谈印制电路工厂的智能制造（三）——智能制造技术案例

龚永林

本刊主编

（接上期）

4 自动化与智能化制造技术案例

4.1 数据互联标准化和数据处理

4.1.1 统一通讯语言

智能工厂及智能化制造离不开互联网，从工厂内的信息互联到与客户互联、供应商互联，及产业互联，互联交流就必须有统一的“语言”、统一的数字化格式或“通讯协议”。数字智能工厂中的工业4.0解决方案将如何成为现实，所有制造商都可以使用它，并且无需担心过度依赖设备供应商或技术过时的风险。创建一个具有工业4.0功能并能够满足数字工厂中的智能化、自动化制造需求的标准至关重要，这是印制电路产业的共同愿望，包括产业链的上中下游企业，可以有共同语言交流信息与或控制硬件。

IPC已有工厂连接数据交换（CFX：Connected Factory Exchange）标准工作组，定义设备加工数据完整性、有效性、互联互通，实现数据釆集、连接、传输与应用的规范化。同时，IPC也组建了CFX标准的中国技术组，以使IPC标准国际化。IPC的CFX标准主要针对电子组装（SMT），应该与PCB制造也相关联的，或也可为PCB制造业借鉴。

对于未来新建的智能工厂，首先选择支持CFX标准、满足生产产能、灵活性和预算要求的设备。对于打算打造未来智能工厂的企业，需要与现有设备供应商核实并确认机器是否能够使用CFX。即使无法获得设备制造商的支持，也有多种简单并且经济的方法让第三方来提供CFX支持，确保生产车间只需要一个接口就可实现可见性管理和控制要求。

TPCA在2017年成立PCB A-Team联盟，为印制电路产业智能化导入标准通讯协议与共通平台，加速台湾PCB产业全体步入工业4.0。目前PCB 产业专用之PCB 设备通讯协定PCBECI（PCB Equipment Communication Interface）已初步完成，并同步向海峡两岸与国际组织推介，为标准国际化做准备。其智慧制造联盟在开发关键技术做出智能制造示例，以解决产业共通问题。

4.1.2 数据信息中心

智能制造的一个重要特征是信息数据，并且是庞大与繁复的。目前数据主要方面：一是对外的与供应商和客户端的交流数据，二是企业内部经营管理数据，三是生产过程产品流转数据。确定哪些数据是需要收集的，只需收集必要的数据，在整个过程中如果发现有哪些数据是需要的就应添加进来。

数据的管理工厂要设有数据库中心，全部数据连接输入中央处理器，用智能软件来处理这些数据。数据按来源与用途不同分设多个模块，供不同对象获取与应用不同的数据信息。如工厂经理可以实时检查每个工艺流程、每个部门、每项任务的运作情况，可以查看所有的生产指标。针对多条加工生产线，智能软件还可以规划好定期维护造成的停机时间。智能软件可以执行收集、分析、评判和计划等任务，这可优化工厂的效率、降低成本。

新的自动化生产设备都有数字化系统，具备接受外界数据信息、记录自身运行数据以及输出相应数据信息的功能。有的设备还具有监控传感器，出现异常数据或故障会发出警报。PCB生产中每块在制板及成品板都有自身的标识（如条形码），过程数据被自动记录，具有可追溯性。

例如VTG认为，在组织落实智能工厂的过程中，最关键因素是“通讯协议”。他们召集了100多家供应商，包括软件供应商和设备供应商一起确定了一个通用的通讯协议，确保所有的生产线和系统都能够按照同样的协议相互沟通。

例如Green在自动化设备采购一开始就把重点放在设备尽可能使用标准化，包括标准化尺寸规格和标准化通讯语言，以使设备可以灵活地移动与连接。即使设备是为特有功能而专门设计的，还是会尽可能使用标准机器的元件和组件。这对于维护工作非常有利，因为零件都是一样的；其他优势还包括机器的基本操作没有太多变化，所以操作员不需要一直学习新的操作内容。

如Green与供应商AWP（蚀刻与湿处理设备）之间，在项目初期就执行高水平的设备标准化，AWP所有员工都为之付出努力。以往单台设备软件比较简单，因为只管自身而无关其它设备，相比之下工业4.0集成软件有难度，这个涉及多方的系统工作还在摸索进行中。尽管Green已有多个项目的经验，但每个供应商和客户都是不一样的，他们有自己独特的设置和特殊要求，每个人都想给设备添加上自己的东西，这给通讯统一带来难统一。Green的软件工程师与供应商和客户密切合作，寻求集成的最佳方法，一些最适合的具体细节还在进一步讨论当中。而且未来还会不断出现新的挑战，也必须做出相应调整。

4.2 图形形成技术

为了便于实现自动化，电路图形转移成像工艺有二个途径，一是喷墨打印抗蚀图形，二是光致抗蚀剂激光直接成像（LDI）。生产过程要适合自动化操作，并且提高PCB精度和缩短生产周期。

Green工厂的电路图形转移是采用喷墨打印抗蚀图形方法，基板清洗处理后即送入喷墨打印机打印出抗蚀图形，还有内置AOI系统检测图形完好性，图形固化后进行蚀刻与去除抗蚀层。

Green工厂在预清洗生产线前面有一个全自动缓冲仓，里面可存储500盘不同的材料，仓库将根据MES数据直接将材料装载到预清洗生产线中，然后自动清洗板面，及提供喷墨打印抗蚀图形。从CAM数据输入打印机到蚀刻的过程时间不到5 min，每小时打印50个左右的在制板双面图形。接着进入蚀刻、去膜生产线，这条生产线不需要在蚀刻机一端改变速度来处理不同厚度的铜，所以能够在不需要清空蚀刻机的前提下改变蚀刻程序。为了避免蚀刻过程中板面水池效应发生，提高蚀刻均匀性和线路精度，水平蚀刻机采取单面（下面）喷淋蚀刻法，第二面是翻转后再蚀刻。两个蚀刻机之间是由一个翻板装置连接的，这样就能够灵活蚀刻单面或双面板。酸性蚀刻液回收循环使用，把铜提取出来还原成硫酸盐。

Green所有机器都可处理厚仅0.025 mm（1 mil）的芯材。所有在制板的传送或搬运过程中对准或校准都是由光学装置执行，不再使用任何机械对准，避免损伤薄与敏感的产品。除了薄芯材设置外，同时还有适用于处理较厚较重在制板的搬运设备，如层压后多层板重量可超过3.0 kg。薄芯材和厚重在制板之间的设置切换是自动完成的，不需要操作员来完成这一步，这是基于DMC编码和数据知道正在加工哪种在制板，一旦读取了板上的DMC编码，就会自动为这些产品设置搬运设备。

欣兴德国工厂的内层板制造是经清洗处理后基板由机器人（AGV）送入黄光灯洁净室区域，使用干膜光致抗蚀剂和LED直接曝光，在高效过滤（HEPA）的1000级层流罩中完成图形转移。采用数字化LED直接成像曝光机，由两台单面自动曝光机联动，每块板一面的成像时间（包括定位对准）小于15 s，由机器翻转以进行第二面曝光，成像定位公差小于±15 μm。显影蚀刻去膜（DES）线配备了数字压力传感器和流量计，能够精确设置和监控工艺参数，以确保一致性和再现性。蚀刻机可以在整个面板宽度上连续测量铜厚度、铜线条轮廓和表面粗糙度，使用封闭循环系统从氯化铜蚀刻液中回收铜。

VTG采用光致成像图形转移工艺，抗蚀膜成像过程中使用双面自动曝光机，每台机器都具备优秀的自动定位功能。对于外层成像100%采用激光直接成像（LDI），可以进行更精确的图像对准。所有的蚀刻机都是真空蚀刻机。

对于阻焊图形形成，同样是两种途径：一是喷墨打印直接得到阻焊层；二是涂布液态阻焊油墨。数字化直接曝光成像和显影，都不再用照相底版转移成像。对于字符图形形成，都采用喷墨打印方法。

4.3 钻孔与成型加工技术

4.3.1 多层压制

Green工厂的生产顺序是在内层板检查合格后装载于小车被运输到叠板工位。初期待层压的在制板的叠板操作还停留在人工操作阶段，因为这道工序有很多变化因素，也很难以自动化的方式拾取半固化片。虽然叠板操作没有自动化，但过程中用到许多新技术。多层压制方式是传统技术加上自动化设备，热压机与冷压机组合，自动装载机从叠板工位收取工件，在压机前来回移动定时装卸工件，包括从热压机转入冷压机中，然后再从冷压机中取出工件移送去拆分。有一个拆分工作台是自动拆分压制模板与取出在制多层板。

Green新的多层压制方式采用无销钉定位的压制，是应用内层感应粘合（Induction Bonding）新技术。这项InduBond技术，有全自动化感应粘合对准设备，做到对位准确、操作简便，摆脱以前的销钉对位和销钉层压工艺。另外，配置新的称之为InduBondX-Press的压合系统。这种新感应粘合和压合技术最大的优势是可以获得均匀的压力和温度，可生产复杂的电路板。此技术是使能量直接传导到基材中，可节约很多加热时间，对于相同的产能仅需使用原有常规热压所用能源的8%到10%，节约大量能源支出。因其能实现快速均匀加热，从而能够以真正有效的方式缩短周期、降低成本。此层压机可随时运行，不需要任何预加热，每台压合机在整个压合周期都能按加热曲线和冷却曲线运行，无需释放压力。当压合机打开时，又可在室温下拆分叠板。冷却设备是使用空气流系统，接触空气进行冷却，让在制板自然降至室温的方式。

另外，正在开发一种快速智能配料机，用于多层压制前叠板配料（如图4-1）。在叠板工作站设置抽屉式料架，分别放置各种材料和内层板生成一个数据库，配料机按给定产品编号自动地取放芯材、半固化片。叠板工作站只需要一个操作员，不会有划痕或错误，而且还能实时控制，因为数据库知道有关堆叠的详细信息。每铺一张芯材或半固化片时，会有一个系统精确测量上一张和下一张之间的偏差及鉴定厚度，检查确认是否实现了精确的堆叠。如果操作员出了错，例如放的半固化片数量比所需要的多，系统就会发出警告；或者如果芯材与铜箔或基板厚度不匹配，也会发出警报。

图4-1 自动叠板工作站

还配有一台机器可以拾起固位板与分隔模板，再把它放在压合机上。压合机将扫描条形码，根据输入的Gerber文件，了解压合材料类型和压合位置，然后压机开始工作。压合完成后由自动化系统将工件放在机器出口处的平面传送带上，输送到在制品过渡区。

德国欣兴的多层板压制特点，采用无销钉的光学定位系统，可以实现±5 μm的层与层定位对准精度，并且专有的自学习软件解决方案使精度能够针对任何特定设计进行连续测量和改进。预浸料（半固化布）储存在6℃的洁净室中，材料管理系统提前24 h自动从冷库中提取所需材料，整个叠板作业在1000级洁净室环境内进行，所有操作都由机器人完成。具有八台层压机（五台热压和三台冷压），配置自动装卸系统。其中有一台热压机运行温度能够达到400℃，可以实现特别高Tg基材压合及聚四氟乙烯的熔合。完成压制后工件传导到自动分拆站，压制模板通过表面刷洗机返回重新使用，压合的多层板进入边缘修整站。这台修整机器如机器人，伸展给修剪刀头将每块板的四边修齐，然后将其平放在桌面上，一个旋转的磨头进行磨边和倒圆角。最后，在制板进入X射线钻孔机进行加工孔及后续加工。

VTG使用的层压材料（半固化片和铜箔等）都是以卷轴形式进料，自行把材料展开铺平分割。叠料加工系统可以让层与层之间具备很高的精准度，堆叠好后对其进行X光照射检查，以便及时发现是否放置错误，若有错误可在层压之前进行返工。有Burkle的10开档大压机进行层压，装载层压材料的工作全部由机器人完成。完成层压之后，使用X光钻孔机来钻定位孔，这些X射线机器可以完成内层目标的测量，测算多层板内层结构和涨缩的比例系数。

4.3.2 钻孔与铣切

在Green配备了Schmoll的数控钻床，有16台单轴钻孔机分两排对立。这种单轴数控钻机有很多附加功能，包括移动轴的线性电机、高速主轴、精密深度控制器和自动装载机。后来取消了钻孔机器的自动化装载系统，转而由自动导引车（AGV）供料。机器都有相关的视觉系统，可以做视觉校准。这些机器都有一个大容量的刀具更换系统，系统内可以容纳2200支刀具，对于自动化系统来说，保证刀具的数量和种类是非常重要的，这样就可减少更换工具的操作。

Schmoll的激光钻孔机有一种双工位pico激光器，激光速度达到了皮秒（1×10-12s），而不是传统的纳秒（1×10-9s）。pico激光器可以同时发出两束不同波长的激光，一种是紫外激光，另一种是CO2激光，因此可以处理不同的材料。pico激光设备配有两个工作台和两个机械手臂，可以为每个工作台自动加载板子。钻孔运作时两条激光束可直接照到两个不同的工作台，一条紫外光束钻铜箔，另一条二氧化碳光速钻基板树脂和玻纤，并到铜面时自动停止。

另外有一种切割机Optiflex，所有的工作都是依照条形码完成。每个PCB工件都有条形码，机器将自动加载与条形码对应的工艺，通过条形码阅读器读取条形码设定程序，然后切割。这个特殊的装置有一个8摄像头系统，可观察前后的对准位置，根据摄像机的视觉目标来优化加工孔的位置。

Green在钻孔工序配备了Impex测量解决方案的proX3，它是一种质量控制工具，具有多种测量技术。proX3可快速扫描整板，检查板中每个孔的位置，报告缺失孔或堵塞孔，并提供这些孔的位置。还有其他测量技术，如点对点摄像系统，以及3D功能可以用来绘制外形图。现在有一项技术可以在孔内插入一个直径非常小的纤维探针，相当于内窥视探测，它可以记录多层板孔与内层的位置。

VTG配备了大族和Schmoll两种钻孔机，所有的机器都配备了200 kr/min的主轴6个，制造的标准尺寸是超大型的609.6 mm×711.2 mm（24 in×28 in）板。利用智能生产系统软件统筹钻孔程序，确定哪项任务用哪台钻孔机完成，可以优化工艺流程，一个操作员可以控制8台机器。

VTG在X射线钻孔、激光钻孔和机械钻孔机之间有一辆自动搬运车（AGV）。这辆AGV由Schmoll公司供应，完全可与他们的搬运装置集成。

DSG仍是使用多轴钻孔机，单头钻孔机不适于批量大的板子加工，效率差。单头钻孔机占地面积要大很多，一个单头钻孔机和一个六头钻孔机之间的成本差异大约是35%～40%。

4.4 金属化孔与电镀技术

电镀是PCB工厂里最复杂的一个环节，Green从去毛刺到全板电镀，整个过程是自动进行装卸及由机器人完成。Green总共安装了8条安美特的生产线，其中包括化学镀铜、直接金属化孔、电镀铜、表面处理等生产线。同时，采用了安美特的多种湿处理化学工艺，例如高均镀性化学镀铜、盲微导通孔填充、镀通孔填孔、激光直接钻孔预处理、增强阻焊结合力前处理，以及ENIG工艺。解决方案带中有一个完全集成的通信接口，可以转换安美特的硬件和工艺数据，并实时与多个平台安全地交换这些数据，从而可优化生产效率和提高良品率。

Green釆用的是常规化学镀和电镀工艺，有先进的垂直式生产线，可实现高达40∶1以上的微导通孔厚径比，应用全板电镀蚀刻法或者是半加成法（SAP），没有传统的图形电镀工艺和碱性蚀刻工艺。使用全板电镀能使每一板面铜层厚度都是相同的，镀铜层不均匀的差异降低到了小于5%。（SAP）工艺主要是针对超细的走线、间距和微导通孔——类载板（SLP）等HDI板产品。

根据在制板尺寸和铜厚度要求，电镀线中的传送系统速度以及电流密度和脉冲形式会自动调整变化。这些生产线有很多加料系统，所有化学品的添加调整等操作都是自动完成的。

如在化学镀铜和酸性镀铜生产线中都配置自动控制器，可进行在线连续分析和补充溶液（如图4-2）。在常规的生产线中，通过实验室分析或根据产量计算，由操作员一次添加很多溶液，使化学浓度达到峰值，当它衰减到低谷时再次添加，这种溶液成分的波动会造成产品质量不稳定，现在这种在线自动补液就能保持工艺与品质稳定。

PTH生产线在一周的生产结束后，操作工只要按下维护模式的按钮让其自行对化学槽进行清洁维护。该过程会自动将化学镀溶液泵送到储液罐，将蚀刻液从另一个储液罐中泵出送到生产线化学槽中，控制温度和运行时间蚀刻掉所有的槽体上残留铜，随后用水冲洗、排出，泵回化学镀液再次开始运行，使它恢复如初（如图4-2）。

图4-2 自动化学加药站

4.5 检测方法

PCB的检测项目重点是导线和孔，以保证电气性能完好，通常采取的手段是自动光学检查（AOI）和电路电气测试（ET）。现在智能制造中检测做到在线实时化和数据系统化。

Green选择了CIMS作为测试设备的主要供应商。AOI系统连接到不同类型的自动化生产线中，既可以独立安装，也可与装板机/卸板机连接，或者成为在线工艺的组成部分，关键点是不需操作人员参与其中。为了实现这个目标，设备要能读取条形码，AOI系统在自动装载工件中完成检验，所有AOI系统都可检验15 μm的线宽。操作员可以在任何地方，包括非现场的远程完成验证。

在检查线路宽度的时候也有不是使用AOI，是在DES生产线末端安装一种利用激光的小型3D测量仪系统，可以检查在传送工件的上面和下面导线宽度以及铜层厚度，甚至激光微盲孔的深度。所有的检查都是记录在案的，如果客户问他们的PCB线路的宽度控制如何，从电脑上就可查到。测量线路的线宽及线距精度可达±2 μm；测量在制板的实际尺寸精度可达±8 μm；还可实现3D测试，能够测量线路的高度及激光钻孔的深度精度，达到了亚微米级。

除了线路表观和铜厚以外，由Schmoll公司提供的钻孔机能通过钻头深度检测出所有位置的绝缘体厚度，然后可参照数据库中模型数值得出生产过程中这一位置的实际阻抗分布，也可作为测量阻抗控制的工具。为PCB提供一个完整、真实的阻抗读数档案，通常会请实验室的专家来完成这项工作，整个过程要花很多费用和时间，现在这项工作是自动完成的，可以将其用于服务客户和工艺开发。

Green配备了X射线系统，这是一个线性Z轴技术XRI机器。X射线系统用于层压前的叠层检查和平衡系统，检查内层位置对准度；多层板层压后观察板内部，当出现略微的偏移会自动进行缩放和旋转平衡，完成对准后钻两个定位孔。这里每块板子都有条形码，从一堆板中拾取一块，将它们放入机器，所有操作是完全自动化的。

通过数据库，从AOI系统和其它检测系统中获得各种检验和测量结果等信息，进行各种分析后生成不同类型的报告。

VTG公司也推行实时检测技术。如CAM 给生产人员发送文件告知操作员需要测量内层板上走线宽度的位置，以及走线宽度的值应该是多少，之后将测量到的数据输入数据库中，计算出蚀刻因数、Cpk等。现在百分之百在线评估内层板走线宽度与间距，这些数据可用于监控蚀刻机的性能，当在某个环节出现失控时及时发出警报。所有AOI数据都被存储起来，以进行良品率分析。

VTG有16台飞针测试仪，其中6台已经配备了开尔文（四端）测试装置。当处理的孔AR超过10:1时，会使用开尔文测试器完成测试。此外，还有耐高压测试仪和电感测试仪。现在正致力于将人工智能（AI）整合到工艺当中，让检验系统能够实时学习不同缺陷，未来它可以确定哪些缺陷是伪缺陷、哪些缺陷是真缺陷。

4.6 绿色生产

Green公司的PCB工厂是精益与绿色两方面共进，通过设备封闭、化学物自动分析添加控制与回收、清洗水重复使用与循环处理回用等，实现绿色生产和零排放为战略的一部分。

所有的湿处理冲洗过程都设定成了“1+4”或“1+3”模式。第一阶段是溶液带出阶段，与其他级冲洗是分开的，第一阶段冲洗液在排出时，含有较多化学物质会转化为化学废料，而不是废水，可以采用回用处理。之后的阶段都是标准的级联设置，采用循环水来代替净水反复使用，冲洗液会被回收处理成清水重新使用，大大节省水用量，工厂每天只消耗新水用量大约500加仑（1.89 t）。当使用循环水时，藻类生长会引发问题，所以在系统中安装了新的装置，以避免冲洗液中藻类生长而产生颗粒物。冲洗阶段加入了一些电导率传感器，可以根据电导率和pH来控制水质和加水量，而不是按照每分钟几升这样的固定流量控制，能够有效减少用水的一个“绿色”亮点。

所有的湿制程设备都配有不同的刮板辊。在每个湿处理步骤单元之间的入口和出口处使用4组刮辊，水冲洗工艺也采用了同样的刮辊。很多同行在级联之间只使用两组刮辊，这会导致带出的液体过多，这种4组刮辊设置可以减少级联间的带出液，并且保证冲洗工艺的效率更高。

新设备的通风和工艺温度方面，突出的是如何来降低更多蒸发？在通风和蒸发方面在所有工艺模块中使用特有“模块套模块”设计，将整个喷涂区域封闭起来，并将所有的喷雾封闭在主要工艺模块内的封闭罩内。排气系统连接到外模块，从而减少了因大量蒸发而导致的损耗。

还有采取冷凝器技术显著减少了生产线所需的化学品用量。如去钻污生产线上的冷凝器，会使挥发出的废气经过冷凝回到设备中，这样能大大减少化学品的用量，改善操作对环境的整体影响，使这些机器的通风排气非常少，这是减少化学品消耗量的措施之一。

VTG公司的绿色计划是在工厂车间内建造一个专用回收站，用于回收所有的化学品、废弃物和固体废料。有部分化学品的回收是外包了出去，现计划安装汽化设备，这种设备可以将化学品转化成固体废料，之后可进行焚烧处理。通过这种方法，可以循环利用整个工厂产生的所有废料。

PCB企业走绿色环保之路，先有了资本投入，之后才会有回报。正确操作的情况下操作成本应该是会减少的，例如Green的蚀刻工艺的投资回报率（ROI）会在一两年内实现，有关废物处理投资回报率如图4-3。唯一的废物是对环境安全的可以填埋的中性固体物（见图4-3）。

图4-3 Green的蚀刻工序废物处理及投资回报率

（未完，下期续）