谈印制电路工厂的智能制造（四） ——智能制造前景展望

龚永林

本刊主编

（接上期）

5 电子电路智能制造之前景展望

整个制造业正迅速向工业4.0发展，向智能制造发展，电子电路产业同期也在向智能制造迈进。智能制造的实现还有很长过程，而智能制造之梦可以先做起来，憧憬未来。智能制造之标志是信息化加自动化。

工业4.0的智能制造是理想，但每家企业的状况不同，所面临的生产型态与竞争类别也不尽相同，因此在此所述的智能工厂只是一种系统架构设想，至于各家企业的智能制造该如何具体规划与建设，还是会因地致异有所区别，也会更新发展。

5.1 智能制造工厂之架构

企业智能化的两要素：信息化与自动化。信息是“指挥棒”，自动化设施是“枪杆子”。工厂管理以信息为中心，围绕信息系统搭建管理与作业架构，由信息指导管理与作业实施。这将带来一种全新的企业经营模式，除了工厂软硬件设施的架构外，同样重要的是合适的组织架构。传统制造业部门繁多，以人治人（管人），虽分工明确制度制约，但人为因素较多而常有脱节。现在建设智能工厂，实现智能制造，将会减少或合并许多职能部门。基本有以下两个层面。

5.1.1 管理层-互联信息中心

企业建有信息中心，布开一张互联网，整个企业管理都将依托信息中心开展相关业务。

（1）内部互联网络：高层战略决策、企业方针目标（高层）；资本运作、资金流动（财务）；岗位职责、人事安排（人力资源）；客户要求、接单文件（销售）；物料供给（采购）；生产计划、作业协调（生产）；设施配置、软硬维护（设备）；产品管控、新技开发（质技）。

（2）外部互联网络：宏观经济、市场趋势、行业发展——高层；金融市场、银行—财务；人才市场、教育培训—人事；市场信息、客户联络—销售；物料行情、供应商联络 —采购；产业链信息、行业发展、客户服务 —生产与设备、质技。

营运层面，则根据各项系统与软件如ERP（企业资源规划）等来进行如物料管控，成本掌握等等营运面所要掌控的问题。因此，如何有效整合各营运层面的各种信息，会是最重要的关键。同时也期望协同其他系统，来连结各厂商间的信息，从材料，设备到制造商之间的信息可以进行连结与整合。

5.1.2 作业层-制造车间

（1）设施管控：自动化加数字化设备硬件与软件维护，确保正常运转。

负责生产设备状态监控，可利用各项感测器巡检或电子遥测系统以即时反应机台实际状况。重要的一项是机台连线，基于通讯协议利用一致的传输格式来传送与转译、整理数据信息，达到更好的效用。

如数控钻床的数据传输系统、刀具自动更换系统、主轴平衡度、导轨复位精度、钻孔深精度，以及钻孔运作参数及钻头寿命的自动记录装置等，有即时数据显示或定期、不定期的监测，并且单机数据汇集于信息中心。

（2）产品管控：安排上线生产，监测生产过程，交付合格产品。

此层就可以利用各设备之资料，运用制造执行系统（MES）来进行现场状况的掌控，如工件要求、生产参数配方、材料到位的控管、设备运作和保养等，其目的在于稳定生产，当发现产线异常时得以即时反应采取措施，以达到生产目标。进行生产流程上之最佳参数流程控管，是该层主要之工作。如何有效将作业层的各项信息资料进行整合，即时反映现场状况并进行最有效的分配利用，则是该层的主要课题。

如在PCB生产中显影蚀刻去膜（DES）生产线，MES 根据现场搜集各种温度、流量、浓度、压力、速度、铜厚等等各项数据，自动计测得出蚀刻效果，DES线进行最佳排程与最佳参数调整等工作。使其整批量产的线宽能够在设定范围，进而将DES线之质与量达到最佳化。这改变了以往由工程师或检测人员离线检测产品，判断是否需要更换药水、耗材或设备异常等状况，得出滞后的结果。DES线相关信息资料可以再提供给营运管理层之ERP等系统进行了解，药水存量是否足够及需要进行采购，相关耗材是否还有足够数量，各项原物料之消耗成本是否符合管控等。最后则是与上下游之材料商，设备商甚至是客户端之间的信息整合与分析，如材料商提供药水之功能与稳定性状况，设备商提供之DES线运行特性，客户端产品品质异常回馈等。多方面信息汇集、分析后归纳出属于DES线之资料，能让整个生产能更加智能化。

5.1.3 智能工厂与传统工厂管理架构比较

传统工厂的宗旨是盈利，投资者的经营管理目标为利益最大化，为此目的用人、设岗；尤其是管理层以人治人，人为因素造成差错与失误；而生产一线人是机器的附庸，单调、枯燥，人难免会失常犯错从而会造成废品。智能工厂将在盈利的同时也会兼顾社会责任，带动社会共赢，工厂管理以收集信息、分析信息、利用信息为主线，设置相应岗位与人员。表5-1为智能工厂与传统工厂两者管理架构之基本区别列于。

表5-1 智能工厂与传统工厂管理架构之区别

5.2 自动化加信息化的智能制造系统

5.2.1 智能工厂生产运作流程

PCB工厂从接单到出货的示意（如图5-1）。

图5-1 PCB接单至交付流程

5.2.2 现行工艺基础上智能化生产线系统

依照目前的PCB智能制造工厂建设，基本仍按照现行的减去法、半加成法工艺要求配置设备，只是考虑生产线自动化和数字化控制，以及信息系统互联。基本流程与配置如图5-2。

图5-2中各工序间在制板传递方式“AGV”是指机器人搬运，“传”是指传送带流转，“AGV/传”是指机器人搬运或传送带流转（后面的图相同）。从生产效率而言，各工序间直接有传送带流转更佳；若受设备结构和生产场地限制，则采用AGV 就灵活方便。

图5-3流程是将导电图形与阻焊图形的光致成像工艺都改为喷墨打印工艺，这样可减少加工步骤，缩短生产周期，也更适合自动化生产（如图5-3）。

图5-2 常规多层板自动化生产流程

图5-3 改进多层板自动化生产流程

5.2.3 加成法基础上智能制造系统

印制电子技术应用于PCB制造，可以采用喷墨打印工艺或网版印刷工艺配合自动化设备生产，流程如图5-4和图5-5。这对印制电路制造技术是种颠覆性技术革命，配合智能制造的全新技术。此全印制的工艺更适合自动化智能制造，尤其便于挠性印制板的成卷式（RtR）生产方式（如图5-4、图5-5）。

全印制的多层板相当于任意层微导通孔互连的积层多层板（Any Layer Via BUM），实现多层的轻薄高密度化。此全加成工艺做到大幅节约原材料、减少能源消耗、减少废弃物产生，真正实现绿色生产。

此全加成法制造多层板，所用材料为绝缘基板、导电油墨和绝缘油墨，釆用网版印刷或喷墨打印形成图形，绝缘层中余留小孔填塞导电油墨，使上下层导电线路连通。生产过程中在完成每一层线路图形后，进行AOI（光学自动检测）检查可以及时修正线路缺陷。多层图形完成后是进行电路检查、外形加工，以及最终表面涂饰。连接盘原为导电膏成份，可在连接盘表面涂覆防氧化剂、化学镀银或锡等，或者印刷焊锡膏涂层，起到助焊作用。

5.3 互联网笼罩下系统管理

5.3.1 信息中心（平台）

信息是情报，信息中心也是情报中心，知己知彼即全面掌握信息才能百战不殆，脱离信息（情报）就寸步难行，智能化企业的智慧来自于信息。智能工厂必备条件是建有信息中心（平台），包括计算机系统、数据库和互联网络等一系到硬件与软件，进行对企业经营管理所需的信息收集、整合、储存、分析、反馈、应用等。信息收集是基础，分析是关键，应用是目的。

图5-4 全加成多层板自动化生产流程

图5-5 全加成多层板印制流程

现代社会是信息社会，可谓每天的信息是普天盖地，进入大数据、云计算时代，尽管企业信息中心只针对企业相关的信息，也将是巨量的。巨量信息源自于三维：内部信息、外部信息、历史时间，如图5-6，在不同时段（AT、BT）有不同信息量。传统的档案室、资料库或数据库基本都是孤立、封闭的，缺乏系统性和分析工具，若解读和应用要花费巨大的人力工作量。智能工厂建立信息中心或数据系统将是拥有数量大、范围广、时效长、处理快、价值高等特性。

图5-6 信息构成

在此特别提示，信息中心的运转前提条件必须有“游戏规则”，此规则一是操作规范，严格按照既定程序运行系统，防止病毒与黑客侵入，防止虚假信息登录与真实信息失落；二是有保密协议，进入信息系统有明确权限范围，超范围的登录就是违纪，超范围的泄露信息就是违法，违反保密协议者必须惩治。如果没有或空有“游戏规则”，企业就不能与不敢建立信息中心、信息网络，信息共享是痴人说梦话，智能制造变成制造灾难。

5.3.2 网络分布

企业信息中心的巨量数据信息来自于多方面，因此信息中心需有网络系统，分别收集、整合各路信息。通常的网络分布如图5-7。

工厂生产信息涵盖人员、设备、物料、工法、量测与环境（5M1E）等各类别的资料。这些资料来源散布在不同的系统中，随着产品生产的过程持续的累积。例如： 物料和人员信息可能ERP中，设备和工艺信息可能在MES中。另外，上游厂商以及下游客户间之沟通则透过供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）等系统来把握上下游状况。

图5-7 企业信息网络

PCB制造企业一项重要信息是设计文件，产品制造的起始数据来自PCB设计文件，如果制程以不恰当或错误的数据开始，那将无法得到满意的产品。因此，设计数据需要面向可制造性（DFM）和可测试性（DFT），以及便于表面贴装技术（SMT）和测试编程的自动化处理。PCB制造企业前端工程必须接收大量的设计数据文件，每种文件都有各种格式，并且通常包含不完整或冲突的数据，或者达不到智能制造格式，因此应利用DFM软件对数据加工和编程、转换，完成正确的工作指令。

智能制造要配备自动化设备，更加倚重于指挥、操控自动化硬件的软件部分及其整合之信息。信息层涵盖企业经营业务各个环节，包括新品开发、生产制造、品质控制、营销服务、物料供给、成本效益等，企业经营活动实现数据与信息的流通和交换，提升到新的价值。

智能工厂是或几乎是绿色生产，为对社会负责及对企业自身负责，需建有环境监测网络、安全保卫网络，设置多个监测点，记录、反馈、警示相关信息。

5.3.3 设备联机控制系统

一般来说机器的控制分为可编程逻辑控制器（PLC）以及工业计算机两种型态，传统的生产设备皆依赖本身的人机接口界面来设定参数及记录生产状态、参数查找，如传感器回传的数值、生产数量、错误警报、参数设定等。当设备联网联机上行下载至系统或中央管控时，必须具备对外通讯功能，且能够将所需数据传输与接受指令。因为不同的设备商有各自的通讯方式，所以现在的设备联机控制的最大的问题就是设备间联通“语言”不同，必须整合一起修改程序，不然是无法做到远程控制。如果设备跟远程系统控制是同时开发，采用开放的标准通讯协议就不会有这些问题了。然而，通用的PCB产业设备通讯协议未见有正式发布，现在仍由设备商与用户共同开发以解决现场机台通讯的情况。看来设备连接的通讯协议标准不会是只有一个版本，可能会有多个版本出现，如现在手机操作系统有安卓（Android）与iso并存，又有鴻蒙系统出现了。如PCB设备供应商按照智能化制造解决方案，以中央服务器为基础连接该公司的系统设备，作为 MES的接口，实现数据收集流程的自动化，自动记录所有流程结果和活动，并有分析和报告及可以书写及阅读各种条形码等应用工具。中央服务器将是PCB制造商IT或MES基础架构与系统设备之间的连接点。

在智慧工厂的架构下，除了设备的各项数据外，产品料件的信息也是相当重要，常规都使用流转卡或工单来记录生产中所有产品流转信息，如：工件编号、数量、流程、时间、操作人员等，即使无纸化的电子文档也是依靠人工输入建立信息。现在可利用识别系统将各工件之信息整理，并传送到MES系统。常用之识别方式为条形码与射频标签，引自：www.PCBShop通往PCB高值化转型之路）（如图5-8）。

图5-8 电子标识识别方式

5.4 智能制造应用场景

企业经营是以市场为导向，效益（经济效益与社会效益）为目标，这些方面在智能制造中得到体现。

（1）市场把握与订单方面，通过互联网、物联网、大数据把控宏观市场，切入细分市场，认清市场趋势，做出销售预估；与重要客户建立稳固的伙伴关系，信息系统与客户连接并关系密切，参与客户新品开发，早期加入PCB设计，早作新技术研发，技术与成本相互间透明度高，互信互利、合作共赢。

（2）原材料供应方面，完全供应链网络，掌握原材料供给渠道；主要供应商信息互联，有优先路径，能代为仓储，并做好技术服务；用户与供货方达成货物标识协议，货物进厂已有标识，可从网络追踪货物生产过程和质检数据，免除人为的拆箱验收等耗时耗力工作; 库房管理信息化与自动化给合，自动生成物料进出账单，发出库存水平报告，自动取放货物，自动向生产线发料。

（3）设备应用方面，生产设备高度自动化，实现连线连网，接受制造执行系统指令运作，运作数据反馈给执行系统；重点设备有自动调节功能，提升机台准确度、精度，例如辨别基材涨缩调整定位点，按照铜层厚度调整蚀刻速度，根据线路密度调整AOI判别率等；由设备的点检分析来监控和评估设备/零件的健康状态，根据健康状态决定最佳的维护或更换时机，减少非预期性停机与维修频率；主要设备有自我预诊断功能，出现零组件磨损、结构损伤、精度下降等异常能发出警示，提示维修。

（4）生产安排方面，单个产品输入系统，结合技术文件与订单合同、物料准备、产线能力，自动进入排队序列，并能做到急件先行、同类同行等优化生产程序。以往由生产管理人员排产时考虑的订单交期、订单调整更改、产线能力、物料运送等等因素，都由系统辅助，达到有效快速派工、产能最佳利用、制程改善、降低总生产时间、提高订单准时交付率。

（5）过程监控方面，制造过程产品按预定路程进展，在网络系统可以随时查看；自动作业系统会根据产品实况与在线检测数据，实时调整工艺参数及作出反馈，关键工序有线上即时全检来确保品质。举例来说，在PCB制造的曝光、显影与蚀刻制程段，通常会用AOI量测检查在制品的生产状况；又如孔金属化与电镀生产线都配置自动分析和调整系统，动态调整各制程配方，确保工艺条件稳定和产品质量稳定。

（6）绿色生产方面，新的生产设备除了立足自动化、智能化外，同时立足于绿色生产，尤其湿处理设备有显著的节水措施，以及在线废物回收装置；采取自动化连续生产能减少一些工艺步骤，减少搬运操作，这会减少物料损耗；生产工艺向加成法发展，更能带来节能减排效果。

6 结束语——智能工厂之美梦

智能工厂令人向往，应该为期不远。梦想若干年后有一天……

有一天，风和日丽，我和马老师一起坐上自驾轿车，去某电子电路制造公司参观。车上我虽坐于前排左侧原本驾驶员的位子，但没有方向盘可握，自驾车自动来到了预设的目的地。车到该公司前自动拐向大门，该公司保安机器人扬手示意车慢速，自动识别来车后放行进入公司。

该公司副总接待我们，简要介绍后交代一位机器人带领我们参加工厂。副总看到我们面对机器人有些疑虑，微笑着说：请放心，机器人担当向导工作已熟门熟路，到一定位置就会介绍相关事项，并作简要解答，机器人的活动也在公司中央控制室的监控中。于是我们跟随向导机器人开始参观。

该公司的智能制造电子电路板工厂，厂房为一幢四层楼建筑。一楼是库房、公用动力设施，以及一条电路板生产线；二楼是中央控制室，也即信息中心，以及一条电路板生产线；三楼是工程技术中心，以及一条电路板研发生产线；四楼建筑面积仅有三楼的一半，是公司高层管理者、行政与财务管理者的办公室，以及会议室、休息室等；四楼另一半是露天平台，种有花草绿化，花草的种植管理是由办公室人员主动承担的，这也是他们离开电脑、手机得到休闲娱乐的好方式。

一楼的库房是立体化构成，货架与货物都有标签编码，机器人自动识别取放，并把信息传给物流控制系统。库房区域设有专用电梯，也由机器人操作以供货物上下楼。一楼的电路板生产线是按生产HDI板产品和改进半加成工艺设计，采用喷墨打印成像、激光钻孔、直接电镀技术，主要有芯板制作生产线、直接金属化孔电镀与图形蚀刻生产线，以及钻孔、成型、表面涂饰等自动线，间断过程有机器人传送。整个生产车间只有3个人负责现场监控。湿处理设备都自带水回用处理装置，无需集中的废水治理池等设施，少量可回收固体废弃物是分类打包外送。

二楼的中央控制室是信息系统设备，对门中央墙面是大平面LED显示屏，可以选择显示厂区实况或设备、产品运转实况，也可选择显示信息系统内数据信息等。房间两侧排列着工业计算机设备与个人电脑，房内也就3个人负责网络监控，及突发问题处置。二楼的电路板生产线是按印制电子工艺设计，以成卷方式生产挠性电路板，从成卷绝缘薄膜开始网版印刷导电图形、印刷缘绝覆盖层等，到自动化刀模成型，整个生产车间只有2个人负责现场监控。

三楼的工程技术中心，主要进行新产品开发，以及一些个性化的特殊产品加工。如在电路板埋置IC芯片，成为IC封装的组件，也即名符其实的电子电路。三楼有一条电路板研发生产线，重点有多台3D打印机等，为客户快速提供个性化的平面或立体电子电路组件。还装备有许多测试设备，为客户提供可靠性保证。工程技术中心的人员要多于日常生产线人员。

通常对于一个工厂的管理水平如何，可从环境、卫生间、食堂就能看出。该公司环境整洁，不需要5S（整齐、整顿、……）或7S（……、节省、安全）检查；车间四壁一律淡蓝色，不存在宣传标语，或看板、控制图表、贴挂文件等;房间没有黑灯，也没有强光照明，柔和的LED灯光和空间给人舒适感。厕所也自动化清洗，传感器感应及时冲洗，另有机器人定时进行打扫，无需清洁工人。公司人数较少，也就无需自办食堂，可挑选社会供餐单位; 公司休息室配有自助售货机，以低于市场价出售常见食品等。

该公司全部员工数十人，基本都是管理人员和技术人员，没有操作工人。有部分员工可以在家里工作，如CAM工程师均可远程工作，他们无需进入工厂即可发出技术指令启动一个工件的生产。这样的公司会深受年轻人欢迎，因为主要与计算机、机器人打交道，有的类似于玩电脑、打游戏。

梦游智能工厂，虽不完整，已感到既有趣又令人兴奋。

梦回现实，智能制造之路充满挑战，有许多事情要业界勇士们去探索，需要长远规划，逐步实施、实现。对于在手工制造PCB时代（PCB工业1.0时代）就进入PCB行业的我们，经历了机器化又跨入自动化，相信智能制造PCB时代(PCB工业4.0时代）指日可待，很快就会来临！

（全文完）