä tapauksessa se merkitsi logistiikan aikaisten tuoterasitusten mittaamista tarkoitukseen kehitetyllä mittalaitteella.