雷达精密电子自动化制造面临的挑战

倪靖伟（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

雷达精密电子自动化制造面临的挑战

倪靖伟
（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

摘 要：现代雷达中配备了上万个功能模块组成阵列，给自动化微组装大规模制造精密的电子组件带来了机遇。中国电科38所在引进自动化微组装生产线后，从遇到的实际问题中获得了一些经验：雷达精密电子自动化制造需要工艺师与设计人员更多的沟通和合作；设备维护需要专机专人负责；物料采购需要满足自动化制造的需求。

关键词：雷达；电子组件；自动化制造；问题

1　前言

21世纪军工装备正在向着高科技、精密化、自动化方向发展，作为军事装备系统“眼睛”的雷达为了实现高作战能力和高战术机动性，轻型化、小型化、高精密、高可靠成为其必然的需求。

雷达中电子组件的发展方向集中在增加互联密度、缩小体积、降低功耗、提高性能和增加可靠性等方面，以裸芯片（bare die）为核心的多芯片组件（MCM）、混合集成电路（HIC）等微电子组装技术正进入蓬勃发展的阶段。在当前雷达的发展进程中，相控阵雷达的应用越来越广泛，而在其中成千上万个元器件组成阵列的功能模块，起到了相控阵雷达的核心作用。一部高科技雷达对组件的需求量从几个几十个的规模增长到了上万个，面临着生产模式从手工逐个调试生产到批量化大规模自动化流水线作业，这就给雷达中的电子组件自动精密化生产提出了新的挑战。

由于雷达中电子组件精密度提高，传统手工制造和半自动制造已经不能满足元器件微型化加剧和大批量制造的需求。传统手工制造和半自动制造的精度依赖于人工熟练程度，制造效率依赖于熟练工人的数量。当前国内熟练工人的招收和培养都需要付出巨大的精力、漫长的时间，而技术的更新换代速度进一步加速还会让对熟练工人的培养存在技术过时的潜在经济风险。最关键的是熟练技术工人的数量远不能满足相应需求，且人力成本正在逐年飙升。在此背景下，自动化微组装制造雷达电子组件成为一条可行的解决道路[1]。

自动化微组装在国内兴起不过几年时间。2008年，中国电科 38所在中国电科集团首家引进自动化微组装生产线，经过数年的积累，从面临的挑战中积累了一些经验，以供业内参考。

2　雷达电子自动化精密制造面临的挑战

2.1制造对设计提出的挑战

传统的雷达电子制造模式是从上游到下游垂直进行的。总体提出指标，电讯设计师进行电路设计和元器件选择，结构设计师负责组件结构设计，工艺师负责工艺流程规划和制定，最后让制造厂进行制造。组件体积较大，重量指标相对容易控制，电子线路和元器件间间隙宽，制造容差值大。这个体系的特点是每一级更多地为上一级提出的目标努力，对本级的工作负责，而本级实现目标的方式是向下一级提出要求，由下一级进行实现。该模式在大尺寸、数量少的雷达电子组件制造方面运行得相当流畅，每一级的人员需要考虑的问题相对单一，仅对本级负责，容易让本级的技术更精密，精力、人员的投入都更专业。

但随着雷达电子向着高科技、精密化、阵列化转型，需求数量巨大、高互联密度、体积微型化、重量要求苛刻等新的特征让该模式的运行暴露出了越来越多的问题。

传统意义上的工艺师们关心的问题集中在精密度、可靠性、制造速度和效率等指标上。但随着制造尺寸不断缩小，制造密度不断提高，对可靠性的要求越来越苛刻，工艺师们逐渐意识到要把一批组件做到高精密、高可靠，同时具有高生产效率和成品率已经不是他们可以独立解决的了，往往会产生“设计师动动嘴，工艺师跑断腿”的问题。工艺实现手段需要从设计层面上越来越多的与之结合，在其中去寻求设计和工艺的平衡。

曾有案例，工艺师们发现组件中的一个细节实现起来非常困难，经数天的绞尽脑汁找到一个让操作人员需要达到极限才能完成的工艺手段，最终却听说在新的改版图纸中该部分已经被取消了。这个案例深刻说明工艺师们关在房里一个人冥思苦想埋头苦干的时代结束了。只管工艺不论其他的时代也结束了，为了制造出更精密、更轻、更可靠的组件，工艺师们需要与结构设计师、电讯设计师们更紧密地合作，彼此提出困难，往往会发现在自己的领域中遇到的不可逾越的困难，换一个角度后可以另辟蹊径找到解决方案。

目前雷达TR组件中常用的LTCC基板一般以金或银作为导体金属材料，内部埋置电阻、电感和电容，最小通孔达到了300 μm，线条及间距最小150 μm。而薄膜基板的内部甚至可以埋置简单芯片，线条及间距达到了50 μm，最小通孔达到了25 μm[2]。随着器件尺寸和线宽尺寸的不断缩小，组装过程中的工艺难度也不断上升；产生的微量偏差对可靠性的影响越来越严重。焊盘尺寸公差和表面轻微的污染情况也有可能影响金丝球焊和压焊的附着力。而电讯设计师和结构设计师们通常为了组件更小、成本更低、重量更轻，倾向于在尽可能的情况下进一步压缩线宽，采用更小尺寸的器件和焊盘，进一步提高组装密度，甚至已经开始尝试叠层设计。

由于组件同时朝着微型化、精密化、阵列化方向发展，工艺师们在埋头做好自己工作的同时越来越多地感受到从设计端给出的精密度和总体上对进度产能两方面的压力。而从现有设备和技术的发展而言，工艺的发展速度依赖于漫长的积累，而设计往往会去尝试工艺的极限。设计师们在追逐最先进技术的同时并不能够完全清楚工艺的发展现状，常常会将文献中一些单方面突破的工艺认为是成熟工艺，而忽略了该方面突破可能带来的其他方面的性能降级和良品率的大幅度降低。

由于设计和工艺之间的沟通障碍，造成了在自动化批量生产过程中设计往往会在无意中把工艺逼到极限，而物料的实际状况常存在公差等并不能完全满足设计的情况。在这种情况下进行大批量的自动化生产，要达到一定的成品率和可靠性，必然要依赖于大量的过程检验和手工修补，直接造成效率下降等一系列问题。优秀的设计只能在通过工艺制造、形成成品后才有现实意义，工艺师们有必要让设计师们知道，在一定条件下，过高的密度、过小的间距、过低的成本会挤压工艺容差的空间，造成可制造性和可靠性的大幅度下降。一个充满隐患的产品同样不是设计师愿意看到的。

在接近工艺极限的状况下，制造精度和制造效率之间存在一个平衡关系。为了达到更高的精度，需要牺牲制造效率，工艺师们可以把这些相对笼统的概念计算出尽可能精确的值来反馈给设计师和总体师，以供总体师和设计师来取舍。举例而言：当LTCC基板中的线宽达到0.15 mm、线宽精度正负10%、焊盘尺寸0.25 mm2、元器件约为70个时，某工艺师通过自动化点胶、自动化贴片两步，中间无检验的情况下无辅助一次成品率可能会降到20%，而如果线宽达到0.25 mm。其他参数不变的情况下，同一位工艺师通过自动化点胶、自动化贴片两步的无辅助一次成品率可能会有80%。成品率的大幅度下降意味着大量的手工返工，而制造速度也会受到相应的影响。

总体师们这时就可以权衡究竟是选择更苛刻的体积和重量指标，还是来选择更高的制造效率，相应的在实际生产中设计师和总体师如果选择了更苛刻的指标，也能更多地体谅和从人力、物力上支持工艺师来增加效率完成任务。

2.2设备维护方面的挑战

与SMT表贴工艺相比，现在雷达电子自动化精密制造过程中应用的设备正朝着更高精度的方向发展，由此带来了对设备精度和稳定性的需求。

然而越精密的设备越需要复杂的系统支持，越复杂的系统有越多的部分容易被一个小的扰动所影响，造成精密度的下降甚至运行故障。由于机器视觉技术和大量传感器的应用，雷达电子自动化精密制造设备维护的难度变得极高，原本国内通用的1名通用设备维护师维护多台设备的方案显得越来越力不从心。

针对设备如此复杂的现状，是否效仿芯片制造行业，需要更专业的设备维护师对专有设备特殊维护，是需要思考的另一个问题。而传统制造过程为了保证制造进度，常常会预留10%～20%甚至更多的备用设备，以备在生产线设备出现故障、短时间难以恢复正常时有可用的设备随时可以顶上。

当设备进一步精密化和自动化后，带来与从前不同的两大区别：

（1）设备价格昂贵，动辄百万以上；

（2）结构进一步复杂，出现故障时排查时间长，需要厂家工程师上门维修甚至设备返厂维修的几率更高。

面临这样的局面，是投入更多的资金采购备用设备，还是承担可能的生产中断的风险，同样是自动化制造面临的一个艰难选择。

2.3对物料采购和检验的挑战

自动化设备并非万能，能够实现自动化生产的关键在于信息向设备的可输入；设备对信息的可分析、可识别，最终反馈到设备的生产输出上。随着雷达电子精密自动化制造对精度和速度的双重需求，机器视觉识别技术正成为自动化精密制造的主流输入技术。通过机器视觉的识别，可以判定物料是否满足制造需要，自动选择满足需要的物料，跳过有缺陷的物料。然而，机器视觉识别技术存在几点局限。

（1）机器视觉在大量模糊信息的辨识能力上毕竟不能跟人脑相比。机器善于完成简单重复的工作，在完成这些工作时往往显得高效而精确，但是在条件发生变化时，机器无法像人脑那样自动针对复杂情况做出调整。

（2）机器视觉技术是通过识别点或识别区的相似图形比对，设置一定的容差范围来决定机器是否完成操作还是跳过或停下该动作，考虑到制造速度的因素，往往只能设定有限的识别点。

（3）物料侧面和背面的状况通常很难通过机器去识别。

这些现状就造成了在识别区域之外出现缺陷或污染的元器件被认为是良品而被自动化设备以正常工艺进行制造的情况，轻则将生产出不合格品，造成检验和返修的工作量增加；更严重的是这些缺陷元器件有可能损坏设备，造成暂时的停工甚至完全停产。在雷达电子自动化精密制造所需要的庞大物料面前，设备通过机器视觉检验存在速度和精度的矛盾，人工检验又面临巨大的工作量，入库检验环节如何能够高效地进行，又是一个新的挑战。

2.4对人员培养和考核的挑战

在雷达电子尺寸较大、精度要求还不高、制造全部依赖手工完成的时代，生产单位们围绕着生产效率和技术的不断进步，制定了一系列的人员培养和考核的标准和实施手段。但是当雷达电子制造进入到精密化和自动化制造的时代，生产单位会发现原有人员培养和考核机制需要进行较大幅度的调整，以之适应新形势下的要求。

必须要承认，精密化和自动化制造并不能完全替代手工操作，与之相反，对手工操作的要求实际上是更高了。在手工生产时代，将操作人员集中起来进行某一项技能的培训，再利用样件进行试产，最后在产品生产中考核手工操作人员的生产总量、生产时间和成品率是常用的一套培训和考核手段。任务容易分解到每位操作人员的手上，再通过检验部门对成品进行检验和统计，最后管理人员通过统计结果进行评价即可。一旦某位操作人员产生废品率突然提高或生产效率突然下降，可以追查其在生产过程中造成该问题的原因并加以改进。但是在精密化和自动化制造的今天，问题往往会变得复杂。

2.4.1人员培养方面

原手工操作设备通常结构较简单，功能较单一，人员培训只要能达到满足设备操作使用要求、能正确地操纵手工工具和设备即可，并没有太多的工艺改进和优化空间，对操作人员的基础知识要求不高。然而目前自动化设备往往采用开放式软硬件平台，软件逻辑结构和设备机械结构都很复杂，可编程、可定制化的部分多。这样一来，操作人员是否具有良好的基础知识和工作热情就显得尤为重要。培养出一个基础知识良好、善于思考的操作人员，能够从硬件定制选择到软件编程上都不断作出优化，不断提高生产效率和生产质量。

2.4.2人员考核方面

雷达电子昂贵的制造成本决定了自动化制造出来的不合格产品不能简单地报废处理，往往需要操作人员进行配合修正。原有手工生产时代产品结构相对简单，不合格品之间的返修处理工作量差别不大，不合格品出现的原因基本上也都是由于元器件不合格和操作失误造成，判定相对简单。

现代雷达组件本身结构进一步精密化和复杂化后，制造它们的自动化机械复杂的工作原理和工作模式造成不合格品的不合格状态差别巨大，有的不合格品只需要简单的处理便可以重新成为合格品，有的不合格品需要消耗巨大的人力、财力和物力来处理。

另外不合格品的产生原因也变得复杂。除原有两大因素外，又增加了由于自动化设备本身的状态不稳定或电压、真空、压缩空气等多种自动化设备需要的外部条件波动等潜在因素。如何在人员考核中体现出对这些现象的区别，并针对能够给实际工作量大、工作难度高的员工予以更高的评价，也将成为工艺师们面对的一大挑战。

2.5工业4.0时代带来的机遇和挑战

工业4.0时代即将到来[3]。它的核心是提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人体工程学的智慧工厂，并以网宇实体系统及物联网为核心[4]。雷达精密电子自动化制造无疑将会被工业4.0时代带动，从原本的手工逐只组件的制造升级到大规模智能化可控制、可调整、可记录、可升级的新型制造方式。工业4.0会给雷达精密电子自动化制造一个新的机遇，但同时也会带来新的挑战。一方面工业4.0能够大规模提升雷达精密电子的制造水平、制造效率；另一方面，雷达精密电子设计、工艺、设备和物料采购的各个环节又必须努力达到工业4.0的需求。

3　总结

雷达电子自动化精密制造是一个近年来才兴起的新技术，面临着全新的挑战。挑战的同时带来的也是机遇，在面临诸多困难的同时，工艺师们也能感受到时代带来的机会。产品设计终究是要通过工艺制造来实现的，期待这些问题的解决能带来一个全新的高精密度、高可靠性、高制造速度和高效率的雷达电子自动化精密制造新时代。

参考文献：

[1] 汤俊. 固态有源相控阵雷达T/R组件批生产的质量控制[J]. 现代雷达，2004, 26（4）.

[2] 边国辉，方一波，吴小帅. 用于制造多芯片组件的LTCC技术[J]. 半导体技术，2008, 33（5）.

[3] 胡杰. 从德国“工业4.0”看中国未来制造业的发展[J].民营科技，2014,（12）.

[4] 毛国锋. 工业4.0惊呆了哪些小伙伴[J]. 变频器世界，2013,（09）.

The Challenge of Radar Precision Electronics Automation Manufacturing

NI Jingwei
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China）

Abstract:Modern radar is equipped with an array of tens of thousands of functional modules, which gives micro-assembly automation opportunity to large-scale manufacturing of sophisticated electronic components. CETC38 gained some experience from practical problems encountered from the micro assembly automation: radar precision electronics manufacturing automation needs engineers and designers to more discussion and cooperation; precision equipment maintenance need dedicated person maintained; procurement of materials meet the needs of automation manufacturing.

Key words:radar; electronic components; automated manufacturing; problems

中图分类号：TN305

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2015）05-0041-04

收稿日期：2015-01-22

作者简介：

倪靖伟（1964—），男，江苏靖江人，目前在中国电子科技集团公司第38研究所工作，长期从事电子装联技术的工程化研究和应用工作。