HTCC 生產線智能化建設解決方案*

郭婷婷，李 偉，王元仕，陳振亞

（1.中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024；2.中北大學，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） 機械強度更高、散熱系數更好、化學性能更穩(wěn)定，且材料來源廣、成本低、布線密度高、損耗低，因而被廣泛應用于微電子集成電路等領域[2]。

Yole 報告預測，2019—2025 年期間，先進封裝市場規(guī)模將會以8%的年復合增長率持續(xù)增長，到2025 年先進封裝市場規(guī)模將會達到440 億美元，其中系統集成封殼市場規(guī)模將突破1 000 億元人民幣。受益于下游光通信、無線通信、工業(yè)激光、消費電子等眾多行業(yè)的巨大市場需求，電子陶瓷行業(yè)市場規(guī)模不斷擴大[3]。2014—2021 年，中國電子陶瓷行業(yè)市場規(guī)模從346.6 億元快速增長至866.1 億元，年復合增長率達13.7%。隨著5G 通信技術革新，電子元器件、智能裝備等行業(yè)的需求增加，中國電子陶瓷行業(yè)將繼續(xù)保持上漲勢頭，預計到2023 年，中國電子陶瓷行業(yè)市場規(guī)模將會達到1 145.4 億元。

國內主要HTCC 廠商有中國電子科技集團公司第十三研究所、中國電子科技集團公司第五十五研究所、株洲宏達電子股份有限公司、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，其中中國電子科技集團公司第十三研究所和中國電子科技集團公司第十四研究所已開始對智能生產線進行探索，預計在“十四五”期間，國內微電子共燒陶瓷器件智能化車間的新建和改造需求旺盛，市場潛力巨大。因此，以該項目為契機，建設一條具有市場推廣意義的共燒陶瓷器件智能生產線非常有必要。

1 HTCC 生產線智能化建設的總體技術方案

HTCC 生產線智能化建設內容按層次主要分為三大部分，分別是設備層改造、數據采集與控制系統層、數字化生產運營管理系統層。具體的HTCC生產線智能化建設的總體技術方案見圖1。

圖1 HTCC 生產線智能化建設的總體技術方案

1） 設備層改造。主要通過車間現狀調研，結合生產工藝，對生產線的產能進行仿真，通過增減設備數量和生產節(jié)拍優(yōu)化，確保產能最大化；同時針對設備層進行自動化改造，包含單機線和物流線兩方面的自動化改造，為HTCC 生產線智能化建設提供基礎。

2） 數據采集與控制系統層。構建數據采集與控制系統，開發(fā)覆蓋對象鏈接與嵌入的過程控制（OLE for Process Control，OPC）、基于網絡的模塊化組件（Web Service）、Secs/Gem 等協議的數據交互系統，構建數據字典以實現與設備層各類設備的數據交互，為上層系統的生產運營提供溝通橋梁。

3） 數字化生產運營管理系統層。開發(fā)數字化生產運營管理系統，對車間的生產過程進行管控，或與上層企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP） 系統集成，對車間的生產計劃進行工單排產、工藝管理、物料管理、任務跟蹤、過程控制、質量管理等，通過數字化看板及報表為管理層領導提供決策信息，實現車間的可視化和數字化。

2 HTCC 生產線智能化建設的實施方案

2.1 設備層改造

對設備層的改造主要考慮3 個方面的要求：一是自動化生產線對產品各層不同生產工藝的兼容性；二是各設備間的銜接；三是各設備間的節(jié)拍匹配。

根據以上3 個方面的要求，可將自動化解決方案表述為圖2。在HTCC 生產線智能化建設中，設備層改造的自動化建設主要考慮以下4 類情況：一是倉儲類需求通過建設智能立庫或線邊庫進行自動化生產線匹配；二是工藝類設備在建設自動化生產線時需實現自動上下料，完成與傳輸設備的對接；三是傳輸設備一般根據自動化生產線的實施場地進行設計，在形式固定且場地允許的條件下，一般采用自動傳輸線和緩存機構相結合的直連傳輸形式，場地有特殊要求的采用自主移動機器人（Autonomous Mobile Robot，AMR）、自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV） 等柔性傳輸方式，與設備間的上下料傳輸一般采用自動上下料模塊或者采用多軸機器人進行輔助；四是與上層系統進行信息流傳輸的信息化設備諸如射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、讀碼器、掌上電腦（Personal Digital Assistant，PDA） 等通過安裝在傳輸線或與固定人工位配套的形式，完成與上層系統的交互。

圖2 HTCC 生產線智能化建設中的自動化解決方案

本條生產線因生產工藝明確、物料傳輸形式統一，故采用傳輸線直連傳輸形式進行設備間的串線。各設備和不同生產工藝區(qū)之間通過增設緩存棧和緩存庫的形式來實現節(jié)拍調節(jié)。

通過對車間現狀及HTCC 產品的生產工藝進行調研，獲取產品的生產工序及其對應生產節(jié)拍，作為產能仿真初始條件。具體的HTCC 產品生產工序及節(jié)拍見表1。

表1 HTCC 產品生產工序及節(jié)拍表（min/片）

通過Plant Simulation 仿真軟件對生產線進行整體建模，基于遺傳算法對各生產工序及其對應生產節(jié)拍進行優(yōu)化排序，從而實現對車間布局的規(guī)劃及仿真驗證。通過仿真結果可知，打孔機是整條生產線生產的薄弱環(huán)節(jié)，打孔機滿產才能使整條生產線產能最大化。因此以打孔機滿產作為整條生產線最優(yōu)產能的評價指標，得到HTCC 生產線在最優(yōu)產能下的自動化方案硬件主要設備清單，見表2。

表2 HTCC 生產線自動化方案硬件主要設備清單

結合表2 對車間自動化生產線進行設計，最終的車間布局見圖3。

圖3 車間布局圖

2.2 數據采集與控制系統層

由于底層設備采用的硬件不同，有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、工控機（Industrial Personal Computer，IPC） 等各種形式及不同品牌，因而數據采集與控制系統的關鍵是解決多元異構數據采集與處理。通過開發(fā)不同的軟件模塊和接口，實現對不同類型設備按照不同協議的數據采集與控制。主要數據模塊應包含設備工藝數據模塊、信息報警模塊、生產數據管理模塊等功能[4]。具體的數據采集與控制系統整體架構見圖4。

圖4 HTCC 生產線智能化建設中的數據采集與控制系統整體架構

2.3 數字化生產運營管理系統層

數字化生產運營管理系統開發(fā)時的關鍵是實現功能模塊化及角色權限組件化，使得用戶能根據需求對模塊進行靈活配置，提高系統在不同應用場景下的可復用性。具體的數字化生產運營管理系統整體架構見第56頁圖5。

圖5 HTCC 生產線智能化建設中的數字化生產運營管理系統整體架構

通過對生產、工藝、報警等不同類別的數據進行統計分析，可實現對產品的質量管控、故障預測或遠程維護，提升設備綜合效率、穩(wěn)定性。結合看板管理，可第一時間對所有設備的狀態(tài)和調度需求進行展示，同時可對生產信息及設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness，OEE） 相關數據進行展示。

3 結束語

從經濟效益來講，通過HTCC 生產線智能化建設，提升了生產效率，生產線產能得到釋放，銷售收入和利潤增幅明顯；且生產線操作人員從16 人減少至6 人，節(jié)省了人工成本；通過信息化管控和全流程工藝追溯及大數據統計分析，減少了對工藝人員的經驗依賴，提升產品的良品率。

從社會效益來講，有助于實現HTCC 器件的產業(yè)化，能帶動上下游產業(yè)相關企業(yè)高質量發(fā)展，促進電子信息產業(yè)的發(fā)展；能推動企業(yè)管理層主動進行改革，包括數字化生產運營管理系統與業(yè)務的深度融合、數字化的管理能力、提升管理水平和業(yè)務流程水平的能力，真正獲得高質量的數據，為智能制造提供高質量的基礎環(huán)境，促進行業(yè)管理水平的提升。