數(shù)據(jù)驅(qū)動的光電模塊生產(chǎn)過程優(yōu)化及改善

摘要：文章利用光電模塊生產(chǎn)數(shù)據(jù)，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析識別光模塊生產(chǎn)過程的瓶頸環(huán)節(jié)，為光纖盤纖和光纖熔接中的光纖切割環(huán)節(jié)提供支持。最后，結(jié)合光電模塊生產(chǎn)特點及現(xiàn)狀，提出相應(yīng)改進(jìn)措施，優(yōu)化及改善光電模塊的生產(chǎn)過程，應(yīng)用效果顯示，該識別方法及改善措施有效且經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：光纖盤繞；光纖熔接；傳輸損耗

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.048

中圖分類號：TN 913.7" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）04-0-04

Data Driven Production Process Optimization and Improvement of Photoelectric Module

YANG Junli， LI Yuehua， TANG Luzhen

（The 29th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu 610036， China）

Abstract： In this paper， the bottleneck of optical module production process is identified based on Bayesian network analysis using photoelectric module production data. The bottleneck link is identified and analyzed as fiber disc fiber and fiber cutting link in fiber welding. Finally， combined with the characteristics and current situation of photoelectric module production， the corresponding improvement measures are proposed to optimize and improve the production process of photoelectric module. The application results show that the identification method and improvement measures in this paper are effective and economical.

Key words： optical fiber coiling; optical fiber welding; transmission loss

1" 研究背景

與傳統(tǒng)的射頻電纜相比，光纖傳輸具有傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗小、不受電磁干擾、保密性好、直徑小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，能夠有效解決射頻電纜保相傳輸能力差，傳輸損耗大，體積質(zhì)量大、抗電磁干擾能力弱的缺陷。

雖然光纖傳輸?shù)男阅芤獌?yōu)于傳統(tǒng)的射頻電纜，但隨之而來的，光纖傳輸?shù)膿p耗逐漸成為了一個不可忽視的問題，影響著光電產(chǎn)品的質(zhì)量及發(fā)展。光纖傳輸?shù)膿p耗主要包括光纖本身的傳輸損耗、盤纖及熔接損耗。因為光器件本身的傳輸損耗已確定，所以光纖裝配過程的損耗成為了影響光電產(chǎn)品信號傳輸質(zhì)量的主要因素。因此，剖析光纖裝配過程存在的問題，改進(jìn)光纖裝配流程及操作，對降低光纖傳輸?shù)膿p耗有促進(jìn)作用，能夠有效提升光電產(chǎn)品的信號傳輸質(zhì)量。

光電產(chǎn)品的代表為光電模塊，該類模塊包含了帶尾纖的光發(fā)射機(jī)、光轉(zhuǎn)換組件、波分復(fù)用器、光纖環(huán)和光電探測器等。多種器件的結(jié)合使得模塊的裝配需要全盤考慮光纖（裸纖）、柔性電纜和低頻導(dǎo)線在模塊內(nèi)部的布局。其次，光纖本身的脆弱性、不能過度彎曲、不能擠壓等特性也使得光電模塊裝配的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性急劇增加；另外，光器件的核心芯片仍以進(jìn)口為主，這使得器件品控的風(fēng)險較大。綜上所述，本文聚焦于光纖裝配中存在的問題，剖析裝配問題的原因及特點，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)光纖裝配的流程及操作，促進(jìn)光電產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展。

2" 裝配關(guān)鍵因素識別

目前，光電產(chǎn)品裝配的一次合格率低，產(chǎn)品質(zhì)量堪憂。光電產(chǎn)品裝配的典型流程包括測試、盤纖、去頭等，如圖1所示。在光電產(chǎn)品裝配過程中，每次裝配前需對器件本身進(jìn)行過程測試，量化光器件尾部光纖的損耗，測試合格的光纖才能繼續(xù)裝配。在整個光電產(chǎn)品裝配過程中，光纖需要進(jìn)行多次損耗值測試，只有合格品才能進(jìn)入下一工序。由于光纖本身特性，光纖裝配的一次合格率低。因而整個光電產(chǎn)品裝配存在多次返工的情況，每次返工平均時間在一個小時左右，多次返工極大地增加了整個作業(yè)周期，影響了生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度及產(chǎn)品質(zhì)量。

此外，返工時對人員技術(shù)的要求高且易引入二次故障，增加了裝配難度、風(fēng)險隱患和生產(chǎn)成本，打亂了正常的工序流轉(zhuǎn)節(jié)拍。光纖盤纖及熔接工序因其影響光纖的空間布局及一致性，決定光纖的裝配速度及裝配質(zhì)量，是光纖裝配過程的關(guān)鍵工序[1]。

通過分析各種光電產(chǎn)品的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，總結(jié)歸納出影響光電模塊產(chǎn)品質(zhì)量的因素，見表1。

為有效識別裝配瓶頸，明確影響光電產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)引入關(guān)鍵因素的識別及確認(rèn)過程。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種采用非循環(huán)有向圖（Directed Acyclic Graph，DAG）描述概率關(guān)系的概率模型，其使用概率理論處理各變量之間因條件相關(guān)性而產(chǎn)生的不確定性，適用于不確定性和概率性問題，由結(jié)構(gòu)模型和模型參數(shù)構(gòu)成。

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出光電模塊產(chǎn)品質(zhì)量的評價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用各類光電產(chǎn)品的裝配歷史數(shù)據(jù)形成模型參數(shù)，分析識別影響光電產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。光電模塊產(chǎn)品質(zhì)量的評價網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該網(wǎng)絡(luò)有三層構(gòu)成，頂層節(jié)點為光電產(chǎn)品質(zhì)量，中層節(jié)點為操作因素與設(shè)備因素，底層節(jié)點為各種具體的因素，每個節(jié)點有兩種狀態(tài)（0，1），狀態(tài)0表示好或正常，狀態(tài)1表壞或超常。

通過近1 000個光電產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及各類問卷調(diào)查，結(jié)合質(zhì)量評價網(wǎng)絡(luò)，本文得到了兩大關(guān)鍵影響因素，一個是光纖的盤纖路徑，一個是刀片高度。進(jìn)一步，分析光纖盤纖及光纖熔接問題。

3" 裝配過程問題分析

3.1 光纖盤纖的問題及分析

在實際生產(chǎn)中，光纖盤纖有兩個問題：光纖轉(zhuǎn)彎半徑不當(dāng)和光纖路徑不固定。

（1）光纖轉(zhuǎn)彎半徑不當(dāng)。在進(jìn)行光纖盤纖時，光纖需要在模塊內(nèi)部彎曲，而光纖的彎曲損耗是傳輸損耗的重要組成部分。由于光纖纖芯的脆弱性，在盤纖時光纖有最小彎曲半徑和不能受力擠壓、受熱、彎折等要求，光纖走線應(yīng)與低頻焊點、射頻接口和螺釘孔等位置保持適當(dāng)距離，以避免機(jī)箱焊線時燙傷光纖、裝射頻電纜或螺釘時擠壓光纖，增加了光纖盤纖的困難，光纖的轉(zhuǎn)彎半徑得不到保障，光纖容易折斷難以保證光纖的性能。

（2）光纖路徑不固定。不同操作人員對同一種產(chǎn)品盤纖的路徑不固定，不同操作人員往往會根據(jù)自身的裝配習(xí)慣和器件尾纖長度來調(diào)整模塊的盤纖路徑，這增加了光纖安裝的不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)的低頻導(dǎo)線、射頻電纜與光纖的相互交叉不可控，容易產(chǎn)生光纖被擠壓的情況，從而影響光纖的傳輸損耗。

3.2 光纖熔接的問題及分析

光纖熔接工序中光纖切割、熔接設(shè)備以及熔接程序都影響著光纖熔接的效果。目前，光纖熔接設(shè)備及熔接程序在業(yè)內(nèi)發(fā)展已經(jīng)成熟，不存在增加光纖傳輸損耗的問題，因此光纖切割成為影響熔接效果的主要原因。

熔接前，需要對光纖進(jìn)行包層剝除、酒精清洗、端面切割。切割刀片為圓形刀片，在切割光纖時，刀片垂直于光纖且與光纖的相對高度保持不變，然后在其表面劃出一道劃痕，再施加張力，即可獲得平滑的切口。

因此，刀片與光纖的相對高度成為光纖切割角度的決定性因素。如果刀片高度偏低或偏高，容易造成光纖切割端面角度大于2°或端面不平整，產(chǎn)生的熔接損耗大于0.2 dB，會對后續(xù)光纖熔接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響[2]。在固定刀片高度的情況下，切割20次光纖，統(tǒng)計光纖切割端面角度，發(fā)現(xiàn)滿足切割端面小于2°的次數(shù)占比只有70%，不滿足光纖要求，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

4" 解決措施

4.1 光纖盤纖問題的解決措施

基于路徑優(yōu)化及空間布局基本原理，優(yōu)化了盤纖路徑，解決了光纖轉(zhuǎn)彎半徑不當(dāng)和光纖路徑不固定的問題，并總結(jié)歸納光纖盤纖的最優(yōu)盤纖路徑規(guī)劃規(guī)則。最優(yōu)盤纖路徑規(guī)劃的規(guī)則具體如下。

（1）光纖規(guī)劃路徑應(yīng)避開低頻線束或射頻電纜。

（2）當(dāng)光纖與低頻線束或射頻電纜混合走線時，應(yīng)不影響低頻線束或射頻電纜返修和拆裝。

（3）以光纖長度為規(guī)格，劃分光纖盤纖的最小范圍。規(guī)格為60 mm光纖保護(hù)套管應(yīng)保證130 mm空間，規(guī)格為40 mm光纖保護(hù)套管應(yīng)保證110 mm空間，如圖3所示。

（4）光纖保護(hù)套管應(yīng)緊貼盒體底部或尺寸較大器件的頂部，便于對光纖保護(hù)套管的固定；光纖保護(hù)套管不得放在光纖連接器、射頻連接器及低頻連接器下方，以免影響各類連接器的安裝和插拔。

（5）光纖敷設(shè)路徑應(yīng)避開螺釘安裝位置，且不得影響光器件出纖和光纖連接器、低頻連接器、射頻連接器等器件的安裝和拆卸。

（6）光器件出纖應(yīng)朝向空間更大的方向，出纖方向與光器件的夾角應(yīng)大于70°。

（7）在保證光纖彎曲半徑大于其最小彎曲半徑（一般為光纖直徑的30倍）的前提下，光纖應(yīng)沉底或緊貼側(cè)壁，避開器件棱邊。

4.2 光纖熔接問題的解決措施

光纖切割刀的刀片具有一定壽命，一塊刀片有16個刀口，每處刀口能切割1 000次，因此刀片需要定期更換。此外，更換刀片、調(diào)節(jié)刀口時會對刀片高度產(chǎn)生影響，切割刀的長期使用也會影響刀片高度。而刀片高度會嚴(yán)重影響光纖切割后的端面平整度。恰當(dāng)?shù)牡镀叨葧构饫w被切割得更加平整，進(jìn)而提高光纖熔接質(zhì)量，降低光纖傳輸損耗。所以，定期驗證并調(diào)節(jié)刀片高度十分重要。切割刀屬于精密設(shè)備，刀片的調(diào)節(jié)涉及多種操作，且難度較大，需指定專門的技術(shù)人員操作[3]。

基于上述分析，解決光纖熔接問題的具體措施為：指定專業(yè)技術(shù)人員每三周檢驗一次刀片高度，同時在刀片達(dá)到最大切割次數(shù)并被更換后，也要檢驗一次刀片高度。檢驗的合格標(biāo)準(zhǔn)是：切割光纖20次后，切割端面的角度小于2°的概率大于90%。若不滿足該標(biāo)準(zhǔn)，則用內(nèi)六角旋轉(zhuǎn)切割刀自身的刀片高度調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)高刀片高度，并進(jìn)行驗證，直到滿足標(biāo)準(zhǔn)。

表3表征了不同刀片高度的切割效果，其中，切割成功次數(shù)為切割端面角度小于2°的次數(shù)，h1表示當(dāng)前高度，Δh表示旋轉(zhuǎn)一個刻度時高度的變化值。

5" 應(yīng)用效果

5.1 過程測試一次通過率

經(jīng)過工序改善，在某段時間生產(chǎn)的530件光電模塊中，總計進(jìn)行了3 020次過程測試，過程測試的一次通過率從之前84%提高到95%。影響一次通過率的癥結(jié)問題：光纖傳輸損耗大已經(jīng)由76.6%降低到24.0%，成為影響一次通過率的次要因素，由此可見，問題得到了有效解決。

此外，經(jīng)過改進(jìn)措施，光電模塊在過程測試的各個階段的光傳輸損耗均滿足過程測試技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，總的光鏈路損耗滿足相應(yīng)光電模塊的產(chǎn)品規(guī)范所規(guī)定的指標(biāo)，使光電模塊在過程測試的各個階段的光傳輸損耗降低了3～5 dB。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)統(tǒng)計，光電模塊過程測試的一次通過率改善前為84%，改善后提高到95%，以530件新生產(chǎn)的光電模塊為例，總計進(jìn)行了5 600次過程測試，每次測試不通過所增加的返修人工工時平均為45分鐘；所增加的設(shè)備使用時間平均為20分鐘。再考慮到返修所需的人力成本和設(shè)備成本分別為每小時30元和每小時35元。假定改善前因過程測試不通過而產(chǎn)生的成本為A；改善后因過程測試不通過而產(chǎn)生的成本為B。

A=（總測試次數(shù)×一次不通過率）×（每次返修人工工時×人力成本+每次返修設(shè)備耗時×設(shè)備成本）=（元）

B=（總測試次數(shù)×一次不通過率）×（每次返修人工工時×人力成本+每次返修設(shè)備耗時×設(shè)備成本）=（元）

節(jié)約金額=A–B=30616–9567=21049（元）

6" 結(jié)束語

本文針對光纖的盤纖和熔接兩方面提出了相應(yīng)措施以應(yīng)對裝配中的問題，提高裝過程的質(zhì)量及速度，進(jìn)而提高產(chǎn)品的質(zhì)量，加快光電模塊生產(chǎn)過程的優(yōu)化與迭代。相關(guān)措施實際應(yīng)用效果良好，可拓展至其他領(lǐng)域產(chǎn)品的裝配與生產(chǎn)，主要貢獻(xiàn)如下：一是基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建出光電模塊產(chǎn)品質(zhì)量的評價網(wǎng)絡(luò)，識別出影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素；二是針對光纖盤纖及熔接的裝配問題，提出切實可行方法，提升光電產(chǎn)品裝配質(zhì)量及速度。■

參考文獻(xiàn)

[1] 尚守鋒，顧慶昌，陳偉．淺談光纖熔接技術(shù)[J]．科技信息，2012（07）：123-124.

[2] 林湖宗．光纖熔接技術(shù)點滴[J]．中國有線電視，2007（Z1）：345-346.

[3] 林建國．談光纖熔接技術(shù)[J]．房地產(chǎn)導(dǎo)刊（中），2014（5）：88.