智能工厂项目在PCB行业内的应用探讨

2019-11-07 11:55:17 移动通信 2019年9期

王琳 李军祥

【摘  要】基于目前智能手机的普遍应用,各智能手机厂商对其上游供应商印制电路板板厂生产的基板的可追溯性及产品质量提出了更高的要求。通过研究O公司研发出来的智能工厂项目在PCB领域内的管理应用,以期能够更好地推广该项目。以大量的实物、数据以及专业领域内的数据统计作为分析模型,分析了该项目存在的理论基础,也通过具体的事例验证了该项目在PCB领域内存在的必要性。该研究对于PCB以及更广泛的制造业来说都有参考价值,能够在追溯及产品质量监管上提供切实的帮助。

【关键词】印制电路板;智能工厂;制造业生产过程执行系统;工业4.0

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.016        中图分类号:F273.1

文献标志码:A        文章编号:1006-1010(2019)09-0086-06

引用格式:王琳,李军祥. 智能工厂项目在PCB行业内的应用探讨[J]. 移动通信, 2019,43(9): 86-91.

Discussion on the Application of Smart Factory Project in PCB Fields

WANG Lin, LI Junxiang

[Abstract] Based on the current widespread use of the smartphones, smartphone manufacturers raise higher requirements on the traceability and product quality of the substrates produced by the upstream printed circuit board (PCB) suppliers. Through investigating the management application of the smart factory project developed by O company in the PCB field, it is expected to further promote the project. This paper analyzes a large amount of entities, data and statistical data in the professional field, and shows the theoretical basis of the research project and the necessity of the project in the PCB field based on concrete examples. The research gives a reference for PCB and the wider manufacturing industry, and provides practical help in product quality supervision and traceability.

[Key words]PCB; smart factory; MES; traceability; statistical Analysis; I4.0

1   引言

智能手机已经是人们生活中必不可少的工具,并且在相当长的一段时间内是无法替代的。2014年7月发布的《第34次中国互联网络发展状况统计报告》显示,早在2014年6月,我国手机网民规模就已达5.27亿,网民中使用手机上网的人群占比高达83.4%,手机网民规模首次超越了传统PC网民规模。而2018年1月发布的《第41次中国互联网络发展状况统计报告》显示,截至2017年12月,我国手机网民规模达7.53亿,网民中使用手机上网人群的占比由2016年的95.1%提升至97.5%。所以,随着智能手机的普及并且伴随着其功能越来越强大,各大智能手机制造商对手机的主板要求提出了更高的要求,主板面积越来越小,集成度越来越高,主板上线路越来越密集,主板层次越来越多。作为手机主板的直接制造者,PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)板厂同样面临着巨大的挑战[1]。

举例来说,随着5G时代的即将到来,智能手机和其基站将同步推进,智能手机也将逐步开始按照5G射频架构设计,这其中最为关键的就是5G天线。以LCP(液晶聚合物材料)为代表的5G天线成为了各大智能手机抢夺5G市场的重要利器。天线的设计重要趋势是集成天线的射频前端电路在更小更精密的电路板上,并且这种电路板要求低能耗、高度灵敏性以及密闭性,这些特性都要被要求在小小的PCB电路板上实现出来。所以为了应对手机商这些上游客户对电路板的品质要求,并且还要保证可以对投放到市场的电路板实现可追溯性,这就要求了PCB板厂需对生产出来的每一块PCB板子进行标号,录入信息,方便以后应对手机厂商的跟踪查询以及厂内良率的统计分析。这对于PCB行业传统流程来说是一个全新的挑战甚至是革命性变化,PCB行业需要花费大量的人力物力来统计,并且甚至要更改现有的生产制程,才能满足上游客户的这些要求,故PCB产业是一个高度定制化、分散与充满竞争的行业。

纵观PCB产业发展史,过去的十年是其快速发展时期。近年來,随着人工成本的增加以及环保法令的加强,PCB产业整体呈现出来低增长、低利润、低发展的趋势。如果还要投入新的成本去满足可追溯性需求,势必引发新一轮的洗牌。

作为全球PCB行业设备供应商的O公司,着力开发了适应PCB新需求的智能工厂项目,可以有效地降低客户的成本,满足上游客户的要求。本文通过对智能工厂项目进行详细的解读及分析来展现智能工厂项目广泛的应用前景。

2   传统PCB生产现状

PCB即印制电路板,又叫印刷电路板或线路印刷板,我们简称印制板。其基本理念是在特殊的基材上,用导电的材料根据预先由CAD或者其他软件制成的电子线路、及印制元件或者两者结合的导电图形,通过特殊工艺加工后制作完成印制电路,最终的成品板称之为印制电路板。从现实中看,几乎每种电子设备,比如小到电话手表、小型计算器,大到大型计算机、高端的通信电子设备或者基站,只要需要用到集成电路等电子元器件,并且为了它们之间可以实现電气互联,就都必须使用印制电路板[2]。在目前的高度集成状态下,为了最大化地节约成本,PCB板厂会尽可能将板子的最小单元(Unit)密集排布,Unit为最小单位,然后若干单元组成一条数组(Array),若干数组组成一个完整的嵌板(Panel),如图1所示。按照目前智能手机厂家的要求,要对每一个单元的信息进行编号登记,要做到可追溯、可分析。

按照目前的通行办法,大多数PCB板厂使用人工手动画记号的方式对每个单元进行前期查看,以一种效率十分低下的方式进行处理,如图2和图3所示:

PCB板子是多层压合在一起的,少则2层,多则甚至可达20层,首先处理的是在内层标记好后跟次外层一起压合在一起,因此还需要对次外层的单元进行标记,同时要将内层已经标记过的不良单元通过激光镭射或者其他方法让其显露出来,然后依次继续压合其他层别,并使用同样的方法进行处理,直到外层压合结束,最终的结果如图4所示。通过打报废设备将不良单元剔除掉,但其中的风险在于,如果在人工标识出现了纰漏,导致内层标的错误,或者层别序号弄混乱,最终致使不该被剔除的单元被误剔除,而品质异常需要被追溯的单元反而被保留,那么最终流入到消费者手中的产品将为不良品,并且PCB流程工序复杂,相应的人工成本也高居不下,如表1所示。所以对于这种耗费人力的工作,迫切需要一种科学并且简捷的方式进行替代。

3   O公司智能工厂项目简介

O公司作为全球知名PCB设备供应商,PCB制造相关核心流程中都要使用O公司的设备,所以借助于这个先天优势,在详细分析并整合PCB生产制造流程数据后,提出了以MES(Manufacturing Execution System,制造业生产过程执行系统)为基础的“智能工厂”项目概念。

理想中的智能PCB制造企业的框架如图5所示,以管理信息化、生产调度智能化、产线自动化、物流无人化为主要目的搭建智能化生产平台。其中基于PCB制造的管理信息化是将生产ERP(Enterprise Resource Planning,企业资源计划)系统中的库存、采购、品质以及生产计划等相关信息提前与智能工厂项目数据平台对接。生产调度智能化以可视化排程系统进行生产排程,遇到突发急单或紧急加件时,可以通过可视化排程系统内部优化关键路径,以物料最小库存为基底保证随时调整生产进度。产线自动化是以全自动生产设备并辅助智能机器人,通过集成式智能产线单元发送指令,在工单管制、远程监控等方面实现自动化控制。物流无人化以AGV(Automated Guided Vehicle,自动搬运机器人)将相关物料、半成品及成品按照产线信息化平台发送的指令自动送达到各个工位,减少人工干预。

基于图5的PCB智能工厂架构,要能同时整合四大功能化模块,这就是O公司提出的智能工厂项目所要实现的功能,如图6所示。基于MES为核心的智能工厂项目将上游ERP系统及下游设备层结合在一起,其本身提供物流调度、设备排程、工业文件管理等相关影响PCB制造生产的核心数据,扮演着生产大脑的作用,实时发布相关指令到各制程环节,完成智能化生产及调度。

智能工厂项目在PCB各制程中,通过导入二维码,将所有PCB单元在各制程中通过唯一的二维码进行串联。在ODS(Operational Data Store,操作数据存储)系统中进行数据库整合,实现单元信息的唯一性、可追溯性和可识别性[4]。该构架是:首先,需要架构二维码生成设备;其次,需要架构相应的软件支持二维码的读取及记录;再次,需要架构后端AOI(Auto Optical Inspector,自动光学检测)检修的二维码整合功能;最后,架构完整数据流ODS供后端报废追踪。整体的智能工厂项目流程如图7所示。

4   智能工厂项目追溯优势

智能工厂项目在PCB板厂中可以大量地节约人工成本,并且追溯准确率非常高,最大化地避免了人工干预的影响,并可为管理层提供详实的数据支撑,为流程改善提供精确的数据模型。

在成本支出方面,通过核算比较,PCB线路制程可以放弃目前的人工统计方式。基于一般PCB板厂的制程配置中,每个制程每个班次可以节约至少2个人力。

在统计精确率方面,由于是使用二维码标记信息,保证了每块板子及每个单元都有可依据的信息,这些信息里面详细涵盖了具体的料号、层别、批号、序号、缺陷数量、缺陷坐标及缺陷类型。在ODS系统内会形成详尽的数据库,通过调用数据库的内容,可以为后续报废及不良统计提供精准的数据参考。

在管理层的辅助工具方面,作为PCB板厂的管理层,除了关心上游客户即智能手机厂商对板子的可追溯性要求外,更关心的是生产出来的板子良率问题及如何改善。智能工厂项目可以通过精准的数据支撑及模型为管理层提供改善方向。

5   智能工厂项目具体应用

总体来说,目前PCB制造业大概的生产流程为接单、开料、生产(多流程)、仓储运输、成品追溯等。导入智能工厂项目后,可以在这些相关方面有着突出的应用并可以收到良好的效果。

(1)文档管理:当PCB工厂接到订单后,就要对产品的相关工艺文件进行管理,智能工厂项目提供了工艺文件PDM(Product Data Management,产品数据管理)端口,如图8所示。PDM将PCB生产流程中的CAM(Computee Aided Manufacturing,计算机辅助制造)图档、文字处理、周期等相关文档建立系统档案,并且授予不同权限的人员进行灵活编组,不同制程的人员只能查阅对应权限的文档,替代过往大部分靠纸质工单记录的模式,大大降低了数据丢失的风险,提高了工作效率,也使得工作流程规范化。

(2)物料管理:订单接到后,就要开始着手准备相关物料。生产计划由智能生产系统自动排定,仓库管理人员只需通过显示终端了解到各个制程车间的生产总需求、累计要发料的数量,并及时根据生产时间的多少来预测下一次应发料的数量和时间,以实现让仓库主动备料、准时送料的目的。同时也为了方便全程将所投递的物料的批次进行追溯,仓管人员在初次备料时,需要根据工单需求数量,自动匹配库存的批次,尽可能地减少相同工单混批。在备料时,仓管人员再手持条码枪,扫描材料条码(物料+批号)生成生产发料单(带条码,方便后工序扫描录入),然后与物料一同送到开料车间。当这些信息都录入智能生产系统后,智能生产系统就会发送指令给待命的AGV,AGV会按照指定路线去仓库去料,并运送至各个指定的工位。全程减少了人工搬运料件而带来的物料损失或者物料放置混乱问题,如图9所示。

(3)生产过程中的智能监控:当物料整理完毕,开始正式投入生产后,所有各个制程的实时数据可以通过智能工厂项目提供的监控平台实时体现出来,如图10所示的中央运行监控系统。

对于一些关键制程来说,比如PCB工艺中的LDI(Laser Direct Imaging,激光直接成像技术)曝光流程及AOI检测流程等,制造部门管理层更加需要这些核心数据单独展示出来或者将数据以报告的形式投递出来供工艺部门参考分析。这样,智能工厂项目所独有的Dash Board(面板显示)功能也会很轻松实现这个需求,如图11所示。通过网络终端,这两个独立的界面可以单独显示在管理层的个人办公电脑上,当管理者需要了解到实时的生产数据时,可以很轻松地点击浏览按钮进行查阅,如果管理者当天没有时间查看,智能终端也可以将这些数据以PDF或者管理者需要的文件格式,经邮箱系统自动发送至指定的邮箱地址中,管理者也可以通过查阅邮件的方式查阅相关内容并做出新的安排。

(4)成品追溯:对于PCB行业来说,成品追溯算是一个全新的概念,也是近年來PCB上游客户对其提出的新的要求。正如前文所说,目前的现状是基于人工制作标记,但这样的靠人工干预会产生很大误操作风险。智能工厂项目在关键的AOI及VRS(Vivo signal-Retrieval System)制程上通过二维码的标识来进行追溯定义AOI处理及VRS处理。相比较图2的人工干预,这两种流程完全采用了自动识别二维码。AOI又分为单机检验及连线检验两种模式。单机检验需要人工在第一张板子上首先定义二维码的位置,通过输入指令来控制AOI对二维码进行识别,并且检测完成后,需要手动进行翻面。不过,相对应地,无需针对背面进行再次读码的动作。如果是连线AOI检测一卷板子,需要使用整合式二维码读码器,整卷翻面后需要再读一遍二维码,同样的处理方式也要应用在VRS检测上。通过读写二维码的方式,将每片板子的信息通过网络系统上传到专用的ODS服务器上。以大数据处理方式,整合数据库,通过改善优化算法,实时统计计算每片板子的单元信息,如是否有缺陷、缺陷坐标、所在层别、所属批号、是由哪个操作员进行处理等相关追溯性信息。同样,这些相关信息也可以通过智能终端系统上传到管理者的办公电脑上,供决策层分析并针对异常进行相应的处理。

5   结论

智能工厂不仅仅是一套系统,它的核心是为了制造业将来适应新的生产模式而提前做好的基础准备。智能工厂项目在未来PCB领域中有着广泛的应用前景,作为与工业4.0及中国制造2025遥相呼应的产品[5],引进智能工厂项目可以从管理、成本、应用、分析等多方面为PCB制造企业提供完善的一站式分析及追溯帮助,可以有效降低生产成本及提供完善分析报告,为PCB制造业的长远发展提供动力及保证。通过PCB产业进一步延伸至其他相关制造业领域,为在制造业领域内推广高端智能生产提供了可以借鉴的模式。

参考文献:

[1] 刘战雄,宋广文. 智能手机与生活方式变迁及影响[J]. 科学技术哲学研究, 2018(1): 111-116.

[2] 谢平. PCB设计与加工[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2017.

[3] 辛虹. 实现PCB成品半成品的精准核算[J]. 印制电路信息, 2009(2): 54-57.

[4] 朱扬勇. 数据处理研究[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2018.

[5] 叶新锦,候勇,盛倩倩. 谈PCB产业走进智能化与工业4.0的路径[J]. 印制电路信息, 2017(5): 7-18.