Technische vooruitgang achter Industrie 4.0 brengt nieuwe uitdagingen voor PCB-productie

Industrie 4.0 belooft enorme winsten in de efficiëntie en productiviteit van fabrieksgegevensautomatisering, mede dankzij parallelle ontwikkelingen in de automobielindustrie, het internet der dingen (IoT) en kunstmatige intelligentie (AI). Als we naar de toekomst kijken, kunnen we ons industriële processen voorstellen waarbij machines verantwoordelijk zijn voor specifieke "aangeleerde" taken, waarbij gebruik wordt gemaakt van gesloten feedbacklussen waarbij zeer gedetailleerde productiegegevens in realtime worden bewaakt en gerapporteerd, en gedetecteerde afwijkingen automatisch leiden tot aanpassingen van de bronparameter. Op deze manier zullen de systemen zichzelf controleren en corrigeren, en de opbrengsten stijgen aanzienlijk.

Dit proces zal duizelingwekkend grote hoeveelheden gegevens genereren die moeten worden benut en geanalyseerd - een enorme uitdaging om te beheren, maar absoluut noodzakelijk voor machine learning (ML), waarbij AI-systemen zijn ontworpen om elk laatste beetje beschikbare informatie te absorberen en te "leren". Hoewel de elektronica-industrie nog ver verwijderd is van het bereiken van dit niveau van automatisering en intelligentie, is de evolutie naar Industrie 4.0 in volle gang, zoals blijkt uit recente trends in de PCB-productiemarkt.

PCB-fabrikanten staan ​​onder toenemende druk om steeds gedetailleerdere gegevens te verstrekken over elke afgewerkte PCB-eenheid die op hun werkvloer wordt geproduceerd, zodat hun klanten PCB-defecten in de hele toeleveringsketen snel kunnen identificeren, volgen en oplossen met de hoogste niveaus van gegevensgranulariteit. Om deze uitdaging aan te gaan, voeren PCB-fabrikanten procesaanpassingen uit die PCB-productiegegevens en oorzaakanalyses in elke fase van het productieproces vastleggen. Het proces genereert enorme databases met productiegegevens die uiteindelijk helpen om volledig inzicht in het productieproces te bieden, de functionele integriteit van elke afzonderlijke laag binnen een bepaalde PCB te beoordelen en de status van het apparaat te bewaken terwijl het door de productielijn gaat.

Bovendien zoeken PCB-fabrikanten naar methoden om slimme fabricage op nieuwe manieren te gebruiken om het algehele proces te verbeteren en probleemgebieden in fabriekssystemen te identificeren. Geavanceerde procescontrole- en visualisatietoepassingen zijn belangrijke componenten van deze strategie en zullen uiteindelijk de enabler worden voor volledig geautomatiseerde fabrieken.

Precisie-tracking op elke laag

De voordelen van traceerbaarheid en procesbeheersing zijn talrijk en sluiten nauw aan bij de kernprincipes van Industrie 4.0. Traceerbaarheid - de mogelijkheid voor fabrikanten om defecten helemaal tot aan de PCB-eenheid te volgen - zorgt voor een betere zichtbaarheid van het proces door het verzamelen van digitale gegevens door de hele productielijn en het rechtstreeks doorsturen van deze gegevens naar het fabricage-uitvoeringssysteem (MES) en de IT-afdeling van de fabriek . Bovendien verhoogt traceerbaarheid de efficiëntie door het opzetten van een gecentraliseerd verbindingspunt voor alle productieapparatuur, en het is kosteneffectief, vooral door de manier waarop het gebruik maakt van analytische tools die een verbeterd rendement en procesbeheer mogelijk maken.

In de praktijk verschilt de traceerbaarheid van PCB's niet van processen voor het volgen van handelswaar en materiaal, voor zover het afhankelijk is van streepjescodes en software. Maar in tegenstelling tot de meeste commerciële goederen, zijn PCB's enorm complex, en de implicaties van een PCB-storing in het veld kunnen bijzonder ernstig zijn, afhankelijk van de aard van het elektronische apparaat waarin het is gehuisvest, of het nu een smartphone, defibrillator of onbemand voertuig is - en alles tussendoor.

Figuur 1. PCB-fabrikanten moeten gegevens verzamelen en volgen.

Het is niet goed genoeg om gewoon een streepjescode van de bovenkant van een afgewerkte PCB te lezen en te volgen, omdat de traceerbaarheid zeer beperkt zal zijn, evenals het vermogen om problemen op te sporen die voortkomen uit een interne PCB-laag. In plaats daarvan moet, in de geest van Industrie 4.0, elke eenheid van elke laag in elke PCB afzonderlijk worden gecodeerd met behulp van geavanceerde barcodemarkering en software, zodat deze logisch kan worden gekoppeld aan de andere eenheden in de lagen van de PCB.

Deze uiterst gedetailleerde benadering zorgt voor end-to-end traceerbaarheid en maakt analyse van de oorzaak mogelijk tot aan elk specifiek PCB-fabricageproces binnen de productielijn. Onder de gedetailleerde gegevens die kunnen worden gevolgd:gebruikte machines en hun parameters en acties, foto's van defecten, datum en tijd van fabricage, naam van de operator, partijnummer en meer.

Deze getraceerde gegevens zijn waardevol voor historische analyse, maar het is even waardevol - of meer - wanneer het wordt verwerkt, geanalyseerd en onmiddellijk wordt teruggekoppeld naar de MES voordat de PCB de fabriek verlaat. Deze gegevens moeten in realtime worden beoordeeld en verwerkt als ze effectief willen worden gebruikt om procesproblemen te identificeren en te corrigeren wanneer ze zich voordoen, waardoor de verspreiding van defecten wordt beperkt. En naarmate ML- en AI-technologie op de voorgrond treden, zal deze realtime gesloten feedbacklus essentieel blijken om echt geautomatiseerde leer- en besluitvormingsprocessen mogelijk te maken.

Groter begrip van productieprocessen

Er is een groeiende behoefte aan volledig inzicht in de productieprocessen van PCB's, die veel verder gaan dan de traceerbaarheid van PCB-eenheden. Tot nu toe konden er geen geautomatiseerde beslissingen worden genomen en zouden operators op de productievloer nooit in de tijd kunnen terugkijken in veel productiesystemen om problemen en trends nauwkeurig te identificeren. De komst van geavanceerde procesbesturing en visualisatie markeert de eerste stappen naar een volledig geautomatiseerde fabriek, mogelijk gemaakt door AI.

Door gebruik te maken van geavanceerde procescontrole en visualisatie, zullen geautomatiseerde en zeer gedetailleerde productierapporten fabrikanten al vroeg in het proces een groot beeld bieden:realtime zichtbaarheid en een defectdistributiekaart over de productie- en inspectiefasen, evenals vanaf het paneelniveau naar individuele PCB-eenheden. PCB-fabrikanten kunnen snel en nauwkeurig defecttrends identificeren tijdens het ontwerp- en fabricageproces met behulp van analyses die zijn verzameld via productiemonitoring.

Op basis van actuele productiegegevens die bruikbare inzichten opleveren, kunnen PCB-fabrikanten vervolgens analyses van de hoofdoorzaken uitvoeren en de feedbacklus met ontwerpers sluiten. Dit verbetert het algehele beheer van de productievloer, wat resulteert in efficiënte, snelle en beter geïnformeerde beslissingen die het productieproces verbeteren. Voordelen kunnen zijn:lagere onderhoudskosten, minder uitvaltijd en hogere productiviteit en effectiviteit.

Gegevens verzamelen, snelheid verzamelen

Hoewel traceerbaarheid een nauwgezette inspanning vereist, wordt het de nieuwe norm voor fabrikanten van embedded PCB's, aangezien ze strijden om hun voordeel in lucratieve markten voor elektronische apparaten met weinig tot geen tolerantie voor defecte producten. Apparaatintegriteit en traceerbaarheid hebben echter een impact die veel verder gaat dan de productbetrouwbaarheid. Het vermogen van een PCB-fabrikant om een ​​hoog niveau van productkwaliteit en opbrengst aan te tonen en te behouden, zal een steeds belangrijkere factor zijn voor klanten die een zeer competitief veld van PCB-leveranciers doorlichten. OEM's van elektronische apparaten voeren steeds meer controle uit op de traceerbaarheidsprocessen van leveranciers en de daaruit voortvloeiende impact op opbrengstberekeningen, wat op zijn beurt de beoordelingen van klanten van de schaalbaarheid van de productie en de kostenstructuren van leveranciers informeert. Met QR-codes (Afbeelding 2) kunnen fabrikanten elk bord volgen.

Afbeelding 2. Met QR-codes kunnen fabrikanten borden volgen terwijl ze door de productie gaan.

Op een hoger niveau zal geavanceerde controle van het fabricageproces essentieel worden voor PCB-leveranciers die op zoek zijn naar nieuwe manieren om productieprocessen in verschillende systemen te verbeteren en de algehele opbrengst te verhogen.

Traceerbaarheid en realtime connectiviteitsmogelijkheden zijn vooral belangrijk voor PCB-leveranciers die strijden om waardevolle overheidssubsidies. Deze trend is het meest uitgesproken in Europa en ook in China, waar het 'Made in China 2025'-plan van de regering een premium waarde hecht aan het inschakelen van Industrie 4.0. Traceerbaarheid en geavanceerde analysetoepassingen zijn voorbereidende stappen in de ontwikkeling van AI-gestuurde systemen. Deze systemen zijn op hun beurt een essentieel element in de race naar een volledig geautomatiseerde productievloer - het uiteindelijke doel van Industrie 4.0 - en PCB-leveranciers willen hier graag hun competenties demonstreren.

De trend naar digitalisering van de productie versnelt onder PCB-leveranciers met massamarktambities in smartphones en premium elektronica. Meer momentum is onvermijdelijk aangezien leveranciers van de volgende generatie PCB's en embedded componenten de snelgroeiende markt voor autonome voertuigen willen bedienen - een markt waarvoor de marge voor apparaatfouten en passagiersveiligheid flinterdun is.

Het is deze markt die waarschijnlijk de vereisten voor PCB-gegevensautomatisering naar het westen zal verspreiden naar geïndustrialiseerde Europese en Noord-/Zuid-Amerikaanse fabrieken. Autonoom rijdende voertuigen (en de robots die ze assembleren) zullen begrijpelijkerwijs onderworpen zijn aan de strengste specificaties voor PCB- en procesintegriteit.

Traceerbaarheid met aanvullende analysetools helpt om de zekerheid te versterken dat de PCB's die voor deze voertuigen zijn bedoeld, gemakkelijk traceerbaar, toegankelijk en aanpasbaar zijn voor procescontroles gedurende de productiecyclus. Op de weg helpt realtime connectiviteit ervoor te zorgen dat onregelmatigheden in het proces worden geïdentificeerd en verholpen onmiddellijk nadat een defect is gedetecteerd. Deze connectiviteit geeft ook inzicht in de machinestatus en gerelateerde waarschuwingen en maakt besturing van machines op afstand mogelijk. Deze mogelijkheden staan ​​centraal in de Industry 4.0-visie en zullen onmisbaar zijn naarmate AI ingang vindt in slimme fabrieksautomatisering.

Tal Lev-Ran is een Industry 4.0 Marketing Manager bij Orbotech Ltd. Ze kwam in 2013 bij het bedrijf en heeft verschillende technische functies bekleed in het productteam voor geautomatiseerde optische inspectie (AOI). Voordat hij bij Orbotech kwam, bekleedde Tal verschillende functies in de halfgeleiderindustrie bij Applied Materials en Numonyx. Ze heeft een ingenieursdiploma behaald aan de Ben Gurion Universiteit van de Negev.