郭婷婷，李 偉，王元仕，陳振亞

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024；2.中北大學(xué)，山西 太原 030051）

隨著集成電路向高集成度和高頻化的發(fā)展，電子元器件趨向短小輕薄、高性能化。陶瓷封裝基于其低密度、耐濕、耐熱沖擊、高氣密性，廣泛應(yīng)用于集成電路的封裝[1]。與低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 相比，高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic，HTCC） 機(jī)械強(qiáng)度更高、散熱系數(shù)更好、化學(xué)性能更穩(wěn)定，且材料來(lái)源廣、成本低、布線密度高、損耗低，因而被廣泛應(yīng)用于微電子集成電路等領(lǐng)域[2]。

Yole 報(bào)告預(yù)測(cè)，2019—2025 年期間，先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)以8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，到2025 年先進(jìn)封裝市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到440 億美元，其中系統(tǒng)集成封殼市場(chǎng)規(guī)模將突破1 000 億元人民幣。受益于下游光通信、無(wú)線通信、工業(yè)激光、消費(fèi)電子等眾多行業(yè)的巨大市場(chǎng)需求，電子陶瓷行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大[3]。2014—2021 年，中國(guó)電子陶瓷行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模從346.6 億元快速增長(zhǎng)至866.1 億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)13.7%。隨著5G 通信技術(shù)革新，電子元器件、智能裝備等行業(yè)的需求增加，中國(guó)電子陶瓷行業(yè)將繼續(xù)保持上漲勢(shì)頭，預(yù)計(jì)到2023 年，中國(guó)電子陶瓷行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1 145.4 億元。

國(guó)內(nèi)主要HTCC 廠商有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、株洲宏達(dá)電子股份有限公司、河北鼎瓷電子科技有限公司、江蘇省宜興電子器件總廠有限公司等73 家，其中中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所已開(kāi)始對(duì)智能生產(chǎn)線進(jìn)行探索，預(yù)計(jì)在“十四五”期間，國(guó)內(nèi)微電子共燒陶瓷器件智能化車間的新建和改造需求旺盛，市場(chǎng)潛力巨大。因此，以該項(xiàng)目為契機(jī)，建設(shè)一條具有市場(chǎng)推廣意義的共燒陶瓷器件智能生產(chǎn)線非常有必要。

1 HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)的總體技術(shù)方案

HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)內(nèi)容按層次主要分為三大部分，分別是設(shè)備層改造、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)層、數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)層。具體的HTCC生產(chǎn)線智能化建設(shè)的總體技術(shù)方案見(jiàn)圖1。

圖1 HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)的總體技術(shù)方案

1） 設(shè)備層改造。主要通過(guò)車間現(xiàn)狀調(diào)研，結(jié)合生產(chǎn)工藝，對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能進(jìn)行仿真，通過(guò)增減設(shè)備數(shù)量和生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化，確保產(chǎn)能最大化；同時(shí)針對(duì)設(shè)備層進(jìn)行自動(dòng)化改造，包含單機(jī)線和物流線兩方面的自動(dòng)化改造，為HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)提供基礎(chǔ)。

2） 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)層。構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)覆蓋對(duì)象鏈接與嵌入的過(guò)程控制（OLE for Process Control，OPC）、基于網(wǎng)絡(luò)的模塊化組件（Web Service）、Secs/Gem 等協(xié)議的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)據(jù)字典以實(shí)現(xiàn)與設(shè)備層各類設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，為上層系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供溝通橋梁。

3） 數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)層。開(kāi)發(fā)數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，對(duì)車間的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管控，或與上層企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP） 系統(tǒng)集成，對(duì)車間的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行工單排產(chǎn)、工藝管理、物料管理、任務(wù)跟蹤、過(guò)程控制、質(zhì)量管理等，通過(guò)數(shù)字化看板及報(bào)表為管理層領(lǐng)導(dǎo)提供決策信息，實(shí)現(xiàn)車間的可視化和數(shù)字化。

2 HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)的實(shí)施方案

2.1 設(shè)備層改造

對(duì)設(shè)備層的改造主要考慮3 個(gè)方面的要求：一是自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)產(chǎn)品各層不同生產(chǎn)工藝的兼容性；二是各設(shè)備間的銜接；三是各設(shè)備間的節(jié)拍匹配。

根據(jù)以上3 個(gè)方面的要求，可將自動(dòng)化解決方案表述為圖2。在HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)中，設(shè)備層改造的自動(dòng)化建設(shè)主要考慮以下4 類情況：一是倉(cāng)儲(chǔ)類需求通過(guò)建設(shè)智能立庫(kù)或線邊庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線匹配；二是工藝類設(shè)備在建設(shè)自動(dòng)化生產(chǎn)線時(shí)需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，完成與傳輸設(shè)備的對(duì)接；三是傳輸設(shè)備一般根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)施場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，在形式固定且場(chǎng)地允許的條件下，一般采用自動(dòng)傳輸線和緩存機(jī)構(gòu)相結(jié)合的直連傳輸形式，場(chǎng)地有特殊要求的采用自主移動(dòng)機(jī)器人（Autonomous Mobile Robot，AMR）、自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV） 等柔性傳輸方式，與設(shè)備間的上下料傳輸一般采用自動(dòng)上下料模塊或者采用多軸機(jī)器人進(jìn)行輔助；四是與上層系統(tǒng)進(jìn)行信息流傳輸?shù)男畔⒒O(shè)備諸如射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、讀碼器、掌上電腦（Personal Digital Assistant，PDA） 等通過(guò)安裝在傳輸線或與固定人工位配套的形式，完成與上層系統(tǒng)的交互。

圖2 HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)中的自動(dòng)化解決方案

本條生產(chǎn)線因生產(chǎn)工藝明確、物料傳輸形式統(tǒng)一，故采用傳輸線直連傳輸形式進(jìn)行設(shè)備間的串線。各設(shè)備和不同生產(chǎn)工藝區(qū)之間通過(guò)增設(shè)緩存棧和緩存庫(kù)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)拍調(diào)節(jié)。

通過(guò)對(duì)車間現(xiàn)狀及HTCC 產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)研，獲取產(chǎn)品的生產(chǎn)工序及其對(duì)應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍，作為產(chǎn)能仿真初始條件。具體的HTCC 產(chǎn)品生產(chǎn)工序及節(jié)拍見(jiàn)表1。

表1 HTCC 產(chǎn)品生產(chǎn)工序及節(jié)拍表（min/片）

通過(guò)Plant Simulation 仿真軟件對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行整體建模，基于遺傳算法對(duì)各生產(chǎn)工序及其對(duì)應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化排序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車間布局的規(guī)劃及仿真驗(yàn)證。通過(guò)仿真結(jié)果可知，打孔機(jī)是整條生產(chǎn)線生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，打孔機(jī)滿產(chǎn)才能使整條生產(chǎn)線產(chǎn)能最大化。因此以打孔機(jī)滿產(chǎn)作為整條生產(chǎn)線最優(yōu)產(chǎn)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到HTCC 生產(chǎn)線在最優(yōu)產(chǎn)能下的自動(dòng)化方案硬件主要設(shè)備清單，見(jiàn)表2。

表2 HTCC 生產(chǎn)線自動(dòng)化方案硬件主要設(shè)備清單

結(jié)合表2 對(duì)車間自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終的車間布局見(jiàn)圖3。

圖3 車間布局圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)層

由于底層設(shè)備采用的硬件不同，有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、工控機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC） 等各種形式及不同品牌，因而數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是解決多元異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與處理。通過(guò)開(kāi)發(fā)不同的軟件模塊和接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型設(shè)備按照不同協(xié)議的數(shù)據(jù)采集與控制。主要數(shù)據(jù)模塊應(yīng)包含設(shè)備工藝數(shù)據(jù)模塊、信息報(bào)警模塊、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理模塊等功能[4]。具體的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)整體架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)中的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.3 數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)層

數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)功能模塊化及角色權(quán)限組件化，使得用戶能根據(jù)需求對(duì)模塊進(jìn)行靈活配置，提高系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的可復(fù)用性。具體的數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)見(jiàn)第56頁(yè)圖5。

圖5 HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)中的數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)、工藝、報(bào)警等不同類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量管控、故障預(yù)測(cè)或遠(yuǎn)程維護(hù)，提升設(shè)備綜合效率、穩(wěn)定性。結(jié)合看板管理，可第一時(shí)間對(duì)所有設(shè)備的狀態(tài)和調(diào)度需求進(jìn)行展示，同時(shí)可對(duì)生產(chǎn)信息及設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE） 相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

3 結(jié)束語(yǔ)

從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)講，通過(guò)HTCC 生產(chǎn)線智能化建設(shè)，提升了生產(chǎn)效率，生產(chǎn)線產(chǎn)能得到釋放，銷售收入和利潤(rùn)增幅明顯；且生產(chǎn)線操作人員從16 人減少至6 人，節(jié)省了人工成本；通過(guò)信息化管控和全流程工藝追溯及大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，減少了對(duì)工藝人員的經(jīng)驗(yàn)依賴，提升產(chǎn)品的良品率。

從社會(huì)效益來(lái)講，有助于實(shí)現(xiàn)HTCC 器件的產(chǎn)業(yè)化，能帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；能推動(dòng)企業(yè)管理層主動(dòng)進(jìn)行改革，包括數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)與業(yè)務(wù)的深度融合、數(shù)字化的管理能力、提升管理水平和業(yè)務(wù)流程水平的能力，真正獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為智能制造提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)環(huán)境，促進(jìn)行業(yè)管理水平的提升。