電子控制模塊制造工藝仿真

引言

    電子控制模塊是很多產品的核心部件，軍工航天、交通工具、能源、醫療、工業設備、網絡通訊、計算機、手機、生活電器等產品均包含一塊或多塊電路板（電子控制模塊），可以說電子控制模塊就是產品的大腦，其他部件都由這個核心來控制指揮。但是隨著行業的發展，近年來，電子控制模塊的可靠性、設計制造過程越來越面臨嚴峻的挑戰。如圖1所示。

圖1 電子控制模塊是很多產品的核心部件 

1 電子控制模塊設計制造面臨的嚴峻挑戰

    我們每個人都期望，自己國家制造的導彈武器、防御系統20年后仍然可以正常工作，自己乘坐的15年前制造的飛機可以平安抵達，自己駕駛的汽車10年后仍然可以安全運行，5年內家里的家用電器可以不必報修，2年內自己的手機可以穩定工作。但是隨著電子控制模塊的復雜性增加、器件小型化、產品更新周期縮短，越來越難以保障電子控制模塊的可靠性、穩定性。近年來電子控制模塊故障引發的安全事故和召回事件經常見諸新聞報道；2013年因電路板存在故障引發錯誤換擋指令，克萊斯勒召回逾47萬輛汽車； 2013年因模塊電路板發生異常，臺灣高捷電聯列車失去動力；2013年，因電路板燒壞，濟南日立電梯墜落致使段女士腰椎骨折；2014年亞航QZ8501空難，主因是導航模塊電路板焊點破裂……如圖2所示。

圖2 品質問題會釀成大禍 

    對于消費電子、生活電器產品，產品不穩定、售后維修多不但增加了產品成本、侵蝕企業利潤，而且影響用戶對該產品的口碑、損傷企業品牌信譽。對于互聯網普及、粉絲經濟下的今天，產品出現故障的不良體驗、報修溝通時間花費、維修路程時間、現場等待時間及維修費用都在引發消費者抱怨，從而使消費者及其社交圈群體（家庭、同事、朋友、同學……）逐漸失去對該品牌的忠誠度、遠離該品牌產品，長而久之，影響企業的生死存亡。

    全球競爭的加劇使得產品更新換代周期越來越短，為了保持這種優勢，企業需要縮短設計時間，縮短制造周期，實現敏捷制造；如何在保障產品品質和可靠性的前提下，找到設計和制造過程中可以提速的環節，是每個企業得面對的又一挑戰。

    另外，電子控制模塊的生產準備過程大多是手動方式。雖然電路板的組裝流水線大多是自動化設備，但是核心貼片設備生產程序包含大量的參數，準備這些參數需要大量人工校正、人工匹配創建輸入等工作，沒有一個工程師、技術員能夠保證每個產品幾個小時的人工編程過程都不出錯。一個極性錯誤，就可能帶來大量的返修工作，萬一問題產品流入到品牌客戶處，代工企業可能面臨失去訂單的巨大商業風險。

    對企業管理層來說，復雜的電子控制模塊產品設計、生產制造過程，對企業的人力資源管理提出了很高的要求。資深工程技術人員離職、退休后，經驗如何保留傳承；招人難，招到后如何讓其快速掌握崗位知識技能；之后如何創造一個相對輕松的環節，讓員工在企業服務得更久；這些越來越需要企業管理者去考慮、去解決、去經營。

2 制造工藝仿真、專家系統是缺失環節，亟需工藝設計智能化

    2.1 焊錫焊接決定電子控制模塊生產質量品質、產品可靠性

    電子行業專家發現影響電子控制模塊壽命的主要問題不是元器件/PCB裸板材料，而是焊錫焊接。電路板焊盤(footprint)設計不好，與實際元器件組裝時匹配不良，就會導致焊接問題。該問題通常會表現在兩個方面，一是生產過程中，出現質量缺陷（橋接、短路、開路、冷焊、立碑……），影響直通率、產出，額外的返修增加了制造成本，所以從2000年左右，SMT生產線不斷增加了焊錫光學檢查環節（回流焊爐后AOI光學檢查機、貼片機后AOI光學檢查機、焊膏印刷后SPI焊錫檢查機、X光自動檢查機）；另外一個方面，部分焊點生產時焊錫連接完好，可以通過光學測試、在線測試、功能測試等檢查，但是由于焊盤與元器件匹配不良，導致生產時該焊點位置焊錫流失較多、焊錫焊接的強度較弱，引發產品交付后可靠性、穩定性問題/隱患（焊點裂縫、破裂），影響產品壽命，常常企業發現一些產品在交付時完全可以正常使用，但使用幾個月、幾年后出現故障、不穩定，而且越是經常震動、溫濕度變化大的使用環境，出現故障、穩定性問題的頻率越高。如圖3所示。

圖3 焊點結構強度決定產品可靠性

 2.2 工藝仿真、智能過濾檢查機制是品質控制關鍵

    要解決該問題，需要一套工藝仿真、問題過濾檢查機制（仿真真實組裝后的電路板，再通過焊盤/元件間距等位置尺寸檢查，預測出現問題的環節，發出報警警示），基于該機制系統，設計、制造、售后部門協同工作，確認風險隱患可能性大小，提前消除或增強制造檢查環節。但大多數企業的情況是產品設計部門、生產部門、銷售部門相對獨立，在工藝、可靠性問題方面存在溝通壁壘。因為缺乏高效的檢查工具，電子控制模塊設計完成之后，設計人員需要與工藝人員開會審板，然后根據以往制造的經驗判斷是否存在品質缺陷，接下來準備工藝程序、打樣、試生產，再次測試、開會討論、優化設計……，這種多次的反復過程不但嚴重制約員工工作效率，而且大幅延長產品上市時間，降低企業的市場競爭力。更為重要的是，設計人員、工藝人員的寶貴經驗難于傳承，一旦發生人員離職、崗位變動，問題分析結果可能完全不同。同時，因為缺乏高效檢查工具、專家系統，也就無法形成一套機制、不斷完善提升檢查項目；我們都認為數據采集、MES制造執行系統等IT方案可以提升企業智能化制造程度，但實際上一套圍繞工藝檢查專家系統的生產數據分析、檢查項目完善機制會比數據采集、大數據挖掘更重要；同時，有了專家系統，售后部門可以與工藝/設計部門一起分析維修數據、找到可靠性問題的成因，更新、增加新的檢查項目，形成該產品家族的專用工藝檢查組合；為該產品家族未來的每個新產品、新版本護航。

    2.3 生產準備過程亟需實現從手工過程向智能化轉變

    另外，電路板的組裝生產都是使用簡單的坐標數據和Gerber圖像數據來完成生產設備程序的編制，貼片設備生產程序需要大量的參數數據，要補充這些不足的數據，工程師/技術員需要人工完成大量數據的準備。而且，設計部門提供的坐標數據角度（基于EDA軟件footprint庫）與貼片編程所需的角度（基于設備資料庫—Part data library)分別是基于不同的參考體系，工程師/技術員不得不人工校正一個一個元器件的角度/極性，一旦出現疏漏錯誤，風險不可估量。除了商業風險，該過程需要幾小時到幾天的時間（取決于組裝該電路板所需的電子元器件數量）。實際上，望友科技智能工藝設計軟件已經取得該過程的智能化革新突破，基于該智能軟件，可以實現針對主流貼片設備編程角度智能化校正、核心資料庫數據的智能匹配與創建；從而實現編程方式從傳統手動過程到智能化的轉變，減少人為錯誤，大幅縮短編程時間。此外，每個電子控制模塊生產前，需要準備好工藝文檔及生產線每個工位的作業指導書，但是工作也是手工過程，需要大量的時間來完成元器件位置的標示及元器件信息呈現，智能工藝設計軟件可以自動標示位置及提取呈現物料信息，從而實現工藝文檔/作業指導書的智能話編制。對于測試分析、檢查設備程序編制、維修查詢等過程，智能工藝設計軟件也可以提升其智能化程度。一家位于美國硅谷中心的代工企業(EMS)客戶告訴我們，他們為遍布周圍的高科技公司提供制造服務，客戶一旦完成一階段的設計后，他們必須在6個小時內完成制造準備、開始生產，這樣的快速應對能力離開了望友科技提供的高效智能工藝軟件根本無法實現。所以，對于制造企業來說，智能工藝設計軟件，不但可以大幅降低商業風險，而且可以提升制造應對能力，實現智能制造升級。

3 制造工藝仿真助力企業實現智能制造升級

    電子控制模塊是產品的大腦，如何設計制造出可靠、穩定的大腦至關重要。通過十一年多技術探索與行業實踐，望友科技制造工藝仿真發現對于電路板的設計制造具有重要商業意義，制造工藝仿真、工藝設計也是電路板智能制造的關鍵環節，它可以打通設計、生產及售后部門，消除溝通障礙，協同各部門工作，優化產品生命管理，降低商業風險，提升產品利潤，為企業帶來全方位的價值提升。

    1.提前發現可靠性隱患、生產質量缺陷，便于設計人員修改設計、品控人員參與預防措施，從而保障產品品質、提升產出、降低成本、保證產品穩定性、維護品牌信譽。

    2.減少試產/試樣，縮短產品研發/生產時間，實現并行設計、加快產品上市及更新換代；工藝準備的智能化提升，可以降低商業風險，提升制造團隊工作效率，提升制造應對能，提升企業競爭力，提升企業利潤。

    3.打造專家系統，傳承經驗、實現知識管理，降低工作復雜度、降低人力資源管理難度，為企業設計、工藝能力的持續提升提供可能。

    4.智能制造離不開智能設計、智能生產，制造工藝仿真、智能工藝設計銜接設計與生產，為生產過程大數據高價值利用提供可能，提升企業核心競爭力。

4 結束語

    現在，中國制造2025理念漸入人心，企業智能制造的熱情正在逐漸被點燃，智能制造涉及很多環節，望友科技提請中國企業注意，有重點、有先后才能高效推進。工藝設計是智能制造的關鍵環節，離開了制造工藝仿真、專家系統去談生產過程大數據采集、利用，數據的高效利用也就失去了目標；缺乏智能工藝設計，企業參與全球競爭就缺失了核心競爭力；贏得時間，也就贏得市場優勢；人是企業核心的資源，沒有高效工具輔助，也就無法高效利用人力資源，可持續、快速擴張也就失去了動力。

（編輯：admin）