谈印制电路工厂的智能制造(二)
——智能制造先行代表

龚永林

本刊主编

[接上期]

3 PCB制造智能化发展先行代表

已有公开报道美国Green、德国欣兴、中国胜宏、中国DGS等公司在建设智能化工厂，迈向智能制造，大致情况介绍在下。按照工业4.0——智能化的概念而言，这些公司的案例是在向建设智能工厂、实现智能制造迈进，并非说已经实现了智能制造。由于信息收集有限，有些成功的事例未能得知，因此在此有所遗漏。

3.1 美国Whelen Engineering公司与GreenSource Fabrication公司

美国Whelen Engineering公司（以下简称Whelen）在2016年建成了世界上第一个全自动化的PCB制造工厂， Whelen是世界上第一个完全自动化的PCB生产线，这将对美国的印制电路板制造商带来新的希望，是试图制造业回归美国的一个动力。整个生产线布局是长方形的环，中间有一个控制台，在整个传送带的过程中一块完整的PCB产品完成时间从几天减少到几个小时，完整的自动化生产系统构成如图2。Whelen的整条自动生产线仅两个操作者，一个典型的PCB工厂只需8至10人。常规标准的多层板制造工艺过程分为内层电路图形30步、层压与钻孔19步、外层金属化孔到热风整平完成63步，总共112个步骤。Whelen自动化工艺过程相对应的为7步、11步和20步，总共38个步骤，消除66%的工艺步骤。Whelen PCB工艺过程自动化的核心是连续式传送带式系统，如图3所示。工厂全自动生产线的包含38个组合模块设备实现每块在制板数字化流转，简化多层印制电路板的制造工艺，消除了74个工艺步骤，也进一步减少材料消耗与废弃物。Whelen公司原来不制造PCB，其每年要从中国购买约700万美元PCB，现在不再依赖中国，成为使制造业回归美国，增加美国人就业岗位的案例。

图2 完整的PCB工厂自动化的要求

图3 Whelen生产线布局

美国GreenSource Fabrication公司（以下简称Green）是Whelen的子公司。Whelen公司尝到了甜头，于是再建立独立的Green公司，为崭新全自动化HDI工厂。Green认为是目前北美最先进、最自动化的PCB制造工厂。Green整个工厂是朝着未来10年发展而设计的，与其他工厂相比，技术上已经遥遥领先。

Green通过与Atotech（金属化孔与电镀、涂覆设备）、AWP（蚀刻与湿处理设备）、Schmoll/Burkle（钻孔与层压设备）、InduBond（层压定位系统）、CIMS（检测设备）和其他公司的设备设计师的合作下，将一系列自动化理念和流程结合在一起。新工厂实现了：（1）几乎零排放PCB工厂；（2）满足更严格的公差要求；（3）应对任何数量的在制板产能要求；（4）消耗更少的能源；（5）消耗更少的化学品；（6）预期PCB良率可达99.9%。

Green用最新设备专业生产先进的产品，复杂的HDI板只要一两天的加工时间，并且可以单批次只生产一块板，产品生产过程全面的可追踪。全面绿色环保的工艺流程，不会产生一滴废液，化学物与水全都留在了生产线内,能够实现几乎零排放和零废料，成为绿色环保工厂。

Green几乎是一种“无接触”运营模式，可以在不接触在制电路板的情况下远程启动生产。从全自动材料仓库开始，生产过程中无人接触在制板，最后自动检验包装也无需工人接触。整个工厂中的一切物料都被单独标识，在每件在制板或产品上都有条形码，并进行全流程跟踪。包括每个内层在制板都有自己的条形码，一旦内层板压合成为多层板后，它就得到一个新的条形码标志。生产过程全部建立在条形码阅读器上，并按产品个性导示操作过程，完成的所有的数据都有储存和可追踪。

3.2 Unimicron（欣兴）德国工厂

德国欣兴（Unimicron Germany）公司前身为Ruwel International GmbH，是欧洲最重要的电路板生产商之一，2011年为台资企业欣兴电子股份有限公司整合改名。2016年12月德国欣兴公司的内层生产工厂着火，整个工厂都被烧毁了。在2017年8月，重建工作开始，建造一个最新水平自动化的PCB制造智能工厂。到2018年4月内层生产新工厂建成，面目清新、壮观。

德国欣兴工厂是白色的地板，白色的墙壁，白色的天花板，全封闭的白色设备，大量的空间，没有杂乱的物料堆架或手推车。自动化无处不在，在自动化加工设备之间的物料传输除了传送带外，就有机器人-自动引导车辆（AGV）担当运输任务。这些AGV在一定区域内自动行走搬运摆放物件。AGV由激光和GPS引导及数字控制，完全能安全有效地完成搬运任务。

工厂中无论生产少量样板还是批量板，所需材料都由自动拣配系统从仓库中提取，并由AGV转移到生产线装载站台，再由机器人投料机将基板送上设备传送带。如内层基板由AGV送至预处理线，在黄色安全灯洁净室区域自动清洁处理板面和贴合光致抗蚀干膜。然后AGV送至曝光区域，采用数字化LED直接成像曝光。后续AGV运送在制板至显影蚀刻线（DES），DES配备有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。蚀刻过程使用氯化铜蚀刻剂，设备含有铜回收闭环系统，确保环境友好（图4）。

图4 德国欣兴内层板工厂自动生产线与AGV

在自动光学检查和修复之后，蚀刻的内层面板进行压合前处理，采取无销钉光学定准系统以实现层对层对准精度，并且专有的自学习软件解决方案使精度进行连续测量和改进。预浸料(半固化片)储存、提取所有操作都由机器人完成。层压机完成压合后多层板进入自动分拆站，压合钢板通过表面刷洗机返回重新使用，多层板进入修边工作站由机器人操作进行磨边和倒圆角。最后多层板进入X射线钻孔机进行定位孔加工。后续多层在制板加工进入Unimicron外层工厂进行。

欣兴电子除在德国工厂建设智能工厂外，也是台湾地区的PCB智能制造标杆企业。欣兴电子在2011年就开始规划如何将传统大量人工作业的PCB制造工厂转型为高科技、数字化的智能工厂。有多项开发导入的重要技术应用，例如产品缺陷原因分析、机台参数即时边缘运算监测及外观检测图像AI辨识分类等，不但让产品异常发现与处理的时间大幅缩短，更减少了检验人员的负荷，创造出更优质的环境。此外还有机对机（M2M）的资料传递，与自动化的生产参数中央控管比对及下载，以及多样化的生产、品质、机台信息的管理系统，给工程师作为良率改善和生产管理的及时依据。

欣兴电子的自动化生产线展现，除了看到各生产线上的自动化物料搬运与多轴自动转向机械手上、下料应用之外，还有以PCB ECI为通讯协定的湿制程生产线，通过PCB ECI的运用，可做到资料的上行、下放信息交接，更能对于各溶液槽的生产状况及生产参数皆可精确掌握，使产品的追踪、管理都能做到最细致的智慧化控管。从多项案例可见，欣兴电子近年来在智能制造的上耕耘和数字化推动的成果。

3.3 胜宏科技公司

胜宏科技（Victory Giant Technology，以下简称VGT）公司有4个PCB生产工厂，每个工厂都分别有自己独立的核心业务。4号工厂将是专门生产HDI的工厂，在建设当中。1号工厂建于2005年，基本上就是一个传统的PCB工厂，现在正在进行升级。2号工厂建于2007年，增加了自动化设备，减少了30%的劳动力。3号工厂专门设计为智能工厂，通过使用软件和传感器来管理工艺流程，几乎可无人操作。

VTG的3号工厂是集成了100%的智能系统，所以客户可以在网上给VTG发送订单，VTG的系统会自动查看库存中是否有相应的材料，生产时自动取出材料，移送到工厂车间。

3号工厂中流程按照S形路线设置。每项工序之间在制产品的输送工作基本上都是由机器人完成。在内层制造过程中，基板涂布液体抗蚀剂（湿膜）后送入黄光室，有具备两侧对准功能的双面自动曝光机进行曝光，这个过程是全自动的，不需要操作员来控制。接下来在制板被送入DES生产线，对每块内层板进行100%的在线AOI，检测完成验证后内层板直接进入水平线去氧化处理。对外层图形形成是100%采用激光直接成像（LDI），使用LDI可以实现外层图形更快速、精确的对准。从去毛刺到全板电镀，整个过程不会有任何人接触到在制板，全都是由机器人完成。使用的蚀刻机全都是真空蚀刻机，以保证线路图形精度。整个生产周期缩短了，传统的电路板工厂需要用整整两个班次的时间完成的生产现在大约需要60～70分钟，也大幅降低了加工成本。

全部数据输入中央处理器，用智能软件来处理这些数据。这个软件可以让负责工艺控制和生产控制的员工获得全部所需信息。可通过条形码或RFID 跟踪每个批次。工厂经理可以实时检查每个工艺流程、每个部门、每项任务的执行状况和良率，可以查看所有的生产指标。除了有对产品的追踪能力，智能软件还可以对多条加工生产线规划好定期维护计划，设定停机时间。这套系统可以执行收集、分析、评判和计划等任务，也会尽可能地规划好资源的使用。

VTG在组织落实智能工厂的过程中，认为最关键因素“通讯协议”，他们召集了100多家供应商，一起商量出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。

VTG 3号智能化工厂与原来的工厂相比，劳动力减少了70%，生产能力增加了40%。同时，高度自动化的连续流程让生产周转时间从原来的6天至7天缩短为只需2天;生产过程不需要人工操作则减少了产品出现划伤缺陷的可能性，所以产品良率提高了5%。结果在智能工厂中加工比在原有的旧工厂中加工多出5%的利润。

为了改善环境、绿色生产，VTG新投资工厂里的废液回收设施，最大程度地减少废液排出。还赢得了中国政府认定的“绿色工厂”称号和低碳奖。

VTG董事长讲：以前产值10个亿需要1500人来生产，换了智能设备后，10个亿的产值只需要350人。以前一个工序需要20 h，换新设备后只要1个半小时。特别是智能工厂建成后，人均年产值预计可实现200万元，大大超出目前行业内人均60万元水平，利润可提升至18%。

3.4 东莞森玛仕格里菲电路有限公司

东莞森玛仕格里菲电路有限公司（Dongguan Somacis Graphic PCB Co. Ltd.，以下简称DSG）是由意大利森玛仕（Somacis）集团和英国格里菲（Graphic）集团于2006年共同投资设立的高技术印制电路板生产企业，项目总投资达4000万欧元（5000万美元）。DSG公司引进母公司多年积累的技术诀窍，为客户提供从研发、工程设计、样板制作及大批量生产的一站式服务的PCB企业。目前拥DSG有世界领先水平的技术和自动化设备，及完善的管理体系，生产4-56层高端刚性电路板，及4-24层刚挠结合电路板。

DSG公司目前正在建设一个新工厂， 实施工业 4.0 时代智能工厂的战略。DSG的领导层都意识到了如果他们不进行深入的调整改变，将逐渐失去竞争力。这里所说的改变可不仅仅是升级几台设备；一切改变要从成为领先的工业4.0时代智能工厂开始。

为了实现这种新的智能制造模式，DSG已经制定好了计划、安排好了智能系统、订购了新设备，新工厂在建设之中。DSG的目标是建立新的数字化智能工厂，规划为将采用自动化技术完成整个过程，所有的自动化操作都由高水平的机械化支撑，生产操作员将会成为历史。DSG对在制板传送方面，优化布局让各项工艺流程相互更加靠近，而且准备把一些工艺流程结合到一起，尽量釆取传送带连续传送工件，这样可以最大程度地减少AGV的使用。工序间传送带输送工件简单、连续，如果车间布局无法优化，运送距离比较长，才会使用AGV。

DSG认为更重要的是生产设备自动化，没有广泛应用自动化技术的工业4.0是毫无意义的。进入生产的工件将加上特殊标记，机器就可以根据不同的工件调整相应的参数，自始至终保证整个流程不需要人为干预；每台设备都能实时读取并记录每块在制板，不再需要手动记录每道制程工艺条件，所有任务都是自动完成的。智能化生产的一个重要特点就是可以针对不同产品要求自动快速完成工艺调整，从而提高产品良率和整体质量。每块电路板加工过程中，机器可以根据它收到的实时数据自动进行参数调整，从而优化每一块在制板。这一点可以强有力地证明建立的工厂可以一批次只生产一件产品，及一批产品保持一致性。

工厂建有一个中央控制室，可以实时管理，从计划到发货的整个过程中，可以实现对每件产品追踪与监控，能够对每块电路板进行全方位实时跟踪，所有信息除了提供给公司内部访问外，还可面向PCB产品的客户。

DSG公司的发展战略与广东当地的发展计划协调一致，因而得到当地政府支持。DSG承诺在未来五年内使收入翻番，从现在年销售额约7000万美元，达到1.5亿美元；要缩短生产周期，将工厂的产品交付时间缩短50%。同时，要减少员工数，最终目标计划是经理和工程师的数量基本不会变化，但操作员的数量会减少40%。发展战略必须重视环境保护，城市要求减少排污量60%，DSG目前已经达到这个要求了，现在将产能提高一倍而排污量保持不变，也许还可以降低耗水量。

3.5 其它迈向智能工厂的案例

3.5.1 景旺电子有限公司

深圳市景旺电子有限公司是一家具有PCB生产流程自主创新能力的企业，在酝酿智能工厂的过程中，进行了一些阶段性创新。从2015年开始，信息系统在全集团三个基地（深圳、龙川、江西）全面上线，在设备规划、采购环节，尽可能采用自动化、数字化设备，并逐步与公司的产前工程设计系统连接，实现将客户的资料，经过公司内部转换安全可靠的直接传递到生产设备。同时，在生产设备上也增加了大量的自动化辅助设备，将原来人工操作环节标准化、自动化，大大提高了生产效率。江西景旺精密电路有限公司是深圳市景旺电子有限公司的全资子公司，2014年3月投产，总投资30亿元。江西二期智能工厂是政府批准的车用高端印制电路板智能制造工厂试点示范项目。

在实际推进江西二期智能化工厂的建设过程中，公司设计人员调研了德国、日本、美国等先进制造企业、自动化设备制造企业和系统化集成企业，根据公司前期的技术和经验积累，进行了很多非传统PCB制作流程的做法。

在产品线规划上，定位汽车板和小批量板，汽车板生命周期长，更新慢，单价高，订单可持续性强，可提升空间大；小批量板订单分散、周转快速。因此生产线必须有柔性化，在柔性化生产上，江西二期主要针对高端汽车板（目前以汽车大灯为主）和低端小批量板，同一条产线在设计时其特点配置就可以无缝快速生产不同PCB产品。

在设备整合连线上，采用AGV运送车、标准化、网络化设计，实现物料输送路径自动识别、设备操作无人化，并且引入立体化仓储系统，实行自动仓储物流。在具体的生产线设计上，江西二期设备采购需求超过百项，其中定制研发设备占比高，部分设备是独创的，甚至还没有命名，本次江西二期的设备大部分都是公司自行改造升级得来的。

在IT系统建设上，采用实时数据记录和分析，实现提前决策、事先规划、事后追溯（定时存取数据，按产品批次绑定数据，实现产品的可追溯）的效果。

效果上，根据规划：本次江西二期项目工厂将仅用800人，PCB产量240万平方米/年，人均产量3000平方米/年，人均年产值200万；平均每订单生产周期较传统至少可缩短三五天。

3.5.2 深圳明阳电路科技股份有限公司

深圳明阳电路科技股份有限公司的生产工厂基地分布在深圳、德国和江西九江，认为工厂实现无人操作的智能化生产时代越来越近了。现在已经有很多操作可以实现无人监管了，例如钻孔操作，他们有自动装载机，这些机器经过恰当设置，操作人员可以把所有自动装载机都加载上，只要是生产某一特定的工件号，就可以让机器自动操作，等整个流程完成以后再把它关掉，全程都不需要操作人员的参与。同样的方式还可以应用在电路板测试上，可以把板子堆叠设置好让它自动操作。让机器人帮助把材料运送到下一个操作区域，也可以做到自动化，从而实现无人生产。

最大程度地减少了操作员的操作，所以合格率也会上升。人为操作可能是导致车间内出现缺陷的首要原因，通过最大程度地减少人工操作，可以避免很多之前出现过的问题，从产品外观和流程的顺畅程度来看，都会得到很大改善。

明阳正在尝试将工业4.0尽可能多地整合到工厂中，因为未来的生产需要它。可以利用工业4.0收集信息，这一能力可以让公司变得更强。智能化可以让这些机器提供实时信息反馈，管理者对流程的控制就可以越来越严格，到时候偏差会越来越少，产品的连贯性和一致性会越来越强，产量也会有所升高。而且收集的信息和数据可以告诉管理者应该把精力集中在哪个领域，这是让数据推动着工厂前进。所以，有了工业4.0，就可以对整个工厂正在进行的工作有更清晰的宏观认知，同时也可以更清楚地了解到工厂内的相互作用、产品的生产过程以及哪个领域是最值得投入精力的领域。

3.5.3 深南电路股份有限公司

深南电路股份有限公司（SCC）的“面向高端印制电路板生产全过程的智能制造信息化管理系统平台项目”在2018年底获得工信部表彰。软件已成为工业创新的推动力，智能制造系统逐步成为企业的核心竞争力。深南为实现智能制造首先从实施智能制造系统入手，SCC智能制造系统联接设备管理、质量管理、生产安排、数据采集等分散的管理系统，成为智能制造信息枢纽。智能制造系统核心是机器设备数据的采集与控制，SCC智能制造系统完成对设备关键参数的自动监控，对产品加工参数能自动调节等，满足生产与质量管理中的追朔和防错需求。通过把各分系统数据综合起来分析，给管理者提供决策与处置依据。智能制造系统首先实现对设备状态、开工等信息进行实时监控，并人机交互；设备运转时将过程数据采集、存储到数据库中，同时进行分析、查询、比对等，掌控设备运行情况。在深圳工厂就有1000多台自动化设备，来自30多家供应商，要实现机器与机器之间连接，智能制造系统与机器之间连接，就解决智能制造系统与设备的通讯，采用内部的统一通讯标准接口。

SCC智能制造系统较早在封装基板工厂的实施带来了显著效果，现场操作人员从之前的260人减少到196人，减少了约25%; 生产效率提高了56%，产品合格率从原来89.68%提高到93.41%，客户满意度也大幅提升; 同时产品成本下降，经济效率大幅提升。

[未完，待续]