廣州精弘益企業管理咨詢有限公司
效率提升技術
現在市場競爭越來越激烈，印制板組裝廠要在這樣的環境中立于不敗之地，首要一點就是要降低其生產成本。而要實現這一目標，最主要的方法就是通過提高生產線的生產效率來實現。本文結合筆者工作實際探討一些提高SMT生產線效率的方法和措施。
1、情況介紹
以烽火通信公司電裝車間一條環球SMT生產線為研究對象，該生產線由一臺DEK265、一臺HSP4796L高速轉塔貼片機、一臺GSM1高精度貼片機和BTU回流爐組成。雖然一條SMT生產線由多臺設備組成，但對SMT生產線效率影響最大的是貼片機。由于后面敘述的生產線平衡內容是關于這兩類貼片機的，因此需要加以介紹。
HSP4796為轉塔結構，采用十六個一組的旋轉貼片頭,每個貼片頭上有五種不同吸嘴,兩個料臺，每個料站平臺上可安裝最多80種元件（8mm），貼裝速度0.10s片，可貼裝0201~鉭電容、小型SOP等。
GSM1為拱架式結構，安裝了新型Flex Jet貼裝頭，同以往貼裝頭相比，進行了以下一系列改進：把每個CCD攝像機內至到每個貼裝頭里，各自獨立，以往的4 Spindle Nozzle已進化成7 Spindle Nozzle；把這樣的7個貼裝頭都裝設在貼裝平臺系統上，并行運行，最快貼裝速度可達到1萬片小時。
GSM1可使用卷帶（tape）、條式（stick）、華夫盤（tray）各種類型的元件包裝，而HSP4796L只能使用卷帶。
目前已經總結相關方法和措施，并已經開始實施，大幅度提升生產效率。主要方法和措施如下：（1）PCB設計工藝；（2）生產線平衡；（3）設備程序優化；（4）管理措施；（5）提高新程序編制準確度；（6）良好的設備監控及維護；本文將在后面分別加以詳細介紹。
2、PCB工藝設計
具有良好設計工藝的PCB可以提高生產效率，可以考慮以下一些因素：
（1）采用拼板設計。若PCB面積比較小，為了充分利用板材、高效率地制造、安裝、調試SMA（表面貼裝組件），往往將幾塊相同或者不同的PCB拼在一起成為一個大的版面，如圖1所示。例如設計雙面貼裝不進行波峰焊的印制板時，可采用雙數拼板正反面各半，兩面圖形按相同的排列方式可以提高設備利用率，節約生產準備費用和時間。
圖1 拼板設計可提高生產效率
（2）元件布局盡可能集中整齊，類型相似的元件應該以相同的方向排列在板上，如圖2所示，可減少貼裝頭的移動距離，提高生產效率。同時有規則的排列方便檢查，并利于散熱和焊接工藝的優化。
圖2 相似元件的排列
（3）應考慮盡可能減少生產流程。兩面有貼片元件考慮能否集中到一面。
3、生產線平衡
通常一條SMT生產線由一臺高速貼片機和一臺高精度貼片機組成，當兩臺貼片機生產時間相等且最小時，則整條生產線發揮出了最大產能。但這只是一種理想狀態，實際會受很多因素影響。我們的目標盡可能合理分配元件，實現兩臺機器間的平衡。我們在初次分配每臺設備的貼裝元件數量時，往往會出現貼裝時間差距較大，這就需要根據每臺設備的貼裝時間，對生產線上所有設備的生產負荷進行調整，將貼裝時間較長設備上的部分元件移一部分到另一臺設備上，以實現負荷分配平衡。另外在分配元件時還要注意以下因素：
（1）盡量不要將降速的元件（如鉭電容、SOP等）分配到HSP上，避免由于少數幾個元件導致旋轉頭整體降速，影響生產效率。
（2）根據每臺貼片機能貼裝的元件類型進行分配。例如，細間距元件給GSM，片式元件給HSP4796L。
（3）同時需考慮的另外一個問題是元件的包裝形式，條式和華夫盤式元件只能用GSM來貼裝。
4、設備程序優化
4.1 轉塔機HSP4796L
其結構如圖3所示，其工作時供料器平臺可左右移動到吸取元件所在的料槽位置上，旋轉貼片頭順時針旋轉吸取元件，X-Y工作臺可上下左右移動到貼裝元件所在位置上。優化原則如下：
（1）兩相臨貼片元件位置最近（最短路徑法）。減少X-Y工作臺移動距離。
（2）兩料位移動最小。減少料臺移動時間。
（3）先貼快速元件，后貼慢速元件。避免慢速元件對整個頭部旋轉速度的影響。
所以在程序優化或者實施更改后要檢查是否符合上述條件，若不符合則對貼裝步驟進行調整。
圖3 HSP4796L結構
4.2 高精度貼片機GSM1
圖4 GSM1結構
GSM1結構如圖4所示，相比較于高速機，高精度貼片機程序編制更為復雜，制約的條件也更多。在GSM1貼片機程序優化時需要考慮的因素有：
（1）盡量不換吸嘴和少換吸嘴。目前GSM1實施不換吸嘴程序優化，平均程序效率提升幅度在5%-10%左右。另外可減少對機器頭部的磨損。
（2）元件較多的Feeder離PCB最近，減少吸嘴移動行程。
（3）盡量實現同時吸取。使用多的元件可把放置Feeder數目由一個改為多個，可使元件同時吸著，縮短吸取時間，提高生產效率。
（4）提高元件識別效率。GSM1貼片機采用兩套視覺對中系統，分別為位于機器后側的仰視攝像機和機器頭部的攝像機，仰視攝像機分辨率為4mil，主要用來識別大尺寸元件，頭部攝像機分辨率為2.6mil，識別元件尺寸一般不應超過20mm，可實現飛行對中。這兩套視覺對中系統結合在一起，確保了GSM1能高速而又準確地處理各種類型的元件。4mil攝像機所能處理的最小引腳寬度為0.203mm，針對33.358mm以下尺寸（例如QFP208）可一次成像，而對大于33.358mm尺寸的元件（例如QFP240）會采取四次照相合成的方法來增大照相面積的目的，先分別照四邊，然后合成一個整個的器件，但所花費的時間將會成倍增長。了解到這些，在編程時應注意盡量避免將大于33.358mm尺寸的元件與小尺寸元件放在同一個循環中，這將影響到小尺寸元件的識別速度。
（5） 減少等待華夫盤元件時間。主要由于華夫盤供料速度跟不上吸取速度，調整貼裝步驟，在吸取華夫盤元件前先吸取其它的元件。
（6）每個循環盡量滿負荷，減少吸取次數。
（7）在一個循環過程中，盡量只從正面或后面的料站上取料，以減少貼裝頭移動距離。
有些原則在優化程序時會發生矛盾，這就需要進行折中考慮，以選出最佳優化方案來。
5、實施嚴格有效的管理措施
SMT設備是機電一體化的精密設備，在工作中實行嚴格有效的管理措施是提高SMT生產線效率的一個重要辦法。我們采取的主要措施有：
（1）提前將要補充的元件裝在備用送料器上，縮短換料時間；
（2）生產線裝配前面批號產品的同時，提前做好生產線下一批號產品的準備工作等等。
（3）加強對操作員工的培訓。SMT生產線屬大生產流水線，產值是以秒來進行計算的。而生產的流暢性和產品的質量除設備與環境因素外，人的因素占有極為重要的成分。例如若操作員對設備很熟悉，那么在生產過程中排除問題所花費時間較少，也可節約生產時間，提高生產效率。所以我們格外重視對員工的培訓，除了定期進行專業技能培訓外，我們還以一些專業SMT書刊為教材組織員工學習，培養對SMT的熱愛，提高每個人的綜合業務水平。
（4）實施不停機換料。針對一些大批量產品， HSP4796L兩個料臺同時啟用，減少換料停機時間。GSM1或者AC系列機器使用量較多的元件使用多個供料器，在一個供料器上元件用完時會自動轉到另一供料器上取料，這時可取出空供料器進行元件補充。
6、提高新程序編制準確度，縮短調機時間
重點關注元件角度、封裝、華夫盤設置參數等。
（1）關注元件角度。大多數PCB設計軟件定義的貼片元件角度與烽火公司SMT設備程序定義的角度存在偏差，例如芯片、不規則方向阻容元件、排阻、二極管等（見表1），每次在一個新產品貼片程序編制過程中都需要一個個手工核對元件角度。如果元件數目較多，核對過程將非常耗時。
表1 烽火公司SMT設備與PCB設計軟件定義元件角度對比
通常這種偏差是有規律可循的，例如芯片，烽火公司貼片程序定義角度與PCB設計軟件定義的角度統一偏差-90度，可以用EXCEL等通用字處理軟件來處理，但較為繁瑣。為解決這個問題，我專門開發了DPS（Data Preparation System）數據準備軟件，可在數秒鐘之內完成所有型號元件角度修正，即準確又快速，目前該軟件在我公司新產品數據準備過程中得到廣泛應用，提高了程序編制的準確度。
（2）核對芯片封裝。GSM1編程軟件UPS可顯示貼片程序的圖形模式（如圖5），非常接近實際，可用來與元件實物進行比較，非常方便核對，避免封裝出錯導致新產品調機時間延長。
圖5 GSM1編程軟件UPS可顯示貼片程序的圖形模式
7、良好的設備監控及維護
SMT設備進行定期檢驗與保養也是保證其充分發揮其功效的有力措施之一。很多公司由于生產任務繁重，在生產過程中往往會忽視這一點。一旦設備因故障不能正常生產時，其停工所造成的損失要遠遠大于對設備定期停機檢驗與保養的費用。因此必須強調對設備定期進行科學的檢驗與保養，加強對設備上一些易損件的定期檢查，包括濾芯、吸嘴、照明電源、切刀等，若出現情況及時更換并采購，確保機器處于良好狀態下，避免機器由于不正常的工作狀態導致生產效率下降，例如拋料率過高致使部分吸嘴被屏蔽掉。
8、結論
SMT生產需要高的投入，但如果管理與使用得法，并注意筆者在上面提到的幾個方面，我們將會充分挖掘SMT生產線的生產潛力，提高生產效率，在幾年之內就會收回全部的投資，實現“高投入、高產出”。
1、情況介紹
以烽火通信公司電裝車間一條環球SMT生產線為研究對象，該生產線由一臺DEK265、一臺HSP4796L高速轉塔貼片機、一臺GSM1高精度貼片機和BTU回流爐組成。雖然一條SMT生產線由多臺設備組成，但對SMT生產線效率影響最大的是貼片機。由于后面敘述的生產線平衡內容是關于這兩類貼片機的，因此需要加以介紹。
HSP4796為轉塔結構，采用十六個一組的旋轉貼片頭,每個貼片頭上有五種不同吸嘴,兩個料臺，每個料站平臺上可安裝最多80種元件（8mm），貼裝速度0.10s片，可貼裝0201~鉭電容、小型SOP等。
GSM1為拱架式結構，安裝了新型Flex Jet貼裝頭，同以往貼裝頭相比，進行了以下一系列改進：把每個CCD攝像機內至到每個貼裝頭里，各自獨立，以往的4 Spindle Nozzle已進化成7 Spindle Nozzle；把這樣的7個貼裝頭都裝設在貼裝平臺系統上，并行運行，最快貼裝速度可達到1萬片小時。
GSM1可使用卷帶（tape）、條式（stick）、華夫盤（tray）各種類型的元件包裝，而HSP4796L只能使用卷帶。
目前已經總結相關方法和措施，并已經開始實施，大幅度提升生產效率。主要方法和措施如下：（1）PCB設計工藝；（2）生產線平衡；（3）設備程序優化；（4）管理措施；（5）提高新程序編制準確度；（6）良好的設備監控及維護；本文將在后面分別加以詳細介紹。
2、PCB工藝設計
具有良好設計工藝的PCB可以提高生產效率，可以考慮以下一些因素：
（1）采用拼板設計。若PCB面積比較小，為了充分利用板材、高效率地制造、安裝、調試SMA（表面貼裝組件），往往將幾塊相同或者不同的PCB拼在一起成為一個大的版面，如圖1所示。例如設計雙面貼裝不進行波峰焊的印制板時，可采用雙數拼板正反面各半，兩面圖形按相同的排列方式可以提高設備利用率，節約生產準備費用和時間。
圖1 拼板設計可提高生產效率
（2）元件布局盡可能集中整齊，類型相似的元件應該以相同的方向排列在板上，如圖2所示，可減少貼裝頭的移動距離，提高生產效率。同時有規則的排列方便檢查，并利于散熱和焊接工藝的優化。
圖2 相似元件的排列
（3）應考慮盡可能減少生產流程。兩面有貼片元件考慮能否集中到一面。
3、生產線平衡
通常一條SMT生產線由一臺高速貼片機和一臺高精度貼片機組成，當兩臺貼片機生產時間相等且最小時，則整條生產線發揮出了最大產能。但這只是一種理想狀態，實際會受很多因素影響。我們的目標盡可能合理分配元件，實現兩臺機器間的平衡。我們在初次分配每臺設備的貼裝元件數量時，往往會出現貼裝時間差距較大，這就需要根據每臺設備的貼裝時間，對生產線上所有設備的生產負荷進行調整，將貼裝時間較長設備上的部分元件移一部分到另一臺設備上，以實現負荷分配平衡。另外在分配元件時還要注意以下因素：
（1）盡量不要將降速的元件（如鉭電容、SOP等）分配到HSP上，避免由于少數幾個元件導致旋轉頭整體降速，影響生產效率。
（2）根據每臺貼片機能貼裝的元件類型進行分配。例如，細間距元件給GSM，片式元件給HSP4796L。
（3）同時需考慮的另外一個問題是元件的包裝形式，條式和華夫盤式元件只能用GSM來貼裝。
4、設備程序優化
4.1 轉塔機HSP4796L
其結構如圖3所示，其工作時供料器平臺可左右移動到吸取元件所在的料槽位置上，旋轉貼片頭順時針旋轉吸取元件，X-Y工作臺可上下左右移動到貼裝元件所在位置上。優化原則如下：
（1）兩相臨貼片元件位置最近（最短路徑法）。減少X-Y工作臺移動距離。
（2）兩料位移動最小。減少料臺移動時間。
（3）先貼快速元件，后貼慢速元件。避免慢速元件對整個頭部旋轉速度的影響。
所以在程序優化或者實施更改后要檢查是否符合上述條件，若不符合則對貼裝步驟進行調整。
圖3 HSP4796L結構
4.2 高精度貼片機GSM1
圖4 GSM1結構
GSM1結構如圖4所示，相比較于高速機，高精度貼片機程序編制更為復雜，制約的條件也更多。在GSM1貼片機程序優化時需要考慮的因素有：
（1）盡量不換吸嘴和少換吸嘴。目前GSM1實施不換吸嘴程序優化，平均程序效率提升幅度在5%-10%左右。另外可減少對機器頭部的磨損。
（2）元件較多的Feeder離PCB最近，減少吸嘴移動行程。
（3）盡量實現同時吸取。使用多的元件可把放置Feeder數目由一個改為多個，可使元件同時吸著，縮短吸取時間，提高生產效率。
（4）提高元件識別效率。GSM1貼片機采用兩套視覺對中系統，分別為位于機器后側的仰視攝像機和機器頭部的攝像機，仰視攝像機分辨率為4mil，主要用來識別大尺寸元件，頭部攝像機分辨率為2.6mil，識別元件尺寸一般不應超過20mm，可實現飛行對中。這兩套視覺對中系統結合在一起，確保了GSM1能高速而又準確地處理各種類型的元件。4mil攝像機所能處理的最小引腳寬度為0.203mm，針對33.358mm以下尺寸（例如QFP208）可一次成像，而對大于33.358mm尺寸的元件（例如QFP240）會采取四次照相合成的方法來增大照相面積的目的，先分別照四邊，然后合成一個整個的器件，但所花費的時間將會成倍增長。了解到這些，在編程時應注意盡量避免將大于33.358mm尺寸的元件與小尺寸元件放在同一個循環中，這將影響到小尺寸元件的識別速度。
（5） 減少等待華夫盤元件時間。主要由于華夫盤供料速度跟不上吸取速度，調整貼裝步驟，在吸取華夫盤元件前先吸取其它的元件。
（6）每個循環盡量滿負荷，減少吸取次數。
（7）在一個循環過程中，盡量只從正面或后面的料站上取料，以減少貼裝頭移動距離。
有些原則在優化程序時會發生矛盾，這就需要進行折中考慮，以選出最佳優化方案來。
5、實施嚴格有效的管理措施
SMT設備是機電一體化的精密設備，在工作中實行嚴格有效的管理措施是提高SMT生產線效率的一個重要辦法。我們采取的主要措施有：
（1）提前將要補充的元件裝在備用送料器上，縮短換料時間；
（2）生產線裝配前面批號產品的同時，提前做好生產線下一批號產品的準備工作等等。
（3）加強對操作員工的培訓。SMT生產線屬大生產流水線，產值是以秒來進行計算的。而生產的流暢性和產品的質量除設備與環境因素外，人的因素占有極為重要的成分。例如若操作員對設備很熟悉，那么在生產過程中排除問題所花費時間較少，也可節約生產時間，提高生產效率。所以我們格外重視對員工的培訓，除了定期進行專業技能培訓外，我們還以一些專業SMT書刊為教材組織員工學習，培養對SMT的熱愛，提高每個人的綜合業務水平。
（4）實施不停機換料。針對一些大批量產品， HSP4796L兩個料臺同時啟用，減少換料停機時間。GSM1或者AC系列機器使用量較多的元件使用多個供料器，在一個供料器上元件用完時會自動轉到另一供料器上取料，這時可取出空供料器進行元件補充。
6、提高新程序編制準確度，縮短調機時間
重點關注元件角度、封裝、華夫盤設置參數等。
（1）關注元件角度。大多數PCB設計軟件定義的貼片元件角度與烽火公司SMT設備程序定義的角度存在偏差，例如芯片、不規則方向阻容元件、排阻、二極管等（見表1），每次在一個新產品貼片程序編制過程中都需要一個個手工核對元件角度。如果元件數目較多，核對過程將非常耗時。
表1 烽火公司SMT設備與PCB設計軟件定義元件角度對比
通常這種偏差是有規律可循的，例如芯片，烽火公司貼片程序定義角度與PCB設計軟件定義的角度統一偏差-90度，可以用EXCEL等通用字處理軟件來處理，但較為繁瑣。為解決這個問題，我專門開發了DPS（Data Preparation System）數據準備軟件，可在數秒鐘之內完成所有型號元件角度修正，即準確又快速，目前該軟件在我公司新產品數據準備過程中得到廣泛應用，提高了程序編制的準確度。
（2）核對芯片封裝。GSM1編程軟件UPS可顯示貼片程序的圖形模式（如圖5），非常接近實際，可用來與元件實物進行比較，非常方便核對，避免封裝出錯導致新產品調機時間延長。
圖5 GSM1編程軟件UPS可顯示貼片程序的圖形模式
7、良好的設備監控及維護
SMT設備進行定期檢驗與保養也是保證其充分發揮其功效的有力措施之一。很多公司由于生產任務繁重，在生產過程中往往會忽視這一點。一旦設備因故障不能正常生產時，其停工所造成的損失要遠遠大于對設備定期停機檢驗與保養的費用。因此必須強調對設備定期進行科學的檢驗與保養，加強對設備上一些易損件的定期檢查，包括濾芯、吸嘴、照明電源、切刀等，若出現情況及時更換并采購，確保機器處于良好狀態下，避免機器由于不正常的工作狀態導致生產效率下降，例如拋料率過高致使部分吸嘴被屏蔽掉。
8、結論
SMT生產需要高的投入，但如果管理與使用得法，并注意筆者在上面提到的幾個方面，我們將會充分挖掘SMT生產線的生產潛力，提高生產效率，在幾年之內就會收回全部的投資，實現“高投入、高產出”。
