高密度板級電路智能工藝決策技術研究

李福勇，蔣慶磊，張成浩，郭永釗

（中國電子科技集團公司第十四研究所，江蘇 南京 210039）

1 引言

高密度板級電路裝配過程包括焊膏涂覆、器件貼裝、回流焊接、光學檢查、清洗、壓接、手工焊接、波峰焊接等多個工序，其工藝編制所涉及的知識和信息量龐大，工藝設計是嚴重依賴經(jīng)驗知識的過程。隨著軍用電子裝備向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展，其板級電路的復雜度、集成度以及器件種類和數(shù)量越來越多，裝配難度不斷提升，同時對裝配質量、一次裝配成功率要求不斷提高，給工藝設計提出了新的挑戰(zhàn)。

作為連接設計與制造的橋梁與紐帶，工藝設計是一個極為復雜的過程，是特征提取、歸納、總結、分析、決策等多種過程的整合，對工藝人員的要求非常高，具有明顯的知識密集型特征。該過程需要將工藝專家頭腦中的操作技巧、工藝經(jīng)驗和技術訣竅總結歸納，并通過知識的形式傳遞重用，輔助工藝決策；因此，工藝方法、工藝路線以及工藝參數(shù)的自動生成（即智能工藝設計），是自動化生產環(huán)節(jié)的關鍵信息技術。然而，當前成熟的智能工藝及仿真系統(tǒng)主要集中在機加工、機械裝配等領域，在復雜電子組件裝焊方面暫未涉及。本文針對高密度板級電路流程長、工藝復雜、跨單元跨工序多的特點，開展基于規(guī)則的工藝決策技術研究，解決傳統(tǒng)工藝設計效率低、人工經(jīng)驗依賴度高、指導性不足等問題。

2 知識分類表達與知識庫設計

知識是人類對物質世界以及精神世界探索的結果總和，是經(jīng)過整理、轉化、解釋、定義的信息[1]。工藝知識是指在需求分析、產品設計、方案論證、生產制造、使用維護等產品全生命周期內與工藝相關的知識[2]。工藝設計的關鍵是如何獲取工藝知識，沒有工藝知識的支撐，工藝設計系統(tǒng)將是空中樓閣，無法解決設計過程產生的問題。工藝知識獲取的任務就是將工藝設計過程中所產生的經(jīng)驗、訣竅、規(guī)則和典型案例提取分析概括成知識進行表達。

在基于規(guī)則的工藝設計系統(tǒng)中，工藝知識表達模型必須完整、有效地描述工藝設計過程中所需要的各類知識，從而為工藝設計問題求解提供支持[3]。基于工藝設計的特征，知識表達模型既要包含元器件的本征信息，也要涵蓋生產相應的工藝方法、路線、參數(shù)、規(guī)則信息。

2.1 工藝知識分類

工藝知識主要來源于：工藝專家頭腦中的經(jīng)驗總結，包括工藝方法的選取、工藝路線的決策、工藝參數(shù)的確定等；工藝技術研究過程中產生的新技術、新工藝、新材料等；工藝設計每一個環(huán)節(jié)中工藝專家的決策活動所形成的工藝規(guī)則知識，如工藝方法選擇、工藝路線規(guī)劃、工藝參數(shù)匹配等。

以高密度板級電路裝焊工藝流程為主線，對工藝知識進行分類組織，主要分為工藝基礎類知識、工藝決策類知識。結合高密度板級電路的典型特征，梳理元器件的基本屬性、工藝材料的本征特性、工藝方法、工藝裝備資料、典型工藝參數(shù)等知識，作為工藝決策的基礎；結合高密度板級電路工藝技術體系，梳理高密度微波組件裝焊工藝設計領域涉及到的手冊、規(guī)范、標準等資料，以及工程師/專家經(jīng)驗、操作技巧和技術訣竅等經(jīng)驗知識，實現(xiàn)判斷性規(guī)則知識的獲取。

2.2 知識的表達與知識庫建立

知識表達是將關于世界的信息表示為符合機器處理的模式，用于模擬人對世界的認知和推理，以解決人工智能中的復雜任務，通過某種約定的架構和語言，對知識進行規(guī)范化描述，即知識符號化的過程[4]。工藝知識獲取的過程是確定工藝知識表達方式、收集歸納整理工藝知識、知識分類編碼、輸入知識庫的過程。高密度板級電路工藝決策中知識庫的設計關系到工藝設計的成敗，直接影響到工藝決策過程的準確性，知識庫包括元器件基礎知識庫、工藝路線庫、工藝參數(shù)庫以及工藝規(guī)則庫。

（1）元器件知識庫

高密度板級電路中，存在上百種元器件，各類封裝的元器件屬性直接決定了工藝方法的選擇、工藝路線的排序以及工藝參數(shù)的確定。元器件屬性所包含的知識具有查詢類特點，屬于靜態(tài)描述性知識，采用特征形式進行表達，即物資編碼（ID）、屬性（Type）以及內容（Content）。元器件知識庫如圖1所示。

圖1 元器件知識庫

物資編碼——特征ID，用于可以表征產品的元器件信息，對于后期對產品進行比對聚類有著重要意義。

屬性——特征類型，封裝類型、濕敏等級、耐溫性等元器件所具有的特征類型。

內容——屬性內容，與特征類型相對應的特征內容，濕敏等級為3級、不可清洗的等元器件屬性具體特征內容。

（2）工序元集合庫

根據(jù)高密度板級電路的元器件種類、印制板特征、元器件布局等，確定工藝方法、工藝流程，采用工序編碼（Number）、工序名稱（Name）、工序內容（Content）形式確定工序元集合。

工序編碼——特征Number，定義其在工藝流程中的優(yōu)先級，用來進行檢索與映射，為基于規(guī)則的工序選擇與排列服務。

工序名稱——定義各個環(huán)節(jié)的工序名稱，以便于根據(jù)規(guī)則進行相似度計算，匹配相似工序元，如齊套、烘烤、SMT、植柱、清洗等。

工序內容——定義每個工序元中所涉及的工步、設備、工具、材料等相關信息，用來描述工序操作過程中的屬性，如焊接溫度、力矩要求等。

（3）工藝參數(shù)庫

工藝參數(shù)庫維護了最完整的工步標準術語和工步關鍵參數(shù)，其數(shù)據(jù)庫由若干個表組成，每一個表的名稱即為工藝基礎庫中工藝ID，采用工步名稱（Name）、工步編碼（ID）、工步內容（Content）、判斷屬性（Decision）形式。

工步名稱——定義每個工序中工步名稱，并基于規(guī)則與元器件屬性庫進行相似計算，以便于進一步進行相似度匹配，如來料檢查、烙鐵溫度設置等。

工步編碼——特征ID，用來進行檢索與比對，為基于規(guī)則的工步選擇與排列服務。

工步內容——包括工步標準術語，用來描述工步加工過程中的屬性內容，如防靜電要求、抬高裝配要求等。

判斷屬性——根據(jù)規(guī)則判斷工步的有無及排序。

（4）工藝規(guī)則庫

工藝規(guī)則為工藝決策類知識，屬于判斷性和模糊類知識，為動態(tài)知識，采用產生式表示法進行表達。工藝規(guī)則庫定義了產品和工藝規(guī)則的關聯(lián)關系描述，其數(shù)據(jù)庫由若干個表組成，每一個表的名稱即為工藝基礎庫中工藝ID，例如對于典型工藝“裝焊”，工序ID為10的工序是否為產品必須項的規(guī)則，例如對于一個產品是否需要裝焊工序，只需要判斷其010屬性（插件器件數(shù)量）是否大于0，即可得出結果。如IF{插件器件數(shù)量>0}THEN {焊裝}；IF{濕敏器件數(shù)量>0} THEN {烘烤}。

3 工藝決策

高密度板級電路工藝決策過程中，根據(jù)產品設計形態(tài)，結合工藝需求特征，通過基于規(guī)則的推理求解出與其相關的知識集合，其中包括工藝方法、工藝路線、工藝參數(shù)等。高密度板級電路工藝決策過程包括：裝配工序元確定、工藝路線推理、工序評估優(yōu)化階段、工藝參數(shù)分析、選擇階段等。以下為具體的工藝決策方法解析。

3.1 工藝路線決策

工藝路線是工藝設計中的關鍵工作，對高密度板級電路的工藝性、質量、成本和性能等都有重要影響?；诎寮夒娐芳捌淦骷?shù)化特征，實現(xiàn)特征和規(guī)則的工序元（齊套、貼片、回流焊接、裝配等）集合生成；采用規(guī)則推理技術，基于工序元約束、工序關系約束等，實現(xiàn)工藝路線智能決策。

（1）工序元集合生成

根據(jù)從BOM中獲取的器件信息，通過器件知識庫和器件規(guī)則庫的匹配，識別出器件或者部件所需要的加工工序元。然后通過將所有器件對應的工序元進行合并去重，形成該產品的工序元集合。

以某典型產品為例，該產品包括了表貼電容、插件電阻、BGA、LGA、光口、導線等100多種器件，對于工序元的識別過程如圖2所示。對于可以采用物資編碼進行檢索的，采用精準匹配的方式根據(jù)器件知識庫生成該器件的工序元集合。對于無法采用物資編碼進行檢索的，以此按照一級封裝類型、二級封裝類型并結合器件基礎信息進行做出判斷，對于無法判斷的通過人機交互的方式進行確認。在工序元中包含了工序元的基本特征，只有當工序元及其基本特征完整匹配的時候方可進行合并。比如烘烤{60，90}代表60℃條件下烘烤90小時，而烘烤{120，48}代表120℃條件下烘烤48小時。最后將各個期間的工序元集合進行合并去重形成產品的工序元集合。

（2）工藝路線推理

根據(jù)專家經(jīng)驗、標準、規(guī)范等建立規(guī)則，在知識庫內存儲的規(guī)則通過IF…THEN的形式進行表達；基于規(guī)則的核心是演繹推理，利用規(guī)則條件進行推理，并計算和結論之間的相似程度，根據(jù)相似度大小決定工序元之間的優(yōu)先級，最終根據(jù)優(yōu)先級執(zhí)行規(guī)則，具體如圖3所示。

圖3 工藝路線推理

（3）工藝路線評估優(yōu)化

系統(tǒng)完成工藝路線設計后需要對工藝進行評估，修正、優(yōu)化求解結果，直至滿足實際的設計生產需求。優(yōu)化過程是對工藝路線的規(guī)劃和表達產生偏離的解進行修正，使系統(tǒng)輸出與設計和生產需求匹配度更高的解。在新解的運行和形成過程中進行修正，通過插入、刪除、替換工序或者對部分工序進行優(yōu)先級調整等方式進行優(yōu)化。

裝焊工藝路線修正過程（如圖4所示），根據(jù)評估結果提取不滿足生產需求的特征，根據(jù)工藝流程庫、工藝參數(shù)庫以及特征實例，對存在偏離的工序、工步或工藝參數(shù)進行修正、替換；對修正后的決策工藝路線再次評估，若滿足設計要求，則修正結束，反之根據(jù)工藝規(guī)則庫再次推理，并基于規(guī)則輔助修改，直到工藝路線滿足設計需求，能夠知道實際操作為止。

圖4 工藝路線評估優(yōu)化過程

3.2 工藝參數(shù)決策

高密度板級電路生產過程中工具、設備以及材料使用的工藝參數(shù)（如溫度、時間、速度、力矩值等）決定了組裝的質量和性能。本文針對產品的特征開展工藝參數(shù)決策試驗，收集試驗數(shù)據(jù)，基于工藝參數(shù)、元器件等知識庫和規(guī)則庫以及產品特征參數(shù)，包括焊接溫度、緊固力矩、預熱溫度、焊接速度等參數(shù)，實現(xiàn)裝焊工藝參數(shù)的計算、決策，工藝參數(shù)的決策采用基于規(guī)則和基于實例的混合推理機制，流程如圖5所示。

圖5 工藝參數(shù)決策的流程

①根據(jù)待決策的工藝參數(shù)識別出關鍵特性，例如螺釘緊固力矩，識別出關鍵特性包括螺釘材質、螺釘直徑、基體材質、螺帽型號；②根據(jù)關鍵特性組成關鍵特性集，利用關鍵特性集與工藝參數(shù)案例庫匹配推理，關鍵特性集K={螺釘材質，螺釘直徑，基體材質，螺帽型號}；③基于案例推理計算待決策產品與案例特性的相似度L；④提取相似度超過閾值的案例；⑤對于未超過閾值的，采用基于規(guī)則和經(jīng)驗推理的機制進行工藝參數(shù)的判定；⑥如果案例與產品的特性集相識度達到1，則可以直接確定工藝參數(shù)；⑦對于相似度為達到1的，利用工藝規(guī)則庫，基于規(guī)則和經(jīng)驗推理的方式對工藝參數(shù)進行決策，最終確定工藝參數(shù)。

4 實例驗證

以軍用高密度板級電路為例，在進行智能工藝決策時，首先通過板級電路的編號，提取板級電路的BOM信息，根據(jù)元器件知識庫、工序元集合庫以及工藝規(guī)則庫，形成工藝路線決策，再結合工藝參數(shù)庫以及相應決策規(guī)則，形成工藝參數(shù)決策，最終完成工藝決策。實例驗證表明，高密度板級電路可基于規(guī)則快速生成工藝路線以及工藝參數(shù)，為智能工藝設計系統(tǒng)建立提供條件。

5 結束語

高密度板級電路裝配具有物料數(shù)量和品種多、裝配工序多以及流程復雜等特點，隨著電子產品的復雜度、集成度在不斷增加，工藝設計過程對工藝人員的知識、經(jīng)驗掌握要求越來越高。本文針對傳統(tǒng)工藝設計過程中存在的系列問題，開展了工藝知識獲取、分類以及表達方式的相關研究，并基于高密度板級電路及其器件參數(shù)化特征，建立了一套基于特征的裝配方法集和工序組合規(guī)則，基于不同工序特點，建立工序元集合，提出工序元排序規(guī)則及工藝參數(shù)匹配算法，實現(xiàn)工藝決策，希望對復雜電子組件的智能工藝設計系統(tǒng)建立起到一定作用。