倪靖偉（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

雷達精密電子自動化制造面臨的挑戰(zhàn)

倪靖偉
（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

摘 要：現(xiàn)代雷達中配備了上萬個功能模塊組成陣列，給自動化微組裝大規(guī)模制造精密的電子組件帶來了機遇。中國電科38所在引進自動化微組裝生產(chǎn)線后，從遇到的實際問題中獲得了一些經(jīng)驗：雷達精密電子自動化制造需要工藝師與設(shè)計人員更多的溝通和合作；設(shè)備維護需要專機專人負責；物料采購需要滿足自動化制造的需求。

關(guān)鍵詞：雷達；電子組件；自動化制造；問題

1　前言

21世紀軍工裝備正在向著高科技、精密化、自動化方向發(fā)展，作為軍事裝備系統(tǒng)“眼睛”的雷達為了實現(xiàn)高作戰(zhàn)能力和高戰(zhàn)術(shù)機動性，輕型化、小型化、高精密、高可靠成為其必然的需求。

雷達中電子組件的發(fā)展方向集中在增加互聯(lián)密度、縮小體積、降低功耗、提高性能和增加可靠性等方面，以裸芯片（bare die）為核心的多芯片組件（MCM）、混合集成電路（HIC）等微電子組裝技術(shù)正進入蓬勃發(fā)展的階段。在當前雷達的發(fā)展進程中，相控陣雷達的應(yīng)用越來越廣泛，而在其中成千上萬個元器件組成陣列的功能模塊，起到了相控陣雷達的核心作用。一部高科技雷達對組件的需求量從幾個幾十個的規(guī)模增長到了上萬個，面臨著生產(chǎn)模式從手工逐個調(diào)試生產(chǎn)到批量化大規(guī)模自動化流水線作業(yè)，這就給雷達中的電子組件自動精密化生產(chǎn)提出了新的挑戰(zhàn)。

由于雷達中電子組件精密度提高，傳統(tǒng)手工制造和半自動制造已經(jīng)不能滿足元器件微型化加劇和大批量制造的需求。傳統(tǒng)手工制造和半自動制造的精度依賴于人工熟練程度，制造效率依賴于熟練工人的數(shù)量。當前國內(nèi)熟練工人的招收和培養(yǎng)都需要付出巨大的精力、漫長的時間，而技術(shù)的更新?lián)Q代速度進一步加速還會讓對熟練工人的培養(yǎng)存在技術(shù)過時的潛在經(jīng)濟風險。最關(guān)鍵的是熟練技術(shù)工人的數(shù)量遠不能滿足相應(yīng)需求，且人力成本正在逐年飆升。在此背景下，自動化微組裝制造雷達電子組件成為一條可行的解決道路[1]。

自動化微組裝在國內(nèi)興起不過幾年時間。2008年，中國電科 38所在中國電科集團首家引進自動化微組裝生產(chǎn)線，經(jīng)過數(shù)年的積累，從面臨的挑戰(zhàn)中積累了一些經(jīng)驗，以供業(yè)內(nèi)參考。

2　雷達電子自動化精密制造面臨的挑戰(zhàn)

2.1制造對設(shè)計提出的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的雷達電子制造模式是從上游到下游垂直進行的?？傮w提出指標，電訊設(shè)計師進行電路設(shè)計和元器件選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計師負責組件結(jié)構(gòu)設(shè)計，工藝師負責工藝流程規(guī)劃和制定，最后讓制造廠進行制造。組件體積較大，重量指標相對容易控制，電子線路和元器件間間隙寬，制造容差值大。這個體系的特點是每一級更多地為上一級提出的目標努力，對本級的工作負責，而本級實現(xiàn)目標的方式是向下一級提出要求，由下一級進行實現(xiàn)。該模式在大尺寸、數(shù)量少的雷達電子組件制造方面運行得相當流暢，每一級的人員需要考慮的問題相對單一，僅對本級負責，容易讓本級的技術(shù)更精密，精力、人員的投入都更專業(yè)。

但隨著雷達電子向著高科技、精密化、陣列化轉(zhuǎn)型，需求數(shù)量巨大、高互聯(lián)密度、體積微型化、重量要求苛刻等新的特征讓該模式的運行暴露出了越來越多的問題。

傳統(tǒng)意義上的工藝師們關(guān)心的問題集中在精密度、可靠性、制造速度和效率等指標上。但隨著制造尺寸不斷縮小，制造密度不斷提高，對可靠性的要求越來越苛刻，工藝師們逐漸意識到要把一批組件做到高精密、高可靠，同時具有高生產(chǎn)效率和成品率已經(jīng)不是他們可以獨立解決的了，往往會產(chǎn)生“設(shè)計師動動嘴，工藝師跑斷腿”的問題。工藝實現(xiàn)手段需要從設(shè)計層面上越來越多的與之結(jié)合，在其中去尋求設(shè)計和工藝的平衡。

曾有案例，工藝師們發(fā)現(xiàn)組件中的一個細節(jié)實現(xiàn)起來非常困難，經(jīng)數(shù)天的絞盡腦汁找到一個讓操作人員需要達到極限才能完成的工藝手段，最終卻聽說在新的改版圖紙中該部分已經(jīng)被取消了。這個案例深刻說明工藝師們關(guān)在房里一個人冥思苦想埋頭苦干的時代結(jié)束了。只管工藝不論其他的時代也結(jié)束了，為了制造出更精密、更輕、更可靠的組件，工藝師們需要與結(jié)構(gòu)設(shè)計師、電訊設(shè)計師們更緊密地合作，彼此提出困難，往往會發(fā)現(xiàn)在自己的領(lǐng)域中遇到的不可逾越的困難，換一個角度后可以另辟蹊徑找到解決方案。

目前雷達TR組件中常用的LTCC基板一般以金或銀作為導體金屬材料，內(nèi)部埋置電阻、電感和電容，最小通孔達到了300 μm，線條及間距最小150 μm。而薄膜基板的內(nèi)部甚至可以埋置簡單芯片，線條及間距達到了50 μm，最小通孔達到了25 μm[2]。隨著器件尺寸和線寬尺寸的不斷縮小，組裝過程中的工藝難度也不斷上升；產(chǎn)生的微量偏差對可靠性的影響越來越嚴重。焊盤尺寸公差和表面輕微的污染情況也有可能影響金絲球焊和壓焊的附著力。而電訊設(shè)計師和結(jié)構(gòu)設(shè)計師們通常為了組件更小、成本更低、重量更輕，傾向于在盡可能的情況下進一步壓縮線寬，采用更小尺寸的器件和焊盤，進一步提高組裝密度，甚至已經(jīng)開始嘗試疊層設(shè)計。

由于組件同時朝著微型化、精密化、陣列化方向發(fā)展，工藝師們在埋頭做好自己工作的同時越來越多地感受到從設(shè)計端給出的精密度和總體上對進度產(chǎn)能兩方面的壓力。而從現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展而言，工藝的發(fā)展速度依賴于漫長的積累，而設(shè)計往往會去嘗試工藝的極限。設(shè)計師們在追逐最先進技術(shù)的同時并不能夠完全清楚工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，常常會將文獻中一些單方面突破的工藝認為是成熟工藝，而忽略了該方面突破可能帶來的其他方面的性能降級和良品率的大幅度降低。

由于設(shè)計和工藝之間的溝通障礙，造成了在自動化批量生產(chǎn)過程中設(shè)計往往會在無意中把工藝逼到極限，而物料的實際狀況常存在公差等并不能完全滿足設(shè)計的情況。在這種情況下進行大批量的自動化生產(chǎn)，要達到一定的成品率和可靠性，必然要依賴于大量的過程檢驗和手工修補，直接造成效率下降等一系列問題。優(yōu)秀的設(shè)計只能在通過工藝制造、形成成品后才有現(xiàn)實意義，工藝師們有必要讓設(shè)計師們知道，在一定條件下，過高的密度、過小的間距、過低的成本會擠壓工藝容差的空間，造成可制造性和可靠性的大幅度下降。一個充滿隱患的產(chǎn)品同樣不是設(shè)計師愿意看到的。

在接近工藝極限的狀況下，制造精度和制造效率之間存在一個平衡關(guān)系。為了達到更高的精度，需要犧牲制造效率，工藝師們可以把這些相對籠統(tǒng)的概念計算出盡可能精確的值來反饋給設(shè)計師和總體師，以供總體師和設(shè)計師來取舍。舉例而言：當LTCC基板中的線寬達到0.15 mm、線寬精度正負10%、焊盤尺寸0.25 mm2、元器件約為70個時，某工藝師通過自動化點膠、自動化貼片兩步，中間無檢驗的情況下無輔助一次成品率可能會降到20%，而如果線寬達到0.25 mm。其他參數(shù)不變的情況下，同一位工藝師通過自動化點膠、自動化貼片兩步的無輔助一次成品率可能會有80%。成品率的大幅度下降意味著大量的手工返工，而制造速度也會受到相應(yīng)的影響。

總體師們這時就可以權(quán)衡究竟是選擇更苛刻的體積和重量指標，還是來選擇更高的制造效率，相應(yīng)的在實際生產(chǎn)中設(shè)計師和總體師如果選擇了更苛刻的指標，也能更多地體諒和從人力、物力上支持工藝師來增加效率完成任務(wù)。

2.2設(shè)備維護方面的挑戰(zhàn)

與SMT表貼工藝相比，現(xiàn)在雷達電子自動化精密制造過程中應(yīng)用的設(shè)備正朝著更高精度的方向發(fā)展，由此帶來了對設(shè)備精度和穩(wěn)定性的需求。

然而越精密的設(shè)備越需要復雜的系統(tǒng)支持，越復雜的系統(tǒng)有越多的部分容易被一個小的擾動所影響，造成精密度的下降甚至運行故障。由于機器視覺技術(shù)和大量傳感器的應(yīng)用，雷達電子自動化精密制造設(shè)備維護的難度變得極高，原本國內(nèi)通用的1名通用設(shè)備維護師維護多臺設(shè)備的方案顯得越來越力不從心。

針對設(shè)備如此復雜的現(xiàn)狀，是否效仿芯片制造行業(yè)，需要更專業(yè)的設(shè)備維護師對專有設(shè)備特殊維護，是需要思考的另一個問題。而傳統(tǒng)制造過程為了保證制造進度，常常會預(yù)留10%～20%甚至更多的備用設(shè)備，以備在生產(chǎn)線設(shè)備出現(xiàn)故障、短時間難以恢復正常時有可用的設(shè)備隨時可以頂上。

當設(shè)備進一步精密化和自動化后，帶來與從前不同的兩大區(qū)別：

（1）設(shè)備價格昂貴，動輒百萬以上；

（2）結(jié)構(gòu)進一步復雜，出現(xiàn)故障時排查時間長，需要廠家工程師上門維修甚至設(shè)備返廠維修的幾率更高。

面臨這樣的局面，是投入更多的資金采購備用設(shè)備，還是承擔可能的生產(chǎn)中斷的風險，同樣是自動化制造面臨的一個艱難選擇。

2.3對物料采購和檢驗的挑戰(zhàn)

自動化設(shè)備并非萬能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵在于信息向設(shè)備的可輸入；設(shè)備對信息的可分析、可識別，最終反饋到設(shè)備的生產(chǎn)輸出上。隨著雷達電子精密自動化制造對精度和速度的雙重需求，機器視覺識別技術(shù)正成為自動化精密制造的主流輸入技術(shù)。通過機器視覺的識別，可以判定物料是否滿足制造需要，自動選擇滿足需要的物料，跳過有缺陷的物料。然而，機器視覺識別技術(shù)存在幾點局限。

（1）機器視覺在大量模糊信息的辨識能力上畢竟不能跟人腦相比。機器善于完成簡單重復的工作，在完成這些工作時往往顯得高效而精確，但是在條件發(fā)生變化時，機器無法像人腦那樣自動針對復雜情況做出調(diào)整。

（2）機器視覺技術(shù)是通過識別點或識別區(qū)的相似圖形比對，設(shè)置一定的容差范圍來決定機器是否完成操作還是跳過或停下該動作，考慮到制造速度的因素，往往只能設(shè)定有限的識別點。

（3）物料側(cè)面和背面的狀況通常很難通過機器去識別。

這些現(xiàn)狀就造成了在識別區(qū)域之外出現(xiàn)缺陷或污染的元器件被認為是良品而被自動化設(shè)備以正常工藝進行制造的情況，輕則將生產(chǎn)出不合格品，造成檢驗和返修的工作量增加；更嚴重的是這些缺陷元器件有可能損壞設(shè)備，造成暫時的停工甚至完全停產(chǎn)。在雷達電子自動化精密制造所需要的龐大物料面前，設(shè)備通過機器視覺檢驗存在速度和精度的矛盾，人工檢驗又面臨巨大的工作量，入庫檢驗環(huán)節(jié)如何能夠高效地進行，又是一個新的挑戰(zhàn)。

2.4對人員培養(yǎng)和考核的挑戰(zhàn)

在雷達電子尺寸較大、精度要求還不高、制造全部依賴手工完成的時代，生產(chǎn)單位們圍繞著生產(chǎn)效率和技術(shù)的不斷進步，制定了一系列的人員培養(yǎng)和考核的標準和實施手段。但是當雷達電子制造進入到精密化和自動化制造的時代，生產(chǎn)單位會發(fā)現(xiàn)原有人員培養(yǎng)和考核機制需要進行較大幅度的調(diào)整，以之適應(yīng)新形勢下的要求。

必須要承認，精密化和自動化制造并不能完全替代手工操作，與之相反，對手工操作的要求實際上是更高了。在手工生產(chǎn)時代，將操作人員集中起來進行某一項技能的培訓，再利用樣件進行試產(chǎn)，最后在產(chǎn)品生產(chǎn)中考核手工操作人員的生產(chǎn)總量、生產(chǎn)時間和成品率是常用的一套培訓和考核手段。任務(wù)容易分解到每位操作人員的手上，再通過檢驗部門對成品進行檢驗和統(tǒng)計，最后管理人員通過統(tǒng)計結(jié)果進行評價即可。一旦某位操作人員產(chǎn)生廢品率突然提高或生產(chǎn)效率突然下降，可以追查其在生產(chǎn)過程中造成該問題的原因并加以改進。但是在精密化和自動化制造的今天，問題往往會變得復雜。

2.4.1人員培養(yǎng)方面

原手工操作設(shè)備通常結(jié)構(gòu)較簡單，功能較單一，人員培訓只要能達到滿足設(shè)備操作使用要求、能正確地操縱手工工具和設(shè)備即可，并沒有太多的工藝改進和優(yōu)化空間，對操作人員的基礎(chǔ)知識要求不高。然而目前自動化設(shè)備往往采用開放式軟硬件平臺，軟件邏輯結(jié)構(gòu)和設(shè)備機械結(jié)構(gòu)都很復雜，可編程、可定制化的部分多。這樣一來，操作人員是否具有良好的基礎(chǔ)知識和工作熱情就顯得尤為重要。培養(yǎng)出一個基礎(chǔ)知識良好、善于思考的操作人員，能夠從硬件定制選擇到軟件編程上都不斷作出優(yōu)化，不斷提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

2.4.2人員考核方面

雷達電子昂貴的制造成本決定了自動化制造出來的不合格產(chǎn)品不能簡單地報廢處理，往往需要操作人員進行配合修正。原有手工生產(chǎn)時代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對簡單，不合格品之間的返修處理工作量差別不大，不合格品出現(xiàn)的原因基本上也都是由于元器件不合格和操作失誤造成，判定相對簡單。

現(xiàn)代雷達組件本身結(jié)構(gòu)進一步精密化和復雜化后，制造它們的自動化機械復雜的工作原理和工作模式造成不合格品的不合格狀態(tài)差別巨大，有的不合格品只需要簡單的處理便可以重新成為合格品，有的不合格品需要消耗巨大的人力、財力和物力來處理。

另外不合格品的產(chǎn)生原因也變得復雜。除原有兩大因素外，又增加了由于自動化設(shè)備本身的狀態(tài)不穩(wěn)定或電壓、真空、壓縮空氣等多種自動化設(shè)備需要的外部條件波動等潛在因素。如何在人員考核中體現(xiàn)出對這些現(xiàn)象的區(qū)別，并針對能夠給實際工作量大、工作難度高的員工予以更高的評價，也將成為工藝師們面對的一大挑戰(zhàn)。

2.5工業(yè)4.0時代帶來的機遇和挑戰(zhàn)

工業(yè)4.0時代即將到來[3]。它的核心是提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及人體工程學的智慧工廠，并以網(wǎng)宇實體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)為核心[4]。雷達精密電子自動化制造無疑將會被工業(yè)4.0時代帶動，從原本的手工逐只組件的制造升級到大規(guī)模智能化可控制、可調(diào)整、可記錄、可升級的新型制造方式。工業(yè)4.0會給雷達精密電子自動化制造一個新的機遇，但同時也會帶來新的挑戰(zhàn)。一方面工業(yè)4.0能夠大規(guī)模提升雷達精密電子的制造水平、制造效率；另一方面，雷達精密電子設(shè)計、工藝、設(shè)備和物料采購的各個環(huán)節(jié)又必須努力達到工業(yè)4.0的需求。

3　總結(jié)

雷達電子自動化精密制造是一個近年來才興起的新技術(shù)，面臨著全新的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)的同時帶來的也是機遇，在面臨諸多困難的同時，工藝師們也能感受到時代帶來的機會。產(chǎn)品設(shè)計終究是要通過工藝制造來實現(xiàn)的，期待這些問題的解決能帶來一個全新的高精密度、高可靠性、高制造速度和高效率的雷達電子自動化精密制造新時代。

參考文獻：

[1] 湯俊. 固態(tài)有源相控陣雷達T/R組件批生產(chǎn)的質(zhì)量控制[J]. 現(xiàn)代雷達，2004, 26（4）.

[2] 邊國輝，方一波，吳小帥. 用于制造多芯片組件的LTCC技術(shù)[J]. 半導體技術(shù)，2008, 33（5）.

[3] 胡杰. 從德國“工業(yè)4.0”看中國未來制造業(yè)的發(fā)展[J].民營科技，2014,（12）.

[4] 毛國鋒. 工業(yè)4.0驚呆了哪些小伙伴[J]. 變頻器世界，2013,（09）.

The Challenge of Radar Precision Electronics Automation Manufacturing

NI Jingwei
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China）

Abstract:Modern radar is equipped with an array of tens of thousands of functional modules, which gives micro-assembly automation opportunity to large-scale manufacturing of sophisticated electronic components. CETC38 gained some experience from practical problems encountered from the micro assembly automation: radar precision electronics manufacturing automation needs engineers and designers to more discussion and cooperation; precision equipment maintenance need dedicated person maintained; procurement of materials meet the needs of automation manufacturing.

Key words:radar; electronic components; automated manufacturing; problems

中圖分類號：TN305

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2015）05-0041-04

收稿日期：2015-01-22

作者簡介：

倪靖偉（1964—），男，江蘇靖江人，目前在中國電子科技集團公司第38研究所工作，長期從事電子裝聯(lián)技術(shù)的工程化研究和應(yīng)用工作。