付 藝 譚 松 羅貴資

（珠海方正科技多層電路板有限公司，廣東 珠海 519175）

1 引言

隨著工業(yè)4.0在制造行業(yè)中的不斷推進，以及物聯網、5G通訊的蓬勃發(fā)展，自2017年下半年以來，為滿足PCB訂單持續(xù)增長的需求，國內PCB龍頭企業(yè)不斷擴大生產，建設新工廠。新建工廠以高端自動化、智能化為規(guī)劃目標，實現設備與人、流程與數據之間的連接、控制和集成 。同時，由于客戶對產品高品質和可追溯性的要求，以及人工成本不斷上升的壓力，越來越多的企業(yè)正尋求工業(yè)自動化設備及系統的升級，以便滿足自身發(fā)展的需求，提高企業(yè)競爭力。其中，在線分析系統這一新興的智能化項目，開始被眾多企業(yè)評估引進，逐步發(fā)展為PCB行業(yè)的應用趨勢。

根據市場調查資料（見表1），日系、臺系PCB/FPC大廠配置在線分析設備數量相對較多。隨著智能化工廠的發(fā)展趨勢，國內PCB大廠也開始配置在線分析設備，如江西景旺已經配置在線分析設備50余臺，深南、方正、崇達、中京等PCB廠商正在規(guī)劃中。表1為2018年5月的調查數據。

表1 PCB行業(yè)在線分析系統應用情況

2 在線分析系統應用的可行性

2.1 在線分析系統工作原理

在線分析系統由自動分析儀、生產線、自動添加、電控/PLC（可編程邏輯控制器）和中控PC（計算機）等硬件構成，通過信號線、取樣和加藥管路實現各硬件間的互連（見圖1）。在線分析儀可以自動取樣、自動分析、自動計算添加量，并將添加信息傳遞給加藥系統，實現自動加藥，還可以根據分析結果自動調整藥水的管控范圍。在線分析儀支持Modbus或TPC/IP通訊協議，通過RS-485或CC-link通訊接口與設備主控PLC連接，再通過PLC與客戶中控PC連接（或在線分析儀通過LAN/WIFI，直接與中控PC連接），實現數據上傳和指令下發(fā)。在線分析數據庫可對接公司MES、ERP或其它智能化系統，實現信息共享。

圖1 在線分析系統構成示意圖

2.2 在線分析系統的優(yōu)勢分析

與傳統人工化學分析比較，在線分析系統由于實現了自動分析、自動加藥控制和信息共享，在工藝管控、品質提升、數據可追溯性、物料節(jié)省、人力節(jié)省和操作安全等方面有著明顯優(yōu)勢（見表2）。

2.3 在線分析系統的替代率

目前PCB工藝流程除了有機高分子化合物類的藥水暫時沒有在線分析方法之外，其余藥水都可以實現在線分析（見表3）。以平均10層的高多層電路板、每月（14萬平方米150萬英尺）入庫量的工廠（以下簡稱新工廠）規(guī)劃為例，對應的藥水分析項目平均約1200次/天，在線分析暫無分析方法的項目平均為104次/天，則在線分析替代率＝（1200-104）/1200 ＝91.3%。

2.4 在線分析系統的穩(wěn)定性

在線分析的頻率可以根據需要設定到小于30分鐘/次，并且可以自動控制加藥和調整控制范圍，使工藝參數波動較小，因而提升了制程Cpk。

見圖2所示，金濃度設定值1.0 g/L，分析頻率為60分鐘/次。第1階段是在線分析儀安裝調試期，金濃度在0.50～1.50 g/L范圍波動；第2階段應用在線分析監(jiān)控模式，金濃度在0.65～1.30 g/L范圍波動，Cpk值為3.87；第3階段應用在線分析和自動添加模式，金濃度在0.85～1.15 g/L范圍波動，波動范圍較第2階段明顯收窄，Cpk值為4.08；第4階段，調整金濃度設定值為0.8 g/L，應用在線分析和自動添加模式，金濃度在0.70～0.90 g/L范圍波動，Cpk值為5.27，制程能力明顯提升。

表2 在線分析與人工分析比較

表3 PCB藥水在線分析方法

圖2 在線分析安裝期間金濃度時序圖

3 在線分析系統的經濟效益

3.1 人力成本節(jié)省

3.1.1 傳統工廠的平均單次化驗時間

傳統PCB工廠因設備布局分散和產能較小，導致人工取樣、分析的效率偏低。經某老廠化驗室統計分析（見表4），平均化驗一個項次的時間為8.5 min。

3.1.2 新工廠的平均單次化驗時間

新建工廠的產能較大，設備布局經過優(yōu)化，因此人工取樣、分析的效率比傳統工廠要高。以新工廠為例，經理論測算（見表5），化驗一個項次的加權平均時間為5.3 min，比傳統工廠的化學分析效率提升了38%。

表4 傳統工廠平均單次化驗時間

新工廠化學分析平均1200次/天，每個樣本取樣、分析、計算、記錄和加藥的加權平均時間為5.3 min，有效工作時間10小時/班/人（每周休1天），工時寬放率14.8%，則化學分析人力需求為：人力需求A＝1200×5.3÷60÷10 ×（7/6）÷（1-14.8%）＝14.6 ≈15（人）

3.1.3 在線分析系統的人力成本節(jié)省

在線分析可以完成91.3% 的藥水項目自動分析、計算和自動添加，則應用在線分析系統后的化學分析人力需求為：

在線分析系統需要日常補充試劑，校正等工作，1班/1人，共2人。人力成本節(jié)省計算如下：（工資按人均10000元/月計算）

表5 新工廠平均單次化驗時間

說明：以上僅是藥水化學分析的人力需求，不包括化驗室日常管理的人力需求。

3.2 物料成本節(jié)省

在線分析實現了化學藥水濃度的自動監(jiān)控和管理，減少濃度波動并縮小控制范圍，從而減少了物料帶出消耗。因常規(guī)藥水的用量較大而單價相對較低，在線分析實現的物料節(jié)省效果短時間內不明顯，但是對于貴金屬物料的節(jié)省則能較明顯地反映出來。以化學鍍金為例，參考日本石原化學的金分析儀在某公司的應用案例（見表6），對比目標厚度，金厚偏差改善比例達40.1%。

3.2.1 金鹽成本節(jié)省測算

以老廠9個月實測金厚數據為改善對象，參考石原金分析儀對金厚的改善比例，來測算新工廠規(guī)劃的鍍金、板邊插頭和化學鍍金線應用在線分析系統之后每年節(jié)省的金鹽成本（見表7）。

金成本節(jié)省計算公式：

板邊插頭線的金成本節(jié)省：

整板鍍金線的金成本節(jié)?。?/p>

表6 在線分析前后金厚數據

表7 新廠鍍金產量和老廠金厚數據

化學鍍鎳/金線的金成本節(jié)省

3.3 潛在收益

在線分析系統不僅提升了制程的穩(wěn)定性，也減少了藥水失控所導致的廢水排放（如藥水超標后稀釋、排放，藥水失調后保養(yǎng)換缸等）；減少了藥水不穩(wěn)定導致的返工和報廢，特別是在化學鍍銅、化學鍍金等復雜的工藝流程；即減少因藥水不穩(wěn)定導致的潛在品質風險，又有利于客戶品質的改善，從而減少客戶投訴。

目前，在線分析系統在PCB行業(yè)整廠實施尚處于初期階段，因而沒有充分有效的數據來評估以上流程改善的潛在收益。假設按1%的改善效果來評估應用在線分析系統的潛在收益，計算結果如下。

3.3.1 廢水排放節(jié)省成本

新工廠的廢水排放量平均2600噸/天，水處理費用14元/噸，則減少廢水排放節(jié)省的水。

處理成本為：水處理成本節(jié)省

3.3.2 品質改善成本節(jié)省

按制造成本占PCB平均單價的85%，PCB平均單價200元/尺，產能150萬尺/月，報廢率5%計算，則流程品質改善節(jié)省的成本為：

4 在線分析系統的投資回報測算

4.1 成本節(jié)省匯總

表8中的金鹽節(jié)省成本是按在線分析設備商的應用數據計算的，實際生產中可能達不到同樣的效果。若按90%的實際效果計算，金鹽節(jié)省成本可達768萬/年。

4.2 在線分析系統的配置成本

根據某些設備供應商的PCB藥水在線分析方案進行整合的配置如表9。部分分析儀可以實現1臺管理2～6條產線的同類藥水缸，配置方案相對較優(yōu)。

表8 成本節(jié)省匯總表

表9 在線分析系統配置方案

在線分析系統配置金額2011萬元，維護費用按5000元/臺/年計算（包括人工、耗材），每年維護費用總金額如下：

4.3 投資回收期

按每年平均銷售面積140萬平方米（1500萬尺）計算，在線分析系統的預期年均收益如下：

5 結論

（1）在線分析系統符合PCB智能化工廠的發(fā)展需求，有助于實現生產數據化、智能化。

（2）在線分析系統可以替代PCB工廠90%以上的人工化學分析項目，實現了藥水成分實時監(jiān)控，藥水穩(wěn)定性高于人工化學分析，因而實現了人力成本、物料成本、水處理成本和品質成本的節(jié)省。

（3）按90%以上的替代率配置在線分析系統，投資回收期小于3年。

6 討論

由于在線分析系統投資金額較高，投資回收期較長，綜合考慮人力、品質和物料成本，建議選擇性配置在線分析系統。即在工藝穩(wěn)定性要求高、品質敏感和物料成本較高的生產線配置在線分析，如棕化、蝕刻、化學鍍銅、化學鍍金、鍍金等生產線的主要藥水；對于流程穩(wěn)定性高、品質影響度較低的藥水，如酸洗、褪膜等藥水采用傳統人工分析，這樣可以減少投資，實現收益最大化。