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(jìn)，以及物聯(lián)網(wǎng)、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(nèi)PCB龍頭企業(yè)不斷擴(kuò)大生產(chǎn)，建設(shè)新工廠。新建工廠以高端自動(dòng)化、智能化為規(guī)劃目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與人、流程與數(shù)據(jù)之間的連接、控制和集成 。同時(shí)，由于客戶對(duì)產(chǎn)品高品質(zhì)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(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)的升級(jí)，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(tǒng)這一新興的智能化項(xiàng)目，開始被眾多企業(yè)評(píng)估引進(jìn)，逐步發(fā)展為PCB行業(yè)的應(yīng)用趨勢。

根據(jù)市場調(diào)查資料（見表1），日系、臺(tái)系PCB/FPC大廠配置在線分析設(shè)備數(shù)量相對(duì)較多。隨著智能化工廠的發(fā)展趨勢，國內(nèi)PCB大廠也開始配置在線分析設(shè)備，如江西景旺已經(jīng)配置在線分析設(shè)備50余臺(tái)，深南、方正、崇達(dá)、中京等PCB廠商正在規(guī)劃中。表1為2018年5月的調(diào)查數(shù)據(jù)。

表1 PCB行業(yè)在線分析系統(tǒng)應(yīng)用情況

2 在線分析系統(tǒng)應(yīng)用的可行性

2.1 在線分析系統(tǒng)工作原理

在線分析系統(tǒng)由自動(dòng)分析儀、生產(chǎn)線、自動(dòng)添加、電控/PLC（可編程邏輯控制器）和中控PC（計(jì)算機(jī)）等硬件構(gòu)成，通過信號(hào)線、取樣和加藥管路實(shí)現(xiàn)各硬件間的互連（見圖1）。在線分析儀可以自動(dòng)取樣、自動(dòng)分析、自動(dòng)計(jì)算添加量，并將添加信息傳遞給加藥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥，還可以根據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)調(diào)整藥水的管控范圍。在線分析儀支持Modbus或TPC/IP通訊協(xié)議，通過RS-485或CC-link通訊接口與設(shè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和指令下發(fā)。在線分析數(shù)據(jù)庫可對(duì)接公司MES、ERP或其它智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享。

圖1 在線分析系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.2 在線分析系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)人工化學(xué)分析比較，在線分析系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分析、自動(dòng)加藥控制和信息共享，在工藝管控、品質(zhì)提升、數(shù)據(jù)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(tǒng)的替代率

目前PCB工藝流程除了有機(jī)高分子化合物類的藥水暫時(shí)沒有在線分析方法之外，其余藥水都可以實(shí)現(xiàn)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(duì)應(yīng)的藥水分析項(xiàng)目平均約1200次/天，在線分析暫無分析方法的項(xiàng)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(tǒng)的穩(wěn)定性

在線分析的頻率可以根據(jù)需要設(shè)定到小于30分鐘/次，并且可以自動(dòng)控制加藥和調(diào)整控制范圍，使工藝參數(shù)波動(dòng)較小，因而提升了制程Cpk。

見圖2所示，金濃度設(shè)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(diào)試期，金濃度在0.50～1.50 g/L范圍波動(dòng)；第2階段應(yīng)用在線分析監(jiān)控模式，金濃度在0.65～1.30 g/L范圍波動(dòng)，Cpk值為3.87；第3階段應(yīng)用在線分析和自動(dòng)添加模式，金濃度在0.85～1.15 g/L范圍波動(dòng)，波動(dòng)范圍較第2階段明顯收窄，Cpk值為4.08；第4階段，調(diào)整金濃度設(shè)定值為0.8 g/L，應(yīng)用在線分析和自動(dòng)添加模式，金濃度在0.70～0.90 g/L范圍波動(dòng)，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(shí)序圖

3 在線分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

3.1 人力成本節(jié)省

3.1.1 傳統(tǒng)工廠的平均單次化驗(yàn)時(shí)間

傳統(tǒng)PCB工廠因設(shè)備布局分散和產(chǎn)能較小，導(dǎo)致人工取樣、分析的效率偏低。經(jīng)某老廠化驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)分析（見表4），平均化驗(yàn)一個(gè)項(xiàng)次的時(shí)間為8.5 min。

3.1.2 新工廠的平均單次化驗(yàn)時(shí)間

新建工廠的產(chǎn)能較大，設(shè)備布局經(jīng)過優(yōu)化，因此人工取樣、分析的效率比傳統(tǒng)工廠要高。以新工廠為例，經(jīng)理論測算（見表5），化驗(yàn)一個(gè)項(xiàng)次的加權(quán)平均時(shí)間為5.3 min，比傳統(tǒng)工廠的化學(xué)分析效率提升了38%。

表4 傳統(tǒng)工廠平均單次化驗(yàn)時(shí)間

新工廠化學(xué)分析平均1200次/天，每個(gè)樣本取樣、分析、計(jì)算、記錄和加藥的加權(quán)平均時(shí)間為5.3 min，有效工作時(shí)間10小時(shí)/班/人（每周休1天），工時(shí)寬放率14.8%，則化學(xué)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(tǒng)的人力成本節(jié)省

在線分析可以完成91.3% 的藥水項(xiàng)目自動(dòng)分析、計(jì)算和自動(dòng)添加，則應(yīng)用在線分析系統(tǒng)后的化學(xué)分析人力需求為：

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

表5 新工廠平均單次化驗(yàn)時(shí)間

說明：以上僅是藥水化學(xué)分析的人力需求，不包括化驗(yàn)室日常管理的人力需求。

3.2 物料成本節(jié)省

在線分析實(shí)現(xiàn)了化學(xué)藥水濃度的自動(dòng)監(jiān)控和管理，減少濃度波動(dòng)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(jià)相對(duì)較低，在線分析實(shí)現(xiàn)的物料節(jié)省效果短時(shí)間內(nèi)不明顯，但是對(duì)于貴金屬物料的節(jié)省則能較明顯地反映出來。以化學(xué)鍍金為例，參考日本石原化學(xué)的金分析儀在某公司的應(yīng)用案例（見表6），對(duì)比目標(biāo)厚度，金厚偏差改善比例達(dá)40.1%。

3.2.1 金鹽成本節(jié)省測算

以老廠9個(gè)月實(shí)測金厚數(shù)據(jù)為改善對(duì)象，參考石原金分析儀對(duì)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(xué)鍍金線應(yīng)用在線分析系統(tǒng)之后每年節(jié)省的金鹽成本（見表7）。

金成本節(jié)省計(jì)算公式：

板邊插頭線的金成本節(jié)?。?/p>

整板鍍金線的金成本節(jié)省：

表6 在線分析前后金厚數(shù)據(jù)

表7 新廠鍍金產(chǎn)量和老廠金厚數(shù)據(jù)

化學(xué)鍍鎳/金線的金成本節(jié)省

3.3 潛在收益

在線分析系統(tǒng)不僅提升了制程的穩(wěn)定性，也減少了藥水失控所導(dǎo)致的廢水排放（如藥水超標(biāo)后稀釋、排放，藥水失調(diào)后保養(yǎng)換缸等）；減少了藥水不穩(wěn)定導(dǎo)致的返工和報(bào)廢，特別是在化學(xué)鍍銅、化學(xué)鍍金等復(fù)雜的工藝流程；即減少因藥水不穩(wěn)定導(dǎo)致的潛在品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，又有利于客戶品質(zhì)的改善，從而減少客戶投訴。

目前，在線分析系統(tǒng)在PCB行業(yè)整廠實(shí)施尚處于初期階段，因而沒有充分有效的數(shù)據(jù)來評(píng)估以上流程改善的潛在收益。假設(shè)按1%的改善效果來評(píng)估應(yīng)用在線分析系統(tǒng)的潛在收益，計(jì)算結(jié)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(fèi)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(zhì)改善成本節(jié)省

按制造成本占PCB平均單價(jià)的85%，PCB平均單價(jià)200元/尺，產(chǎn)能150萬尺/月，報(bào)廢率5%計(jì)算，則流程品質(zhì)改善節(jié)省的成本為：

4 在線分析系統(tǒng)的投資回報(bào)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(shè)備商的應(yīng)用數(shù)據(jù)計(jì)算的，實(shí)際生產(chǎn)中可能達(dá)不到同樣的效果。若按90%的實(shí)際效果計(jì)算，金鹽節(jié)省成本可達(dá)768萬/年。

4.2 在線分析系統(tǒng)的配置成本

根據(jù)某些設(shè)備供應(yīng)商的PCB藥水在線分析方案進(jìn)行整合的配置如表9。部分分析儀可以實(shí)現(xiàn)1臺(tái)管理2～6條產(chǎn)線的同類藥水缸，配置方案相對(duì)較優(yōu)。

表8 成本節(jié)省匯總表

表9 在線分析系統(tǒng)配置方案

在線分析系統(tǒng)配置金額2011萬元，維護(hù)費(fèi)用按5000元/臺(tái)/年計(jì)算（包括人工、耗材），每年維護(hù)費(fèi)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(jì)算，在線分析系統(tǒng)的預(yù)期年均收益如下：

5 結(jié)論

（1）在線分析系統(tǒng)符合PCB智能化工廠的發(fā)展需求，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化、智能化。

（2）在線分析系統(tǒng)可以替代PCB工廠90%以上的人工化學(xué)分析項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了藥水成分實(shí)時(shí)監(jiān)控，藥水穩(wěn)定性高于人工化學(xué)分析，因而實(shí)現(xiàn)了人力成本、物料成本、水處理成本和品質(zhì)成本的節(jié)省。

（3）按90%以上的替代率配置在線分析系統(tǒng)，投資回收期小于3年。

6 討論

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