电子控制模块制造工艺仿真

引言

    电子控制模块是很多产品的核心部件，军工航天、交通工具、能源、医疗、工业设备、网络通讯、计算机、手机、生活电器等产品均包含一块或多块电路板（电子控制模块），可以说电子控制模块就是产品的大脑，其他部件都由这个核心来控制指挥。但是随着行业的发展，近年来，电子控制模块的可靠性、设计制造过程越来越面临严峻的挑战。如图1所示。

图1 电子控制模块是很多产品的核心部件 

1 电子控制模块设计制造面临的严峻挑战

    我们每个人都期望，自己国家制造的导弹武器、防御系统20年后仍然可以正常工作，自己乘坐的15年前制造的飞机可以平安抵达，自己驾驶的汽车10年后仍然可以安全运行，5年内家里的家用电器可以不必报修，2年内自己的手机可以稳定工作。但是随着电子控制模块的复杂性增加、器件小型化、产品更新周期缩短，越来越难以保障电子控制模块的可靠性、稳定性。近年来电子控制模块故障引发的安全事故和召回事件经常见诸新闻报道；2013年因电路板存在故障引发错误换挡指令，克莱斯勒召回逾47万辆汽车； 2013年因模块电路板发生异常，台湾高捷电联列车失去动力；2013年，因电路板烧坏，济南日立电梯坠落致使段女士腰椎骨折；2014年亚航QZ8501空难，主因是导航模块电路板焊点破裂……如图2所示。

图2 品质问题会酿成大祸 

    对于消费电子、生活电器产品，产品不稳定、售后维修多不但增加了产品成本、侵蚀企业利润，而且影响用户对该产品的口碑、损伤企业品牌信誉。对于互联网普及、粉丝经济下的今天，产品出现故障的不良体验、报修沟通时间花费、维修路程时间、现场等待时间及维修费用都在引发消费者抱怨，从而使消费者及其社交圈群体（家庭、同事、朋友、同学……）逐渐失去对该品牌的忠诚度、远离该品牌产品，长而久之，影响企业的生死存亡。

    全球竞争的加剧使得产品更新换代周期越来越短，为了保持这种优势，企业需要缩短设计时间，缩短制造周期，实现敏捷制造；如何在保障产品品质和可靠性的前提下，找到设计和制造过程中可以提速的环节，是每个企业得面对的又一挑战。

    另外，电子控制模块的生产准备过程大多是手动方式。虽然电路板的组装流水线大多是自动化设备，但是核心贴片设备生产程序包含大量的参数，准备这些参数需要大量人工校正、人工匹配创建输入等工作，没有一个工程师、技术员能够保证每个产品几个小时的人工编程过程都不出错。一个极性错误，就可能带来大量的返修工作，万一问题产品流入到品牌客户处，代工企业可能面临失去订单的巨大商业风险。

    对企业管理层来说，复杂的电子控制模块产品设计、生产制造过程，对企业的人力资源管理提出了很高的要求。资深工程技术人员离职、退休后，经验如何保留传承；招人难，招到后如何让其快速掌握岗位知识技能；之后如何创造一个相对轻松的环节，让员工在企业服务得更久；这些越来越需要企业管理者去考虑、去解决、去经营。

2 制造工艺仿真、专家系统是缺失环节，亟需工艺设计智能化

    2.1 焊锡焊接决定电子控制模块生产质量品质、产品可靠性

    电子行业专家发现影响电子控制模块寿命的主要问题不是元器件/PCB裸板材料，而是焊锡焊接。电路板焊盘(footprint)设计不好，与实际元器件组装时匹配不良，就会导致焊接问题。该问题通常会表现在两个方面，一是生产过程中，出现质量缺陷（桥接、短路、开路、冷焊、立碑……），影响直通率、产出，额外的返修增加了制造成本，所以从2000年左右，SMT生产线不断增加了焊锡光学检查环节（回流焊炉后AOI光学检查机、贴片机后AOI光学检查机、焊膏印刷后SPI焊锡检查机、X光自动检查机）；另外一个方面，部分焊点生产时焊锡连接完好，可以通过光学测试、在线测试、功能测试等检查，但是由于焊盘与元器件匹配不良，导致生产时该焊点位置焊锡流失较多、焊锡焊接的强度较弱，引发产品交付后可靠性、稳定性问题/隐患（焊点裂缝、破裂），影响产品寿命，常常企业发现一些产品在交付时完全可以正常使用，但使用几个月、几年后出现故障、不稳定，而且越是经常震动、温湿度变化大的使用环境，出现故障、稳定性问题的频率越高。如图3所示。

图3 焊点结构强度决定产品可靠性

 2.2 工艺仿真、智能过滤检查机制是品质控制关键

    要解决该问题，需要一套工艺仿真、问题过滤检查机制（仿真真实组装后的电路板，再通过焊盘/元件间距等位置尺寸检查，预测出现问题的环节，发出报警警示），基于该机制系统，设计、制造、售后部门协同工作，确认风险隐患可能性大小，提前消除或增强制造检查环节。但大多数企业的情况是产品设计部门、生产部门、销售部门相对独立，在工艺、可靠性问题方面存在沟通壁垒。因为缺乏高效的检查工具，电子控制模块设计完成之后，设计人员需要与工艺人员开会审板，然后根据以往制造的经验判断是否存在品质缺陷，接下来准备工艺程序、打样、试生产，再次测试、开会讨论、优化设计……，这种多次的反复过程不但严重制约员工工作效率，而且大幅延长产品上市时间，降低企业的市场竞争力。更为重要的是，设计人员、工艺人员的宝贵经验难于传承，一旦发生人员离职、岗位变动，问题分析结果可能完全不同。同时，因为缺乏高效检查工具、专家系统，也就无法形成一套机制、不断完善提升检查项目；我们都认为数据采集、MES制造执行系统等IT方案可以提升企业智能化制造程度，但实际上一套围绕工艺检查专家系统的生产数据分析、检查项目完善机制会比数据采集、大数据挖掘更重要；同时，有了专家系统，售后部门可以与工艺/设计部门一起分析维修数据、找到可靠性问题的成因，更新、增加新的检查项目，形成该产品家族的专用工艺检查组合；为该产品家族未来的每个新产品、新版本护航。

    2.3 生产准备过程亟需实现从手工过程向智能化转变

    另外，电路板的组装生产都是使用简单的坐标数据和Gerber图像数据来完成生产设备程序的编制，贴片设备生产程序需要大量的参数数据，要补充这些不足的数据，工程师/技术员需要人工完成大量数据的准备。而且，设计部门提供的坐标数据角度（基于EDA软件footprint库）与贴片编程所需的角度（基于设备资料库—Part data library)分别是基于不同的参考体系，工程师/技术员不得不人工校正一个一个元器件的角度/极性，一旦出现疏漏错误，风险不可估量。除了商业风险，该过程需要几小时到几天的时间（取决于组装该电路板所需的电子元器件数量）。实际上，望友科技智能工艺设计软件已经取得该过程的智能化革新突破，基于该智能软件，可以实现针对主流贴片设备编程角度智能化校正、核心资料库数据的智能匹配与创建；从而实现编程方式从传统手动过程到智能化的转变，减少人为错误，大幅缩短编程时间。此外，每个电子控制模块生产前，需要准备好工艺文档及生产线每个工位的作业指导书，但是工作也是手工过程，需要大量的时间来完成元器件位置的标示及元器件信息呈现，智能工艺设计软件可以自动标示位置及提取呈现物料信息，从而实现工艺文档/作业指导书的智能话编制。对于测试分析、检查设备程序编制、维修查询等过程，智能工艺设计软件也可以提升其智能化程度。一家位于美国硅谷中心的代工企业(EMS)客户告诉我们，他们为遍布周围的高科技公司提供制造服务，客户一旦完成一阶段的设计后，他们必须在6个小时内完成制造准备、开始生产，这样的快速应对能力离开了望友科技提供的高效智能工艺软件根本无法实现。所以，对于制造企业来说，智能工艺设计软件，不但可以大幅降低商业风险，而且可以提升制造应对能力，实现智能制造升级。

3 制造工艺仿真助力企业实现智能制造升级

    电子控制模块是产品的大脑，如何设计制造出可靠、稳定的大脑至关重要。通过十一年多技术探索与行业实践，望友科技制造工艺仿真发现对于电路板的设计制造具有重要商业意义，制造工艺仿真、工艺设计也是电路板智能制造的关键环节，它可以打通设计、生产及售后部门，消除沟通障碍，协同各部门工作，优化产品生命管理，降低商业风险，提升产品利润，为企业带来全方位的价值提升。

    1.提前发现可靠性隐患、生产质量缺陷，便于设计人员修改设计、品控人员参与预防措施，从而保障产品品质、提升产出、降低成本、保证产品稳定性、维护品牌信誉。

    2.减少试产/试样，缩短产品研发/生产时间，实现并行设计、加快产品上市及更新换代；工艺准备的智能化提升，可以降低商业风险，提升制造团队工作效率，提升制造应对能，提升企业竞争力，提升企业利润。

    3.打造专家系统，传承经验、实现知识管理，降低工作复杂度、降低人力资源管理难度，为企业设计、工艺能力的持续提升提供可能。

    4.智能制造离不开智能设计、智能生产，制造工艺仿真、智能工艺设计衔接设计与生产，为生产过程大数据高价值利用提供可能，提升企业核心竞争力。

4 结束语

    现在，中国制造2025理念渐入人心，企业智能制造的热情正在逐渐被点燃，智能制造涉及很多环节，望友科技提请中国企业注意，有重点、有先后才能高效推进。工艺设计是智能制造的关键环节，离开了制造工艺仿真、专家系统去谈生产过程大数据采集、利用，数据的高效利用也就失去了目标；缺乏智能工艺设计，企业参与全球竞争就缺失了核心竞争力；赢得时间，也就赢得市场优势；人是企业核心的资源，没有高效工具辅助，也就无法高效利用人力资源，可持续、快速扩张也就失去了动力。

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