基于数字孪生的喷淋系统设计方法

技术领域

本发明涉及对精密的且难以直接观测结构的产品的数字孪生监测领域，尤其是涉及蚀刻中的一种基于数字孪生技术的喷淋系统设计方法。

背景技术

柔性印刷电路板(FPCB)的生产过程中，蚀刻作为一个重要环节，它指的是在一定温度条件下，蚀刻药液经过喷头均匀喷淋到铜箔表面，与没有蚀刻阻剂保护的铜发生氧化还原反应，而将不需要的铜反应掉，露出基材再经过剥膜处理后使线路成形。而喷淋系统的设计又直接影响到蚀刻效果。在传统方法中，通过对不同材料、不同规格产品进行数十次的蚀刻效果验证获取工艺参数的经验值，然后再根据经验值设置蚀刻液的工艺参数进行加工生产，最终蚀刻效果只能在作业完成后进行判定。并且由于所加工的铜层均是微米级别的具有精密结构的产品，难以直接观测，现有技术对产品在生产过程中的加工状态无法进行监测。显然，传统方法验证效率低，成本高，浪费多，最终生产的产品合格率低。原因有以下几点：首先，传统方法在验证过程中，验证获取经验值的方法只能根据之前类似产品的经验值对工艺参数进行不断补偿，验证时如果补偿值不合理，需要进行多次蚀刻验证，并且只适用于已经获取经验值的产品类型，如果新材料新产品的导入需再次进行复杂的验证过程，极大地浪费了时间、材料、人工以及制造工具成本。更重要的是，在产品蚀刻过程中，由于加工条件及环境因素的不确定性改变会引起蚀刻液工艺参数的改变，传统方法对加工过程中蚀刻液工艺参数的改变未知，对蚀刻过程中铜层蚀刻的状态也不清楚，最终蚀刻效果也不可预知，只能在蚀刻过程全部完成后进行判定。

发明内容

本发明提出了一种基于数字孪生技术的喷淋系统设计方法。首先，构建喷淋系统的数字孪生体数据库，通过事先的建模仿真过程得出不同工艺参数下的标准铜层体积分数图及参数误差范围。然后，通过传感器在线实时感知喷淋数据，监测因加工条件、环境因素的变化引起的蚀刻液工艺参数的改变。数字孪生体数据库接收喷淋数据后，从而根据对应的工艺参数调出当前加工状态的数字孪生图像，并且输出一个参数误差范围；最后，调试人员观测到当前加工状态下铜层蚀刻效果的数字孪生图像，参考系统给出的参数误差范围后，再对喷淋系统实体进行实时调控。

根据本发明实施例的一方面，提供一种喷淋系统设计方法，包括：

构建所述喷淋系统的数字孪生体数据库，通过建模仿真计算得到不同工艺参数下的铜层体积分数结果，并确定良质产品的工艺参数范围；

通过传感器实时感知和采集喷淋数据，并将所述喷淋数据实时传送到所述数字孪生体数据库中，所述数字孪生体数据库接收所述喷淋数据，根据所述喷淋数据对应的工艺参数调出当前加工状态下铜层蚀刻效果的数字孪生图像，并输出其相对于良质产品工艺参数误差范围；

根据当前加工状态下铜层蚀刻效果的数字孪生图像，并且以所述工艺参数误差范围作为参考，对所述喷淋系统的蚀刻液工艺参数进行实时调控，直至所述工艺参数误差范围达到设定范围，蚀刻出良质产品。

在一些示例中，在建立所述数字孪生体数据库时根据对比观测实验样品的蚀刻轮廓图指定若干个情况下的结果是符合标准的，调出不同数字孪生图像下的工艺参数，对比来自传感器的所述喷淋数据和符合标准的蚀刻轮廓图所对应的喷淋数据，输出所述工艺参数误差范围。

本发明通过对喷淋系统数字孪生体数据库的构建，实现了对具有精密结构的产品的加工过程进行实时监控，并且对于蚀刻过程中因加工条件或环境因素而引起的蚀刻液工艺参数的改变能做出快速响应和及时调整。同时参考喷淋系统数字孪生体输出的参数误差范围，实现了对工艺参数的预测性调控，省去了传统方法的验证过程，提高了对喷淋系统实体的调控精确度与加工效率，保证了蚀刻产品的合格率，节约了时间与经济成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是基于数字孪生技术的喷淋系统设计方法的逻辑图。

具体实施方式

在传统的喷淋系统设计中，需要通过很多次的验证来确定具体的工艺参数，然而在喷淋系统运行时，又会由于加工条件、环境因素等不确定性变化引起工艺参数的改变，并且由于FPCB的加工过程是高精密的，所蚀刻的铜层均为微米级别，现有技术无法对这样具有精密结构且难以直接观测的产品在加工时的状态进行实时监测，导致铜层蚀刻效果的不可预知，最终加工出来的产品就会不合格。

本发明为喷淋系统实体加上传感设备，实时在线监测工艺参数的变化；同时，构建喷淋系统数字孪生体数据库，确定良质产品的工艺参数范围，并模拟在不同工艺参数下与喷淋系统实体相同环境下铜层的蚀刻图像。数字孪生体数据库接收喷淋系统实体传输的喷淋数据后，即调出当前加工状态下铜层蚀刻效果的数字孪生图像，并输出其相对于良质产品工艺参数误差范围，调试人员一方面能够实时监测到铜层蚀刻的真实状态，另一方面又能通过以孪生系统给出的参数误差范围为参考，对喷淋系统实体的蚀刻液工艺参数进行预测性调控，直至参数误差范围达到设定范围，蚀刻出良质产品。省去验证步骤，预防盲目调控，保证蚀刻产品的合格率，节约了时间和经济成本。不再如同传统方法只适用于已经获取经验值的产品类型，而是同样适用于新产品、新材料的蚀刻仿真模拟。

图1示出了基于数字孪生技术的喷淋系统设计方法的逻辑图，该方法包括以下步骤：

S1，构建喷淋系统的数字孪生体数据库，通过建模仿真计算得到不同工艺参数下的铜层体积分数结果，并确定良质产品的工艺参数范围。

S2，喷淋系统通过传感器实时感知和采集喷淋数据，并将所述喷淋数据实时传送到所述数字孪生体数据库中，所述数字孪生体数据库接收所述喷淋数据，根据所述喷淋数据对应的工艺参数调出当前加工状态下铜层蚀刻效果的数字孪生图像，并输出其相对于良质产品工艺参数误差范围。

S3，调试人员观测当前加工状态下铜层蚀刻效果的数字孪生图像，并且以所述数字孪生系统输出的参数误差范围作为参考，再通过调控设备对所述喷淋系统的蚀刻液工艺参数进行实时调控，直至参数误差范围达到设定范围，蚀刻出良质产品。

数字孪生体数据库的构建包括三个步骤：

第一步，通过动态数据建模的方式建立喷淋系统工艺数据模型，在蚀刻液温度参数范围，每隔特定温度取一个温度工艺值存入工艺数据库；在蚀刻液浓度参数范围，每隔特定浓度取一个浓度工艺值存入工艺数据库；在蚀刻液喷淋压力参数范围，每隔特定压力取一个喷淋压力工艺值存入工艺数据库；例如，蚀刻液的温度参数范围为20℃至45℃，每隔0.1℃取一个温度工艺值存入工艺数据库；蚀刻液浓度参数范围为1.5mol/L至2.5mol/L，每隔0.05mol/L取一个浓度工艺值存入工艺数据库；蚀刻液喷淋压力参数范围为0.2MPa至0.3MPa，每隔0.01MPa取一个喷淋压力工艺值存入工艺数据库。

第二步，建立仿真模型，采用三维几何建模软件创建蚀刻域的三维几何模型，模型包括供水管、供水管上的喷头、喷头喷口角度等特征参数；使用有限元网格划分软件划分网格，对于喷头喷口处尺寸较小的结构，可以采用按等比例0.01划分网格，保证计算精度；利用多物理场耦合仿真软件，计算铜层蚀刻过程中的热力学场、流体场以及物质浓度分布，研究铜层蚀刻腔在加工过程中的变化。

第三步，基于多物理场耦合仿真结果，得到铜层体积分数图和流体压力分布图。数字孪生体模型的构建是基于Comsol Multiphysics化学反应工程模块和流体力学仿真模块，定义相应蚀刻液通过扩散和对流提供的刻蚀物质的质量通量，并定义蚀刻液的流场性质，模拟蚀刻液在FPCB板上蚀刻的化学反应过程及流动特性。

工艺数据模型的构建：传感器实时获取的工艺数据(喷淋数据)包括蚀刻液的温度、蚀刻液的浓度以及喷淋压力，分别用温度传感器、液体浓度传感器和压力传感器这三种传感设备测出。传感器通过程序将模拟信号转化为数字信号，如将温度20℃设定为二进制数据00000000，则20.1℃为00000001。以此类推，蚀刻液浓度以及喷淋压强的数据也进行相同的数字化处理。另外，所述喷淋数据通过工厂内部网络在喷淋系统数字孪生体与喷淋系统实体之间进行传递。

所述数字孪生体数据库得出所述工艺参数误差范围的过程为：在建立所述数字孪生体数据库时根据对比观测实验样品的蚀刻轮廓图指定若干个情况下的结果是符合标准的，且使用二进制代码进行标记。系统通过对比来自传感器的二进制代码和预先标记的二进制代码，调出不同数字孪生图像下的工艺参数，通过对传感器得到工艺数据与仿真中符合标准的数据进行计算，输出一个参数误差范围。

所述喷淋系统实体的调控：调试人员根据所述数字孪生体数据库输出的结果，观测当前加工状态下铜层体积分数图，并且以数字孪生系统输出的参数误差范围作为参考，再通过调控设备对所述喷淋系统实体的蚀刻液工艺参数进行实时调控。

孪生体与实体的联系：在此发明实例中，通过数字孪生体数据库的构建对喷淋系统及其边界条件进行了必要的高精度建模，模拟不同工艺参数下喷淋系统工作时的真实环境状态，从而得出不同工艺参数下铜层蚀刻的真实情况。在喷淋系统实体中，传感器在线实时监测喷淋数据，数字孪生体根据所述喷淋数据，再从数据库中调出对应加工状态下的数字孪生图像，并输出参数误差范围。

如上所述，实现本发明所需硬件和软件设备包括喷淋系统实体调控设备、喷淋系统实体信号传感设备、数字孪生体数据库、数字孪生体数据库与喷淋系统实体之间的网络通信系统。基于数字孪生技术的喷淋系统设计方法主要包括以下几部分：(1)实际工艺环境传感设备数据采集；现有传感器如温度传感器、液体浓度传感器、压力传感器等可以有效采集实际喷淋数据的感知设备均可在此喷淋系统设计方法中使用；(2)网络通信数据传输；(3)数字孪生体数据库图像调用；(4)铜层蚀刻效果的可视化展示，可视化手段包括但不限于图像；(5)对应数据映射到数据库，对传感器监测的喷淋数据中的各参数进行在线辨识，从而使数据库能够调出准确表达现实环境中喷淋系统运行时的铜层蚀刻状态的孪生图像，提高数字孪生体与喷淋系统实体的匹配性，保证能够基于数字孪生体，对尺度为微米级别的铜层的蚀刻状态进行实时有效的监控。(6)通过以孪生系统给出的参数误差范围作为参考，对喷淋系统实体的工艺参数进行预测性调控，对因加工条件或环境因素而引起变化的工艺参数进行及时调控。