談印制電路工廠的智能制造(二)
——智能制造先行代表

龔永林

本刊主編

[接上期]

3 PCB制造智能化發展先行代表

已有公開報道美國Green、德國欣興、中國勝宏、中國DGS等公司在建設智能化工廠，邁向智能制造，大致情況介紹在下。按照工業4.0——智能化的概念而言，這些公司的案例是在向建設智能工廠、實現智能制造邁進，并非說已經實現了智能制造。由于信息收集有限，有些成功的事例未能得知，因此在此有所遺漏。

3.1 美國Whelen Engineering公司與GreenSource Fabrication公司

美國Whelen Engineering公司（以下簡稱Whelen）在2016年建成了世界上第一個全自動化的PCB制造工廠， Whelen是世界上第一個完全自動化的PCB生產線，這將對美國的印制電路板制造商帶來新的希望，是試圖制造業回歸美國的一個動力。整個生產線布局是長方形的環，中間有一個控制臺，在整個傳送帶的過程中一塊完整的PCB產品完成時間從幾天減少到幾個小時，完整的自動化生產系統構成如圖2。Whelen的整條自動生產線僅兩個操作者，一個典型的PCB工廠只需8至10人。常規標準的多層板制造工藝過程分為內層電路圖形30步、層壓與鉆孔19步、外層金屬化孔到熱風整平完成63步，總共112個步驟。Whelen自動化工藝過程相對應的為7步、11步和20步，總共38個步驟，消除66%的工藝步驟。Whelen PCB工藝過程自動化的核心是連續式傳送帶式系統，如圖3所示。工廠全自動生產線的包含38個組合模塊設備實現每塊在制板數字化流轉，簡化多層印制電路板的制造工藝，消除了74個工藝步驟，也進一步減少材料消耗與廢棄物。Whelen公司原來不制造PCB，其每年要從中國購買約700萬美元PCB，現在不再依賴中國，成為使制造業回歸美國，增加美國人就業崗位的案例。

圖2 完整的PCB工廠自動化的要求

圖3 Whelen生產線布局

美國GreenSource Fabrication公司（以下簡稱Green）是Whelen的子公司。Whelen公司嘗到了甜頭，于是再建立獨立的Green公司，為嶄新全自動化HDI工廠。Green認為是目前北美最先進、最自動化的PCB制造工廠。Green整個工廠是朝著未來10年發展而設計的，與其他工廠相比，技術上已經遙遙領先。

Green通過與Atotech（金屬化孔與電鍍、涂覆設備）、AWP（蝕刻與濕處理設備）、Schmoll/Burkle（鉆孔與層壓設備）、InduBond（層壓定位系統）、CIMS（檢測設備）和其他公司的設備設計師的合作下，將一系列自動化理念和流程結合在一起。新工廠實現了：（1）幾乎零排放PCB工廠；（2）滿足更嚴格的公差要求；（3）應對任何數量的在制板產能要求；（4）消耗更少的能源；（5）消耗更少的化學品；（6）預期PCB良率可達99.9%。

Green用最新設備專業生產先進的產品，復雜的HDI板只要一兩天的加工時間，并且可以單批次只生產一塊板，產品生產過程全面的可追蹤。全面綠色環保的工藝流程，不會產生一滴廢液，化學物與水全都留在了生產線內,能夠實現幾乎零排放和零廢料，成為綠色環保工廠。

Green幾乎是一種“無接觸”運營模式，可以在不接觸在制電路板的情況下遠程啟動生產。從全自動材料倉庫開始，生產過程中無人接觸在制板，最后自動檢驗包裝也無需工人接觸。整個工廠中的一切物料都被單獨標識，在每件在制板或產品上都有條形碼，并進行全流程跟蹤。包括每個內層在制板都有自己的條形碼，一旦內層板壓合成為多層板后，它就得到一個新的條形碼標志。生產過程全部建立在條形碼閱讀器上，并按產品個性導示操作過程，完成的所有的數據都有儲存和可追蹤。

3.2 Unimicron（欣興）德國工廠

德國欣興（Unimicron Germany）公司前身為Ruwel International GmbH，是歐洲最重要的電路板生產商之一，2011年為臺資企業欣興電子股份有限公司整合改名。2016年12月德國欣興公司的內層生產工廠著火，整個工廠都被燒毀了。在2017年8月，重建工作開始，建造一個最新水平自動化的PCB制造智能工廠。到2018年4月內層生產新工廠建成，面目清新、壯觀。

德國欣興工廠是白色的地板，白色的墻壁，白色的天花板，全封閉的白色設備，大量的空間，沒有雜亂的物料堆架或手推車。自動化無處不在，在自動化加工設備之間的物料傳輸除了傳送帶外，就有機器人-自動引導車輛（AGV）擔當運輸任務。這些AGV在一定區域內自動行走搬運擺放物件。AGV由激光和GPS引導及數字控制，完全能安全有效地完成搬運任務。

工廠中無論生產少量樣板還是批量板，所需材料都由自動揀配系統從倉庫中提取，并由AGV轉移到生產線裝載站臺，再由機器人投料機將基板送上設備傳送帶。如內層基板由AGV送至預處理線，在黃色安全燈潔凈室區域自動清潔處理板面和貼合光致抗蝕干膜。然后AGV送至曝光區域，采用數字化LED直接成像曝光。后續AGV運送在制板至顯影蝕刻線（DES），DES配備有數字壓力傳感器和流量計，能夠精確設置和監控工藝參數，以確保一致性和再現性。蝕刻過程使用氯化銅蝕刻劑，設備含有銅回收閉環系統，確保環境友好（圖4）。

圖4 德國欣興內層板工廠自動生產線與AGV

在自動光學檢查和修復之后，蝕刻的內層面板進行壓合前處理，采取無銷釘光學定準系統以實現層對層對準精度，并且專有的自學習軟件解決方案使精度進行連續測量和改進。預浸料(半固化片)儲存、提取所有操作都由機器人完成。層壓機完成壓合后多層板進入自動分拆站，壓合鋼板通過表面刷洗機返回重新使用，多層板進入修邊工作站由機器人操作進行磨邊和倒圓角。最后多層板進入X射線鉆孔機進行定位孔加工。后續多層在制板加工進入Unimicron外層工廠進行。

欣興電子除在德國工廠建設智能工廠外，也是臺灣地區的PCB智能制造標桿企業。欣興電子在2011年就開始規劃如何將傳統大量人工作業的PCB制造工廠轉型為高科技、數字化的智能工廠。有多項開發導入的重要技術應用，例如產品缺陷原因分析、機臺參數即時邊緣運算監測及外觀檢測圖像AI辨識分類等，不但讓產品異常發現與處理的時間大幅縮短，更減少了檢驗人員的負荷，創造出更優質的環境。此外還有機對機（M2M）的資料傳遞，與自動化的生產參數中央控管比對及下載，以及多樣化的生產、品質、機臺信息的管理系統，給工程師作為良率改善和生產管理的及時依據。

欣興電子的自動化生產線展現，除了看到各生產線上的自動化物料搬運與多軸自動轉向機械手上、下料應用之外，還有以PCB ECI為通訊協定的濕制程生產線，通過PCB ECI的運用，可做到資料的上行、下放信息交接，更能對于各溶液槽的生產狀況及生產參數皆可精確掌握，使產品的追蹤、管理都能做到最細致的智慧化控管。從多項案例可見，欣興電子近年來在智能制造的上耕耘和數字化推動的成果。

3.3 勝宏科技公司

勝宏科技（Victory Giant Technology，以下簡稱VGT）公司有4個PCB生產工廠，每個工廠都分別有自己獨立的核心業務。4號工廠將是專門生產HDI的工廠，在建設當中。1號工廠建于2005年，基本上就是一個傳統的PCB工廠，現在正在進行升級。2號工廠建于2007年，增加了自動化設備，減少了30%的勞動力。3號工廠專門設計為智能工廠，通過使用軟件和傳感器來管理工藝流程，幾乎可無人操作。

VTG的3號工廠是集成了100%的智能系統，所以客戶可以在網上給VTG發送訂單，VTG的系統會自動查看庫存中是否有相應的材料，生產時自動取出材料，移送到工廠車間。

3號工廠中流程按照S形路線設置。每項工序之間在制產品的輸送工作基本上都是由機器人完成。在內層制造過程中，基板涂布液體抗蝕劑（濕膜）后送入黃光室，有具備兩側對準功能的雙面自動曝光機進行曝光，這個過程是全自動的，不需要操作員來控制。接下來在制板被送入DES生產線，對每塊內層板進行100%的在線AOI，檢測完成驗證后內層板直接進入水平線去氧化處理。對外層圖形形成是100%采用激光直接成像（LDI），使用LDI可以實現外層圖形更快速、精確的對準。從去毛刺到全板電鍍，整個過程不會有任何人接觸到在制板，全都是由機器人完成。使用的蝕刻機全都是真空蝕刻機，以保證線路圖形精度。整個生產周期縮短了，傳統的電路板工廠需要用整整兩個班次的時間完成的生產現在大約需要60～70分鐘，也大幅降低了加工成本。

全部數據輸入中央處理器，用智能軟件來處理這些數據。這個軟件可以讓負責工藝控制和生產控制的員工獲得全部所需信息。可通過條形碼或RFID 跟蹤每個批次。工廠經理可以實時檢查每個工藝流程、每個部門、每項任務的執行狀況和良率，可以查看所有的生產指標。除了有對產品的追蹤能力，智能軟件還可以對多條加工生產線規劃好定期維護計劃，設定停機時間。這套系統可以執行收集、分析、評判和計劃等任務，也會盡可能地規劃好資源的使用。

VTG在組織落實智能工廠的過程中，認為最關鍵因素“通訊協議”，他們召集了100多家供應商，一起商量出了一個通用的通訊協議，確保所有的生產線和系統都能夠按照同樣的協議相互溝通。

VTG 3號智能化工廠與原來的工廠相比，勞動力減少了70%，生產能力增加了40%。同時，高度自動化的連續流程讓生產周轉時間從原來的6天至7天縮短為只需2天;生產過程不需要人工操作則減少了產品出現劃傷缺陷的可能性，所以產品良率提高了5%。結果在智能工廠中加工比在原有的舊工廠中加工多出5%的利潤。

為了改善環境、綠色生產，VTG新投資工廠里的廢液回收設施，最大程度地減少廢液排出。還贏得了中國政府認定的“綠色工廠”稱號和低碳獎。

VTG董事長講：以前產值10個億需要1500人來生產，換了智能設備后，10個億的產值只需要350人。以前一個工序需要20 h，換新設備后只要1個半小時。特別是智能工廠建成后，人均年產值預計可實現200萬元，大大超出目前行業內人均60萬元水平，利潤可提升至18%。

3.4 東莞森瑪仕格里菲電路有限公司

東莞森瑪仕格里菲電路有限公司（Dongguan Somacis Graphic PCB Co. Ltd.，以下簡稱DSG）是由意大利森瑪仕（Somacis）集團和英國格里菲（Graphic）集團于2006年共同投資設立的高技術印制電路板生產企業，項目總投資達4000萬歐元（5000萬美元）。DSG公司引進母公司多年積累的技術訣竅，為客戶提供從研發、工程設計、樣板制作及大批量生產的一站式服務的PCB企業。目前擁DSG有世界領先水平的技術和自動化設備，及完善的管理體系，生產4-56層高端剛性電路板，及4-24層剛撓結合電路板。

DSG公司目前正在建設一個新工廠， 實施工業 4.0 時代智能工廠的戰略。DSG的領導層都意識到了如果他們不進行深入的調整改變，將逐漸失去競爭力。這里所說的改變可不僅僅是升級幾臺設備；一切改變要從成為領先的工業4.0時代智能工廠開始。

為了實現這種新的智能制造模式，DSG已經制定好了計劃、安排好了智能系統、訂購了新設備，新工廠在建設之中。DSG的目標是建立新的數字化智能工廠，規劃為將采用自動化技術完成整個過程，所有的自動化操作都由高水平的機械化支撐，生產操作員將會成為歷史。DSG對在制板傳送方面，優化布局讓各項工藝流程相互更加靠近，而且準備把一些工藝流程結合到一起，盡量釆取傳送帶連續傳送工件，這樣可以最大程度地減少AGV的使用。工序間傳送帶輸送工件簡單、連續，如果車間布局無法優化，運送距離比較長，才會使用AGV。

DSG認為更重要的是生產設備自動化，沒有廣泛應用自動化技術的工業4.0是毫無意義的。進入生產的工件將加上特殊標記，機器就可以根據不同的工件調整相應的參數，自始至終保證整個流程不需要人為干預；每臺設備都能實時讀取并記錄每塊在制板，不再需要手動記錄每道制程工藝條件，所有任務都是自動完成的。智能化生產的一個重要特點就是可以針對不同產品要求自動快速完成工藝調整，從而提高產品良率和整體質量。每塊電路板加工過程中，機器可以根據它收到的實時數據自動進行參數調整，從而優化每一塊在制板。這一點可以強有力地證明建立的工廠可以一批次只生產一件產品，及一批產品保持一致性。

工廠建有一個中央控制室，可以實時管理，從計劃到發貨的整個過程中，可以實現對每件產品追蹤與監控，能夠對每塊電路板進行全方位實時跟蹤，所有信息除了提供給公司內部訪問外，還可面向PCB產品的客戶。

DSG公司的發展戰略與廣東當地的發展計劃協調一致，因而得到當地政府支持。DSG承諾在未來五年內使收入翻番，從現在年銷售額約7000萬美元，達到1.5億美元；要縮短生產周期，將工廠的產品交付時間縮短50%。同時，要減少員工數，最終目標計劃是經理和工程師的數量基本不會變化，但操作員的數量會減少40%。發展戰略必須重視環境保護，城市要求減少排污量60%，DSG目前已經達到這個要求了，現在將產能提高一倍而排污量保持不變，也許還可以降低耗水量。

3.5 其它邁向智能工廠的案例

3.5.1 景旺電子有限公司

深圳市景旺電子有限公司是一家具有PCB生產流程自主創新能力的企業，在醞釀智能工廠的過程中，進行了一些階段性創新。從2015年開始，信息系統在全集團三個基地（深圳、龍川、江西）全面上線，在設備規劃、采購環節，盡可能采用自動化、數字化設備，并逐步與公司的產前工程設計系統連接，實現將客戶的資料，經過公司內部轉換安全可靠的直接傳遞到生產設備。同時，在生產設備上也增加了大量的自動化輔助設備，將原來人工操作環節標準化、自動化，大大提高了生產效率。江西景旺精密電路有限公司是深圳市景旺電子有限公司的全資子公司，2014年3月投產，總投資30億元。江西二期智能工廠是政府批準的車用高端印制電路板智能制造工廠試點示范項目。

在實際推進江西二期智能化工廠的建設過程中，公司設計人員調研了德國、日本、美國等先進制造企業、自動化設備制造企業和系統化集成企業，根據公司前期的技術和經驗積累，進行了很多非傳統PCB制作流程的做法。

在產品線規劃上，定位汽車板和小批量板，汽車板生命周期長，更新慢，單價高，訂單可持續性強，可提升空間大；小批量板訂單分散、周轉快速。因此生產線必須有柔性化，在柔性化生產上，江西二期主要針對高端汽車板（目前以汽車大燈為主）和低端小批量板，同一條產線在設計時其特點配置就可以無縫快速生產不同PCB產品。

在設備整合連線上，采用AGV運送車、標準化、網絡化設計，實現物料輸送路徑自動識別、設備操作無人化，并且引入立體化倉儲系統，實行自動倉儲物流。在具體的生產線設計上，江西二期設備采購需求超過百項，其中定制研發設備占比高，部分設備是獨創的，甚至還沒有命名，本次江西二期的設備大部分都是公司自行改造升級得來的。

在IT系統建設上，采用實時數據記錄和分析，實現提前決策、事先規劃、事后追溯（定時存取數據，按產品批次綁定數據，實現產品的可追溯）的效果。

效果上，根據規劃：本次江西二期項目工廠將僅用800人，PCB產量240萬平方米/年，人均產量3000平方米/年，人均年產值200萬；平均每訂單生產周期較傳統至少可縮短三五天。

3.5.2 深圳明陽電路科技股份有限公司

深圳明陽電路科技股份有限公司的生產工廠基地分布在深圳、德國和江西九江，認為工廠實現無人操作的智能化生產時代越來越近了。現在已經有很多操作可以實現無人監管了，例如鉆孔操作，他們有自動裝載機，這些機器經過恰當設置，操作人員可以把所有自動裝載機都加載上，只要是生產某一特定的工件號，就可以讓機器自動操作，等整個流程完成以后再把它關掉，全程都不需要操作人員的參與。同樣的方式還可以應用在電路板測試上，可以把板子堆疊設置好讓它自動操作。讓機器人幫助把材料運送到下一個操作區域，也可以做到自動化，從而實現無人生產。

最大程度地減少了操作員的操作，所以合格率也會上升。人為操作可能是導致車間內出現缺陷的首要原因，通過最大程度地減少人工操作，可以避免很多之前出現過的問題，從產品外觀和流程的順暢程度來看，都會得到很大改善。

明陽正在嘗試將工業4.0盡可能多地整合到工廠中，因為未來的生產需要它。可以利用工業4.0收集信息，這一能力可以讓公司變得更強。智能化可以讓這些機器提供實時信息反饋，管理者對流程的控制就可以越來越嚴格，到時候偏差會越來越少，產品的連貫性和一致性會越來越強，產量也會有所升高。而且收集的信息和數據可以告訴管理者應該把精力集中在哪個領域，這是讓數據推動著工廠前進。所以，有了工業4.0，就可以對整個工廠正在進行的工作有更清晰的宏觀認知，同時也可以更清楚地了解到工廠內的相互作用、產品的生產過程以及哪個領域是最值得投入精力的領域。

3.5.3 深南電路股份有限公司

深南電路股份有限公司（SCC）的“面向高端印制電路板生產全過程的智能制造信息化管理系統平臺項目”在2018年底獲得工信部表彰。軟件已成為工業創新的推動力，智能制造系統逐步成為企業的核心競爭力。深南為實現智能制造首先從實施智能制造系統入手，SCC智能制造系統聯接設備管理、質量管理、生產安排、數據采集等分散的管理系統，成為智能制造信息樞紐。智能制造系統核心是機器設備數據的采集與控制，SCC智能制造系統完成對設備關鍵參數的自動監控，對產品加工參數能自動調節等，滿足生產與質量管理中的追朔和防錯需求。通過把各分系統數據綜合起來分析，給管理者提供決策與處置依據。智能制造系統首先實現對設備狀態、開工等信息進行實時監控，并人機交互；設備運轉時將過程數據采集、存儲到數據庫中，同時進行分析、查詢、比對等，掌控設備運行情況。在深圳工廠就有1000多臺自動化設備，來自30多家供應商，要實現機器與機器之間連接，智能制造系統與機器之間連接，就解決智能制造系統與設備的通訊，采用內部的統一通訊標準接口。

SCC智能制造系統較早在封裝基板工廠的實施帶來了顯著效果，現場操作人員從之前的260人減少到196人，減少了約25%; 生產效率提高了56%，產品合格率從原來89.68%提高到93.41%，客戶滿意度也大幅提升; 同時產品成本下降，經濟效率大幅提升。

[未完，待續]