智能工廠項目在PCB行業內的應用探討

王琳　李軍祥

【摘? 要】基于目前智能手機的普遍應用，各智能手機廠商對其上游供應商印制電路板板廠生產的基板的可追溯性及產品質量提出了更高的要求。通過研究O公司研發出來的智能工廠項目在PCB領域內的管理應用，以期能夠更好地推廣該項目。以大量的實物、數據以及專業領域內的數據統計作為分析模型，分析了該項目存在的理論基礎，也通過具體的事例驗證了該項目在PCB領域內存在的必要性。該研究對于PCB以及更廣泛的制造業來說都有參考價值，能夠在追溯及產品質量監管上提供切實的幫助。

【關鍵詞】印制電路板;智能工廠;制造業生產過程執行系統;工業4.0

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.016? ? ? ? 中圖分類號：F273.1

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0086-06

引用格式：王琳，李軍祥. 智能工廠項目在PCB行業內的應用探討[J]. 移動通信， 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

智能手機已經是人們生活中必不可少的工具，并且在相當長的一段時間內是無法替代的。2014年7月發布的《第34次中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，早在2014年6月，我國手機網民規模就已達5.27億，網民中使用手機上網的人群占比高達83.4%，手機網民規模首次超越了傳統PC網民規模。而2018年1月發布的《第41次中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2017年12月，我國手機網民規模達7.53億，網民中使用手機上網人群的占比由2016年的95.1%提升至97.5%。所以，隨著智能手機的普及并且伴隨著其功能越來越強大，各大智能手機制造商對手機的主板要求提出了更高的要求，主板面積越來越小，集成度越來越高，主板上線路越來越密集，主板層次越來越多。作為手機主板的直接制造者，PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）板廠同樣面臨著巨大的挑戰[1]。

舉例來說，隨著5G時代的即將到來，智能手機和其基站將同步推進，智能手機也將逐步開始按照5G射頻架構設計，這其中最為關鍵的就是5G天線。以LCP（液晶聚合物材料）為代表的5G天線成為了各大智能手機搶奪5G市場的重要利器。天線的設計重要趨勢是集成天線的射頻前端電路在更小更精密的電路板上，并且這種電路板要求低能耗、高度靈敏性以及密閉性，這些特性都要被要求在小小的PCB電路板上實現出來。所以為了應對手機商這些上游客戶對電路板的品質要求，并且還要保證可以對投放到市場的電路板實現可追溯性，這就要求了PCB板廠需對生產出來的每一塊PCB板子進行標號，錄入信息，方便以后應對手機廠商的跟蹤查詢以及廠內良率的統計分析。這對于PCB行業傳統流程來說是一個全新的挑戰甚至是革命性變化，PCB行業需要花費大量的人力物力來統計，并且甚至要更改現有的生產制程，才能滿足上游客戶的這些要求，故PCB產業是一個高度定制化、分散與充滿競爭的行業。

縱觀PCB產業發展史，過去的十年是其快速發展時期。近年來，隨著人工成本的增加以及環保法令的加強，PCB產業整體呈現出來低增長、低利潤、低發展的趨勢。如果還要投入新的成本去滿足可追溯性需求，勢必引發新一輪的洗牌。

作為全球PCB行業設備供應商的O公司，著力開發了適應PCB新需求的智能工廠項目，可以有效地降低客戶的成本，滿足上游客戶的要求。本文通過對智能工廠項目進行詳細的解讀及分析來展現智能工廠項目廣泛的應用前景。

2? ?傳統PCB生產現狀

PCB即印制電路板，又叫印刷電路板或線路印刷板，我們簡稱印制板。其基本理念是在特殊的基材上，用導電的材料根據預先由CAD或者其他軟件制成的電子線路、及印制元件或者兩者結合的導電圖形，通過特殊工藝加工后制作完成印制電路，最終的成品板稱之為印制電路板。從現實中看，幾乎每種電子設備，比如小到電話手表、小型計算器，大到大型計算機、高端的通信電子設備或者基站，只要需要用到集成電路等電子元器件，并且為了它們之間可以實現電氣互聯，就都必須使用印制電路板[2]。在目前的高度集成狀態下，為了最大化地節約成本，PCB板廠會盡可能將板子的最小單元（Unit）密集排布，Unit為最小單位，然后若干單元組成一條數組（Array），若干數組組成一個完整的嵌板（Panel），如圖1所示。按照目前智能手機廠家的要求，要對每一個單元的信息進行編號登記，要做到可追溯、可分析。

按照目前的通行辦法，大多數PCB板廠使用人工手動畫記號的方式對每個單元進行前期查看，以一種效率十分低下的方式進行處理，如圖2和圖3所示：

PCB板子是多層壓合在一起的，少則2層，多則甚至可達20層，首先處理的是在內層標記好后跟次外層一起壓合在一起，因此還需要對次外層的單元進行標記，同時要將內層已經標記過的不良單元通過激光鐳射或者其他方法讓其顯露出來，然后依次繼續壓合其他層別，并使用同樣的方法進行處理，直到外層壓合結束，最終的結果如圖4所示。通過打報廢設備將不良單元剔除掉，但其中的風險在于，如果在人工標識出現了紕漏，導致內層標的錯誤，或者層別序號弄混亂，最終致使不該被剔除的單元被誤剔除，而品質異常需要被追溯的單元反而被保留，那么最終流入到消費者手中的產品將為不良品，并且PCB流程工序復雜，相應的人工成本也高居不下，如表1所示。所以對于這種耗費人力的工作，迫切需要一種科學并且簡捷的方式進行替代。

3? ?O公司智能工廠項目簡介

O公司作為全球知名PCB設備供應商，PCB制造相關核心流程中都要使用O公司的設備，所以借助于這個先天優勢，在詳細分析并整合PCB生產制造流程數據后，提出了以MES（Manufacturing Execution System，制造業生產過程執行系統）為基礎的“智能工廠”項目概念。

理想中的智能PCB制造企業的框架如圖5所示，以管理信息化、生產調度智能化、產線自動化、物流無人化為主要目的搭建智能化生產平臺。其中基于PCB制造的管理信息化是將生產ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）系統中的庫存、采購、品質以及生產計劃等相關信息提前與智能工廠項目數據平臺對接。生產調度智能化以可視化排程系統進行生產排程，遇到突發急單或緊急加件時，可以通過可視化排程系統內部優化關鍵路徑，以物料最小庫存為基底保證隨時調整生產進度。產線自動化是以全自動生產設備并輔助智能機器人，通過集成式智能產線單元發送指令，在工單管制、遠程監控等方面實現自動化控制。物流無人化以AGV（Automated Guided Vehicle，自動搬運機器人）將相關物料、半成品及成品按照產線信息化平臺發送的指令自動送達到各個工位，減少人工干預。

基于圖5的PCB智能工廠架構，要能同時整合四大功能化模塊，這就是O公司提出的智能工廠項目所要實現的功能，如圖6所示。基于MES為核心的智能工廠項目將上游ERP系統及下游設備層結合在一起，其本身提供物流調度、設備排程、工業文件管理等相關影響PCB制造生產的核心數據，扮演著生產大腦的作用，實時發布相關指令到各制程環節，完成智能化生產及調度。

智能工廠項目在PCB各制程中，通過導入二維碼，將所有PCB單元在各制程中通過唯一的二維碼進行串聯。在ODS（Operational Data Store，操作數據存儲）系統中進行數據庫整合，實現單元信息的唯一性、可追溯性和可識別性[4]。該構架是：首先，需要架構二維碼生成設備;其次，需要架構相應的軟件支持二維碼的讀取及記錄;再次，需要架構后端AOI（Auto Optical Inspector，自動光學檢測）檢修的二維碼整合功能;最后，架構完整數據流ODS供后端報廢追蹤。整體的智能工廠項目流程如圖7所示。

4? ?智能工廠項目追溯優勢

智能工廠項目在PCB板廠中可以大量地節約人工成本，并且追溯準確率非常高，最大化地避免了人工干預的影響，并可為管理層提供詳實的數據支撐，為流程改善提供精確的數據模型。

在成本支出方面，通過核算比較，PCB線路制程可以放棄目前的人工統計方式。基于一般PCB板廠的制程配置中，每個制程每個班次可以節約至少2個人力。

在統計精確率方面，由于是使用二維碼標記信息，保證了每塊板子及每個單元都有可依據的信息，這些信息里面詳細涵蓋了具體的料號、層別、批號、序號、缺陷數量、缺陷坐標及缺陷類型。在ODS系統內會形成詳盡的數據庫，通過調用數據庫的內容，可以為后續報廢及不良統計提供精準的數據參考。

在管理層的輔助工具方面，作為PCB板廠的管理層，除了關心上游客戶即智能手機廠商對板子的可追溯性要求外，更關心的是生產出來的板子良率問題及如何改善。智能工廠項目可以通過精準的數據支撐及模型為管理層提供改善方向。

5? ?智能工廠項目具體應用

總體來說，目前PCB制造業大概的生產流程為接單、開料、生產（多流程）、倉儲運輸、成品追溯等。導入智能工廠項目后，可以在這些相關方面有著突出的應用并可以收到良好的效果。

（1）文檔管理：當PCB工廠接到訂單后，就要對產品的相關工藝文件進行管理，智能工廠項目提供了工藝文件PDM（Product Data Management，產品數據管理）端口，如圖8所示。PDM將PCB生產流程中的CAM（Computee Aided Manufacturing，計算機輔助制造）圖檔、文字處理、周期等相關文檔建立系統檔案，并且授予不同權限的人員進行靈活編組，不同制程的人員只能查閱對應權限的文檔，替代過往大部分靠紙質工單記錄的模式，大大降低了數據丟失的風險，提高了工作效率，也使得工作流程規范化。

（2）物料管理：訂單接到后，就要開始著手準備相關物料。生產計劃由智能生產系統自動排定，倉庫管理人員只需通過顯示終端了解到各個制程車間的生產總需求、累計要發料的數量，并及時根據生產時間的多少來預測下一次應發料的數量和時間，以實現讓倉庫主動備料、準時送料的目的。同時也為了方便全程將所投遞的物料的批次進行追溯，倉管人員在初次備料時，需要根據工單需求數量，自動匹配庫存的批次，盡可能地減少相同工單混批。在備料時，倉管人員再手持條碼槍，掃描材料條碼（物料+批號）生成生產發料單（帶條碼，方便后工序掃描錄入），然后與物料一同送到開料車間。當這些信息都錄入智能生產系統后，智能生產系統就會發送指令給待命的AGV，AGV會按照指定路線去倉庫去料，并運送至各個指定的工位。全程減少了人工搬運料件而帶來的物料損失或者物料放置混亂問題，如圖9所示。

（3）生產過程中的智能監控：當物料整理完畢，開始正式投入生產后，所有各個制程的實時數據可以通過智能工廠項目提供的監控平臺實時體現出來，如圖10所示的中央運行監控系統。

對于一些關鍵制程來說，比如PCB工藝中的LDI（Laser Direct Imaging，激光直接成像技術）曝光流程及AOI檢測流程等，制造部門管理層更加需要這些核心數據單獨展示出來或者將數據以報告的形式投遞出來供工藝部門參考分析。這樣，智能工廠項目所獨有的Dash Board（面板顯示）功能也會很輕松實現這個需求，如圖11所示。通過網絡終端，這兩個獨立的界面可以單獨顯示在管理層的個人辦公電腦上，當管理者需要了解到實時的生產數據時，可以很輕松地點擊瀏覽按鈕進行查閱，如果管理者當天沒有時間查看，智能終端也可以將這些數據以PDF或者管理者需要的文件格式，經郵箱系統自動發送至指定的郵箱地址中，管理者也可以通過查閱郵件的方式查閱相關內容并做出新的安排。

（4）成品追溯：對于PCB行業來說，成品追溯算是一個全新的概念，也是近年來PCB上游客戶對其提出的新的要求。正如前文所說，目前的現狀是基于人工制作標記，但這樣的靠人工干預會產生很大誤操作風險。智能工廠項目在關鍵的AOI及VRS（Vivo signal-Retrieval System）制程上通過二維碼的標識來進行追溯定義AOI處理及VRS處理。相比較圖2的人工干預，這兩種流程完全采用了自動識別二維碼。AOI又分為單機檢驗及連線檢驗兩種模式。單機檢驗需要人工在第一張板子上首先定義二維碼的位置，通過輸入指令來控制AOI對二維碼進行識別，并且檢測完成后，需要手動進行翻面。不過，相對應地，無需針對背面進行再次讀碼的動作。如果是連線AOI檢測一卷板子，需要使用整合式二維碼讀碼器，整卷翻面后需要再讀一遍二維碼，同樣的處理方式也要應用在VRS檢測上。通過讀寫二維碼的方式，將每片板子的信息通過網絡系統上傳到專用的ODS服務器上。以大數據處理方式，整合數據庫，通過改善優化算法，實時統計計算每片板子的單元信息，如是否有缺陷、缺陷坐標、所在層別、所屬批號、是由哪個操作員進行處理等相關追溯性信息。同樣，這些相關信息也可以通過智能終端系統上傳到管理者的辦公電腦上，供決策層分析并針對異常進行相應的處理。

5? ?結論

智能工廠不僅僅是一套系統，它的核心是為了制造業將來適應新的生產模式而提前做好的基礎準備。智能工廠項目在未來PCB領域中有著廣泛的應用前景，作為與工業4.0及中國制造2025遙相呼應的產品[5]，引進智能工廠項目可以從管理、成本、應用、分析等多方面為PCB制造企業提供完善的一站式分析及追溯幫助，可以有效降低生產成本及提供完善分析報告，為PCB制造業的長遠發展提供動力及保證。通過PCB產業進一步延伸至其他相關制造業領域，為在制造業領域內推廣高端智能生產提供了可以借鑒的模式。

參考文獻：

[1] 劉戰雄，宋廣文. 智能手機與生活方式變遷及影響[J]. 科學技術哲學研究， 2018（1）： 111-116.

[2] 謝平. PCB設計與加工[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2017.

[3] 辛虹. 實現PCB成品半成品的精準核算[J]. 印制電路信息， 2009（2）： 54-57.

[4] 朱揚勇. 數據處理研究[M]. 上海： 上海科學技術出版社， 2018.

[5] 葉新錦，候勇，盛倩倩. 談PCB產業走進智能化與工業4.0的路徑[J]. 印制電路信息， 2017（5）： 7-18.