柴志强：创新PCB制造模式的思考及顶层设计建议

本文为《印制电路资讯》（2023年7月刊“专题策划”栏目原安捷利总经理柴志强《创新PCB制造模式的思考及顶层设计建议》）文章，未经授权禁止任何个人或机构转载。如需转载，必须联系后台说明，经允许后方能转载。谢谢！

 

【摘要】本文分析了PCB制造模式较其他先进行业相对落后的现状，列举了服装、汽车、高铁和快递行业的创新发展，提出了创新PCB制造模式的思考和顶层设计的建议，作者呼吁本行业从业者反思和组织起来创新并行动，引领中国PCB制造模式处于全球领先水平。

 

【关键词】PCB；制造模式；顶层设计

 

一、AI+和机遇

 

众所周知，ChatGPT等AI正在和将要给各个行业带来翻天覆地的变革，也给原有的模式造成极大的挑战，但同时也将给各行各业带来前所未有的巨大的发展机遇，这就是所谓的“不进则退”。创新飞速发展的生成式AI将给现在的家庭保姆和教育行业带来怎样的变化呢？中国光明AI研究院报道，教师95%工作和94%的家务劳动将被AI取代。

 

创新飞速发展的生成式AI（GPT）为我们各个领域、也为智能制造带来极大的震撼、颠覆性的思考。生成式AI对智能制造变革具有巨大的启发和机遇，在AI的加持下，智能制造发展的前景和潜力变得无比广阔。

 

国家智能制造2025目标有哪些呢？ 

 

（a）70%规模以上制造业企业基本实现数字化网络化，建成500个以上引领行业发展的智能制造示范工厂，市场满足率分别超过70%和50%；

 

（b）培育150家以上专业水平高、服务能力强的智能制造系统解决方案供应商；

 

（c）构建适应智能制造发展的标准体系和网络基础设施，完成200项以上国家、行业标准的制修订，建成120个以上具有行业和区域影响力的工业互联网平台。

 

二、PCB行业制造模式分析

 

作者对当前PCB行业制造模式现况进行了分析，当前的制造模式存在以下问题。

 

（1）PCB的产品标准化问题：到目前为止，每个PCB产品，从生产角度来说，都是非标的，所以PCB行业按产品生产分类的产品标准化程度是比较低的。无论PCB的中国国标，还是美国的IPC标准、国际电工委员会的IEC标准、日本的JPCA标准，从生产角度来说PCB产品标准很粗糙，那么厚厚的标准，只是单面板、双面板和多层板等几个可怜的产品标准，从制造角度来看，实际上都是技术标准，不是产品标准。当然把这几个产品标准，按客户千变万化的要求再去细分更详细的PCB产品种类，难度也是可想而知的。

 

（2）PCB的生产设备标准化问题：设备制造商多而分散，绝大部分都是非标的，没有出现像汽车行业那样相对完整的多工序整套生产线供应商，更是没有出现全套的自动化流水生产线的方案集成商、制造商。除了AOI、曝光机等个别设备以外，生产设备几乎都是每家工厂定制的，也没有PCB设备的行业标准。

 

（3）生产断点太多，效率极低：由于多次下板子和上板子，被迫需要无数的流转车和流转箱，需要无数人或AGV去搬运流转，造成精益生产中的7大浪费，周转和等待时间长，拉长流转距离、流动速度慢，效率极低，而且生产停滞、半成品积压、时间越长产品越易氧化、互相碰伤刮花等品质问题层出不穷。

 

（4）用人太多，人均产出低：PCB行业的人均产出不高，劳务派遣用工政策可能不计算在内，人为拉高了人均产出。

 

（5）落后的工厂工艺流程布局：绝大部分的工厂PCB工艺流程布局依然处于保守、传统的境地，人为分割独立成一个个房间，产品流程多次被迫中断。

 

（6）同质化、内卷严重：当今PCB整个行业产能过剩，毛利越来越低，内卷已经很严重，而且将会越来越严重，持续的倒闭潮已经开始。

 

（7）节能减排：PCB是用电大户，以上这种到处分散的生产方式，决定了节能减排和碳中和的任务艰巨。

 

（8）智能制造推进缓慢：目前智能制造缺乏既懂管理又熟悉IT的复合型人才，而且智能制造要花大钱，旧工厂改造难度大，老板决策犹豫。另一方面PCB行业见不到IT或者AI大企业介入。

 

（9）PCB新工厂建设：越建越大，投资越来越巨大，革命性的流水线布局太少，生产效率、周期、人数没有革命性的改变。

 

（10）上市公司多了：上市公司越来越多，融资不难，越来越不缺资金。

 

（11）全球份额：中国大陆的PCB行业总产值，在2022年已经占到了全球的一半以上，举足轻重，行业发展和先进性的压力和责任重大。

 

三、其他行业制造模式的创新给我们带来的启发

 

其他行业的生产模式的创新，能为我们PCB发展带来怎样的启发？下面四个例子试图探寻创新PCB制造模式的方法。

 

（一）服装行业

 

每个人不同季节不同服装、个性化的尺寸、复杂的不同种族、同种族不同高低、胖瘦、体重等复杂因素，决定了服装在几百年来，都是自己单个去买布料，自己到裁缝店里，让裁缝师给你量尺寸、定制衣裤，“量身定制”这个词语就是这么来的。

 

服装行业早期的难度和特点：

 

（1）每个人体型和重量不一，尺寸存在很大差异。历史上每个人的衣服都需要裁缝师进行量身定制，需要的周期长，成本高。

 

（2）价格高，产量有限，同一个裁缝师不能同时生产多件衣服。

 

（3）服装样式繁多，不同的性别、年龄、高矮、体重、成人、儿童和季节以及不同面料都会影响制作周期和制作成本。

 

（4）不适合大批量工业化生产。

 

在19世纪早期，欧洲主要是英国对服装的尺码标准化，发明了SML尺码的一套服装标准，即为XS、S、M、L、XL、XXL等一套标准，对应相应性别、身高、体重、胖瘦和儿童以及不同季节的人群各有一套尺码标准，使得制衣不再依赖于裁缝师。

 

由此让有巨大市场需求的服装行业，在统一服装尺码产品标准后，服装可以按照标准尺码进行大批量工业化生产，而不再是以往的需要排队等待裁缝师一件一件地缝制。标准化的尺码使得服装产能呈现几何倍数的提升，能够以更加低廉的价格大批量生产，低廉的价格又促进了消费需求，让服装行业蓬勃发展起来，成为全球最大的行业之一。中国是在改革开放后的1981年才发布了中国服装的国家标准，包括男性的上衣、裤子、西服、大衣、内裤等尺码标准，女性的上衣、裤子、连衣裙、西服、大衣、内裤等尺码标准，大童、中童和小童的尺码标准，还区分不同的衣料、春装、夏装、秋装和冬装等，以及不同的款式。了解了我们每天穿在身上的服装，竟想不到在服装行业有这么多的服装产品标准，才给几十亿人类带来了如此的便利和大规模生产。

 

这个例子说明：一个行业的细分产品标准彻底改变了这个行业的制造模式，起到了促进这个行业大发展的关键作用。

 

（二）汽车制造行业

 

日本丰田汽车大野耐一著作《丰田生产方式》中说：标准化、自动化、准时化，以及必不可少的观念创新。只要杜绝浪费，生产效率就有可能提高10倍。“彻底杜绝浪费”是丰田生产方式的基本思想，而贯穿其中的两大支柱就是：准时化、自动化。

 

全世界对丰田的制造模式推崇备至。

 

而没有汽车产业基础的特斯拉上海工厂，创新流水线作业，其第二期电动汽车的流水线作业产出数据是：平均每年生产110万辆电动汽车，平均制造每台车所用的时间降低为40秒，超过了有近百年经验的丰田汽车的58秒/辆。而后来更加没有汽车制造经验的中国理想汽车常州工厂的月产出也已接近特斯拉的水平。 

 

本例子说明：没有汽车经验的后来居上，创新的设计和标准化的自动流水生产线的重要性。

 

（三）铁路智能调度指挥管理系统   

 

铁路智能调度指挥系统的关键指标：安全性、准时率、运力产出。

 

全国现在每天开行客运列车大约6000趟，其中高铁动车4500趟左右，每天运送旅客500万人左右，这还没有包括比公路运输货物量还要多的货运列车。火车种类有10来种，不同线路的轨道、不同速度、不同长度、不同重量、不同站点数量、不同停靠时间等等，要安全和准时发车和到达太难了！但是高铁彻底解决了中国10多亿人的出行，尤其是春节团聚巨量人数回家的世纪难题，而铁路智能计划调度指挥系统和信号传感传输也是关键之一。

 

铁路智能计划调度指挥系统的特点：

 

（1）安全性：自动化的列车调度控制和信号系统能够显著降低人为错误，提高了铁路运输的安全性，减少碰撞和其他安全隐患的发生。

 

（2）自动化调度：列车调度过程自动化，系统能够根据列车运行状况、交通突发状况、故障和运营要求等因素自动优化列车的调度计划，做到了准时性，提高了列车的运行效率。 

 

（3）运行效率高：铁路调度系统通过优化列车的运行间隔、减少停车时间等方式提升运行效率，并根据实时数据和算法自动调整列车等运行计划，避免延误和拥堵。

 

（4）实时信息可视化：调度员可以通过系统监控列车的位置、速度、运行状况等关键信息。这将使得调度决策更加准确和及时。

 

（5）资源利用优化：能够更精准地分配和利用轨道、站台等资源，合理安排列车的停靠和调度，避免资源的浪费和不均衡利用。

 

本例子说明：高铁火车这样要求最安全、最准时、多品种、多变量、多站点等最复杂情况，都能做到的智能调度指挥系统，对其他行业，也完全能够做得到。 

 

（四）快递包裹中央分拣智能管理系统

 

例子：顺丰快递华南区深圳快递包裹智能管理系统每小时分拣7.1万个，是原来人工的150倍，正常情况第二天寄到。

 

本例子说明：全自动化流水线的智能管理系统，对提升效率的重要性。 

 

四、创新PCB制造模式的思考&探讨

 

从其他行业的制造模式，我们能提炼出怎样的PCB制造模式创新方案？

 

（一）价值导向的智能制造赋予新的先进性定义和高标准、创造更高价值，不能搞形式主义。

 

（二）制定PCB的按产品细分类的产品标准，到目前为止，无论是PCB的中国国家标准，还是美国IPC标准、国际电工委员会IEC标准和日本JPCA标准，PCB产品标准都很粗糙，只是单面板、双面板和多层板等几个产品标准，那么厚厚的标准实际上都是技术标准，大部分不是产品标准。我们应尽快组织模仿服装行业制定国标或联合其他国家的同行，来研究制定PCB细化的产品标准，这个标准只要覆盖60%以上产品就是PCB行业的巨大进步。

 

（三）智能制造：PCB行业内，引入阿里、腾讯、百度、华为等大企业的加入和技术协助，大幅度地提升行业APS、AVI、化工药液槽现场测定传感器和AI+机械手、机器人的协同水平、自动控制水平和智能决策水平。

 

（四）颠覆性的工厂工艺流程布局：从下料开始一直到包装入库，全部自动化的连续生产不间断的流水线，建立所谓的1#生产线，2#生产线，3#生产线……，没有隔断房间，除了特殊区域，设备头尾相接，没有断点，个别用立体轨道输送产品，有异常被输送到线边仓或缓冲区（类似火车站，各个大小火车站或者编组站就是缓存缓冲重组的大小区域）。

 

（五）大拼版设计和工艺分类标准化：1米宽大板子拼版设计和定义产品工艺标准化，大幅宽就是大产能。尽可能合并相似工艺同类项，大幅度提高企业本身的企业标准水平，而不是过度依赖PCB行业的产品标准或等待PCB行业细化的产品标准。

 

（六）不是单台设备而是创新设计和制造大生产线：

 

（1）创新研发1米宽的设备和定义几种标准规格的设备研发或联合研发和生产。 

 

（2）创新研发多工序大段的整套生产线或牵头组织制造全部整套生产线。 

 

（3）创新研发多通道垂直生产线（相对应现在的单通道垂直生产线，比如垂直电镀线相对应现在的单通道垂直生产线，比如垂直电镀线）或多层水平线（相对应现在的单层水平生产线，比如显影蚀刻剥膜水平线），让产能几倍地提升 。

 

（七）要大量省人和高的人均产出：惊人的缩短生产周期大量节省人员，当然也会增加有技术的智能制造人员和技工。   

 

（八）节能减排：单位时间产能大幅度提升，那么生产同样单位面积PCB：电消耗、废水废气排放和碳中和也将减少。 

 

五、创新PCB制造模式或智能制造模式的顶层设计建议

 

对于创新PCB制造模式，或者PCB智能制造而言，我们应该如何去设计整体架构？我们应该从哪些方面体现先进性？

 

（一）指导思想 

 

（1）推动中国甚至世界PCB行业智能制造迈上实质性的台阶。

 

（2）创建PCB制造新模式，即更智能、更先进、创造更高价值的PCB制造模式。

 

（二）目标设计  

（1）具有AI功能的自动排产系统APS

（2）生产调度预警控制指挥中心

（3）使用AI技术的AVI等AI机器人代替绝大部分人工 

（4）生产周期缩短三分之二以上

（5）同等情况产能提升50%以上

（6）新流水线产能提升300%以上  

（7）变动成本大幅下降50%以上

（8）人数节省65%以上

（9）品质提升30%以上  

（10）节能减排&碳中和指标明显改善  

 

（三）任务设计

 

组织的落实牵引、PCB细分产品标准的研发和制定、软硬件的技术研发、实施的团队、实验工厂的建立和验证完善和资金的落实等。

 

（1）组织的落实牵引：组织行业尤其头部企业推动中国PCB行业制造模式大变革，形成PCB智能制造的中国模式，成为引领世界的先进的PCB制造模式。  

 

（2）研发和制定PCB细分的产品标准：细分的产品标准的研发，不能包罗万象，只要覆盖了产品的大部分，就是这个PCB行业产品标准的成功，包括由现在的单面、双面和多层板等几种产品标准，去参考类似服装等其他行业易于大批量流水线生产的细化的产品标准、工艺技术标准、主要设备标准和主要生产线标准等，并且大力推广和完善中国PCB行业的细分产品标准，使中国的PCB产品标准处于世界PCB标准的领先水平。

 

（3）软硬件的技术研发：要对PCB行业的制造所需的软硬件系统进行技术研发，包括：

 

（a）研发硬件系统：从仓库、开料、内层、压合、外层、……、表面处理、外形等一直到包装再到入库上货架的全套自动化流水生产线；或者上下工序多工序连成线的分段式自动化流水生产线，分段式物流包括AGV的流转设备；实现包括化工药液等内的在线分析数字化的多种传感器等，进而实现自动分析自动添加的自动化智能化。绝大部分生产工序做到让产品PCB板子不下线连续不间断流转，就解决了这个PCB传统行业需要接板子和上板子人多的主要问题之一。

 

（b）研发软件系统：在PCB这个传统行业，深度运用人工智能（AI）、智能云等，应用在局部工序的AVI等设备绝大部分去代替在PCB行业用人最多的外观检验工序；应用在工厂整体的智能计划调度系统（APS），结合仓库管理系统（WMS）、制造执行管理系统（MES）和品质管理系统（QMS）以及废水废气环保管理系统（PEMS）、安全管理系统（SMS）、能源管理系统（EMS）等构成工厂的智能管理系统。这方面也需要AI技术强大的阿里、百度、腾讯这样的大公司参与进来研发。

 

（4）挑选试验工厂：建设实验工厂和实验自动化流水生产线，对新标准、新技术、新设计、新生产线、新软件如APS等，以及新自动化流水生产线和智能计划调度系统等进行实验验证和改进完善。

 

（5）组织：由协会、行业头部企业和积极参与的企业组织。

 

（6）选拔实施团队：各参与单位的专业人士、国内外招聘专业人士。

 

（7）筹集资金：行业内外筹集资金，用于组织、推动PCB智能制造的创新发展。

 

结束语

 

我们相信，在市场发展需要、价值驱动、AI+对智能制造变革的巨大压力驱动下，更智能、更先进、更高效率、更好品质、更低成本、更有竞争力和更被客户认可的PCB智能制造模式，将彻底取代现在传统的制造模式，力争中国PCB制造模式处于全球PCB行业智能制造的领先水平，中国的PCB行业发展的前景和潜力将变得更加广阔。

 

作者简介：柴志强，研究员级高工，曾多年任安捷利实业有限公司总经理。从事光机、激光和电子产品制造十余年，PCB制造三十余年。拥有丰富的PCB行业制造技术和经营管理经验、以及工厂的数字化转型升级和智能制造经验。