CN110795874A - 一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型。柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型由三部分组成，即物理空间、虚拟空间、以及数据信息链与数据处理***。所述物理空间即柔性电路板制造工艺过程。所述虚拟空间即柔性电路板制造工艺过程模型，在虚拟信息空间构建一个可以表征该柔性电路板制造全生命周期的虚拟实体***模型。所述数据信息链与数据处理***即连接物理空间与虚拟空间的信息传输链，并通过信息处理***对所传输的信息进行人工智能分析的***。柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，对全生命周期生产过程进行实时监控、故障预测与工艺参数优化，提高柔性电路板的成品率、降低产品的生产成本和提高生产效率。

Description

一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型

技术领域

本发明涉及柔性电路板产品制造工艺领域，尤其涉及一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型。

背景技术

柔性电路板作为现代电子产业的根基产品近年来发展迅猛，柔性电路板已经被广泛应用到笔记本电脑、存储卡、数码相机、数码摄像机、手机等电子产品中。柔性印刷电路板以聚酰亚胺作为底板，在其表面附着铜箔作为导体的印刷电路，能为各种电子元器件及IC芯片提供安装支撑，实现信号传输、绝缘以及相互电气连接，具有优良的电气特性。与传统的印制电路板相比，柔性电路板具有轻、薄、短、小且结构灵活等优越性，除了静态弯曲外还能实现动态弯曲、卷曲和折叠。数字孪生是指利用物理模型数据，集成多学科、多尺度的仿真技术，在虚拟空间中实现对物理实体空间的镜像。数字孪生也被称为数字镜像、数字化映射或数字双胞胎，反映了相对应物理实体产品的生产周期过程。

随着市场需求的增加，柔性电路板生产企业也面临着多重考验，其中，如何提高成品率与生产效率成为生产厂家最为关心的问题。但是在传统的柔性电路板制造过程中，大多企业采取的是成品抽检的方法来保证柔性电路板的质量，但其质量必须等到所有工艺结束后才能进行检测，故检测结果存在一定的滞后性。如果在某个工艺出现异常，则有可能会导致大批量的次品。柔性电路板虽外形简单、小巧，但其制造工艺复杂，工艺繁多，制造的各道工艺过程状态很大程度上决定了最终产品的质量。另外，物理检测的信息量有限，必须通过虚拟建模进行深层次、多角度对生产工艺过程进行分析检测，以获得更全面运行状态信息。因此，需要对柔性电路板制造中各工艺过程开发数字孪生模型，建立各工艺过程的数字虚拟模型体，优化各工艺过程的制造参数，实时预测其异常并在故障出现之前及时预警，以提高各工艺过程的制造合格率。因此，研究柔性电路板制造工艺过程的仿真方法，对提高其成品率与生产效率具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是针对目前柔性电路板制造工艺问题，提出一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，以优化各工艺过程的制造参数，实施预测异常。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其由三部分组成，分别是物理空间、虚拟空间以及数据信息传输与处理***；

所述物理空间即柔性电路板制造工艺过程，包括冲孔、涂布、曝光、显影、蚀刻、化锡、分条、以及电测工艺过程；

所述虚拟空间即柔性电路板制造工艺过程模型，在虚拟信息空间构建一个可以表征该柔性电路板制造全生命周期的虚拟实体***模型，包括冲孔热力学模型、涂布流体力学模型、曝光光化学模型、显影化学模型、蚀刻化学模型、化锡检测模型、分条力学模型、以及电测数据库模型；

所述数据信息传输与处理***即连接物理空间与虚拟空间的数据信息传输链，并通过数据处理平台对物理空间的制造过程实时数据与工艺参数，以及虚拟空间各模型的输出参数进行人工智能分析的***。

进一步的，所述数据数据信息传输与处理***，将物理空间的制造过程实时数据与工艺参数传输给虚拟空间与数据处理平台，将虚拟空间模型输出参数传输到数据处理平台，将数据处理平台的输出的优化后的工艺参数数据传输到物理空间。

进一步的，所述数据处理平台基于制造过程实时数据与工艺参数全生命周期大样本数据，以及基于虚拟空间得出的全生命周期大样本数据，优化工艺参数，并通过机器学习实现对产能、效率以及可能出现的生产瓶颈等问题的提前预判，最终预测成品率与生产效率。

进一步地，所述冲孔包含了冲孔工艺以及冲孔信息采集过程，冲孔工艺指的是通过钻头对电路板进行机械钻孔，冲孔信息采集过程指的是对钻头坐标信息采集、切屑形貌图像采集、钻削力监控与钻削温度监控；

所述冲孔热力学模型为冲孔工艺过程的有限元实体模型，以冲孔工艺采集得到的信息作为仿真输入，对钻头与电路板进行热力学分析，计算出电路板全模型热力学数据。

进一步地，所述涂布包含了涂布工艺以及涂布信息采集过程，涂布工艺指的是将涂布材料通过干膜法对电路板进行涂布操作，涂布信息采集过程指的是对涂布材料的面积、厚度与温度信息采集；

所述涂布流体力学模型为涂布工艺的有限元模型，以涂布材料的面积、厚度与温度信息作为仿真输入，对涂布材料进行流体力学仿真，计算涂布材料的均匀度与图型的精细度。

进一步地，所述曝光包含了曝光工艺与曝光工艺的信息采集过程，曝光工艺是将电路板与曝光机对准，并通过曝光机对电路板进行曝光的工艺，曝光的信息采集过程是指采集光频率与曝光时间数据。

所述曝光光化学模型为材料与光作用的光化学模型，以电路板的材料参数、曝光的光频率、曝光时间作为输入参数，计算光聚合反应，得出材料的曝光改性率数据。

进一步地，所述显影包含了显影工艺与显影工艺的信息采集过程。显影工艺是将曝光的电路板放在显影液里冲洗，未曝光的干膜可溶于显影液，曝光的干膜不能溶解，所以经过显影形成干膜图形。显影信息采集是采集显影液材料、温度和冲洗时长信息。

所述显影化学模型为电路板干膜与显影液的化学反应第一性原理模型，以显影液材料、温度与冲洗时长为输入参数，通过第一性原理计算方法，计算出反应活化能与干膜的溶解度，预测干膜图形的清晰度与精细度。

进一步地，所述蚀刻包含了蚀刻工艺与蚀刻工艺的信息采集过程。蚀刻为将电路板放在蚀刻液里蚀刻，干膜据有抗蚀刻性，盖膜的地方保护了底下的铜，而露在外表的铜被蚀刻掉，这样就形成了带干膜和带铜的电路图形。蚀刻信息采集为采集干膜材料、蚀刻液材料、蚀刻液温度与电路图形几何参数信息。

所述蚀刻化学模型为电路板与蚀刻液作用的化学反应第一性原理模型，以干膜材料、蚀刻液材料与蚀刻液温度为输入参数，通过第一性原理计算方法，计算反应活化能。

进一步地，所述化锡为化锡工艺与化锡工艺的信息采集过程。化锡指的是用化学方法在电路板焊盘位置，沉积一层锡，厚度约为10～30微米。化锡工艺的信息采集为采集沉积后锡的形状信息与温度信息。

所述化锡热力学模型为通过采集沉积后锡的形状信息与温度信息后，建立的包含温度信息的锡材料几何模型，计算其应力分布情况。

进一步地，所述分条为分条工艺与分条工艺的信息采集过程。分条工艺为通过分条机将整块电路板自动切割为多个独立电路板。分条工艺的信息采集过程为采集分条工艺中电路板应力与温度信息。

所述分条力学模型，通过建立整块电路板与分条机的机械模型，对切割过程进行动力学和静力学仿真，计算切割尺寸精确度。

进一步地，所述电测为电测工艺与电测工艺的信息采集过程。电测工艺为通过电阻测量仪器对电路板进行开关路检测。电测工艺的信息采集过程为采集电路板各线路电阻信息。

所述电测数据库模型，将采集的电路板各线路电阻信息收集并建立数据库，通过基于贝叶斯方法的机器学习算法预测电路板各线路电阻的故障率。

本发明的优点在于：

建立用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，对全生命周期生产过程进行实时监控、故障预测与工艺参数优化。相比于通过单一工艺模型实现工艺优化与预测单一工艺中的故障率，数字孪生模型能够更加快速精确的实现整体生产过程工艺优化并更加精确预测各工艺故障率，最终提高柔性电路板的成品率、降低产品的生产成本和提高生产效率。

附图说明

图1为一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明实施例提供一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型。

在冲孔工艺中，对钻头坐标信息、切屑形貌图像信息、钻削力与钻削温度进行监控与采集，并将该数据传输至冲孔工艺热力学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间冲孔工艺所对应的冲孔工艺热力学模型，构建冲孔工艺过程的有限元实体模型，根据傅里叶传热定律和能量守恒定律建立热传导控制方程，以冲孔工艺采集得到的信息作为仿真输入，基于热传导有限元法，对钻头与电路板进行热力学分析，计算得到电路板全模型热力学数据，并将电路板全模型热力学数据传输至数据处理平台中。

在涂布工艺中，采集涂布材料的面积、厚度与温度信息数据，并将该数据传输至涂布流体力学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间涂布工艺所对应的涂布流体力学模型，以涂布材料的面积、厚度与温度信息作为仿真输入，基于计算流体动力学法，对模型进行划分网格、设置计算边界条件，最后对涂布材料进行流体力学仿真，计算涂布材料的均匀度与图型的精细度，并将涂布材料的均匀度与图型的精细度数据传输至数据处理平台中。

在曝光工艺中，采集光频率与曝光时间数据，并将该数据传输至曝光光化学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间曝光工艺所对应的曝光光化学模型，以电路板的材料参数、曝光的光频率、曝光时间作为输入参数，基于密度泛函理论，选取仿真过程中的交换关联泛函与赝势等参数，通过第一性原理软件仿真出光聚合反应，得出材料的曝光改性率数据，并将材料的曝光改性率数据输至数据处理平台中。

在显影工艺中，采集显影液材料、温度和冲洗时长信息数据，并将该数据传输至显影化学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间显影工艺所对应的显影化学模型，以显影液材料、温度与冲洗时长为输入参数，基于密度泛函理论，选取仿真过程中的交换关联泛函与赝势等参数，通过第一性原理计算方法，计算出反应活化能与干膜的溶解度，并将材料的反应活化能与干膜的溶解度数据输至数据处理平台中。

在蚀刻工艺中，采集干膜材料、蚀刻液材料、蚀刻液温度与电路图形几何参数信息，并将该数据传输至蚀刻化学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间蚀刻工艺所对应的蚀刻化学模型，以干膜材料、蚀刻液材料与蚀刻液温度为输入参数，基于密度泛函理论，选取仿真过程中的交换关联泛函与赝势等参数，通过第一性原理计算方法，计算反应活化能，并将反应活化能数据输至数据处理平台中。

在化锡工艺中，采集沉积后锡的形状信息与温度信息，并将该数据传输至化锡热力学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间化锡工艺所对应的化锡热力学模型，根据傅里叶传热定律和能量守恒定律建立热传导控制方程，以沉积后锡的形状信息与温度信息为输入参数，基于热传导有限元法，建立的包含温度信息的锡材料几何模型，计算其应力分布情况，并将应力分布数据输至数据处理平台中。

在分条工艺中，采集分条工艺中电路板应力与温度信息，并将该数据传输至分条力学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间分条工艺所对应的分条力学模型，通过建立整块电路板与分条机的机械模型，通过机械***动力学自动分析软件与有限元静力学分析软件，对切割过程进行动力学和静力学仿真，计算切割尺寸精确度，并将切割尺寸精确度数据输至数据处理平台中。

在电测工艺中，采集电路板各线路电阻信息，并将该数据传输至分条力学模型与数据处理平台中。

在虚拟空间中建立与物理空间电测工艺所对应的电测数据库模型，集的电路板各线路电阻信息收集并建立数据库，通过基于贝叶斯方法的机器学***台中。

建立用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，对全生命周期生产过程进行实时监控、故障预测与工艺参数优化，提高柔性电路板的成品率、降低产品的生产成本和提高生产效率。

数据处理平台基于制造过程实时数据与工艺参数全生命周期大样本数据，以及基于虚拟空间输出的全生命周期大样本数据，通过深度学习预测局部零件故障率以及整体故障率。实时优化工艺参数，并将优化后的工艺参数传递给物理空间中各个制造工艺过程，进而提高各个制造工艺过程的生产效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：其由三部分组成，分别是物理空间、虚拟空间以及数据信息传输与处理***；

所述物理空间即柔性电路板制造工艺过程，包括冲孔、涂布、曝光、显影、蚀刻、化锡、分条、以及电测工艺过程；

所述虚拟空间即柔性电路板制造工艺过程模型，在虚拟信息空间构建一个可以表征该柔性电路板制造全生命周期的虚拟实体***模型，包括冲孔热力学模型、涂布流体力学模型、曝光光化学模型、显影化学模型、蚀刻化学模型、化锡检测模型、分条力学模型、以及电测数据库模型；

所述数据信息传输与处理***即连接物理空间与虚拟空间的数据信息传输链，并通过数据处理平台对物理空间的制造过程实时数据与工艺参数，以及虚拟空间各模型的输出参数进行人工智能分析的***。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述数据数据信息传输与处理***，将物理空间的制造过程实时数据与工艺参数传输给虚拟空间与数据处理平台，将虚拟空间模型输出参数传输到数据处理平台，将数据处理平台的输出的优化后的工艺参数数据传输到物理空间。

3.根据权利要求2所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述数据处理平台基于制造过程实时数据与工艺参数全生命周期大样本数据以及基于虚拟空间得出的全生命周期大样本数据来优化工艺参数，并通过机器学习实现对产能、效率以及可能出现的生产瓶颈等问题的提前预判，最终预测成品率与生产效率。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述冲孔包含了冲孔工艺以及冲孔信息采集过程，冲孔工艺指的是通过钻头对电路板进行机械钻孔，冲孔信息采集过程指的是对钻头坐标信息采集、切屑形貌图像采集、钻削力监控与钻削温度监控；

所述冲孔热力学模型为冲孔工艺过程的有限元实体模型，以冲孔工艺采集得到的信息作为仿真输入，对钻头与电路板进行热力学分析，计算出电路板全模型热力学数据。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述涂布包含了涂布工艺以及涂布信息采集过程，涂布工艺指的是将涂布材料通过干膜法对电路板进行涂布操作，涂布信息采集过程指的是对涂布材料的面积、厚度与温度信息采集；

所述涂布流体力学模型为涂布工艺的有限元模型，以涂布材料的面积、厚度与温度信息作为仿真输入，对涂布材料进行流体力学仿真，计算涂布材料的均匀度与图型的精细度。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述曝光包含了曝光工艺与曝光工艺的信息采集过程，曝光工艺是将电路板与曝光机对准，并通过曝光机对电路板进行曝光的工艺，曝光的信息采集过程是指采集光频率与曝光时间数据；

所述曝光光化学模型为材料与光作用的光化学模型，以电路板的材料参数、曝光的光频率、曝光时间作为输入参数，计算光聚合反应，得出材料的曝光改性率数据。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述显影包含了显影工艺与显影工艺的信息采集过程，显影工艺是将曝光的电路板放在显影液里冲洗，未曝光的干膜可溶于显影液，曝光的干膜不能溶解，所以经过显影形成干膜图形；显影信息采集是采集显影液材料、温度和冲洗时长信息；

所述显影化学模型为电路板干膜与显影液的化学反应第一性原理模型，以显影液材料、温度与冲洗时长为输入参数，通过第一性原理计算方法，计算出反应活化能与干膜的溶解度，预测干膜图形的清晰度与精细度。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述蚀刻包含了蚀刻工艺与蚀刻工艺的信息采集过程，蚀刻为将电路板放在蚀刻液里蚀刻，干膜具有抗蚀刻性，盖膜的地方保护了底下的铜，而露在外表的铜被蚀刻掉，这样就形成了带干膜和带铜的电路图形；蚀刻信息采集为采集干膜材料、蚀刻液材料、蚀刻液温度与电路图形几何参数信息；

所述蚀刻化学模型为电路板与蚀刻液作用的化学反应第一性原理模型，以干膜材料、蚀刻液材料与蚀刻液温度为输入参数，通过第一性原理计算方法，计算反应活化能。

9.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述化锡为化锡工艺与化锡工艺的信息采集过程，化锡工艺指的是用化学方法在电路板焊盘位置，沉积一层锡，厚度为10～30微米；化锡工艺的信息采集为采集沉积后锡的形状信息与温度信息；

所述化锡热力学模型为通过采集沉积后锡的形状信息与温度信息后，建立的包含温度信息的锡材料几何模型，计算其应力分布情况。

10.根据权利要求1、2或3所述的一种用于柔性电路板制造工艺过程的数字孪生模型，其特征在于：所述分条为分条工艺与分条工艺的信息采集过程；分条工艺为通过分条机将整块电路板自动切割为多个独立电路板，分条工艺的信息采集过程为采集分条工艺中电路板应力与温度信息；

所述分条力学模型，通过建立整块电路板与分条机的机械模型，对切割过程进行动力学和静力学仿真，计算切割尺寸精确度；

所述电测为电测工艺与电测工艺的信息采集过程，电测工艺为通过电阻测量仪器对电路板进行开关路检测，电测工艺的信息采集过程为采集电路板各线路电阻信息；

所述电测数据库模型，将采集的电路板各线路电阻信息收集并建立数据库，通过基于贝叶斯方法的机器学习算法预测电路板各线路电阻的故障率。

Images