遠程運維技術在共燒陶瓷基板制造設備中的應用

田 芳，劉 培，閆 冬，張彩云，孫宇彤

(1. 中國電子科技集團公司第二研究所， 山西 太原030024；2. 中北大學， 山西 太原030051；3. 山西大數據產業發展有限公司， 山西 太原030006)

隨著移動通信、汽車電子、電力電子等新興產業的快速發展，以LTCC 陶瓷基板、LC 濾波器、定向耦合器等為代表的微電子共燒陶瓷器件進入產業化階段，市場需求量巨增。目前日本居全球共燒陶瓷器件產品市場與技術的主導地位，產品市場占有率達60%以上。我國微電子共燒陶瓷行業的市場需求也在快速增長，在航天航空、計算機、通信、汽車、醫療等領域的應用越來越廣泛，連續幾年產品需求量以每年30%以上的速度增長。

共燒陶瓷基板作為共燒陶瓷器件的代表產品，具有產品種類多、更新換代快、制造工藝復雜、性能要求高等特點，對相關制造工藝設備的要求也越來越高，迫切需要一種更加智能化的生產方式，提高共燒陶瓷基板的制造工藝水平，縮小共燒陶瓷產品性能與國外先進水平的技術差距，遠程運維技術是縮小這種技術差距的一種行之有效的手段。通過遠程運維技術可實現設備狀態遠程實時監控、設備關鍵部件故障診斷分析，便于設備供應商幫助共燒陶瓷產品生產商完成生產過程中的設備分析及維護。通過這種遠程服務的模式，不僅可以為用戶提供及時的運維服務，而且可以使設備制造商根據設備實際運行數據及設備故障等信息及時優化產品設計、開展設備升級換代研制，提高共燒陶瓷器件工藝設備技術水平，縮小國內外同類設備研制的技術差距。

遠程運維技術在不同的行業有不同程度的應用，在電力、化工、鋼鐵等一些傳統行業具有較多的應用，以各個工序的運行監控及狀態預警等功能為主。但是在離散制造行業，尤其是一些高端復雜制造工藝中，遠程運維技術應用得還非常少，隨著通訊及智能制造技術的發展，在微電子共燒陶瓷器件制造業中應用遠程運維技術已具備技術條件。

1 共燒陶瓷基板制造關鍵工藝設備

共燒陶瓷基板是一種多層基板制造工藝，不同基板產品可由幾層至幾十層生瓷片疊層制造而成，每層生瓷片制造包括打孔、印刷、填充、整平、疊片、熱切等工藝，其中打孔、印刷是多層基板制造的關鍵工藝，基板的每層生瓷片制造工藝都包括一道或多道打孔及印刷工藝，這兩道工序的工藝效果直接影響最終產品的質量和成品率。

完成打孔、印刷工藝的生瓷片打孔機、生瓷片印刷機是共燒陶瓷基板制造的關鍵工藝設備，屬于高速高精度（微米級以上）、光機電一體化的復雜電子制造裝備，具有零部件精密、結構復雜、使用及維護要求高等特點。

1.1 生瓷片打孔機原理及結構

生瓷片打孔機采用機械沖孔方式，可實現生瓷片上通孔、定位孔和腔體的制作成型，最小可加工孔徑80 μm，沖孔精度優于10 μm，沖孔速度1500個/min，具有打孔速度快、打孔精度高等特點。

生瓷片打孔機結構及控制框圖如圖1 所示，設備主要結構包括上料預定位機構、視覺對位機構、XYR 運動平臺、沖孔單元組、碎屑收集機構、設備機架等。

圖1 生瓷片打孔機結構及控制框圖

生瓷片打孔機的關鍵部件之一是XYR 平臺，其主要作用是將生瓷片精確、快速地移動到打孔位置。主要由X 平臺、Y 平臺、直線電機、光柵尺、精密直線導軌、R 機構和吸盤等組成。采用直線電機驅動、精密直線導軌導向和高精度光柵尺反饋的運動控制方式。XYR 平臺的旋轉機構（R 機構）主要作用是在孔二次加工時，通過對生瓷片上MARK 孔的識別、計算并進行旋轉，消除生瓷片實際位置和理論位置的角度誤差。

生瓷片打孔機的另一關鍵部件是沖孔單元，其主要功能是完成在生瓷片上的沖孔動作。沖孔單元分為兩種：氣動沖孔單元和電動沖孔單元。氣動沖孔單元包括普通氣動沖孔單元和高速氣動沖孔單元。兩者比較而言，普通氣動沖孔單元的沖力更大，但速度較慢，適用于大尺寸定位孔的沖制；高速氣動沖孔單元的優勢是速度快，但沖力較小，適用于小尺寸孔的沖制。電動沖孔單元也屬于高速沖孔單元，主要用于加工0.2 mm 及以下的孔，加工效率可達1500個/min 以上。沖孔單元由沖孔氣缸（或音圈電機）、沖孔架、導向軸、凹模座、沖針和凹模等組成。

1.2 生瓷片印刷機原理及結構

生瓷片印刷機完成生瓷片上的金屬化圖形印刷，最小可印刷線條寬度80 μm，印刷精度優于12 μm，印刷速度小于15 s。生瓷片印刷機結構及控制框圖如圖2 所示，設備主要結構包括上下料機構、視覺對位機構、運動平臺、印刷機構等。

圖2 生瓷片印刷機結構及控制框圖

生瓷片印刷機的關鍵部件之一是運動平臺，由高精度UVW 定位平臺、鎖緊氣缸等組成，視覺對位后根據生瓷片上標記孔的偏差量，UVW 定位平臺通過計算及運動實現自動對位，對位完成后鎖緊氣缸利用摩擦力將運動平臺鎖緊，防止印刷過程中在刮刀力的作用下平臺位置移動，導致印刷圖形位置偏移。

印刷機構是生瓷片印刷機的另一關鍵部件，由刮刀組件、回墨刀組件、壓力監測部件、網框升降機構等部分組成。生瓷片在完成對位后，網框升降機構將網框降至生瓷片上方，刮刀組件和回墨刀組件按設定的工藝流程動作、并施加壓力完成印刷，壓力監測部件負責監測印刷過程中的壓力。印刷完成后運動平臺回位，上下料部件取走印刷完成的生瓷片。

2 遠程運維系統組成

共燒陶瓷基板制造設備遠程運維系統組成如圖3 所示，包括傳感器、生產設備、數據采集終端、及運維系統平臺等組成部分，數據采集終端用于采集置于生產現場的傳感器、生瓷片打孔機、生瓷片印刷機等設備數據信息，并將數據上傳至運維平臺，運維平臺完成數據采集、處理、存儲等功能，最終實現設備生產現場數據的遠程自動采集、數據分析、數據存儲等功能。

圖3 共燒陶瓷基板制造設備遠程運維系統組成示意圖

3 遠程數據采集設計方案

3.1 數據采集終端設計

遠程數據采集是實現共燒陶瓷基板制造設備遠程運維的技術基礎，針對共燒陶瓷基板制造設備屬于離散制造工藝、且設備用戶分布在不同地理區域的特點，設備數據采集采取單級拓撲結構網絡組網，即每臺設備通過數據采集終端單獨入網，分別通過運營商4G 網絡將實時采集的數據進行回傳，傳輸到運維平臺。因此，數據采集終端是分布在各個不同地點的設備與運維平臺之間的數據傳輸橋梁，圖4 是數據采集終端設計原理框圖。

圖4 數據采集終端設計原理框圖

數據采集終端需要采集各種不同設備的數據信息，不同的共燒陶瓷基板制造設備由于控制方式不同而設計不同的數據傳輸協議。因此，采集終端設計了TCP/IP 協議、OPC 協議等多種通訊協議，通過與設備之間的有線傳輸模塊及相應的通訊協議完成對不同設備監測數據的實時采集。

數據采集終端通過4G 模塊與運維平臺進行信息交換，采用HTTP 協議實現數據傳輸。各個采集終端作為客戶端，運維平臺的數據中心服務器作為服務器端。當數據采集終端連接數據中心后，會按照相應的數據周期向數據中心發送數據幀。在數據傳輸過程中，采用加密算法對傳輸數據進行加密。

同時，數據采集終端還設計了定位、振動信息采集、傳感器等功能模塊，用于采集設備所在地區、設備所處環境的振動數據、環境溫濕度等信息，并作為該采集終端所連設備的相關數據信息上傳至運維平臺。

3.2 運維數據信息設計

生瓷片打孔機、生瓷片印刷機通過數據采集終端將設備的運行狀態數據上傳到位于云端的運維平臺，不同類型的數據用于不同的監控目的，上傳的數據信息及頻率也不同。

表1 生瓷片打孔機、生瓷片印刷機部分上傳數據信息

為了實現對設備是否正常運行的監控，需要各個設備按較高的頻率上報其運行、待機、故障報警等實時狀態。同時，各臺設備需要按照各自的設備特點及監控部件上傳不同的數據信息。例如生瓷片打孔機需要對關鍵部件之一沖孔單元進行監控，需要按一定頻率上報與沖孔單元相關的數據信息，如真空吸盤負壓、沖孔壓力、凹膜次數等數據信息，用于沖孔單元狀態是否正常的判斷及數據分析。生瓷片印刷機需要對印刷組件進行監控，需要采集刮刀壓力、印刷速度、刮刀狀態等信息，表1 列出了生瓷片打孔機、生瓷片印刷機上傳的部分數據信息示例。

4 設備遠程運維系統運行效果

生瓷片打孔機、生瓷片印刷機將各類數據通過無線數據采集終端上傳到運維平臺，設備狀態、設備工藝參數、設備報警信息、質量檢驗數據等幾大類數據信息上報至數據平臺中心。可以完成設備遠程監控、設備運行數據分析、設備關鍵部件監測、故障診斷等功能。

圖5 是生瓷片打孔機關鍵部件數據在數據平臺中心顯示示意圖。圖6 是生瓷片印刷機設備數據運維顯示示意圖。

圖5 生瓷片打孔機關鍵部件遠程運維數據平臺中心顯示示意圖

圖6 生瓷片印刷機遠程運維數據顯示示意圖

5 結論

通過設備數據提取、無線數據采集系統、數據平臺等各個功能模塊設計，實現了生瓷片打孔機、生瓷片印刷機等設備的遠程數據實時采集、部件監控、數據分析等功能，在共燒陶瓷基板制造行業實現了遠程運維技術的應用，對推動基板制造高端設備的技術發展有重要的作用，同時為遠程運維技術在同類離散制造行業的創新應用提供了技術實現思路。